機場智慧飛行區內涵、分級與評價

趙鴻鐸， 李琛琛， 劉詩福， 郝航程

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804； 2.深圳市機場股份有限公司， 廣東 深圳 518128)

近年來，民航機場外來侵入物(foreign object debris，FOD)事故時有發生，影響跑道使用效率和乘客出行體驗[1]；停機位仍采用靜態分配，影響機場人員和物資中轉效率，并可能產生安全隱患；場道巡檢、維修仍需大量人力，并且出入道口安檢效率低下；基礎設施管養信息的準確性和可靠性不足，導致資金投入計劃缺乏科學合理的決策依據；此外，飛行區內噪聲污染、大氣污染、耗電量大等問題仍需進一步改善.傳統的機場飛行區運行模式雖已做出相應改進，但仍不足以適應人們對機場飛行區運行的安全、效率、效益和環保的新需求.機場飛行區面臨的上述問題亟需智慧化的解決方案.

目前，國內外對智慧飛行區的研究源于智慧城市關于機場建設的部分內容，在場面監視與控制系統[2]、道面管理系統[3-4]、智能燈光系統[5]、機場周界安防系統、跑道FOD監測系統和智能驅鳥系統等方面發展迅速.盡管這些新技術從不同層面上豐富了智慧飛行區實現途徑和智慧化特征，但未對智慧飛行區的內涵及特征進行系統的闡述.

鑒于此，本文借鑒國內外對智慧城市[6]、智能交通[7]、智能鋪面[8-9]的研究成果，對智慧飛行區的內涵、分級和評價體系進行了系統的研究.以飛行區運行目標為出發點，類比高等智慧生物的基本要素和能力，概括了智慧飛行區的基本內涵和智能能力，并提出了智慧飛行區分級與評價體系，成果可為智慧飛行區技術的研究與應用提供參考.

1 智慧飛行區的內涵

1.1 飛行區的運行目標

飛行區的運行目標是在成本、能耗以及環境的約束下，通過規范標準、規章制度、程序流程、現場指揮、技術輔助、信息支持等手段，實現飛行區內人、車、飛機、貨物的安全高效流動，保障飛行區場面運行、設施管養、地勤服務、應急救援和能源保障等業務的有序運行.未來飛行區的運行目標是實現飛行區運行的全時安全、零誤高效、最優效益和綠色環保，如圖1所示.

圖1 飛行區的運行目標

飛行區智慧化將有力支撐“全時安全、零誤高效、最優效益、綠色環?！边\行目標的實現.當智慧飛行區具有自主感知、辨析、決策等能力，且各項能力滿足業務需求的可靠度和準確性，可實現對FOD的主動探測、對飛機區場面運行狀態、外部環境實時感知，可從源頭上避免飛行區事故征候，實現飛行區運行的全時安全；可實現對場道性狀、FOD風險、場面運行沖突風險的主動評估等，可最大限度地保障場面運行的通暢性，實現飛行區運行的零誤高效；可實現全面感知基礎設施狀態信息，科學合理地做出養護維修決策，實現飛行區資金投入的最優效益；可實現對能源生產計劃的自主決策以及能源的科學管理，實現飛行區供能的綠色環保.

1.2 智慧飛行區的基本要素

從“智慧”的本質出發，借鑒智能鋪面研究成果[9]，探討高等智慧生物的基本特征和組成要素，以對智慧飛行區展開定義.感官、大腦、肌體、神經、心臟是高等智慧生物生長、繁衍必不可少的組成要素.感官是生物自我調節和環境適應的基礎，負責信息的采集，用于感知生物體內部狀態和外部環境；大腦是神經系統的中樞，用于處理、記憶神經網絡傳遞的各類信息；肌體是生物體形體的組成部分，一方面具有生長、修復、調節等自主適應能力，另一方面根據大腦的指令做出伸手、抬腿等行為；神經是感官和大腦之間聯系的紐帶，是生物體從信息感知到信息處理所必要的傳輸路徑；心臟，包括循環系統，為生物體持續提供能量，從而保障生物體智慧能力的發揮.與高等智慧生物的基本要素對應，智慧飛行區要具備智慧能力，形成智能行為，同樣需要基本要素做支撐，在智慧飛行區中分別定義為感知網絡、數據中心、基礎設施、服務設備、通信網絡以及能源系統.智慧生物體和智慧飛行區基本要素的對應關系，如圖2所示.智慧飛行區的基本要素及提供的基本能力，如表1所示.

