張 雷

新疆機場（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830016

當前國民經濟快速發(fā)展，智慧城市建設興起，作為重要交通樞紐的機場，其建設也隨之成為行業(yè)建設關注的焦點。中國民用航空局提出“四型機場”建設，以平安、綠色、智慧、人文為核心，而多種技術融合創(chuàng)新應用是當前四型機場建設的必然選擇，GIS與BIM技術的融合創(chuàng)新應用，為四型機場的建設提供了創(chuàng)新應用手段。

烏魯木齊機場對標中國民用航空局《中國民航四型機場建設行動綱要》要求，結合先進技術在烏魯木齊機場改擴建過程中積極探索及實踐，建立了全國機場改擴建指揮部首個BIM管理中心，其利用BIM+GIS融合技術為機場的規(guī)劃設計、建設、投運提供了技術保障。

BIM管理中心在推廣BIM+GIS融合應用的過程中進行了積極探索，如對管理機構的建立、技術培訓、人員培訓、應用場景等方面進行了大量的前期準備工作。文章通過烏魯木齊機場建設對GIS+BIM融合技術的應用進行具體論述。

1 數字孿生機場建設的必要技術手段

數字孿生機場是智慧機場的起點，是智慧機場的基礎設施，其以構建機場的數字模型為基礎，實現物理機場與數字機場之間的虛實映射和實時交互，進而實現數據共享、智能運行、協(xié)同高效、生產要素全面物理的智慧機場。

數字孿生機場主要包括以下三個層面：（1）物理表達。用GIS、BIM、三維仿真等技術實現機場空域、地面、地下三位一體的空間建模，以及航空器、車輛、設施設備的空間表達，完成機場的物理仿真。（2）智能感知。利用物聯(lián)網和5G技術，采集并傳輸機場重要設備設施的實時狀態(tài)及運行趨勢，實現機場的智能感知。（3）業(yè)務融合。對人員、設備、組織的表達與管理包括業(yè)務流程的各類應用，通過對業(yè)務流程的表達和優(yōu)化促進智慧決策。

GIS+BIM技術是數字孿生機場建設的重要技術手段之一，為數字孿生機場中的物理表達提供了重要的數據源，在機場建設中GIS及BIM的集成應用貫穿于機場規(guī)劃、設計、實施、運營的全生命周期之中，如工程建設管理、工程規(guī)劃設計、機場設施管理和應急救援等方面。

2 GIS+BIM的應用方向

過去GIS與BIM立足于各自領域發(fā)揮各自的作用，隨著時代與技術的發(fā)展二者逐漸走向跨界融合：BIM需要GIS將BIM帶入更宏觀的場景，實現對宏觀情況的全盤掌握、統(tǒng)一調度；GIS需要BIM使GIS突破室內外的隔閡，做到室內外的無縫連接一體化應用。

GIS與BIM融合技術在交通、水利、建筑、能源等行業(yè)應用廣泛，包括道路、軌道的工程規(guī)劃設計、城市的規(guī)劃設計、綜合管廊管理、消防救援、培訓教育、旅游和休閑活動、交通流量分析等諸多領域。二者融合后在分析精度、工程質量、成本控制、決策效率等方面的應用有明顯效果。

BIM需要GIS。單體BIM精細化模型通過GIS宏觀大場景進行完美展示，離開GIS宏觀地理環(huán)境將無法突顯其價值。同時GIS通過宏觀地理環(huán)境研究，為BIM提供決策支持，如綜合管網的空間碰撞分析、應急救援路徑規(guī)劃。

GIS需要BIM。BIM數據包括的空間數據及屬性數據是GIS數據的重要來源之一，實現了GIS宏觀到微觀的一體化應用，促進了精細化、智能化的業(yè)務管理，融合室內BIM數據后為室內外管理一體化應用提供了新的技術手段。

GIS+BIM在數據及應用方面有重疊點，如空間分析、數據表現形式、信息管理等方面，因此二者的融合產生了無限的可能。

3 BIM轉換GIS的過程

3.1 BIM數據轉換

（1）BIM模型數據格式轉換。當前GIS與BIM融合以Gity GML和IFC兩個標準為主，包括數據格式轉換和標準擴展兩個方式。BIM生命周期伴隨建筑的規(guī)劃、設計、施工、運維，產生了大量的BIM數據，其包括空間數據和屬性數據。將BIM模型數據通過格式轉換以Web接口方式共享出來，并導入GIS平臺中展示，供機場其他部門及服務商進行調用，處理流程如下：①BIM數據通過轉換工具轉換成slpk格式的三維數據和xml格式的屬性數據；②slpk格式中保留ID字段和xml中對應；③slpk數據發(fā)布到GIS平臺進行數據展示；④xml格式的屬性數據導入數據庫，編寫Web接口，供Web端使用；⑤使用GIS平臺SDK for JavaScript展示BIM數據，在需要時根據ID請求Web接口獲取BIM數據的屬性數據進行展示。

