作者：何東林  民航局第二研究所

0    引言

從2005年開始，中國民航運輸總周轉(zhuǎn)量位列世界第二，標(biāo)志著我國成為名副其實的航空運輸大國。隨著航空運輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，機場作為飛機運行的主要載體，近年來發(fā)展迅猛，全國千萬級機場達到39個，全球旅客吞吐量4千萬人次以上的機場數(shù)量，我國的占比超過20%。

快速增長的運輸量也給“已經(jīng)疲于應(yīng)付現(xiàn)有市場需求”的民航帶來巨大壓力。黨的十九大指出，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾，亦間接點出了我國民航行業(yè)發(fā)展過程中主要矛盾之所在。其中行業(yè)發(fā)展需求旺盛和保障能力不足的矛盾突出，主要表現(xiàn)在大型機場運行壓力日益增大，航班延誤問題日益突出，上海虹橋“1011”事件兩架飛機僅差3 s相撞，全球年運送旅客超過3 000萬的機場準(zhǔn)點率前20排名，中國內(nèi)地機場無一上榜。

為了根本扭轉(zhuǎn)機場快速發(fā)展與保障能力不足的矛盾，民航局出臺《中國民航四型機場建設(shè)行動綱要》，提出要以智慧為引領(lǐng)，通過智慧化手段加快推動平安、綠色、人文目標(biāo)的實現(xiàn)，由鞏固硬實力逐步轉(zhuǎn)向提升軟實力，以打造智慧機場為目標(biāo)。交通運輸部印發(fā)的《關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》，指出加快機場信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進各項設(shè)施全面物聯(lián)、打造數(shù)據(jù)共享、協(xié)同高效、智能運行的智慧機場。作為決定機場整體運行安全與效率的關(guān)鍵區(qū)域，智慧飛行區(qū)的建設(shè)是構(gòu)建智慧機場的重要環(huán)節(jié)。

智慧飛行區(qū)的建設(shè)，需要以機場發(fā)展痛點、未來技術(shù)發(fā)展方向為著眼點，從頂層設(shè)計、功能設(shè)計、支撐技術(shù)等多個方面考慮。本文以問題為導(dǎo)向，通過認(rèn)清當(dāng)前飛行區(qū)運行發(fā)展現(xiàn)狀與問題，積極思考智慧飛行區(qū)內(nèi)涵，并科學(xué)謀劃智慧飛行區(qū)應(yīng)具備的技術(shù)體系，從而提高智慧飛行區(qū)總體規(guī)劃的可實施性和可操作性。

1    飛行區(qū)運行現(xiàn)狀與問題分析

飛行區(qū)是供飛機起飛、著陸、滑行和停放使用的場地，包括跑道、升降帶、跑道端安全區(qū)、滑行道、機坪以及機場周圍對障礙物有限制要求的區(qū)域。在飛行區(qū)內(nèi)，基本要素主要包括飛機、車輛、人、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，飛行區(qū)運行則是基于其基本要素，在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及環(huán)境的約束下，通過監(jiān)測、分析、決策等手段，實現(xiàn)飛行區(qū)內(nèi)人、車、飛機的安全高效流動，以保障飛行區(qū)內(nèi)場面運行、設(shè)施管養(yǎng)、作業(yè)服務(wù)、應(yīng)急救援等業(yè)務(wù)的有序運行。

隨著我國民航快速發(fā)展，飛行區(qū)規(guī)模不斷擴大，布局更加復(fù)雜，多跑道、多滑行道、多機坪的機場眾多，大型機場飛行區(qū)交通流量大、密度大呈常態(tài)化。雖然各機場目前運行狀況能保障飛行區(qū)基本安全運行，但是尚存在一些問題。如仍存在安全隱患，2020年10月16日，在四川攀枝花機場發(fā)生的跑道外接地不安全事件造成航空器機身撕裂，險些釀成機毀人亡的慘劇。航空器刮碰事件日益增多，據(jù)國內(nèi)機場2009~2018年地面碰撞障礙物不安全事件統(tǒng)計，航空器與車輛碰撞事件占57%。飛行區(qū)安全風(fēng)險主動防范能力不強，運行效率不高，滑行等待時間長，運行通暢性不高。

