智慧機(jī)場建設(shè)中飛行區(qū)數(shù)智化應(yīng)用研究

張紅柳，師 展，王鑫瑋，冉祥來，樊重俊

（1.上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093；2.上海機(jī)場（集團(tuán)）有限公司，上海 200335）

0 引言

近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、元宇宙等技術(shù)加速創(chuàng)新，日益融入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展各領(lǐng)域全過程，黨的十八大以來，黨中央高度重視發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，將其上升為國家戰(zhàn)略。民用機(jī)場是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要場景之一，智慧機(jī)場建設(shè)致力于將數(shù)字化與智能化賦能傳統(tǒng)機(jī)場，推動(dòng)民航產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。智慧機(jī)場建設(shè)對(duì)于提升機(jī)場運(yùn)行效率、助力區(qū)域交通與經(jīng)濟(jì)綜合發(fā)展、規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)等方面都有重大意義。

民航機(jī)場作為一個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)被劃分為三個(gè)部分：航站區(qū)、進(jìn)出機(jī)場的地面交通系統(tǒng)和飛行區(qū)。本文中飛行區(qū)是一個(gè)宏觀概念，指機(jī)場中除航站樓以外的部分，主要包括場面運(yùn)行與地面保障，是機(jī)場的核心業(yè)務(wù)區(qū)，飛行區(qū)的運(yùn)行效率反映飛機(jī)調(diào)度與后勤工作的實(shí)施情況，決定著旅客在航站樓內(nèi)的停留時(shí)間、出行體驗(yàn)，把握著機(jī)場的核心命脈。智慧飛行區(qū)建設(shè)成為新時(shí)期民航業(yè)發(fā)展的一個(gè)嶄新課題[1]。

目前，國內(nèi)智慧機(jī)場建設(shè)仍然存在一些問題：一是以往的智慧機(jī)場建設(shè)更多關(guān)注航站樓的改造和重建，卻對(duì)飛行區(qū)場面運(yùn)行與地面保障的數(shù)智化轉(zhuǎn)型關(guān)注較少；二是數(shù)字化與智能化在機(jī)場飛行區(qū)中滲透不夠深入，很多新技術(shù)的應(yīng)用停留在表面，沒有發(fā)揮出巨大潛能；三是整體流程與環(huán)節(jié)沒有形成系統(tǒng)，智慧機(jī)場建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，把握飛行區(qū)的核心控制功能，借助數(shù)智化手段輻射機(jī)場全域，是智慧機(jī)場建設(shè)的題中應(yīng)有之義。本文將詳細(xì)分析飛行區(qū)各工作環(huán)節(jié)的數(shù)智化發(fā)展趨勢及對(duì)非飛行區(qū)的輻射作用，從解決問題的角度助力我國智慧機(jī)場建設(shè)和發(fā)展。

1 機(jī)場中飛行區(qū)工作環(huán)節(jié)

機(jī)場中飛行區(qū)職責(zé)主要是為飛機(jī)正常航行做好場面運(yùn)行與地面保障，根據(jù)飛機(jī)的進(jìn)出港和航行狀態(tài)將飛行區(qū)主要工作劃分為以下幾個(gè)部分：

離港起飛環(huán)節(jié)：航路容量評(píng)估、跑道容量評(píng)估、飛機(jī)根據(jù)調(diào)度在指定機(jī)坪等待、做好飛機(jī)起飛前加油、檢查維護(hù)、加/排水、充電、機(jī)艙清掃及配餐工作、廊橋、傳送帶車、客梯車靠近機(jī)艙準(zhǔn)備、貨物、行李卸載及旅客登機(jī)、牽引車根據(jù)指示對(duì)飛機(jī)進(jìn)行掛鉤安裝、牽引車牽引飛機(jī)至指定跑道后撤離、飛機(jī)按照指揮進(jìn)入跑道、滑道起飛等。

航行中：空中交通態(tài)勢識(shí)別、航路交叉點(diǎn)處碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型、空中高速路匝口流量控制、空中高速路匝口排序、機(jī)場終端區(qū)容量評(píng)估、機(jī)場終端區(qū)著陸次序的排序規(guī)劃、飛機(jī)滑行線路優(yōu)化、基于航班延誤的飛機(jī)和乘客恢復(fù)模型等。