（2）數據輕量化。BIM模型數據是單體建筑，GIS需要管理機場區(qū)域的BIM數據，這就要求不僅要進行數據格式轉換，同時要進行數據輕量化和優(yōu)化。實現BIM輕量化，首先，要利用原生LOD技術將BIM中的三維對象參數三角化成三角網，進而生成不同細節(jié)層次的GIS模型，即將BIM模型生成不同精度和顯示層級；其次，利用實例化技術將BIM模型中大量共用對象進行優(yōu)化處理，結合GIS坐標位置實現復用模型化，提高實例化的渲染效率。

綜上所述，BIM數據作為GIS的數據源，可通過數據格式轉換手段將BIM數據的幾何信息和屬性信息進行無損分離，將幾何信息和屬性信息剝離分開存儲。同時對BIM數據進行標準化處理，進而完成BIM模型數據的輕量化處理，根據業(yè)務應用需求對數據和圖層進行集中管理使用完成優(yōu)化處理，使得GIS平臺實現從宏觀走向微觀，從室外走向室內的一體化。

3.2 GIS利用BIM數據

（1）BIM模型在GIS平臺中的表達。GIS三維體對象模型需集成三角化的BIM模型數據，在GIS中進行三維空間關系、運算、分析的展示，為機場的規(guī)劃設計提供技術支持。

（2）BIM單體之間的互聯(lián)表示。單體BIM模型之間的網絡聯(lián)系通過GIS空間網絡模型中的三維網絡空間模型進行拓撲關聯(lián)表達，從而為機場中綜合管網及專業(yè)的水電氣管網提供爆管網絡分析、碰撞分析等提供技術支持，避免盲目施工給機場帶來安全問題。

（3）三維數據坐標轉換。BIM平面坐標與GIS的地理坐標隸屬不同坐標系統(tǒng)，通過成熟的坐標轉換工具將二者之間的坐標轉換，實現二者數據的精確匹配，避免在GIS渲染時的漏洞和格列茨曼等問題，從而滿足機場在規(guī)劃、設計、建設、運營管理過程中對數據的精度要求。

（4）BIM與GIS多源數據融合匹配。通過對BIM數據進行統(tǒng)一坐標化以及標準化，根據實際業(yè)務需求將海量的BIM數據進行輕量化及優(yōu)化處理，實現數據的平滑銜接以及紋理的自然銜拼接。

（5）BIM三維空間數據標準化。GIS+BIM應用越來越廣泛，但缺乏統(tǒng)一的三維空間數據標準和規(guī)范體系，限制三維數據的共享和互操作。通過將BIM三維空間數據標準化，可實現數據的傳輸、交換和高性能可視化，從而實現數據的web端以及移動端的相關應用。

4 GIS+BIM的具體應用

烏魯木齊機場秉承“智慧機場建設運營一體化”理念，利用GIS與BIM融合技術貫穿于機場規(guī)劃、設計、施工、運營的全生命周期建設過程，滿足建設方、運營方等多主體、多單位的需求，從以下應用方面進行了積極探索。

4.1 機場規(guī)劃設計階段

在機場前期規(guī)劃設計中，GIS+BIM任務明確，作用明顯。GIS的應用側重地理環(huán)境的宏觀規(guī)劃，對宏觀場景信息進行分析與管理，從宏觀角度對機場工程分布進行規(guī)劃定義。BIM對機場局部建筑、設施、飛行區(qū)等重點區(qū)域進行精細化表達，并通過GIS的宏觀大場景進行室內外一體化展示。

基于GIS的宏觀地理環(huán)境結合單體BIM的微觀精細化，機場設計團隊可以在虛擬的物理環(huán)境中查看3D模型，并與之互動，探索之前無法看見的建筑性能。讓工作人員足不出戶就能進入建筑設計、工程施工的各種虛擬模型場景，獲得實境體驗，參與討論設計方案、施工現場的變更等，幫助用戶在混合現實（MR）中進行三維模型的協(xié)同設計與討論，從而解決更多復雜的空間問題。

重點場景仿真主要有交通仿真，滑行路線仿真，旅客排隊仿真，旅客進港、離港仿真，如圖1所示。

圖1 規(guī)劃設計仿真評估

4.2 機場運營階段

（1）飛行區(qū)運行管理。基于GIS+BIM等技術構建的數字孿生服務平臺，接入機場場面上航空器的實時位置、車輛的實時位置、機位實時狀態(tài)、場面實時視頻、氣象信息、廊橋位等，使場區(qū)實際運行狀態(tài)一目了然，進行全景虛實結合的綜合監(jiān)控管理。同時基于數字孿生服務平臺可直觀查看當前航班保障進程狀態(tài)，以及詳細的保障進程信息，包括所有保障進程節(jié)點、已完成節(jié)點的計劃時間或實際時間、正在保障的節(jié)點、未進行的節(jié)點、預計保障完成的時間等。