如何正確處理飛行區(qū)安全與效率的關(guān)系，實現(xiàn)安全與效率的協(xié)同發(fā)展，需要從現(xiàn)象看本質(zhì)，深挖飛行區(qū)運行管控的主要問題，分析運行管控的監(jiān)測、分析、決策三大核心任務(wù)現(xiàn)狀和問題。

1.1   尚未實現(xiàn)全融合、精細化態(tài)勢監(jiān)視

監(jiān)測方面，面向飛機流、車輛流、人員流監(jiān)測，主要通過場監(jiān)雷達、ADS-B、多點定位、GPS等采集位置、身份等信息，缺乏飛機運行姿態(tài)等精細感知。面向業(yè)務(wù)流監(jiān)測，作業(yè)進程狀態(tài)采集自動化程度不高，仍存在目視觀測。面向基礎(chǔ)設(shè)施（如道面、燈光、圍界等）監(jiān)測，主要通過人工定期巡檢。面向氣象監(jiān)測，主要通過自觀設(shè)備、氣象雷達等觀測氣象，預(yù)報準(zhǔn)確率不足，預(yù)報周期長。面向鳥情監(jiān)測，主要依靠探鳥雷達實現(xiàn)對實時鳥情狀況的監(jiān)視，缺乏對鳥種信息的精準(zhǔn)感知及中長期鳥情綜合分析。

1.2   分析依賴人工，風(fēng)險辨析偏事中和事后

分析方面，主要包括飛機、車輛、人員等活動目標(biāo)的運動狀態(tài)分析、保障作業(yè)進程解析、安全風(fēng)險辨析。目前，活動目標(biāo)運動狀態(tài)分析和各作業(yè)進程解析以人工為主，人工分析不準(zhǔn)確、不及時，安全風(fēng)險辨析依賴人員經(jīng)驗的分析判斷，偏事中和事后，缺少實時風(fēng)險監(jiān)控和風(fēng)險預(yù)測。

1.3   多方碎片化管理，協(xié)調(diào)復(fù)雜，決策智能化水平偏低

決策方面，主要包括風(fēng)險處理、運行計劃、調(diào)度優(yōu)化等。目前，活動目標(biāo)、基礎(chǔ)設(shè)施、運行管控職能部門等運行主體間交互協(xié)同不足，活動目標(biāo)被動響應(yīng)管控中心指令，協(xié)同控制少，管控中心控制決策只依賴人員經(jīng)驗，智能化程度低，整體缺乏全局協(xié)同決策和主動防控能力。

2    關(guān)于智慧飛行區(qū)內(nèi)涵的思考

智慧化是解決飛行區(qū)存在的三個重要問題的技術(shù)途徑。然而，國內(nèi)外對智慧飛行區(qū)并未做更加詳細的研究，且沒有明確的定義。因此，對智慧飛行區(qū)的內(nèi)涵進行研究是飛行區(qū)智慧化發(fā)展必不可少的步驟。

《中國民航四型機場建設(shè)行動綱要》和《關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》對智慧機場的內(nèi)涵做出了明確定義，即智慧機場是生產(chǎn)要素全面物聯(lián)，數(shù)據(jù)共享、協(xié)同高效、智能運行的機場。智慧機場的構(gòu)建，需要加快信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，實現(xiàn)數(shù)字化；推進數(shù)據(jù)共享與協(xié)同，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化；推進數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，實現(xiàn)智能化。這也給智慧飛行區(qū)內(nèi)涵定義指明了方向。智慧飛行區(qū)通過對全場全面物聯(lián)，形成對飛行區(qū)運行的全面、精細化、實時感知，而態(tài)勢感知帶來的真正好處在于分析與決策，通過大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進技術(shù)，實現(xiàn)自動辨析、智能決策，最終實現(xiàn)飛行區(qū)無人化作業(yè)的愿景。

