基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的智能航空客運(yùn)系統(tǒng)

牛文生

航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068

為了應(yīng)對(duì)不斷增長的航空運(yùn)輸流量，提高運(yùn)輸安全，以及保護(hù)環(huán)境，美國和歐洲的航空管理部門制定了下一代空中交通管理規(guī)劃，采用大量新技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的空管系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

在歐洲單一天空研究(SESAR)項(xiàng)目的主計(jì)劃[1]中，歐洲將在機(jī)場(chǎng)運(yùn)營、空管服務(wù)、空管網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施4個(gè)領(lǐng)域?qū)φ麄€(gè)空管系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，采用的技術(shù)既包括通信、導(dǎo)航和自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視等機(jī)載系統(tǒng)技術(shù)，也包括機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視、飛機(jī)精確著陸和隔離等機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)技術(shù)，還包括航跡管理、空域隔離和流量管理等空管系統(tǒng)技術(shù)，以及航空專用通信網(wǎng)絡(luò)和地面信息服務(wù)等技術(shù)。

美國的下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)(NextGen)[2]計(jì)劃雖然在運(yùn)行概念和空域管理等方面與歐洲有一定的差異[3]，但在以下方面是相同的：① 從空中交通管理者的角度進(jìn)行規(guī)劃；② 規(guī)劃的重點(diǎn)在于空域管理和飛行安全。

作為空管系統(tǒng)的主要用戶，航空公司關(guān)注的是在滿足飛行安全的前提下，如何高效地運(yùn)營機(jī)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)航空運(yùn)輸業(yè)務(wù)利潤的最大化。下一代空管系統(tǒng)并未從航空公司經(jīng)營的角度進(jìn)行考慮和規(guī)劃，也未對(duì)其業(yè)務(wù)流程進(jìn)行關(guān)注，僅僅為航空公司提供空管和機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施。

在空管基礎(chǔ)設(shè)施之上，航空工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)需要從市場(chǎng)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃一個(gè)包括飛機(jī)和地面支持系統(tǒng)兩部分在內(nèi)的航空客運(yùn)系統(tǒng)，高效地實(shí)現(xiàn)機(jī)隊(duì)的飛行、維護(hù)、運(yùn)營和乘務(wù)等主要業(yè)務(wù)流程，以獲得最大化的商業(yè)利潤。

美國波音公司是最早對(duì)航空客運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)的飛機(jī)制造商，并制定了專門的發(fā)展戰(zhàn)略，稱為E化戰(zhàn)略[4]。此戰(zhàn)略的目的是突破飛機(jī)的信息限制，將業(yè)務(wù)流程、人、飛機(jī)、信息、資產(chǎn)和知識(shí)進(jìn)行戰(zhàn)略連接和集成，形成信息高度融合的航空客運(yùn)系統(tǒng)，將飛機(jī)運(yùn)營效率提高到新的高度。

為了實(shí)施E化戰(zhàn)略，波音開發(fā)了3部分產(chǎn)品：機(jī)載系統(tǒng)、地面基礎(chǔ)設(shè)施和云服務(wù)。機(jī)載系統(tǒng)為飛行機(jī)組、維護(hù)和乘務(wù)人員提供信息服務(wù)；地面基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面的高帶寬安全通信；云服務(wù)采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)獲取的飛機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和加工，轉(zhuǎn)化為有用的信息，提供給各利益相關(guān)方。

波音公司的E化戰(zhàn)略已經(jīng)在B787及地面支持系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，空客公司也在A350及地面支持系統(tǒng)上也實(shí)施了類似的信息化戰(zhàn)略。波音和空客公司通過信息化戰(zhàn)略的實(shí)施，將航空客運(yùn)系統(tǒng)從部分信息化提升到信息化水平，在飛機(jī)的飛行、維護(hù)、運(yùn)營和乘務(wù)等業(yè)務(wù)流程上具有明顯的信息優(yōu)勢(shì)，可以減少飛行工作負(fù)擔(dān)、降低維護(hù)和運(yùn)營成本，并增加乘客的滿意度，顯著提高商業(yè)利潤。

未來的航空客運(yùn)系統(tǒng)會(huì)如何發(fā)展，隨著新技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用，未來的航空客運(yùn)系統(tǒng)能否在信息化的水平上更進(jìn)一步，達(dá)到智能化水平。

本文對(duì)航空客運(yùn)系統(tǒng)智能化的使能技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的智能航空客運(yùn)系統(tǒng)的概念，定義了系統(tǒng)的功能、架構(gòu)和典型場(chǎng)景，指出了關(guān)鍵技術(shù)和面臨的挑戰(zhàn)。

