車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)在民航機場的應(yīng)用前景展望

安 鑫， 劉 一

(1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 北京 100044；2.中國民航管理干部學(xué)院大數(shù)據(jù)與信息管理研究中心， 北京 100102)

隨著移動通信、人工智能、深度學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與汽車產(chǎn)業(yè)的深度融合，智能汽車正逐漸成為全球汽車產(chǎn)業(yè)與自動駕駛行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點. 當(dāng)前國家智能汽車和智慧交通示范區(qū)建設(shè)主要遵循場(測試場)、路(開放道路)、區(qū)(示范區(qū))3級模式進行示范建設(shè)和運營，由于城市道路和高速公路的復(fù)雜性、開放性以及安全性考慮，開展廣泛的基于車路協(xié)同的自動駕駛應(yīng)用還需開展大量的基礎(chǔ)性驗證工作方能大規(guī)模的推廣應(yīng)用[1-2]. 但作為機場這一特定應(yīng)用場景，出于民航運輸業(yè)自身的獨特運行特點與全封閉場景的特性，具有天然的優(yōu)勢開展基于車路協(xié)同的自動駕駛測試和驗證工作. 我國作為汽車制造大國及民航市場的大國，在民航機場飛行區(qū)探索基于車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)具有廣泛的行業(yè)需求和應(yīng)用價值.

根據(jù)國際航空運輸協(xié)會(International Air Transport Association IATA)預(yù)測，2036年全球?qū)⒂?8億人次旅客選擇航空出行，為現(xiàn)在數(shù)量的2倍[3]. 隨著航空運輸量的高速增長，保持機場高效運行是一件困難的事情. 例如：2018年、2019年，北京首都國際機場年旅客吞吐量連續(xù)2年突破1億人次，幾乎平均每分鐘超過一架次航班從這里起降[4-5]. 這就意味著對地面保障作業(yè)提出了非常高的要求，地面保障尤其是承載重要功能作用的地面保障車輛，必須完成分鐘級的起降航班的保障任務(wù)，而不能出現(xiàn)絲毫差錯. 如何將地面保障工作做到極致，將成為機場管理者亟待解決的難題之一. 車路協(xié)同和自動駕駛新技術(shù)的出現(xiàn)，將為這一問題的解決提供重要的技術(shù)支持與保障.

1 汽車自動駕駛系統(tǒng)研究綜述

汽車自動駕駛系統(tǒng)，是一種利用車載電腦控制以實現(xiàn)無人駕駛的汽車系統(tǒng)[6]，其核心技術(shù)作為全球各大汽車巨頭和互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司互相追逐和比拼實力的戰(zhàn)略制高點，各自在全力儲備技術(shù)和網(wǎng)羅專業(yè)人才的同時，均希望在未來自動駕駛產(chǎn)業(yè)及獨特的應(yīng)用場景中能占領(lǐng)一席之地.

在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，我國從模仿、跟跑、同步跑到當(dāng)前存在彎道超車的機會，實現(xiàn)跨越式發(fā)展的目標(biāo)之際，智能網(wǎng)聯(lián)及自動駕駛技術(shù)正好成為我國汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中政府、企事業(yè)單位、科研院所等各單位密切合作，實現(xiàn)跨越式發(fā)展和核心技術(shù)突破的歷史性機遇和窗口期，這就需要智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈上游(感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、通信系統(tǒng))、中游(智能駕駛艙、自動駕駛解決方案、智能網(wǎng)聯(lián)汽車整車)、下游(出行服務(wù)、物流服務(wù)、數(shù)據(jù)增值)等各單位的通力協(xié)作，共同推動智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)業(yè)從研發(fā)到生產(chǎn)、試驗、示范應(yīng)用再到產(chǎn)業(yè)化落地的工作，形成覆蓋產(chǎn)、學(xué)、研、用、測等各環(huán)節(jié)的生態(tài)體系，尤其是在民航機場領(lǐng)域率先開展車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)示范應(yīng)用，為民航機場航班保障助一臂之力[7].

