機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪信息管理系統(tǒng)研究及展望

□ 董建華 聶德喬 彭敏康/文

我國(guó)地域幅員遼闊，北方大多屬于溫帶季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)且降雪頻率高，降雪量大。本文通過(guò)分析運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪作業(yè)過(guò)程目前存在的問(wèn)題和短板，依托哈爾濱機(jī)場(chǎng)的除冰雪指揮管理系統(tǒng)進(jìn)行論證，對(duì)未來(lái)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道智慧除冰雪發(fā)展方向和可能采取的科技化、數(shù)字化工具與手段進(jìn)行闡述和設(shè)想，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪管理指揮的可視化、系統(tǒng)化、高效化運(yùn)作，達(dá)到多維度、一體化指揮管理，最大程度減輕冬季冰雪天氣對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的影響。

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪的現(xiàn)狀及問(wèn)題

（一）我國(guó)嚴(yán)寒、寒冷機(jī)場(chǎng)概況

按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176）我國(guó)氣候分區(qū)主要?jiǎng)澐譃閲?yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)等五個(gè)氣候區(qū)。

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嚴(yán)寒地區(qū)：主要是指東北、內(nèi)蒙古和新疆北部、西藏北部、青海地區(qū)，累年最冷月平均氣溫≤-10℃或日平均≤5℃的天數(shù)，一般在145 天以上地區(qū)。嚴(yán)寒地區(qū)機(jī)場(chǎng)主要包括黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、青海、新疆北部和西藏北部等地區(qū)的機(jī)場(chǎng)。

寒冷地區(qū)：主要是指北京、天津、河北、山東、山西、寧夏、陜西大部、遼寧南部、甘肅中東部、新疆南部、河南、安徽、江蘇北部以及西藏南部等地區(qū)。 其主要指標(biāo)為：最冷月平均溫度0 ～10℃，輔助指標(biāo)為：日平均溫度≤5℃的天數(shù)為90 ～145 天。寒冷地區(qū)機(jī)場(chǎng)主要包括北京、天津、河北和山東等地區(qū)的機(jī)場(chǎng)。

（二）降雪天氣對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行造成的影響

1.造成跑道摩擦系數(shù)降低無(wú)法滿足航空器起降要求。

2.造成飛行區(qū)場(chǎng)地地貌發(fā)生變化，導(dǎo)致盲降等導(dǎo)航設(shè)施信號(hào)發(fā)生波動(dòng)變化，影響航空器起降安全。

3.滑行道、機(jī)坪道面濕滑，航空器、車輛、人員運(yùn)行效率下降或暫停運(yùn)行。

4.反復(fù)長(zhǎng)時(shí)間降雪影響航班正常率，航班大面積延誤或取消，旅客大量滯留機(jī)場(chǎng)，易引發(fā)群體事件和不利輿情大面積發(fā)酵。

（三）機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪過(guò)程中存在的難點(diǎn)和問(wèn)題

1.協(xié)調(diào)不暢，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)除雪部門與運(yùn)行監(jiān)管、航空公司、運(yùn)管委、空管部門之間存在信息不對(duì)稱，信息傳遞慢，多頭決策等問(wèn)題。

2. 除冰雪啟動(dòng)時(shí)機(jī)把握不準(zhǔn)，除冰雪效率不高，除冰雪總指揮無(wú)法第一時(shí)間掌握除雪車輛位置和完成情況。對(duì)于每次除冰雪過(guò)程和完成效果進(jìn)行總體評(píng)價(jià)時(shí)也沒有系統(tǒng)性的判定標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)。

3.除冰雪期間機(jī)場(chǎng)區(qū)域天氣變化不定，時(shí)有一邊下雪一邊清雪的情況，風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和實(shí)時(shí)降雪強(qiáng)度對(duì)于場(chǎng)道除雪效果影響很大，導(dǎo)致何時(shí)完成清雪達(dá)到跑道適航時(shí)刻不確定，無(wú)法為機(jī)場(chǎng)航班恢復(fù)運(yùn)行提供可靠依據(jù)。