1 新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其航空應(yīng)用分析

1.1 計(jì)算機(jī)的小型化

計(jì)算機(jī)的小型化[5]需要解決電子干擾、傳感器、計(jì)算組件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線通信、電源轉(zhuǎn)換和能耗等諸多難題。近年來，隨著生產(chǎn)工藝、硅片和計(jì)算技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計(jì)算機(jī)的小型化取得了突破性進(jìn)展，具有信息收集、信息處理和信息發(fā)送功能的微型計(jì)算機(jī)的體積已經(jīng)縮小到了沙粒般大小，生產(chǎn)成本也在不斷下降，逐漸滿足商用部署的要求。

航空工業(yè)在不斷地探索和使用小型化計(jì)算機(jī)技術(shù)改進(jìn)飛機(jī)的功能和性能。超強(qiáng)的飛機(jī)內(nèi)外部態(tài)勢(shì)感知能力是先進(jìn)飛機(jī)的未來發(fā)展方向之一，計(jì)算機(jī)小型化技術(shù)作為關(guān)鍵的使能技術(shù)之一，可以用于設(shè)計(jì)和制造各類先進(jìn)的智能傳感器[6]，對(duì)機(jī)體、起落架、燃油和機(jī)載系統(tǒng)等進(jìn)行全面監(jiān)控，對(duì)飛機(jī)的內(nèi)外部環(huán)境進(jìn)行多維度的感知和檢測(cè)，從而極大地增強(qiáng)了飛機(jī)的態(tài)勢(shì)感知能力。

1.2 無線寬帶通信

移動(dòng)通信技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展到第4代，基本滿足了目前的業(yè)務(wù)需求。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，社交網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)云計(jì)算、車聯(lián)網(wǎng)等新的業(yè)務(wù)形態(tài)出現(xiàn)了，對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求，而滿足這些需求的第5代移動(dòng)通信技術(shù)[7]將在未來幾年內(nèi)投入商用。

移動(dòng)通信技術(shù)在航空上的應(yīng)用目前集中在兩部分，一部分是飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)時(shí)直接接入地面移動(dòng)通信網(wǎng)；另外一部分是飛機(jī)在飛行過程中通過基于移動(dòng)通信技術(shù)的航線覆蓋專用網(wǎng)絡(luò)接入地面網(wǎng)絡(luò)。由于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)帶寬、成本和傳輸質(zhì)量所限，這兩部分應(yīng)用的規(guī)模非常有限，未對(duì)航空客運(yùn)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。5G通信技術(shù)的到來將對(duì)航空客運(yùn)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大沖擊。

5G技術(shù)能夠?qū)w機(jī)在機(jī)場(chǎng)接入地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬提升到10 Gb/s級(jí)，極大地縮短飛機(jī)與地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，促成更多的運(yùn)營和維護(hù)等日常作業(yè)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，從而縮短業(yè)務(wù)流程時(shí)間，降低業(yè)務(wù)成本。

基于5G技術(shù)的航線覆蓋專網(wǎng)由于具有低時(shí)延、高可靠、低成本和高帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以作為首選的空地?cái)?shù)據(jù)通信鏈路，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控、乘客通信、航空公司運(yùn)營和管理通信等，將目前飛機(jī)的空地通信帶寬和質(zhì)量提升到新的水平。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)[8]是通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在智能交通、醫(yī)療和物流等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，在航空客運(yùn)系統(tǒng)上也有巨大的應(yīng)用前景。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將飛機(jī)內(nèi)的傳感器、機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架和機(jī)載系統(tǒng)等進(jìn)行廣泛的連接，并將飛機(jī)與其他飛機(jī)或地面系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而使飛機(jī)成為超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)實(shí)時(shí)在線節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的通用體系架構(gòu)[9]，設(shè)計(jì)航空客運(yùn)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的參考體系架構(gòu)如圖1所示，從下到上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層使用溫度、氣象和視頻等傳感器對(duì)飛機(jī)內(nèi)外部狀態(tài)進(jìn)行全面地采集和感知。網(wǎng)絡(luò)層將來自感知層的飛機(jī)內(nèi)外部信息通過機(jī)載網(wǎng)絡(luò)(航空全雙I交換式以太網(wǎng)(AFDX)，數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)(ARIN 429)一臺(tái)控制器局域網(wǎng)(CAN))或空地通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換。應(yīng)用層通過機(jī)載系統(tǒng)及地面系統(tǒng)的相互協(xié)同，共同完成飛機(jī)的飛行、維護(hù)和運(yùn)營等業(yè)務(wù)過程。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也可以優(yōu)化航材備件的采購、存儲(chǔ)和配送過程，實(shí)現(xiàn)航材的高效管理。

