機(jī)場智慧飛行區(qū)內(nèi)涵、分級與評價

趙鴻鐸， 李琛琛， 劉詩福， 郝航程

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

近年來，民航機(jī)場外來侵入物(foreign object debris，F(xiàn)OD)事故時有發(fā)生，影響跑道使用效率和乘客出行體驗[1]；停機(jī)位仍采用靜態(tài)分配，影響機(jī)場人員和物資中轉(zhuǎn)效率，并可能產(chǎn)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(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)信息的準(zhǔn)確性和可靠性不足，導(dǎo)致資金投入計劃缺乏科學(xué)合理的決策依據(jù)；此外，飛行區(qū)內(nèi)噪聲污染、大氣污染、耗電量大等問題仍需進(jìn)一步改善.傳統(tǒng)的機(jī)場飛行區(qū)運(yùn)行模式雖已做出相應(yīng)改進(jìn)，但仍不足以適應(yīng)人們對機(jī)場飛行區(qū)運(yùn)行的安全、效率、效益和環(huán)保的新需求.機(jī)場飛行區(qū)面臨的上述問題亟需智慧化的解決方案.

目前，國內(nèi)外對智慧飛行區(qū)的研究源于智慧城市關(guān)于機(jī)場建設(shè)的部分內(nèi)容，在場面監(jiān)視與控制系統(tǒng)[2]、道面管理系統(tǒng)[3-4]、智能燈光系統(tǒng)[5]、機(jī)場周界安防系統(tǒng)、跑道FOD監(jiān)測系統(tǒng)和智能驅(qū)鳥系統(tǒng)等方面發(fā)展迅速.盡管這些新技術(shù)從不同層面上豐富了智慧飛行區(qū)實現(xiàn)途徑和智慧化特征，但未對智慧飛行區(qū)的內(nèi)涵及特征進(jìn)行系統(tǒng)的闡述.

鑒于此，本文借鑒國內(nèi)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(qū)的內(nèi)涵、分級和評價體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.以飛行區(qū)運(yùn)行目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，類比高等智慧生物的基本要素和能力，概括了智慧飛行區(qū)的基本內(nèi)涵和智能能力，并提出了智慧飛行區(qū)分級與評價體系，成果可為智慧飛行區(qū)技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考.

1 智慧飛行區(qū)的內(nèi)涵

1.1 飛行區(qū)的運(yùn)行目標(biāo)

飛行區(qū)的運(yùn)行目標(biāo)是在成本、能耗以及環(huán)境的約束下，通過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)章制度、程序流程、現(xiàn)場指揮、技術(shù)輔助、信息支持等手段，實現(xiàn)飛行區(qū)內(nèi)人、車、飛機(jī)、貨物的安全高效流動，保障飛行區(qū)場面運(yùn)行、設(shè)施管養(yǎng)、地勤服務(wù)、應(yīng)急救援和能源保障等業(yè)務(wù)的有序運(yùn)行.未來飛行區(qū)的運(yùn)行目標(biāo)是實現(xiàn)飛行區(qū)運(yùn)行的全時安全、零誤高效、最優(yōu)效益和綠色環(huán)保，如圖1所示.

圖1 飛行區(qū)的運(yùn)行目標(biāo)

飛行區(qū)智慧化將有力支撐“全時安全、零誤高效、最優(yōu)效益、綠色環(huán)?！边\(yùn)行目標(biāo)的實現(xiàn).當(dāng)智慧飛行區(qū)具有自主感知、辨析、決策等能力，且各項能力滿足業(yè)務(wù)需求的可靠度和準(zhǔn)確性，可實現(xiàn)對FOD的主動探測、對飛機(jī)區(qū)場面運(yùn)行狀態(tài)、外部環(huán)境實時感知，可從源頭上避免飛行區(qū)事故征候，實現(xiàn)飛行區(qū)運(yùn)行的全時安全；可實現(xiàn)對場道性狀、FOD風(fēng)險、場面運(yùn)行沖突風(fēng)險的主動評估等，可最大限度地保障場面運(yùn)行的通暢性，實現(xiàn)飛行區(qū)運(yùn)行的零誤高效；可實現(xiàn)全面感知基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)信息，科學(xué)合理地做出養(yǎng)護(hù)維修決策，實現(xiàn)飛行區(qū)資金投入的最優(yōu)效益；可實現(xiàn)對能源生產(chǎn)計劃的自主決策以及能源的科學(xué)管理，實現(xiàn)飛行區(qū)供能的綠色環(huán)保.