機(jī)場(chǎng)道面除冰雪系統(tǒng)實(shí)踐及效果

為解決上述問(wèn)題，建立一套科學(xué)的、適用的機(jī)場(chǎng)道面除冰雪信息管理系統(tǒng)是提高冬季機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率、確保機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全的迫切需求。根據(jù)哈爾濱機(jī)場(chǎng)多年冬季道面除冰雪的實(shí)踐和提出的需求，2019 年，黑龍江機(jī)場(chǎng)集團(tuán)委托某設(shè)計(jì)研究院為哈爾濱機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)并建立了一套基于智慧飛行區(qū)的機(jī)場(chǎng)除冰雪指揮調(diào)度信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近一年的建設(shè)，設(shè)計(jì)單位經(jīng)過(guò)哈爾濱機(jī)場(chǎng)及局方多次提出需求、改進(jìn)、實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)和測(cè)試，通過(guò)了民航東北管理局的中期和最終驗(yàn)收。相較于過(guò)去的除冰雪作業(yè)管理模式，除冰雪管理指揮系統(tǒng)為哈爾濱機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)道除冰雪作業(yè)帶來(lái)了以下幾方面質(zhì)的提升：

一是優(yōu)化了除冰雪作業(yè)流程，建立了作業(yè)任務(wù)收發(fā)反饋機(jī)制。除冰雪管理指揮系統(tǒng)構(gòu)建了一套的完整的任務(wù)下發(fā)→任務(wù)接受→塔臺(tái)批準(zhǔn)→任務(wù)執(zhí)行→任務(wù)結(jié)束流程。與以往的通過(guò)口頭布置，對(duì)講機(jī)調(diào)度的方式對(duì)比，除冰雪管理指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)布置的流程化，可視化，并建立了相應(yīng)反饋機(jī)制，增強(qiáng)了指揮員對(duì)各車輛執(zhí)行任務(wù)的管控能力。使得機(jī)場(chǎng)除冰雪作業(yè)進(jìn)一步規(guī)范化，流程化，標(biāo)準(zhǔn)化。

二是實(shí)現(xiàn)了車輛統(tǒng)一調(diào)度管理。除冰雪管理指揮系統(tǒng)中的車輛定位管理功能實(shí)現(xiàn)了車輛統(tǒng)一調(diào)度管理。通過(guò)系統(tǒng)的電子地圖及車輛位置信息的顯示，除冰雪指揮調(diào)度中心可以獲取實(shí)時(shí)的車輛位置信息、車輛工作狀態(tài)、車輛行駛路線、車輛?？课恢?、駕駛員信息等數(shù)據(jù)，從而使除冰雪指揮人員可隨時(shí)掌握車輛位置及信息。與以往的指揮人員僅能通過(guò)對(duì)講機(jī)呼喊，由駕駛?cè)藛T匯報(bào)位置才能獲取車輛位置信息相比較，系統(tǒng)的投入使用，使駕駛員能清晰直觀的獲取車輛位置，這極大的改善了指揮人員對(duì)除冰雪車輛的掌握能力。

三是實(shí)現(xiàn)了車輛的視頻監(jiān)控。通過(guò)除冰雪管理指揮系統(tǒng)中的車載視頻監(jiān)控功能，在執(zhí)行除冰雪任務(wù)過(guò)程中除冰雪指揮人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控除冰雪車輛的車外與車外視頻信息，確保對(duì)車輛、各區(qū)域情況進(jìn)行全面有效的掌控。與以往的指揮方式相比較，指揮人員獲得了除冰雪車輛的即時(shí)視頻信息，根據(jù)需要可以隨時(shí)查看各執(zhí)行任務(wù)車輛的任意一路或多路視頻，了解各執(zhí)行任務(wù)車輛的行駛狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)情況。增強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的管控能力和突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)情況。