圖1 航空客運(yùn)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)Fig.1 Internet of things architecture for air passenger transportation system

1.4 人工智能

近年來，人工智能技術(shù)[10]取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步，在無人機(jī)、汽車自動(dòng)駕駛[11]、機(jī)器人、醫(yī)療和棋類等領(lǐng)域逐漸進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了巨大影響，具有廣闊的應(yīng)用前景。

航空業(yè)也在探索如何應(yīng)用人工智能技術(shù)解決目前存在的問題。對(duì)飛行機(jī)組而言，目前存在兩個(gè)主要問題：

1) 海量信息與機(jī)組的處理能力之間的矛盾在獲取大量的飛機(jī)內(nèi)外部信息后，飛行機(jī)組需要及時(shí)和正確地處理信息，保證飛行安全和飛行效率。受生理能力所限，飛行機(jī)組的信息處理能力是有邊界的。隨著機(jī)載傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步和飛機(jī)智能化的不斷深入，海量的態(tài)勢(shì)信息和飛行機(jī)組的信息處理能力之間的矛盾將越來越突出。

2) 異常情況的緊急處理 飛行過程中，如果天氣、機(jī)外障礙物、機(jī)載系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)體等出現(xiàn)異常情況，不同水平的飛行機(jī)組在有限時(shí)間內(nèi)采用的處置措施可能存在不同，也會(huì)造成不同的飛行結(jié)果。如何輔助飛行機(jī)組在緊迫的時(shí)間內(nèi)采用最佳的措施處理異常情況目前尚無有效的解決辦法。

應(yīng)用人工智能技術(shù)，針對(duì)飛行機(jī)組建立任務(wù)模型[12]、行為模型[13]，出錯(cuò)模型[14]和工作負(fù)荷模型[15]，應(yīng)用機(jī)器深度學(xué)習(xí)等方法，提供智能飛行信息服務(wù)，可以幫助飛行機(jī)組突破生理和能力限制，顯著地降低工作負(fù)擔(dān)，并提高飛行安全和飛行效率。

為運(yùn)營、維護(hù)和乘務(wù)人員建立相關(guān)的模型，提供智能運(yùn)營、智能維護(hù)或智能乘務(wù)信息服務(wù)，同樣能優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，降低工作負(fù)擔(dān)。

1.5 新技術(shù)的綜合應(yīng)用

作為關(guān)鍵的使能技術(shù)，計(jì)算機(jī)小型化、無線寬帶通信、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的綜合應(yīng)用，能夠提高飛機(jī)及地面系統(tǒng)的信息采集、傳輸和處理能力，使航空客運(yùn)系統(tǒng)在信息化的水平上更進(jìn)一步，具備智能化基礎(chǔ)。新技術(shù)的綜合應(yīng)用情況如圖2所示。

具備了智能化基礎(chǔ)的航空客運(yùn)系統(tǒng)，針對(duì)具體的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理和優(yōu)化，進(jìn)行智能化升級(jí)，即可實(shí)現(xiàn)智能航空客運(yùn)系統(tǒng)。

圖2 新技術(shù)在航空客運(yùn)系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用Fig.2 Integrated application of new technology to air passenger transportation system

2 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[16]以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以空間網(wǎng)絡(luò)為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基、?；雀黝愑脩艋顒?dòng)提供信息保障，是國家信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

2.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和空間網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通[17]，包括天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)3部分[18]，如圖3所示。

天基骨干網(wǎng)由布設(shè)在地球同步軌道的若干骨干節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)而成，骨干節(jié)點(diǎn)具備寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、路由交換、信息存儲(chǔ)、處理融合等功能，受衛(wèi)星平臺(tái)能力的限制，單顆衛(wèi)星無法完成上述全部功能，需采用多顆衛(wèi)星組成星簇的方式實(shí)現(xiàn)多功能綜合。一個(gè)天基骨干節(jié)點(diǎn)由數(shù)顆搭載不同功能模塊化載荷的衛(wèi)星組成，包括中繼、骨干、寬帶、存儲(chǔ)和計(jì)算等功能模塊化衛(wèi)星。不同衛(wèi)星之間通過近距離無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和信息交互，協(xié)同工作完成天基骨干節(jié)點(diǎn)的功能。