圖2 智慧飛行區基本要素

智慧生物體基本要素智慧飛行區基本要素智慧飛行區基本能力感官感知網絡主動感知自動辨析大腦數據中心自主決策基礎設施自主適應肌體服務設備自主行動神經通信網絡動態交互心臟能源系統持續供能

1.3 智慧飛行區的定義

在明確了智慧飛行區的運行目標、基本要素和能力的基礎上，智慧飛行區定義如下：以“全時安全、零誤高效、最優效益、綠色環?！睘檫\行目標，由先進的基礎設施、服務設備、感知網絡、數據中心、通信網絡和能源系統組成，具有不同程度的主動感知、自動辨析、自主決策、自主適應、自主行動、動態交互和持續供能等智能能力的飛行區.

2 智慧飛行區的智能能力

與其定義相對應，智慧飛行區所具備的智能能力包括主動感知、自動辨析、自主決策、自主適應、自主行動、動態交互等能力.智能能力的具體技術內涵，如表2所示.智慧飛行區充分發揮出各項智能能力，能夠保障飛行區場面運行、設施管養、地勤服務、應急救援和能源保障等業務的有序高效運行.以發揮“自主適應”智能能力為例，飛行區在對信息自動辨析的基礎上，將在場面運行、設施管養、地勤服務、應急救援以及能源管理等方面根據各類事件和情況自主適應.其中，場面運行方面包括地面交通信號燈的動態適應、場面突發狀況的消散；設施管養包括道面裂紋修復、老化恢復、尾氣降解、粉塵抑制、融冰化雪；地勤服務包括地勤人員與特種車輛的協調調度；應急救援包括救援人員與救援設備的協調調度；能源管理包括能源的動態供應、耗能設備的動態調整.

表2 智能能力的技術內涵

智慧飛行區智能能力的發揮要求各項能力之間具有特定的邏輯關系，根據表2的技術內涵，六大智能能力的邏輯關系如圖3所示.通過視頻網、雷達網、通信網等感知網絡主動感知飛行區狀態、性能、環境和行為信息；在數據中心對信息進行校驗、集成、管理、分發、診斷等自動辨析處理；辨析后的信息一方面有力支持飛行區進行自動調控和自主適應，另一方面在數據中心對各事件進行自主決策；同時事件決策可與飛行區的飛行員、駕駛員、管理者等“服務人員”進行動態交互，也可以依靠“系統”對飛行區各事件進行自主行動.

圖3 智能能力邏輯關系

3 智慧飛行區的分級與評價

飛行區最終達到“自主行動”的最高智慧層級目標不可能一蹴而就，且飛行區建設和運營具有不同的目的和要求，所具備的智能能力并不相同，不必按照同樣的智慧層級要求進行建設.不同發展階段的飛行區，其智能能力的實現要有針對性和側重點.因此，需要建立智慧飛行區分級體系，明確飛行區所處智慧層級，通過科學、合理的規劃引導飛行區實現智慧層級遞進式發展.

3.1 分級體系

智慧飛行區的分級是個復雜的系統工程，需按照智能能力的高低將智能能力分為五個不同的層級.為直觀、全面、準確對飛行區智慧度進行界定，需要從兩個維度進行分析，如圖4所示.