2 我國機場及其自動駕駛行業(yè)的發(fā)展趨勢

2.1 我國機場發(fā)展趨勢

2019年，我國境內(nèi)運輸機場(不含香港、澳門和臺灣地區(qū)，下同)共有238個，其中定期航班通航機場237個，定期航班通航城市234個. 我國通航機場中，年旅客吞吐量≥1 000萬人次的機場達到39個，年旅客吞吐量在200～1 000萬人次的機場有35個，年旅客吞吐量≤200萬人次的機場有165個[4-5].

當(dāng)前，國內(nèi)機場大多處在智慧機場2.0的發(fā)展階段，即利用信息化實現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)信息的共享和核心業(yè)務(wù)運行的協(xié)同，而未來的智慧機場3.0建設(shè)實現(xiàn)機場的主動運行、個性服務(wù)、智能管理，使得機場具備“感知—分析—反饋”的能力，其建設(shè)內(nèi)容包括：①機場的智能階段：業(yè)務(wù)與信息化智能融合階段； ②卓越的主動安全響應(yīng)能力；③實時監(jiān)測與運行預(yù)測；④全流程端到端的機場服務(wù)體驗；④精準(zhǔn)營銷模式提升非航收入；⑤機場管理運營前瞻性地調(diào)整部署.

第②～④部分建設(shè)內(nèi)容，在航班保障全流程中，很大程度上可通過在機坪部署車路協(xié)同設(shè)備和引入具備自動駕駛功能的保障車輛來提升機場運行效率. 單車的智能化雖可感知車輛周圍(0～200 m范圍)的路況信息[10]，但機場保障目標(biāo)距離車輛的出發(fā)點一般都在數(shù)公里以上，此時單車的智能化很難去感知超視距范圍內(nèi)的機坪實時交通狀態(tài)，更不能預(yù)先判斷自動駕駛車輛途經(jīng)區(qū)域的機坪交通實時路況信息. 為此，需要有針對性地深入研究這些技術(shù)的應(yīng)用，以此來切實推動我國機場建設(shè)朝著智慧機場3.0方向或更高版本發(fā)展.

2.2 機場自動駕駛現(xiàn)狀

當(dāng)前，由于民航機場空側(cè)發(fā)生的事故大多都由人為因素導(dǎo)致，利用無人駕駛的交通工具有望改變這種局面. 在2018年3月份據(jù)Airport Technology報道，IATA推薦了40多個機場無人駕駛地面車輛的案例[11].

2.3 自動駕駛等級劃分

自動駕駛等級劃分從解放人類駕駛員“眼、手、腳”操作的方面來說，國際汽車工程師協(xié)會(Society of Automotive Engineers SAE)制定的標(biāo)準(zhǔn)更為清晰、簡潔，所以目前的通行標(biāo)準(zhǔn)是SAE制定的自動駕駛等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[12].

3 機場自動駕駛技術(shù)展望

3.1 機場自動駕駛特點

由于機場自身的場景特點，是不同于城市內(nèi)自動駕駛測試場以及示范區(qū)等應(yīng)用場景. 城市內(nèi)自動駕駛技術(shù)測試驗證圍繞“場(測試場)—路(開放道路)—區(qū)(示范區(qū))”的發(fā)展階段，開展L0～L5級自動駕駛的測試示范和驗證，主要解決車輛自身運行環(huán)節(jié)行駛的安全、效率和信息服務(wù)問題. 而機場為了做好航空器落地本場開始到從本場起飛的全流程多達40多個環(huán)節(jié)的保障任務(wù)，“禁區(qū)”即飛行區(qū)采用嚴(yán)格管控措施并通過機場圍界與外部區(qū)域進行隔離，這種“隔離”本身就是一個封閉環(huán)境，在機場圍界內(nèi)，各類航空器、機場特種車輛、人員等按照既定規(guī)則和區(qū)域開展相關(guān)保障和服務(wù)工作. 由于民航機場每架航空器保障需要在限定的時間內(nèi)完成環(huán)節(jié)眾多且錯綜復(fù)雜的保障任務(wù)工作，其安全保障要求極高，需時刻圍繞“航空器絕對安全”“旅客生命財產(chǎn)安全”為核心，按照航空器保障的各個節(jié)點，協(xié)調(diào)安排有限的機場特種車輛、人員等資源在限定的時間范圍內(nèi)完成各自保障任務(wù)，實現(xiàn)“民航準(zhǔn)點率”剛性考核目標(biāo)的要求，其制約因素相比城市內(nèi)自動駕駛封閉試驗場區(qū)域要更多.