天基接入網(wǎng)由布設(shè)在高軌或低軌的若干接入節(jié)點(diǎn)所組成，滿足陸、海、空、天等多層次海量用戶的各種網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)需求，形成覆蓋全球(包括兩極地區(qū))、隨遇接入、按需服務(wù)的接入網(wǎng)絡(luò)。

圖3 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture for integrated space-ground information network

地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)由多個(gè)地面互連的地基骨干節(jié)點(diǎn)組成。地基骨干節(jié)點(diǎn)由信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理、信息處理、信息存儲(chǔ)及應(yīng)用服務(wù)等功能組成，主要完成網(wǎng)絡(luò)控制、資源管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息處理、融合共享等功能。地基骨干節(jié)點(diǎn)通過地面高速骨干網(wǎng)絡(luò)完成組網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)的互聯(lián)互通。

2.2 航空數(shù)據(jù)鏈

目前主要的航空數(shù)據(jù)鏈[19]有3種：甚高頻(VHF)、高頻(HF)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

VHF主要滿足陸基近距離通信，需要在航路上部署VHF地面站。在偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋區(qū)和山區(qū)，VHF通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率較低，信號(hào)遮擋嚴(yán)重，需要改用HF通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

HF通信系統(tǒng)使用少數(shù)基站即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但語音通信噪音較大，數(shù)字通信誤碼率較高，消息可靠度不高。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)[20]避免了陸基傳輸?shù)南拗?，但目前使用最廣泛的海事衛(wèi)星(Inmarsat)只能覆蓋南北緯80度以內(nèi)的區(qū)域，越洋飛行的飛機(jī)在極地區(qū)域無法接收衛(wèi)星信號(hào)，只能選擇HF通信系統(tǒng)盡可能建立通信。在海事衛(wèi)星之后，銥星實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信的全球覆蓋，但通信頻段與中國的北斗衛(wèi)星[21]基本一致，所以未被廣泛應(yīng)用。

目前大部分飛機(jī)同時(shí)安裝VHF系統(tǒng)、HF系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)來保持飛機(jī)與地面的不間斷通信[22]。中國的北斗衛(wèi)星通信能力還有待提高，目前尚未得到推廣。

2.3 航線覆蓋專網(wǎng)

航空數(shù)據(jù)鏈的帶寬有限，通信成本較高，無法滿足大容量數(shù)據(jù)交換的要求，航空業(yè)界近年積極探索使用蜂窩通信技術(shù)[23]建立航線覆蓋專網(wǎng)[24]，進(jìn)行空地通信。中國民航飛行學(xué)院、北京為邦遠(yuǎn)航和華為公司聯(lián)合研制了“中國民航地空寬帶通信系統(tǒng)”，如圖4所示。

圖4 基于蜂窩通信技術(shù)的航線覆蓋專網(wǎng)Fig.4 Dedicated covering flight route based on cellular network

系統(tǒng)包括地面基站、機(jī)載移動(dòng)臺(tái)以及核心網(wǎng)絡(luò)3部分。通過沿航路架設(shè)的地面基站，向不同高度的飛機(jī)提供無線寬帶數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

5G蜂窩通信技術(shù)具有低時(shí)延、高可靠、低成本和高帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)航線覆蓋專網(wǎng)采用5G蜂窩技術(shù)后，空地通信的帶寬和質(zhì)量將產(chǎn)生質(zhì)的飛越，真正實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面系統(tǒng)的低成本、高帶寬的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

2.4 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)與航空通信網(wǎng)絡(luò)的集成

目前的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[25]并未明確集成航空數(shù)據(jù)鏈和航線覆蓋專網(wǎng)。對(duì)于航空客運(yùn)系統(tǒng)，航空數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)强展堋⑦\(yùn)營控制及管理通信的主要方式，而航線覆蓋專網(wǎng)則是飛機(jī)與地面系統(tǒng)進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)交換的主要方式，無法被忽略。未來的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，應(yīng)將這兩種航空通信網(wǎng)絡(luò)集成進(jìn)來，滿足航空客運(yùn)系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航、通信、氣象和數(shù)據(jù)交換等多樣化的信息需求。

對(duì)于航空客運(yùn)系統(tǒng)，集成了航空通信網(wǎng)絡(luò)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是飛機(jī)與空管、機(jī)場(chǎng)和地面系統(tǒng)通信的主要承載網(wǎng)絡(luò)，是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)超維度互聯(lián)，成為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)在線用戶的重要途徑。

3 智能航空客運(yùn)系統(tǒng)