1.2 智慧飛行區(qū)的基本要素

從“智慧”的本質(zhì)出發(fā)，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(qū)展開定義.感官、大腦、肌體、神經(jīng)、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(diào)節(jié)和環(huán)境適應(yīng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)信息的采集，用于感知生物體內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境；大腦是神經(jīng)系統(tǒng)的中樞，用于處理、記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fù)、調(diào)節(jié)等自主適應(yīng)能力，另一方面根據(jù)大腦的指令做出伸手、抬腿等行為；神經(jīng)是感官和大腦之間聯(lián)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(huán)系統(tǒng)，為生物體持續(xù)提供能量，從而保障生物體智慧能力的發(fā)揮.與高等智慧生物的基本要素對應(yīng)，智慧飛行區(qū)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(qū)中分別定義為感知網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)以及能源系統(tǒng).智慧生物體和智慧飛行區(qū)基本要素的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示.智慧飛行區(qū)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(qū)基本要素

智慧生物體基本要素智慧飛行區(qū)基本要素智慧飛行區(qū)基本能力感官感知網(wǎng)絡(luò)主動感知自動辨析大腦數(shù)據(jù)中心自主決策基礎(chǔ)設(shè)施自主適應(yīng)肌體服務(wù)設(shè)備自主行動神經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)交互心臟能源系統(tǒng)持續(xù)供能

1.3 智慧飛行區(qū)的定義

在明確了智慧飛行區(qū)的運(yùn)行目標(biāo)、基本要素和能力的基礎(chǔ)上，智慧飛行區(qū)定義如下：以“全時安全、零誤高效、最優(yōu)效益、綠色環(huán)保”為運(yùn)行目標(biāo)，由先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)設(shè)備、感知網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)和能源系統(tǒng)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(yīng)、自主行動、動態(tài)交互和持續(xù)供能等智能能力的飛行區(qū).

2 智慧飛行區(qū)的智能能力

與其定義相對應(yīng)，智慧飛行區(qū)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(yīng)、自主行動、動態(tài)交互等能力.智能能力的具體技術(shù)內(nèi)涵，如表2所示.智慧飛行區(qū)充分發(fā)揮出各項智能能力，能夠保障飛行區(qū)場面運(yùn)行、設(shè)施管養(yǎng)、地勤服務(wù)、應(yīng)急救援和能源保障等業(yè)務(wù)的有序高效運(yùn)行.以發(fā)揮“自主適應(yīng)”智能能力為例，飛行區(qū)在對信息自動辨析的基礎(chǔ)上，將在場面運(yùn)行、設(shè)施管養(yǎng)、地勤服務(wù)、應(yīng)急救援以及能源管理等方面根據(jù)各類事件和情況自主適應(yīng).其中，場面運(yùn)行方面包括地面交通信號燈的動態(tài)適應(yīng)、場面突發(fā)狀況的消散；設(shè)施管養(yǎng)包括道面裂紋修復(fù)、老化恢復(fù)、尾氣降解、粉塵抑制、融冰化雪；地勤服務(wù)包括地勤人員與特種車輛的協(xié)調(diào)調(diào)度；應(yīng)急救援包括救援人員與救援設(shè)備的協(xié)調(diào)調(diào)度；能源管理包括能源的動態(tài)供應(yīng)、耗能設(shè)備的動態(tài)調(diào)整.