3.2 機場特種車輛

一般來說，為機場提供服務(wù)保障的特種車輛大致可分為4種，分別為場道保障車輛、航空器保障車輛、旅客服務(wù)車輛、應(yīng)急救援車輛，4種類型車輛分別對應(yīng)著不同的功能. 因此，選擇哪些車輛作為基于車路協(xié)同的自動駕駛的測試示范首選，也需要進行細(xì)致科學(xué)的分類，采用循序漸進的方式，按照道面保障車輛、應(yīng)急救援車輛、旅客服務(wù)車輛、航空器保障車輛的順序，先在遠(yuǎn)離飛機運行的區(qū)域開始試點示范，循序漸進在逐漸發(fā)展至靠近飛機作業(yè)的保障車輛，通過大量遠(yuǎn)離飛機保障作業(yè)車輛的示范應(yīng)用和技術(shù)儲備，確保其他車輛在機場車路協(xié)同自動駕駛應(yīng)用滿足相關(guān)要求的情況下，再逐漸圍繞航空器作業(yè)的特種車輛重點展開研究和應(yīng)用.

3.3 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用場景

3.3.1 機場現(xiàn)有通信技術(shù)

目前，國內(nèi)新建或改擴建機場在機場飛行區(qū)內(nèi)通信技術(shù)主要有公網(wǎng)通信技術(shù)(包括：2G/3G/4G/5G等)和專網(wǎng)通信技術(shù)(包括：800 Mhz、1.8 Ghz無線集群對講系統(tǒng)等)，部分機場在靠近航站樓區(qū)域分別部署了藍牙和UWB等通信技術(shù)以進一步提升近場通信保障能力. 由于機場飛行區(qū)面積大(機場圍界一般有數(shù)10 km的長度)，加之機場區(qū)域建筑高度有嚴(yán)格限制，機場飛行區(qū)周邊不能部署大型通信鐵塔，這就造成機場飛行區(qū)遠(yuǎn)離航站樓的區(qū)域通信信號質(zhì)量較差，無法滿足機場航空器、保障車輛、工作人員的通信需求. 而專網(wǎng)通信技術(shù)需要部署專用基站、配備專用移動通信終端，且能提供的通信內(nèi)容僅有文字、語音和視頻等方面的應(yīng)用，沒有針對機場飛行區(qū)航空器和保障車輛使用的通信技術(shù)，在一定程度上制約了專網(wǎng)通信技術(shù)在機場的應(yīng)用.

隨著機場建設(shè)規(guī)模的越來越大、保障任務(wù)越來越繁忙，現(xiàn)有公網(wǎng)通信技術(shù)、專網(wǎng)通信技術(shù)由于其自身技術(shù)的特點，不能提供大帶寬、低時延、高可靠的通信能力. 因此，針對航空器、機場保障車輛、工作人員等高效率通信需求，就需要一種能提供給車- 場- 人- 云且大帶寬、低時延、高可靠性的通信技術(shù)，實現(xiàn)機場飛行區(qū)車與車、車與航空器、車與保障人員、車與云控平臺之間的通信目標(biāo).

3.3.2 車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系

車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系可分為無線和應(yīng)用2大部分，縱觀國際車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程，無線部分通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有DSRC(802.11p)和C- V2X 2個標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)則由各國家和地區(qū)根據(jù)各自應(yīng)用定義進行制定[13].

結(jié)合目前車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展動態(tài)和趨勢，主要選擇C- V2X技術(shù)進行分析和探討.