各種使能技術(shù)及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的逐漸成熟和應(yīng)用，將對(duì)航空客運(yùn)系統(tǒng)帶來巨大變革。海量的飛機(jī)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)流動(dòng)，通過人工智能等技術(shù)進(jìn)行綜合處理和利用后轉(zhuǎn)化為有用的信息，全面提高人員的工作效率，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，將航空客運(yùn)提高到智能化水平，產(chǎn)生智能航空客運(yùn)系統(tǒng)。

智能航空客運(yùn)系統(tǒng)是以智能飛機(jī)[26]為核心，依托天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合智能地面系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的飛行、維護(hù)、乘務(wù)和運(yùn)營[27]等過程的航空客運(yùn)系統(tǒng)。

3.1 功能分析

智能航空客運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾方面的功能：

1) 智能飛行 飛機(jī)能實(shí)時(shí)獲取大量的飛行所需信息，通過信息融合輔助飛行機(jī)組完成飛行前準(zhǔn)備、飛行計(jì)劃的制定和執(zhí)行、異常情況處理和飛行品質(zhì)的改進(jìn)等工作，顯著降低飛行機(jī)組的工作負(fù)擔(dān)和出錯(cuò)概率。

2) 智能維護(hù) 飛機(jī)及地面系統(tǒng)能通過遍布飛機(jī)的大量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)體和機(jī)載系統(tǒng)的健康信息，通過綜合處理，預(yù)測(cè)健康狀況，預(yù)先提出維護(hù)和維修建議，降低維護(hù)工作量，避免航班延誤和取消。

3) 智能運(yùn)營 地面系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)時(shí)獲取機(jī)隊(duì)狀態(tài)、機(jī)組狀態(tài)、航班及氣象等情況，通過信息融合和分析，提出運(yùn)營控制建議，提高飛機(jī)和機(jī)組的調(diào)度效率，提高飛機(jī)的利用率，降低運(yùn)營成本。

4) 智能乘務(wù) 飛機(jī)及地面系統(tǒng)能為乘務(wù)機(jī)組和乘客提供及時(shí)全面的信息支持，根據(jù)個(gè)性化需求自動(dòng)調(diào)節(jié)客艙環(huán)境，提供個(gè)性化餐飲和娛樂服務(wù)，提供與地面互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)、低成本和高帶寬的信息連接，顯著降低乘務(wù)的工作負(fù)擔(dān)，提高乘客的滿意度和忠誠度。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能航空客運(yùn)系統(tǒng)由智能飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)地面系統(tǒng)、飛機(jī)制造商地面系統(tǒng)和航空公司地面系統(tǒng)4部分組成，總體架構(gòu)如圖5所示。

1) 智能飛機(jī) 智能飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)分為3個(gè)網(wǎng)絡(luò)域：飛機(jī)控制域、信息系統(tǒng)域及開放域。飛機(jī)控制域由通信導(dǎo)航等傳統(tǒng)的機(jī)載系統(tǒng)組成，用于控制飛行的飛行，屬于高安全等級(jí)網(wǎng)絡(luò)域。信息系統(tǒng)域由智能機(jī)載信息系統(tǒng)及傳感器組成，用于提供各種信息服務(wù)，屬于低安全等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)域。開放域由客艙娛樂系統(tǒng)及乘客自攜設(shè)備組成，用于提供娛樂信息服務(wù)，不涉及飛行安全。

智能機(jī)載信息系統(tǒng)是飛機(jī)智能化的主要承載系統(tǒng)，具有2個(gè)中心：

① 網(wǎng)絡(luò)中心 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一方面將全機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行連接，另一方面并將飛機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

圖5 智能航空客運(yùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.5 General architecture for intelligent air passenger transportation system

② 信息中心 具有強(qiáng)大的信息處理平臺(tái)，采用人工智能等技術(shù)對(duì)全機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析和處理，按照各利益相關(guān)方的信息需求提供相應(yīng)的信息服務(wù)。

智能機(jī)載信息系統(tǒng)通過遍布全機(jī)的智能傳感器全面感知飛機(jī)的內(nèi)外部狀態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)中心、數(shù)據(jù)中心和信息中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，通過天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)與其他智能地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為飛行機(jī)組、乘務(wù)機(jī)組、維護(hù)人員和乘客提供智能信息服務(wù)。