因此，智慧飛行區(qū)主要具備五大特征：全面透徹感知、全場泛在物聯(lián)、主動協(xié)同控制、智能分析決策、全場無人作業(yè)。

2.1   全面透徹感知

對飛行區(qū)運行態(tài)勢的感知向更全面、更精確、更精細、更主動發(fā)展。飛行區(qū)依靠傳感器、定位設(shè)備、智能材料以及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等來對活動目標(biāo)、基礎(chǔ)設(shè)施、氣象、鳥情等進行一體化融合感知。對于活動目標(biāo)的感知，實現(xiàn)飛機“進近-著陸-滑行-起飛”全階段姿態(tài)感知，實現(xiàn)車輛位姿高精度定位。對于基礎(chǔ)設(shè)施的感知，實現(xiàn)道面、燈光、圍界實時狀態(tài)感知。對于氣象的感知，實現(xiàn)特殊氣象高時空分辨實時立體綜合探測。對于鳥情的感知，實現(xiàn)鳥類活動精確感知。

2.2   全場泛在物聯(lián)

打破信息孤島，建立系統(tǒng)對接標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)定義及信息交互格式標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)不同信息的交互。飛行區(qū)統(tǒng)籌內(nèi)部各信息系統(tǒng)，實現(xiàn)全場物聯(lián)“一張網(wǎng)”，數(shù)據(jù)全貫通。最終，機載終端、車載終端、智能監(jiān)測傳感器、職能部門管理系統(tǒng)等信息交互端都會接入到構(gòu)建的物聯(lián)“一張網(wǎng)”中，實現(xiàn)信息的及時傳遞與共享。同時還將與空管塔臺、機場部門、航空公司對接，實現(xiàn)多系統(tǒng)多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，為全域協(xié)同及智能決策奠定基礎(chǔ)。

2.3   主動協(xié)同控制

主動協(xié)同控制主要體現(xiàn)在飛機-車輛-場道的通行與避撞協(xié)同控制上。飛機與車輛運行不再孤立，不再被動依賴管控中心指令，通過增強飛機與車輛對飛行區(qū)的交通情景意識，借助車輛超視距主動感知技術(shù)、車-機-場道協(xié)同控制技術(shù)等，大大增強飛機和車輛在滑行過程中的自主判斷和決策能力，提高飛行區(qū)局域通行安全與效率。

2.4   智能分析決策

綜合運用大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，收集、融合和分析各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警、輔助決策、優(yōu)化控制等功能。基于更廣泛的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用預(yù)測建模和人工智能等技術(shù)，將實現(xiàn)人工自身做不到的更快速的實時決策。實現(xiàn)對飛機起降階段中偏出跑道、重著陸、場外接地、可控飛行撞地等安全風(fēng)險和飛機滑行階段中滑行沖突、道面異常、機坪刮碰、跑道入侵等安全風(fēng)險的自動辨析和預(yù)測預(yù)警。實現(xiàn)飛行區(qū)全域智能的運行決策、資源調(diào)度決策、設(shè)施管養(yǎng)決策、應(yīng)急救援決策等，實現(xiàn)飛行區(qū)運行態(tài)勢預(yù)測。

2.5   全場無人作業(yè)

應(yīng)用智能化作業(yè)裝備，在航空器保障、貨運傳輸與裝卸、基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無人化。以無人車、機器人、無人機為載體，實現(xiàn)道面、助航燈光、圍界等基礎(chǔ)設(shè)施的自動巡檢與維護，實現(xiàn)航空器保障（如引導(dǎo)、加油、配餐、除冰、航前航后檢查等）的全自動化流程，實現(xiàn)行李/貨運的物流全站處理自動化流程。

具備全面透徹感知、全場泛在物聯(lián)、主動協(xié)同控制、智能分析決策、全場無人作業(yè)這五大特征的飛行區(qū)，將真正實現(xiàn)感知全息化、全面物聯(lián)化、控制協(xié)同化、決策智能化、作業(yè)無人化的運行愿景，如圖1所示。

3    關(guān)于智慧飛行區(qū)技術(shù)體系的展望

基于智慧飛行區(qū)的五大特征，對支撐智慧飛行區(qū)發(fā)展技術(shù)體系進行展望，定義六大關(guān)鍵技術(shù)。

3.1   面向運行態(tài)勢精確感知的數(shù)字孿生技術(shù)