圖4 智慧飛行區分級

維度一.依據“人的參與程度 vs 飛行區自主程度”展開分級[10].根據科技發展趨勢假定如下：隨著智慧飛行區智慧層級增加，人的參與程度減少，飛行區自主程度提高，到最高層級人將不再參與沉重、繁復的工作，飛行區最終實現自主管控.智慧飛行區在不同發展階段具體表現為：智慧一級，系統將代替部分數據采集工作，減少一線服務人員巡視檢查和設備維護的工作量，人側重于組織協調；智慧二級，飛行區實現對信息的存儲管理以及場面運行狀態診斷，將繼續減少一線服務人員工作量，人側重于決策；智慧三級，飛行區實現動態路徑規劃、停機位資源動態分配、車輛和人員的協調調度和道面自修復等，大幅減少一線服務人員和管理人員工作量；智慧四級，飛行區各業務組織由飛行區自我學習后自主決策，并對各業務組織提供科學合理的決策方案，人負責監督系統可靠性，在必要時參與應急救援等工作；智慧五級，系統具備非常強的魯棒性，人力得到解放，要求飛行區具備自我學習、自我更新、不斷提升自主處理各類業務的能力.

維度二.針對每一個智慧層級飛行區側重實現的智能能力展開分級.根據科技發展趨勢及各項智能能力的邏輯關系，智慧飛行區在不同發展階段具體表現為：智慧一級，飛行區側重實現“feeling on”，即把對各類信息的主動感知提升到一定的水平，為后續智能能力的發揮提供基礎；智慧二級，飛行區側重實現“thinking on”，即對主動感知信息進行辨析和處理，有力支撐后續的適應、決策以及交互；智慧三級，飛行區側重實現“adapting on”，即重點實現飛行區的自主適應能力，將飛行區的智慧化進一步提升；智慧四級，飛行區側重實現“deciding on”，即將各業務模塊的自主決策重點實現，為自主行動奠定基礎；智慧五級，飛行區側重實現“acting on”，隨著自動化、機械化技術的進一步發展，重點實現飛行區的自主行動.

3.2 評價體系

為進一步量化各智慧層級所側重實現的智能能力，建立智慧飛行區的評價體系，如圖5所示.圖5中，橫向表示六種智能能力，豎向的黑色箭頭表示智能能力是逐漸遞增的，并且每種能力劃分為5個階段.智能能力增長的過程也是系統可靠度和準確性不斷提高的過程，最終整個飛行區的運行要達到安全可靠、準確高效.

(1) 對于主動感知能力，表現為從良好天氣、單方向、某區域→良好天氣、單方向、主要區域→良好天氣、全方位、主要區域→全天候、全方位、主要區域→全天候、全方位、全領域的階梯上升.

(2) 對于自主辨析能力，表現為從信息融合集成→信息處理分析→狀態評估診斷→發展趨勢預判→風險評價預測的螺旋上升.

(3) 對于自主適應能力，表現為從部分自適應→中度自適應→有條件自適應→高度自適應→完全自適應的階梯上升.

(4) 對于動態交互能力，表現為單向、靜態、非實時交互→多向、靜態、非實時交互→多向、靜態、實時交互→多向、動態、實時交互→全方位、動態、實時交互的階梯上升.

(5) 對于自主決策能力，表現為單目標、單約束、靜態決策→單目標、多約束、靜態決策→多目標、多約束、靜態決策→多目標、多約束、動態決策→多目標、多約束、動態、協同決策的階梯上升.

(6) 對于自主行動能力，表現為自主運輸→自主檢測巡視→自主養護維修→自主地勤服務→自主應急救援的螺旋上升.

智慧飛行區各智慧層級有針對性地實現維度二中對應的智能能力.與圖5相對應，各智慧等級在側重實現某種能力時，定性分級表中“跨越”的階段數則增加.以智慧一級為例，智慧一級側重實現飛行區的主動感知，那么智慧一級的飛行區“跨越”主動感知第一和第二階段的兩個階梯.