表2 智能能力的技術(shù)內(nèi)涵

智慧飛行區(qū)智能能力的發(fā)揮要求各項能力之間具有特定的邏輯關(guān)系，根據(jù)表2的技術(shù)內(nèi)涵，六大智能能力的邏輯關(guān)系如圖3所示.通過視頻網(wǎng)、雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)等感知網(wǎng)絡(luò)主動感知飛行區(qū)狀態(tài)、性能、環(huán)境和行為信息；在數(shù)據(jù)中心對信息進(jìn)行校驗、集成、管理、分發(fā)、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(qū)進(jìn)行自動調(diào)控和自主適應(yīng)，另一方面在數(shù)據(jù)中心對各事件進(jìn)行自主決策；同時事件決策可與飛行區(qū)的飛行員、駕駛員、管理者等“服務(wù)人員”進(jìn)行動態(tài)交互，也可以依靠“系統(tǒng)”對飛行區(qū)各事件進(jìn)行自主行動.

圖3 智能能力邏輯關(guān)系

3 智慧飛行區(qū)的分級與評價

飛行區(qū)最終達(dá)到“自主行動”的最高智慧層級目標(biāo)不可能一蹴而就，且飛行區(qū)建設(shè)和運(yùn)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(jìn)行建設(shè).不同發(fā)展階段的飛行區(qū)，其智能能力的實現(xiàn)要有針對性和側(cè)重點(diǎn).因此，需要建立智慧飛行區(qū)分級體系，明確飛行區(qū)所處智慧層級，通過科學(xué)、合理的規(guī)劃引導(dǎo)飛行區(qū)實現(xiàn)智慧層級遞進(jìn)式發(fā)展.

3.1 分級體系

智慧飛行區(qū)的分級是個復(fù)雜的系統(tǒng)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(zhǔn)確對飛行區(qū)智慧度進(jìn)行界定，需要從兩個維度進(jìn)行分析，如圖4所示.

圖4 智慧飛行區(qū)分級

維度一.依據(jù)“人的參與程度 vs 飛行區(qū)自主程度”展開分級[10].根據(jù)科技發(fā)展趨勢假定如下：隨著智慧飛行區(qū)智慧層級增加，人的參與程度減少，飛行區(qū)自主程度提高，到最高層級人將不再參與沉重、繁復(fù)的工作，飛行區(qū)最終實現(xiàn)自主管控.智慧飛行區(qū)在不同發(fā)展階段具體表現(xiàn)為：智慧一級，系統(tǒng)將代替部分?jǐn)?shù)據(jù)采集工作，減少一線服務(wù)人員巡視檢查和設(shè)備維護(hù)的工作量，人側(cè)重于組織協(xié)調(diào)；智慧二級，飛行區(qū)實現(xiàn)對信息的存儲管理以及場面運(yùn)行狀態(tài)診斷，將繼續(xù)減少一線服務(wù)人員工作量，人側(cè)重于決策；智慧三級，飛行區(qū)實現(xiàn)動態(tài)路徑規(guī)劃、停機(jī)位資源動態(tài)分配、車輛和人員的協(xié)調(diào)調(diào)度和道面自修復(fù)等，大幅減少一線服務(wù)人員和管理人員工作量；智慧四級，飛行區(qū)各業(yè)務(wù)組織由飛行區(qū)自我學(xué)習(xí)后自主決策，并對各業(yè)務(wù)組織提供科學(xué)合理的決策方案，人負(fù)責(zé)監(jiān)督系統(tǒng)可靠性，在必要時參與應(yīng)急救援等工作；智慧五級，系統(tǒng)具備非常強(qiáng)的魯棒性，人力得到解放，要求飛行區(qū)具備自我學(xué)習(xí)、自我更新、不斷提升自主處理各類業(yè)務(wù)的能力.