研究活動目標(biāo)、道面設(shè)施、特殊氣象、鳥情等一體化場面運行態(tài)勢實時三維精確感知技術(shù)，形成面向飛行區(qū)運行的多對象、低延時數(shù)字孿生系統(tǒng)。構(gòu)建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫，匯聚動態(tài)運行、數(shù)字化解析、動態(tài)轉(zhuǎn)化等相關(guān)數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)孿生管理。打造孿生可視化引擎，實現(xiàn)虛擬模型的實時動態(tài)呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)的實時響應(yīng)。

3.2   飛行區(qū)空地一體化互聯(lián)與共享技術(shù)

研究AeroMACS、ATN、ACARS、5G等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)實時互聯(lián)互通。研究不同運行主體（航空器、車輛、路側(cè)設(shè)施等）之間的數(shù)據(jù)交換和信息共享機制，實現(xiàn)不同運行主體及其業(yè)務(wù)間的互聯(lián)互操作。

3.3   航空器運行安全風(fēng)險主動防控技術(shù)

研究關(guān)鍵崗位人員的人為差錯（疲勞）生化代謝新機理，形成適應(yīng)工作特性預(yù)警理論技術(shù)及風(fēng)險防范系統(tǒng)。研究人-機-環(huán)等多元數(shù)據(jù)融合下的航空器運行狀態(tài)趨勢預(yù)估機制與安全風(fēng)險演化機理，實現(xiàn)基于多源信息精準(zhǔn)認(rèn)知的風(fēng)險主動安全防控。

3.4   車-機-場道協(xié)同控制技術(shù)

融合車載激光雷達、路側(cè)單元、車-機GPS、飛機路由信息等多源數(shù)據(jù)，研究車路融合的目標(biāo)檢測算法，實現(xiàn)車輛對飛機輪廓碰撞風(fēng)險點的主動精確探測。構(gòu)建車-機/車-車沖突風(fēng)險評估模型，研究失效模式下主動安全防控方法與應(yīng)急管控策略，實現(xiàn)局域時空下車-機通行與避撞的協(xié)同控制。

3.5   飛行區(qū)運行智能管控技術(shù)

研究多主體業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息認(rèn)知與風(fēng)險識別技術(shù)，實現(xiàn)多源異構(gòu)信息的特征提取與一致精準(zhǔn)認(rèn)知，實現(xiàn)基于活動態(tài)勢推演的風(fēng)險識別。考慮飛機、車輛、智能作業(yè)裝備、道面、助航燈光、氣象等多風(fēng)險源因素及其多類型目標(biāo)的交互作用，研究多類型目標(biāo)主動安全防控智能決策技術(shù)。推動飛行區(qū)運行管控由事中/事后的被動響應(yīng)向事前的主動防范轉(zhuǎn)變，由經(jīng)驗驅(qū)動的人工決策向技術(shù)驅(qū)動的智能決策轉(zhuǎn)變。

3.6   飛行區(qū)保障作業(yè)無人化技術(shù)

研究設(shè)施設(shè)備無人巡檢與核心裝備智能化，研究道面智能管養(yǎng)、跑道外來物探測與移除的智能協(xié)同、圍界與助航燈光無人巡檢等技術(shù)，研制一系列用于設(shè)施設(shè)備自動巡檢的無人駕駛車輛、無人機、自動抓取外來物機器人等。

4    結(jié)束語

智慧飛行區(qū)是機場安全與效率協(xié)同發(fā)展的重要支撐。在發(fā)展過程中，不僅要從頂層設(shè)計出發(fā)，考慮國際民航發(fā)展、先進技術(shù)發(fā)展的全球因素，也要立足于我國機場自身發(fā)展特點，以及安全與效率發(fā)展面臨的問題，統(tǒng)籌考慮，制定適合我國國情的智慧飛行區(qū)發(fā)展規(guī)劃，定義智慧飛行區(qū)內(nèi)涵，重點考慮支撐智慧飛行區(qū)建設(shè)的技術(shù)體系，助力智慧飛行區(qū)建設(shè)從規(guī)劃到有效落地。

來源：文圖：《民航科技》