3.3.3 自動駕駛測試場拓展至民航機場

國家智能汽車和智慧交通示范區(qū)作為衡量自動駕駛技術(shù)成熟度以及上路之前必須通過的“考核”項目外，民航機場運行本身是在一個封閉的控制區(qū)域內(nèi)開展相關(guān)航班保障生產(chǎn)任務(wù). 因此，如何將當(dāng)前各社會主體單位對外公布的自動駕駛測試場相關(guān)方案拓展至民航機場領(lǐng)域，也將是業(yè)界急需解答的課題. 以北京為例，國家智能汽車與智慧交通(京冀)示范區(qū)(亦莊)和國家智能汽車與智慧交通(京冀)示范區(qū)(海淀)2個國家級的自動駕駛測試基地已經(jīng)相繼投入運行，前者可開展L1～L5級自動駕駛測試，后者可開展L1～L3級自動駕駛測試[14]. 民航機場飛行區(qū)內(nèi)機場特種車輛的運行和管理工作完全可借鑒這2個自動駕駛測試基地的技術(shù)優(yōu)勢、先行優(yōu)勢和經(jīng)驗優(yōu)勢，為民航機場自動駕駛服務(wù)，將極大的推動民航機場自動駕駛技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，將更加有助于民航機場機坪車輛車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)的研究和應(yīng)用，提升民航機場飛行區(qū)保障車輛的車路協(xié)同自動駕駛和保障工作的自動化、信息化和高效化.

3.3.4 機場車路協(xié)同自動駕駛法律法規(guī)

機場飛行區(qū)道路測試安全性不僅與自動駕駛車輛技術(shù)水平相關(guān)，也與測試車輛和測試駕駛員管理息息相關(guān). 因此，參與機坪車輛車路協(xié)同自動駕駛的測試主體須在封閉測試場經(jīng)過嚴(yán)格測試，以保證在進入機場飛行區(qū)實際道路開展測試前自動駕駛車輛已達到相應(yīng)測試道路要求的自動駕駛能力水平. 另一方面，需要機場管理方組織部分已成立測試安全管理中心的規(guī)?；瘻y試企業(yè)，研制《機場飛行區(qū)自動駕駛測試車輛及駕駛員安全管理規(guī)范》[15]，輸出機場飛行區(qū)道路測試管理經(jīng)驗，建立駕駛員定期培訓(xùn)考核機制，樹立民航機場安全測試新形象.

3.3.5 機場車路協(xié)同自動駕駛管理系統(tǒng)設(shè)計

對于機場飛行區(qū)車路協(xié)同自動駕駛道路測試業(yè)務(wù)正常開展，需要在滿足機場飛行區(qū)政策擬定、標(biāo)準(zhǔn)建立、道路選擇、牌照發(fā)放、測試監(jiān)管以及應(yīng)用示范等方面進行頂層設(shè)計. 機場不僅需要更“聰明的車輛”，還需要“智能的路”和具有深度學(xué)習(xí)能力的云計算中心，提供定制化、專業(yè)化和安全性的機場獨特服務(wù)，實現(xiàn)民航機場飛行區(qū)圍界范圍內(nèi)陸側(cè)交通所轄道路的數(shù)字化交通規(guī)則、全場景感知、全域感知以及機場飛行區(qū)交通參與者的群智路徑規(guī)劃技術(shù).

圍繞機場車路協(xié)同自動駕駛管理系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括以下內(nèi)容:

機場基于車路協(xié)同自動駕駛系統(tǒng)架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)采集、信息傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、機場應(yīng)用層、信息展示層. 圍繞搭建機場車路協(xié)同自動駕駛環(huán)境，分析車路協(xié)同設(shè)備部署、高精度地圖以及高精度差分定位、機坪保障自動駕駛車輛類型選擇、機坪保障自動駕駛車輛行駛路線規(guī)劃、車輛運行指揮控制平臺、多接入邊緣計算MEC以及應(yīng)急管理措施等開展全面、系統(tǒng)的研究和測試，探索采用總體規(guī)劃、分步實施、循序漸進的技術(shù)路線依次展開. 機場基于車路協(xié)同自動駕駛的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計[16].