2) 機(jī)場(chǎng)地面系統(tǒng) 由機(jī)場(chǎng)接入、信息安保、網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器等設(shè)備組成。機(jī)場(chǎng)地面系統(tǒng)為飛機(jī)提供WiFi等無線接入，提供飛機(jī)所需的軟件、數(shù)據(jù)庫和乘客信息等數(shù)據(jù)更新服務(wù)，并將飛機(jī)數(shù)據(jù)快速下傳并發(fā)至航空公司數(shù)據(jù)中心。

3) 飛機(jī)制造商地面系統(tǒng) 由信息安保、網(wǎng)絡(luò)管理、云基礎(chǔ)設(shè)施等設(shè)備組成。飛機(jī)制造商基于設(shè)計(jì)和制造優(yōu)勢(shì)，對(duì)獲取的飛機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)飛機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，為航空公司提供維護(hù)和維修建議，并對(duì)運(yùn)營過程提供優(yōu)化建議。

4)航空公司地面系統(tǒng) 由信息安保、網(wǎng)絡(luò)管理、證書管理和業(yè)務(wù)系統(tǒng)等諸多設(shè)備和應(yīng)用軟件組成。對(duì)飛機(jī)、航路、機(jī)場(chǎng)、機(jī)隊(duì)、機(jī)組、氣象和航材備件等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和集中，建立簽派風(fēng)險(xiǎn)[28]、航材周轉(zhuǎn)[29]、機(jī)隊(duì)和機(jī)組調(diào)度等模型，結(jié)合飛機(jī)制造商提供的信息服務(wù)，完成運(yùn)營和維護(hù)等業(yè)務(wù)流程。

3.3 運(yùn)行場(chǎng)景

針對(duì)航空公司的飛行、維護(hù)、運(yùn)營和乘務(wù)4大典型業(yè)務(wù)流程，分別建立智能航空客運(yùn)系統(tǒng)的工作場(chǎng)景。

圖6 智能飛行工作場(chǎng)景Fig.6 Scenario of intelligent flight

智能飛行的工作場(chǎng)景如圖6所示，基于人工智能的飛行信息服務(wù)能夠基于飛機(jī)的內(nèi)外部態(tài)勢(shì)信息，根據(jù)飛行機(jī)組的任務(wù)、行為、工作負(fù)荷和出錯(cuò)等模型[30]，提示飛行機(jī)組應(yīng)該如何操作，提醒飛行任務(wù)的執(zhí)行情況，警示飛行機(jī)組出現(xiàn)了錯(cuò)誤操作，并在飛機(jī)出現(xiàn)異常的情況下第一時(shí)間提供操作建議，幫助飛行機(jī)組縮短反應(yīng)時(shí)間，采取最佳處置措施。人工智能發(fā)展到高級(jí)階段后，可能實(shí)現(xiàn)無人的智能飛行。

智能維護(hù)的工作場(chǎng)景如圖7所示，遍布飛機(jī)的智能傳感器實(shí)時(shí)感知飛機(jī)的內(nèi)外部態(tài)勢(shì)，結(jié)合維護(hù)人員的任務(wù)和行為等模型，對(duì)故障檢測(cè)和定位等維護(hù)作業(yè)提供全面支持。

飛機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，地面系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)和系統(tǒng)健康模型，進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估，預(yù)測(cè)故障及剩余壽命，提前安排維護(hù)作業(yè)及航材采購。

飛機(jī)設(shè)計(jì)師利用數(shù)字孿生技術(shù)[31]和實(shí)時(shí)收到的飛機(jī)數(shù)據(jù)，可以在地面重現(xiàn)飛機(jī)和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，盡快優(yōu)化飛機(jī)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

智能乘務(wù)的工作場(chǎng)景如圖8所示，乘客除了享受機(jī)上的個(gè)性化餐飲和娛樂服務(wù)，也將享受到根據(jù)乘客的身體狀況智能調(diào)節(jié)的溫度、空調(diào)、照明和座位位置，還有實(shí)時(shí)連接的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)空中旅行和日常工作生活的完美結(jié)合。

智能運(yùn)營的工作場(chǎng)景如圖9所示，基于大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)的人工智能系統(tǒng)能夠根據(jù)簽派風(fēng)險(xiǎn)、燃油和機(jī)載效率等眾多模型，結(jié)合飛機(jī)、航路、機(jī)場(chǎng)、機(jī)組和航材備件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提出滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的最經(jīng)濟(jì)性的飛行計(jì)劃和簽派建議，顯著提高簽派的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖7 智能維護(hù)工作場(chǎng)景Fig.7 Scenario of intelligent maintenance