圖5 智慧飛行區分級

4 智慧飛行區案例分析

智慧飛行區各項智能能力的實現需要依托具體的信息化技術，即在“網”(視頻網、雷達網、通信網、定位網、供能網、終端網)、“平臺”(GIS平臺、BIM(Building Information Modeling)平臺、信息交換平臺、云平臺)、“數據中心”、“功能系統”的支撐下，根據技術的成熟度分級分階段實施.以華南某4F級民用運輸機場為研究對象進行案例分析，該機場飛行區信息化水平處于全國前列.經過調研，該飛行區部署的應用系統主要包括：智能燈光系統、FOD監測系統、機場周界安防系統、飛機泊位動態分配和路徑引導系統、智能驅鳥系統、道面管理系統、場面監視與控制系統、能源管理系統和地勤服務管理系統等.對各系統的應用情況進行分析,可知不同智能能力下飛行區表現的智慧度層級.

(1) 主動感知方面：場面監控、FOD監測、鳥情監測逐步實現自動化，但監測精度、范圍、應用場景受限；管養信息自動采集程度低，未實現全域覆蓋，準確性待提高.主動感知方面處于智慧一級.

(2) 自動辨析方面：道面管理系統和能源管理系統實現多源信息的集成融合；對養護決策信息和能源調配信息進行初步信息處理和分析；管理系統間存在信息孤島，缺少對安全事件的評估診斷.自動辨析方面達到智慧二級.

(3) 自主適應方面：地服保障管理較為傳統，距靈活的資源調配尚有距離；飛機泊位動態分配和路徑引導系統正在完善，效率和安全性有待檢驗.自主適應方面處于智慧一級.

(4) 自主決策方面：道面管理系統、地服管理系統等提升了決策的科學性，但以單目標、單約束、靜態決策為主；場面運行安全依據空管員主觀判斷，存在潛在事故征候.自主決策方面處于智慧一級.

(5) 動態交互方面：道面管理系統實現建養信息與管理人員交互，但信息采集和辨析存在滯后性，為單向、靜態、非實時交互；安全事件處置以傳統方式進行溝通和管理，全面性和準確性有待提高.動態交互方面處于智慧一級.

(6) 自主行動方面：自主行動能力的實現需要人工智能、自動駕駛等技術進行驅動，還在理論研究階段，基礎評級為一級，可將這一塊作為未來發展方向.自主行動方面處于智慧一級.

綜上所述，該機場飛行區各智能能力的實現情況，如圖5灰色色塊所示.該飛行區智慧化建設水平已處于智慧一級；在自動辨析方面智慧程度更高，已達到智慧二級.明確了該機場飛行區所處智慧層級之后，可對飛行區發展做進一步規劃：短期內需要明確智慧飛行區的業務需求和運行目標，建立可靠的軟硬件設施，構建統一的應用模塊標準體系.中期應科學管理應用模塊，保障系統運行的安全耐久；建立智慧化分析決策機制，并拓展應用基礎.未來長期需要完善“網”、“平臺”、“中心”和“功能系統”技術體系以及延伸各個基礎網絡；以統一標準連通內外部的應用，實現各類數據的互聯互通；最終實現飛行區智慧化管理和運行.

5 結論

(1) 介紹了飛行區運行目標，對智慧飛行區基本要素和基本能力進行分析，基于此得出智慧飛行區的定義.

(2) 對未來飛行區智慧化技術進行分類、總結，明確智慧飛行區智能能力的具體技術內涵.在此基礎之上，提出智能能力邏輯關系圖.

(3) 為引導智慧飛行區智慧層級遞進式發展，提出智慧飛行區智慧度分級與評價體系，并從兩個維度進行層級劃分.維度一針對人和飛行區交互關系，維度二針對該智慧層級下側重實現的智能能力.

(4) 對華南某機場飛行區建設進行調研和分析，明確現階段所處智慧層級，并依據該飛行區運行現狀做出未來的發展規劃.