維度二.針對每一個智慧層級飛行區(qū)側(cè)重實現(xiàn)的智能能力展開分級.根據(jù)科技發(fā)展趨勢及各項智能能力的邏輯關(guān)系，智慧飛行區(qū)在不同發(fā)展階段具體表現(xiàn)為：智慧一級，飛行區(qū)側(cè)重實現(xiàn)“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(xù)智能能力的發(fā)揮提供基礎(chǔ)；智慧二級，飛行區(qū)側(cè)重實現(xiàn)“thinking on”，即對主動感知信息進(jìn)行辨析和處理，有力支撐后續(xù)的適應(yīng)、決策以及交互；智慧三級，飛行區(qū)側(cè)重實現(xiàn)“adapting on”，即重點(diǎn)實現(xiàn)飛行區(qū)的自主適應(yīng)能力，將飛行區(qū)的智慧化進(jìn)一步提升；智慧四級，飛行區(qū)側(cè)重實現(xiàn)“deciding on”，即將各業(yè)務(wù)模塊的自主決策重點(diǎn)實現(xiàn)，為自主行動奠定基礎(chǔ)；智慧五級，飛行區(qū)側(cè)重實現(xiàn)“acting on”，隨著自動化、機(jī)械化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，重點(diǎn)實現(xiàn)飛行區(qū)的自主行動.

3.2 評價體系

為進(jìn)一步量化各智慧層級所側(cè)重實現(xiàn)的智能能力，建立智慧飛行區(qū)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(tǒng)可靠度和準(zhǔn)確性不斷提高的過程，最終整個飛行區(qū)的運(yùn)行要達(dá)到安全可靠、準(zhǔn)確高效.

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

(2) 對于自主辨析能力，表現(xiàn)為從信息融合集成→信息處理分析→狀態(tài)評估診斷→發(fā)展趨勢預(yù)判→風(fēng)險評價預(yù)測的螺旋上升.

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

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

(5) 對于自主決策能力，表現(xiàn)為單目標(biāo)、單約束、靜態(tài)決策→單目標(biāo)、多約束、靜態(tài)決策→多目標(biāo)、多約束、靜態(tài)決策→多目標(biāo)、多約束、動態(tài)決策→多目標(biāo)、多約束、動態(tài)、協(xié)同決策的階梯上升.

(6) 對于自主行動能力，表現(xiàn)為自主運(yùn)輸→自主檢測巡視→自主養(yǎng)護(hù)維修→自主地勤服務(wù)→自主應(yīng)急救援的螺旋上升.

智慧飛行區(qū)各智慧層級有針對性地實現(xiàn)維度二中對應(yīng)的智能能力.與圖5相對應(yīng)，各智慧等級在側(cè)重實現(xiàn)某種能力時，定性分級表中“跨越”的階段數(shù)則增加.以智慧一級為例，智慧一級側(cè)重實現(xiàn)飛行區(qū)的主動感知，那么智慧一級的飛行區(qū)“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(qū)分級

4 智慧飛行區(qū)案例分析

智慧飛行區(qū)各項智能能力的實現(xiàn)需要依托具體的信息化技術(shù)，即在“網(wǎng)”(視頻網(wǎng)、雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)、定位網(wǎng)、供能網(wǎng)、終端網(wǎng))、“平臺”(GIS平臺、BIM(Building Information Modeling)平臺、信息交換平臺、云平臺)、“數(shù)據(jù)中心”、“功能系統(tǒng)”的支撐下，根據(jù)技術(shù)的成熟度分級分階段實施.以華南某4F級民用運(yùn)輸機(jī)場為研究對象進(jìn)行案例分析，該機(jī)場飛行區(qū)信息化水平處于全國前列.經(jīng)過調(diào)研，該飛行區(qū)部署的應(yīng)用系統(tǒng)主要包括：智能燈光系統(tǒng)、FOD監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)場周界安防系統(tǒng)、飛機(jī)泊位動態(tài)分配和路徑引導(dǎo)系統(tǒng)、智能驅(qū)鳥系統(tǒng)、道面管理系統(tǒng)、場面監(jiān)視與控制系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)和地勤服務(wù)管理系統(tǒng)等.對各系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行分析,可知不同智能能力下飛行區(qū)表現(xiàn)的智慧度層級.