圖8 智能乘務(wù)工作場(chǎng)景Fig.8 Scenario of intelligent cabin service

圖9 智能運(yùn)營工作場(chǎng)景Fig.9 Scenario of intelligent operation

4 關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)智能的航空客運(yùn)系統(tǒng)，首先，需攻克飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，為智能飛機(jī)建立多維度的物聯(lián)網(wǎng)；其次，需攻克飛機(jī)信息安保技術(shù)，保護(hù)智能飛機(jī)免受其他網(wǎng)絡(luò)用戶的信息安保威脅；最后，需攻克智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將飛機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人可以理解的信息，為各利益相關(guān)方服務(wù)。

4.1 智能飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

智能飛機(jī)內(nèi)部不僅集成了多種機(jī)載網(wǎng)絡(luò)[32]和航空總線[33]，如AFDX和ARINC429等；還集成了多種空地通信鏈路，如VHF/HF數(shù)據(jù)鏈，SATCOM衛(wèi)星通信，WiFi無線通信,GPRS和Celluar蜂窩通信等，如圖10所示。由于網(wǎng)絡(luò)接口類型眾多，接口之間的交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，進(jìn)行全機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連需克服多個(gè)難點(diǎn)。

1) 多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計(jì) 進(jìn)行多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計(jì)，首先要深入分析各系統(tǒng)之間的交聯(lián)關(guān)系，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅苄枨?，以及?duì)安全性的影響；其次根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)路徑，制定協(xié)議轉(zhuǎn)換策略，并平衡通信流量；最后綜合考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐暾?、健壯性和可靠性，確定互聯(lián)方案并進(jìn)行驗(yàn)證。

2) 網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理 智能飛機(jī)各系統(tǒng)之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和通信質(zhì)量的需求不盡相同。由于通信路徑需通過多種網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬和通信質(zhì)量控制[34]需要綜合考慮各網(wǎng)絡(luò)的特性，例如鏈路延遲、包誤碼率和帶寬等，并設(shè)計(jì)復(fù)雜的管理協(xié)議[35]進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。

圖10 飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)Fig.10 Architecture of aircraft network

4.2 智能飛機(jī)信息安保技術(shù)

智能飛機(jī)通過天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)成為地面網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)在線用戶，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，也面臨來自其他網(wǎng)絡(luò)用戶的信息安保[36]威脅。為了應(yīng)對(duì)這些威脅，保證飛機(jī)的安全性和適航性，需要攻克以下關(guān)鍵技術(shù)。

1) 飛機(jī)信息安保風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 根據(jù)DO-326A[37]標(biāo)準(zhǔn)，飛機(jī)信息安保風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要完成威脅狀態(tài)識(shí)別和評(píng)估、威脅場(chǎng)景識(shí)別、威脅等級(jí)評(píng)估和安保措施描述等活動(dòng)，如圖11所示。在各活動(dòng)中，威脅等級(jí)評(píng)估是目前最難以開展的活動(dòng)，因?yàn)榫址胶秃娇諛I(yè)界尚未就評(píng)估所需的指標(biāo)體系達(dá)成一致。

2) 飛機(jī)信息安保防護(hù) 基于飛機(jī)安保風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，需要設(shè)計(jì)飛機(jī)安保架構(gòu)[38]，采取安保措施，保護(hù)飛機(jī)系統(tǒng)免受信息安保威脅影響[39]，或?qū)脖ｏL(fēng)險(xiǎn)降低到可以接受的程度。

飛機(jī)安保架構(gòu)多采用分層防御架構(gòu)，每層部署特定的安保措施，用以應(yīng)對(duì)不同的安保威脅。常用的安保措施包括訪問控制技術(shù)、密碼技術(shù)、審計(jì)技術(shù)、入侵檢測(cè)與防御技術(shù)等。

由于飛機(jī)采用了特定的網(wǎng)絡(luò)、軟件和硬件，現(xiàn)有的通用信息安保防護(hù)技術(shù)無法直接應(yīng)用，需要針對(duì)飛機(jī)的環(huán)境和特點(diǎn)開發(fā)安保架構(gòu)及防護(hù)措施[40]，并滿足機(jī)載系統(tǒng)的研制過程要求[41]。

3) 飛機(jī)信息安保驗(yàn)證 飛機(jī)信息安保驗(yàn)證過程如圖12所示。安保驗(yàn)證過程包括安保需求測(cè)試、安保健壯性測(cè)試和脆弱性測(cè)試[42]。安保需求測(cè)試是基于飛機(jī)安保需求進(jìn)行的測(cè)試。安保健壯性測(cè)試是針對(duì)飛機(jī)安保需求進(jìn)行的非正常情況的測(cè)試。安保脆弱性測(cè)試是一種特殊的測(cè)試，可采用不受限制的攻擊手段[43]對(duì)安保功能進(jìn)行攻擊、篡改或者旁路繞過，用以檢測(cè)安保功能是否正常工作。