四是實(shí)現(xiàn)了人員績(jī)效的考核。通過(guò)除冰雪管理指揮系統(tǒng)的車輛管理、報(bào)警管理、人員上下車功能、駕駛員管理等功能，除冰雪團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了公平、真實(shí)的人員績(jī)效考核。通過(guò)使用駕駛員管理功能，通過(guò)統(tǒng)計(jì)各工作人員工作時(shí)間、執(zhí)行效果、車輛行駛路線及違章等各類信息，除冰雪團(tuán)隊(duì)可以掌握每個(gè)車輛駕駛員駕駛車輛的時(shí)間與時(shí)段，形成詳實(shí)、準(zhǔn)確的考勤記錄，也給團(tuán)隊(duì)調(diào)度人員規(guī)避駕駛員疲勞駕駛、過(guò)度駕駛提供了可靠的參考。與以往的績(jī)效考核方式相比較，除冰雪管理指揮系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確，科學(xué)的考核依據(jù)，有利于除冰雪團(tuán)隊(duì)制定合理薪酬激勵(lì)機(jī)制，進(jìn)一步提升工作效率，挖掘團(tuán)隊(duì)潛力。

五是實(shí)現(xiàn)了工作記錄倒查。通過(guò)除冰雪管理系統(tǒng)的車輛軌跡回放、車輛位置回查等功能，除冰雪指揮人員可準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)某一時(shí)間段內(nèi)任意車輛的工作軌跡，進(jìn)而分析該車輛的工作范圍與作業(yè)遍數(shù)。除冰雪團(tuán)隊(duì)指揮人員可根據(jù)該記錄，結(jié)合機(jī)場(chǎng)的實(shí)際除雪效果與運(yùn)行效率，進(jìn)一步優(yōu)化除冰雪作業(yè)車輛的派出規(guī)劃和作業(yè)線路規(guī)劃。也為事后的追查倒查，提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。與以往只能通過(guò)人員回憶和場(chǎng)內(nèi)視頻監(jiān)控回看等方式確認(rèn)作業(yè)軌跡的方式相比較，除冰雪管理指揮系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的行駛軌跡記錄，提供了可靠、詳細(xì)的工作記錄保存方式。

機(jī)場(chǎng)智慧除冰雪未來(lái)發(fā)展設(shè)想和展望

哈爾濱機(jī)場(chǎng)基于智慧飛行區(qū)的機(jī)場(chǎng)除冰雪指揮調(diào)度信息系統(tǒng)屬于先行項(xiàng)目，全國(guó)其他機(jī)場(chǎng)尚無(wú)同類項(xiàng)目，該項(xiàng)目是“四型機(jī)場(chǎng)”建設(shè)的良好示范，有效的提升了機(jī)場(chǎng)除冰雪部門信息獲取和協(xié)同指揮等能力，但對(duì)于全面評(píng)價(jià)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪能力，機(jī)場(chǎng)雪后正常運(yùn)行，尤其是保障航班時(shí)刻等方面仍有一些不足，主要存在于三個(gè)方面：一是機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪保障能力評(píng)估需更加全面、科學(xué)和精準(zhǔn)；二是應(yīng)盡量滿足降雪期間和降雪后機(jī)場(chǎng)航班調(diào)減決策時(shí)間進(jìn)一步提前的需求；三是受降雪天氣復(fù)雜的變化影響，機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道和機(jī)坪道面適航時(shí)間目前僅靠人工研判，無(wú)法給出準(zhǔn)確的預(yù)估時(shí)間，尤其是為了適應(yīng)國(guó)際民航組織（ICAO）的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，局方推行降雪后不以跑道摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果為機(jī)場(chǎng)跑道開放的硬性要求后，道面適航與場(chǎng)道除冰雪能力的匹配能否量化需要更加科學(xué)的評(píng)判。

場(chǎng)道除冰雪實(shí)現(xiàn)智慧化，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多項(xiàng)課題進(jìn)行研究并即將付諸實(shí)踐，如大型掃雪車的自動(dòng)駕駛和無(wú)人作業(yè)、道面冰雪狀態(tài)監(jiān)控及預(yù)警設(shè)備、抗冰防滑自加熱道面、搭載航空發(fā)動(dòng)機(jī)的狂風(fēng)吹雪車等。本文認(rèn)為智慧機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道除冰雪的未來(lái)無(wú)論是設(shè)備技術(shù)的更新（如自加熱道面、狂風(fēng)吹雪車）還是數(shù)字化提升（自動(dòng)駕駛、無(wú)人作業(yè)）都是比較契合實(shí)際的，但就當(dāng)前的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀和影響因素來(lái)說(shuō)，除冰雪作業(yè)前根據(jù)天氣等因素準(zhǔn)確預(yù)測(cè)跑道適航時(shí)刻，為機(jī)場(chǎng)恢復(fù)運(yùn)行做出提前量尤為重要。因此，可以通過(guò)建立數(shù)字化模型實(shí)現(xiàn)，這也是未來(lái)機(jī)場(chǎng)智慧除冰雪的雛形。