(1) 主動感知方面：場面監(jiān)控、FOD監(jiān)測、鳥情監(jiān)測逐步實現(xiàn)自動化，但監(jiān)測精度、范圍、應(yīng)用場景受限；管養(yǎng)信息自動采集程度低，未實現(xiàn)全域覆蓋，準(zhǔn)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(tǒng)和能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)多源信息的集成融合；對養(yǎng)護(hù)決策信息和能源調(diào)配信息進(jìn)行初步信息處理和分析；管理系統(tǒng)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(dá)到智慧二級.

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

(4) 自主決策方面：道面管理系統(tǒng)、地服管理系統(tǒng)等提升了決策的科學(xué)性，但以單目標(biāo)、單約束、靜態(tài)決策為主；場面運(yùn)行安全依據(jù)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(tài)交互方面：道面管理系統(tǒng)實現(xiàn)建養(yǎng)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(tài)、非實時交互；安全事件處置以傳統(tǒng)方式進(jìn)行溝通和管理，全面性和準(zhǔn)確性有待提高.動態(tài)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(xiàn)需要人工智能、自動駕駛等技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動，還在理論研究階段，基礎(chǔ)評級為一級，可將這一塊作為未來發(fā)展方向.自主行動方面處于智慧一級.

綜上所述，該機(jī)場飛行區(qū)各智能能力的實現(xiàn)情況，如圖5灰色色塊所示.該飛行區(qū)智慧化建設(shè)水平已處于智慧一級；在自動辨析方面智慧程度更高，已達(dá)到智慧二級.明確了該機(jī)場飛行區(qū)所處智慧層級之后，可對飛行區(qū)發(fā)展做進(jìn)一步規(guī)劃：短期內(nèi)需要明確智慧飛行區(qū)的業(yè)務(wù)需求和運(yùn)行目標(biāo)，建立可靠的軟硬件設(shè)施，構(gòu)建統(tǒng)一的應(yīng)用模塊標(biāo)準(zhǔn)體系.中期應(yīng)科學(xué)管理應(yīng)用模塊，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全耐久；建立智慧化分析決策機(jī)制，并拓展應(yīng)用基礎(chǔ).未來長期需要完善“網(wǎng)”、“平臺”、“中心”和“功能系統(tǒng)”技術(shù)體系以及延伸各個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)連通內(nèi)外部的應(yīng)用，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；最終實現(xiàn)飛行區(qū)智慧化管理和運(yùn)行.

5 結(jié)論

(1) 介紹了飛行區(qū)運(yùn)行目標(biāo)，對智慧飛行區(qū)基本要素和基本能力進(jìn)行分析，基于此得出智慧飛行區(qū)的定義.

(2) 對未來飛行區(qū)智慧化技術(shù)進(jìn)行分類、總結(jié)，明確智慧飛行區(qū)智能能力的具體技術(shù)內(nèi)涵.在此基礎(chǔ)之上，提出智能能力邏輯關(guān)系圖.

(3) 為引導(dǎo)智慧飛行區(qū)智慧層級遞進(jìn)式發(fā)展，提出智慧飛行區(qū)智慧度分級與評價體系，并從兩個維度進(jìn)行層級劃分.維度一針對人和飛行區(qū)交互關(guān)系，維度二針對該智慧層級下側(cè)重實現(xiàn)的智能能力.

(4) 對華南某機(jī)場飛行區(qū)建設(shè)進(jìn)行調(diào)研和分析，明確現(xiàn)階段所處智慧層級，并依據(jù)該飛行區(qū)運(yùn)行現(xiàn)狀做出未來的發(fā)展規(guī)劃.