圖11 飛機(jī)安保風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程Fig.11 Risk evaluation process of aircraft security

由于飛機(jī)采用了特定的網(wǎng)絡(luò)、軟件和硬件，現(xiàn)有的信息安保測(cè)試技術(shù)無法直接應(yīng)用，需要開發(fā)適用于飛機(jī)信息安保驗(yàn)證的專用測(cè)試技術(shù)和測(cè)試設(shè)備，并符合機(jī)載系統(tǒng)工具鑒定的要求。

圖12 飛機(jī)信息安保驗(yàn)證過程Fig.12 Verification process of aircraft information security

4.3 智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)

智能飛機(jī)在飛行過程中產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，智能機(jī)載信息系統(tǒng)、航空公司及飛機(jī)制造商地面系統(tǒng)需要從這些海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息，用于改進(jìn)飛行、維護(hù)、乘務(wù)和運(yùn)營流程。智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)包括：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)應(yīng)用4部分，如圖13所示。

1) 數(shù)據(jù)處理 對(duì)采集的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行格式、完整性、合理性和極限檢查，對(duì)不合格數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)或移除，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2) 數(shù)據(jù)集成 通過數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)歸納或數(shù)據(jù)聯(lián)合等方法，將來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中,為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的視圖。

3) 數(shù)據(jù)分析 使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)[44]和數(shù)據(jù)挖掘等方法對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析[45]，深度挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，并為用戶提供可視化結(jié)果。

圖13 數(shù)據(jù)分析過程Fig.13 Data analysis process

4) 數(shù)據(jù)應(yīng)用 飛機(jī)機(jī)組、維護(hù)和運(yùn)營人員等各利益相關(guān)方可以訪問數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將其作為改善飛行操作、提高維修效率、優(yōu)化航材庫存、降低燃油成本或加強(qiáng)機(jī)隊(duì)管理的決策依據(jù)。飛機(jī)制造商和第三方供應(yīng)商也可以根據(jù)分析結(jié)果對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。

隨著數(shù)據(jù)的不斷積累和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能航空客運(yùn)系統(tǒng)可以提供越來越有價(jià)值的信息服務(wù)，不斷提高航空公司的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

5 面臨挑戰(zhàn)

智能航空客運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順的，在發(fā)展過程中面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，如信息安保威脅、人工智能技術(shù)的應(yīng)用及智能模型的建模難度等等。

1) 信息安保威脅 飛機(jī)與地面系統(tǒng)信息一體化[46]后，智能飛機(jī)面臨著日益嚴(yán)峻的信息安保威脅[47]，眾多的攻擊來源和威脅手段都嚴(yán)重影響飛機(jī)的安全性和適航性。確定性地分析安保風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)生概率非常困難，制定機(jī)載脆弱性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也非常困難，涉及到大量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和適航規(guī)章的更改，只有經(jīng)歷一個(gè)長期的研究和實(shí)踐過程，才能最終達(dá)成各方接受的結(jié)果。

2) 人工智能技術(shù)的應(yīng)用難度 人工智能雖然已經(jīng)在汽車自動(dòng)駕駛等行業(yè)得到了應(yīng)用，但在航空客運(yùn)系統(tǒng)上的應(yīng)用要面對(duì)嚴(yán)格的適航審查，很多成熟的商用技術(shù)無法直接應(yīng)用于機(jī)載系統(tǒng)，需要進(jìn)行大量的裁剪、適配和優(yōu)化，并滿足機(jī)載系統(tǒng)的開發(fā)保證等級(jí)要求，技術(shù)難度很大，應(yīng)用成本較高。

3) 智能模型的建模難度 為了提供智能化的信息服務(wù)，智能航空客運(yùn)系統(tǒng)需要對(duì)各利益相關(guān)方的例行工作進(jìn)行建模[48]，包括任務(wù)模型、差錯(cuò)模型、行為模型和工作負(fù)荷模型等。這些模型的建立既需要?jiǎng)?chuàng)新的建模理論[49]和方法，也需要相應(yīng)建模工具[50]的支持，還需要通過大數(shù)據(jù)和深度機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行不斷的學(xué)習(xí)、迭代和修正，只有通過了長期的實(shí)踐檢驗(yàn)，才能具備商用價(jià)值。