由于機場控制區(qū)面積較大，關(guān)鍵核心區(qū)域的感知設(shè)備(如視頻攝像機、毫米波雷達、激光雷達、車流量監(jiān)測設(shè)備等)可直接與多接入邊緣計算MEC相連接，融合機場AODB航班計劃信息、機場ADS-B及機場場監(jiān)雷達中關(guān)于航空器實時位置信息、保障車輛任務(wù)排班信息等，實現(xiàn)大帶寬、低時延處理后，及時反饋給正在運行的車輛、行人和航空器，提供安全、可靠、準(zhǔn)確的道路狀態(tài)信息給面向輔助駕駛和高級自動駕駛車輛，實現(xiàn)車輛自身安全高效行駛，且能結(jié)合整個道路資源及不同時段的繁忙情況，圍繞航班保障各環(huán)節(jié)開展相關(guān)工作和服務(wù)[17]. 民航機場典型車路協(xié)同自動駕駛應(yīng)用場景平面圖示例，詳見圖1.

圖1 民航機場車路協(xié)同自動駕駛應(yīng)用場景平面圖

3.3.6 機場應(yīng)用場景

民航機場車路協(xié)同自動駕駛V2X應(yīng)用場景和用例，參照車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智能網(wǎng)聯(lián)汽車賦能的技術(shù)路線，制定如下相應(yīng)的測試方法，并通過進一步的測試驗證民航機場車路協(xié)同自動駕駛應(yīng)用場景和用例的實際表現(xiàn)，優(yōu)選民航機場最佳場景和用例，這也是C- V2X及未來V2X技術(shù)在民航領(lǐng)域需要著重考慮的組成部分[18].

圍繞民航機場飛行區(qū)開展車路協(xié)同自動駕駛V2X應(yīng)用，本文主要探討機場飛行區(qū)交通安全類的場景應(yīng)用[19]，包括機坪飛行區(qū)各類車輛(場道保障車輛、航空器保障車輛、旅客服務(wù)車輛、應(yīng)急救援車輛)以及航空器之間的安全場景，主要應(yīng)用場景.

圖2是航空器與車輛相向行駛提醒的應(yīng)用場景舉例，汽車廣播自身的運動速度、方向和制動等行駛狀態(tài)，部署在機坪的攝像頭將采集到的航空器視頻信息實時傳輸至多接入邊緣計算單元MEC，實時分析機坪上航空器的運動速度、方向等運行狀態(tài)，并與云計算中心的機坪ADS- B和機場場監(jiān)雷達關(guān)于航空器的實時位置信息進行融合比對分析，并通過RSU廣播給附近的車輛，當(dāng)車輛根據(jù)接收到的前方航空器的行駛狀態(tài)信息，會在預(yù)測到和航空器相向行駛未在安全距離有可能發(fā)生沖突時向駕駛員發(fā)出相向行駛的提醒[20].

圖2 航空器與車輛相向行駛提醒的應(yīng)用場景

4 小結(jié)

根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點，分析了車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)在民航機場進行應(yīng)用的發(fā)展需求、政策保障、車輛及場景、關(guān)鍵技術(shù)等業(yè)界關(guān)心的熱點話題，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的最新趨勢提出在機場實現(xiàn)車路協(xié)同自動駕駛的路線選擇建議，并分析了機場開展基于車路協(xié)同自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)等. 由于篇幅所限，關(guān)于在機場開展基于車路協(xié)同自動駕駛最新業(yè)務(wù)形態(tài)，需要機場參與各方共同努力，推動民航機場機坪保障車輛的技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新以及商業(yè)模式創(chuàng)新. 我們將持續(xù)關(guān)注民航機場車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)以及智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)政策法規(guī)以及機場方的應(yīng)用需求等各方面的最新發(fā)展趨勢，進一步深入探索本領(lǐng)域業(yè)務(wù)發(fā)展路徑、關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)落地的路線圖，結(jié)合業(yè)務(wù)示范，逐步建立適合我國各類機場機坪保障車輛車路協(xié)同自動駕駛的最佳方案.