（2）機場智能安防監(jiān)控。立足于平安機場建設，利用GIS+BIM等技術構建三維機場并接入機場安防監(jiān)控、門禁、周界、機場集成等系統(tǒng)數據，對航空器、車輛、人員、設施設備等進行實時監(jiān)控，針對人群異常聚集、危險人員識別、人員跟蹤、報警聯(lián)動等事件，可通過三維機場迅速定位事件發(fā)生地點，防治并處理突發(fā)事件，突破傳統(tǒng)安防監(jiān)控的模式，實現室內外無縫對接一體化展示的安防監(jiān)控管理，為管理人員提供了技術手段，提升了其工作效率。

（3）智慧管網。秉承機場設計建設運營一體化理念，利用機場建設中移交的數字資產，充分利用BIM和GIS融合技術對機場航站樓內和飛行區(qū)、公共區(qū)地下水電氣管線進行三維建模，模擬其供水、電、氣傳導路線，利用傳感器檢測與感知水電氣運行狀態(tài)數據，基于GIS宏觀空間分析能力對其進行故障排除以及周邊影響分析。

（4）機場資產管理。針對機場航站樓基礎資源、運行資源、旅服資源、管網及弱電等專業(yè)資產資源存在的資產管理不明或位置錯亂問題，可以單體BIM的精細建筑模型為載體，結合GIS宏觀地理信息環(huán)境和物聯(lián)網、GNSS等技術，通過二維電子地圖、360°實景、三維模型、BIM模型多元化方式直觀展示資源的分布與位置，實現資源的可視化呈現。將機場建筑中的設施設備與BIM模型進行關聯(lián)，并通過相關物聯(lián)網手段感知相關設備的能耗數據及狀態(tài)監(jiān)控，并置于GIS宏觀大環(huán)境中，在相關設備設施出現隱患時對周邊的影響進行分析。

（5）應急救援演練。當前的機場應急救援演練局限于室外GIS路徑規(guī)劃，對建筑室內結構、資源分布、救援路徑涉及較少，而GIS+BIM的融合應用拓展了應急救援演練的空間及深度，基于BIM精細模型，可對救援響應時間、應急事件處理、人員應急疏散等提供技術支持。BIM數據輕量化轉為GIS數據時，置于GIS宏觀環(huán)境中，對應急救援路徑的規(guī)劃提供技術支持，基于BIM三維模型結構，對消防災害發(fā)生一定時間內的煙霧、火勢、人員等情況進行模擬，動態(tài)化生成逃生方案。GIS+BIM的融合應用為當前應急救援工作提供了強有力的技術支撐，突破了傳統(tǒng)的室內外救援隔離的視覺障礙。

（6）機場商業(yè)管理。利用BIM+GIS技術展示機場航站樓宏觀微觀信息、整理和收集航站樓內的各種商業(yè)資源，為機場和商戶提供精確全面實時的商業(yè)資源信息，對航站樓內的商業(yè)資源、租戶信息、商鋪租用率、人流量、經濟收益等進行可視化的維護、查詢、統(tǒng)計與分析等管理，并可對每個資源的商業(yè)指標進行專題統(tǒng)計分析，以及時直觀地掌握航站樓內商業(yè)資源的基本信息，提高對商業(yè)資源的管理水平，合理地分配商業(yè)資源，實現收益最大化。

（7）機場能源管理。通過物聯(lián)網技術集成機場能源生產及消耗的各類資源及設備信息，包括但不限于各能源生產系統(tǒng)（電力、水、氣、冷暖等系統(tǒng)）及能源消耗系統(tǒng)（IBMS、電力SCADA等消耗系統(tǒng)）等。結合GIS+BIM技術構建的三維模型，接入能源生產管理及能源消耗管理采集的數據，對機場范圍內能源生產消耗系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)視及視圖展示，使工作人員總覽機場能源運行情況。

5 結束語

BIM及GIS融合在智慧機場建設中具有廣泛的應用價值，是機場精細化、智慧化管理的必要技術手段。二者的數據融合應用已在機場規(guī)劃、設計、建設、運營方面取得了一定的成果并積累了一定的經驗。數字孿生機場是傳統(tǒng)數字機場的終點，也是智慧機場的起點，要建設好智慧機場首先要建設數字孿生機場，而BIM與GIS融合在其建設中是必不可少的技術手段，其采集感知的數據將成為數字孿生機場、數字孿生體建設的重要數據源。如何拓展GIS+BIM的融合應用價值及其在數字孿生機場中的應用空間，是下一步關注的焦點。