（一）建立期望模型并形成閉環(huán)

首先建立系統(tǒng)模型時(shí)，設(shè)定每一次實(shí)施場(chǎng)道除冰雪作業(yè)的參數(shù)，包括但不僅限于：本次預(yù)計(jì)降雪總量；雪停時(shí)間（距當(dāng)前時(shí)間還有多久，如作業(yè)時(shí)雪停則為0）；作業(yè)時(shí)本場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)向；參與除冰雪的各類除雪車數(shù)量；除冰液撒布車數(shù)量；跑道長(zhǎng)度、寬度；滑行道長(zhǎng)度、寬度；作業(yè)時(shí)氣溫；跑道目前的摩擦系數(shù)、作業(yè)任務(wù)完成時(shí)跑道的摩擦系數(shù)（如果不采用摩擦系數(shù)作為跑道開放條件則設(shè)定更換為其他等效參數(shù)）等。

在系統(tǒng)模型建立初期，上述的各項(xiàng)參數(shù)和跑道適航時(shí)刻（預(yù)測(cè)結(jié)果）需工作人員在場(chǎng)道除冰雪完成后手動(dòng)錄入正確時(shí)刻，以形成完整的數(shù)據(jù)閉環(huán)供系統(tǒng)模型后期預(yù)測(cè)時(shí)進(jìn)行比對(duì)。隨著錄入的完整樣本數(shù)量增加，依托數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)完成的機(jī)場(chǎng)冰雪清掃任務(wù)數(shù)據(jù)，參考當(dāng)前的天氣狀況、除冰雪資源和本場(chǎng)跑滑、機(jī)坪的物理性狀建立可預(yù)測(cè)機(jī)場(chǎng)道面除雪時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。

（二）利用大數(shù)據(jù)挖掘工具IBMSPSSModeler 科學(xué)預(yù)測(cè)跑道適航時(shí)刻

IBM SPSS Modeler 是數(shù)據(jù)挖掘軟件，目前我國(guó)傳統(tǒng)行業(yè)尤其是交通運(yùn)輸業(yè)采用的均為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是存在聯(lián)系和區(qū)別的。從原理來(lái)看，數(shù)據(jù)挖掘原理偏向于數(shù)學(xué)算法，對(duì)假設(shè)檢驗(yàn)顯著性等不敏感，但計(jì)算期望（預(yù)測(cè)）能力較強(qiáng)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)則在抽樣、假設(shè)、檢驗(yàn)、是否顯著等功能較強(qiáng)（如通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算機(jī)場(chǎng)機(jī)坪航空器的最優(yōu)滑行線路）。

Modeler 建模的原理主要有聚類算法、決策樹算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、貝葉斯算法等，根據(jù)CRISP-DM（跨行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘標(biāo)準(zhǔn)流程）設(shè)計(jì)，整個(gè)數(shù)據(jù)挖掘流程包括行為理解、數(shù)據(jù)理解、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、建模、評(píng)估和部署等階段，目的是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理、建模，挖掘出相關(guān)結(jié)果，指導(dǎo)實(shí)際管理和決策，可計(jì)算的數(shù)據(jù)量非常大，適合于分析、計(jì)算場(chǎng)道除冰雪后跑道適航時(shí)刻的預(yù)測(cè)。

Modeler 建模并預(yù)測(cè)的過(guò)程分為受監(jiān)督、關(guān)聯(lián)、細(xì)分三個(gè)步驟：

1.受監(jiān)督模型是使用一個(gè)或多個(gè)輸入字段的值來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)輸出（或目標(biāo)）字段的值。在預(yù)測(cè)機(jī)場(chǎng)道面適航時(shí)刻這個(gè)場(chǎng)景下輸入的參數(shù)包括預(yù)計(jì)降雪量，當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)向，預(yù)計(jì)雪停時(shí)間，跑道寬度、長(zhǎng)度，本場(chǎng)氣溫，當(dāng)前跑道摩擦系數(shù)等，終止條件為跑道摩擦系數(shù)大于0.3（或其他等效參數(shù)）。

2. 關(guān)聯(lián)模型是查找數(shù)據(jù)庫(kù)中的已完成樣本數(shù)據(jù)，與其中一個(gè)或多個(gè)樣本相關(guān)聯(lián)，如Apriori、Carma、序列、關(guān)聯(lián)規(guī)則等，讀取數(shù)據(jù)參數(shù)并轉(zhuǎn)到細(xì)分模型。在預(yù)測(cè)機(jī)場(chǎng)道面適航時(shí)刻這個(gè)場(chǎng)景下就是把第一步受監(jiān)督模型中的參數(shù)與前期數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在的手工錄入的正確參數(shù)進(jìn)行對(duì)比并關(guān)聯(lián)。

3. 細(xì)分模型是將數(shù)據(jù)劃分為具有類似輸入字段模式的記錄段或聚類。細(xì)分模型的示例為Kohonen 網(wǎng)絡(luò)、K-Means 聚類、二階聚類和異常檢測(cè)等，屬于前饋式無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，分為匹配層和競(jìng)爭(zhēng)層。匹配層計(jì)算輸入模式向量（受監(jiān)督模型中錄入的參數(shù)）與權(quán)向量（已經(jīng)存在的手工錄入的正確參數(shù)）之間的距離（距離越小匹配程度越大）；競(jìng)爭(zhēng)層是各權(quán)向量以匹配程度為依據(jù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，確定匹配程度大的權(quán)向量獲勝，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的競(jìng)爭(zhēng)和更新，最終輸入模式向量會(huì)以權(quán)向量的模式保存，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模式向量的聚類、識(shí)別與拓?fù)洳蛔冃杂成?，此時(shí)根據(jù)最終保存的權(quán)向量，可以直接關(guān)聯(lián)出跑道的適航時(shí)刻。簡(jiǎn)單說(shuō)就是分成兩個(gè)步驟：最佳匹配權(quán)向量的選擇和輸入模式向量的更新，從而形成跑道適航時(shí)刻的預(yù)測(cè)。

（三）大數(shù)據(jù)挖掘建模的實(shí)際意義

機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM）通過(guò)集成各方數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)共享，來(lái)實(shí)現(xiàn)各方資源的合理調(diào)配，提高機(jī)場(chǎng)整體運(yùn)行效率，更好的保障航班運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)信息共享后，A-CDM 根據(jù)航班整體運(yùn)行過(guò)程，使用預(yù)先定義好的里程碑來(lái)推算每架航班的預(yù)計(jì)推出時(shí)間（TOBT）。

目前在我國(guó)大部分機(jī)場(chǎng)，因降雪造成的機(jī)場(chǎng)跑道關(guān)閉，恢復(fù)運(yùn)行時(shí)刻無(wú)法納入A-CDM，其中重要的一項(xiàng)原因就是因降雪天氣多變，清雪完成時(shí)刻無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估，導(dǎo)致后續(xù)因降雪滯留、備降的航班無(wú)法獲取較準(zhǔn)確的起降時(shí)刻，機(jī)場(chǎng)的各項(xiàng)保障效率也無(wú)從談起。通過(guò)上述數(shù)字化模型，如果準(zhǔn)確預(yù)測(cè)跑道的適航時(shí)刻并將其納入A-CDM 中，是解決降雪導(dǎo)致的航班延誤給機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理帶來(lái)一系列考驗(yàn)重要手段之一，可以顯著提高滯留旅客滿意度，加強(qiáng)協(xié)作提高航班保障效率，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)智慧化除冰雪的路徑之一。