落地進(jìn)場環(huán)節(jié)：降落跑道容量評(píng)估、調(diào)度、飛機(jī)呼叫塔臺(tái)傳遞降落信號(hào)、塔臺(tái)根據(jù)信息安排飛機(jī)在指定跑道下降、地面跑道根據(jù)塔臺(tái)指示打開大燈、飛機(jī)落地，由指定跑道滑入機(jī)場，引導(dǎo)員引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)入指定停機(jī)坪、傳送帶車、客梯車及廊橋靠近艙門、地勤協(xié)助乘務(wù)人員打開艙門，引導(dǎo)旅客下機(jī)，卸載行李、貨物、維護(hù)檢查，清艙處理等。

其他：智慧圍界建設(shè)、不停航施工的精準(zhǔn)管控、風(fēng)險(xiǎn)隱患的智能管控、資源集約管理、站坪交通智能運(yùn)行等。

由于飛機(jī)航行速度快、風(fēng)險(xiǎn)高，因此對(duì)整個(gè)工作流程的誤差容忍度很低。目前，飛行區(qū)地面工作環(huán)節(jié)仍然過度依靠人力，尚未達(dá)到較高水平的數(shù)字化和智能化，人力作業(yè)無法滿足精細(xì)化的設(shè)備要求，同時(shí)由于飛行區(qū)工作環(huán)境多為跑道、滑行道、機(jī)坪等，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前急需數(shù)字化與智能化手段解決飛行區(qū)工作痛點(diǎn)，提升勤務(wù)處理效率，縮短飛機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間，降低航班延誤與取消率，增強(qiáng)機(jī)場流程的可控性，從而提升旅客出行效率和機(jī)場全流程的體驗(yàn)滿意度，使智慧機(jī)場系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

2 飛行區(qū)各工作環(huán)節(jié)數(shù)智化進(jìn)步趨勢

2.1 人工智能技術(shù)應(yīng)用到飛行區(qū)工作環(huán)節(jié)

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)[2]，是一門新思想、新觀念、新理論、新技術(shù)不斷出現(xiàn)和迅速發(fā)展的前沿學(xué)科。人工智能研究與應(yīng)用領(lǐng)域主要分為以下幾個(gè)方面：知識(shí)表示與知識(shí)圖譜、自動(dòng)推理與專家系統(tǒng)、搜索算法與智能計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理、機(jī)器人等，尤其是以深度學(xué)習(xí)為代表的智能算法，在人們的生產(chǎn)生活中不斷扎根和滲透，推動(dòng)人類社會(huì)向智能化與智慧化逐步發(fā)展。人工智能在智慧飛行區(qū)的建設(shè)中發(fā)揮重要的作用，如計(jì)算機(jī)視覺被廣泛應(yīng)用。為保障安全和提高效率，希望盡可能減少人員在場區(qū)中的作業(yè)，使用智能機(jī)器人、機(jī)器臂、無人駕駛作業(yè)車等代替人力完成繁瑣重復(fù)的工作。未來地勤、地面支持設(shè)備（GES）以及地勤人員都可以由人工智能替代，從而保障作業(yè)質(zhì)量和人員安全。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到飛行區(qū)工作環(huán)節(jié)

大數(shù)據(jù)（Big Data，BD）指的是所涉及的資料量規(guī)模巨大到無法透過主流軟件工具，在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理、并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營決策更積極目的的資訊[3]。大數(shù)據(jù)技術(shù)在飛行區(qū)工作中的應(yīng)用如下：地面操作代理、航空公司和機(jī)場通過數(shù)據(jù)遙測，可使用一致的數(shù)據(jù)信息，獲取航班預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間和已分配登機(jī)口；保障單位可通過實(shí)施信息查詢，獲取航空器服務(wù)需求（包括維護(hù)、加油、上下水、配餐和空調(diào)），確保及時(shí)做好準(zhǔn)備工作；飛機(jī)與各類地面服務(wù)、運(yùn)行控制（空中交通管理、航空公司和機(jī)場）和維護(hù)設(shè)施保持信息交互；實(shí)時(shí)的載荷計(jì)劃調(diào)整與配平，確保了統(tǒng)籌協(xié)同的飛機(jī)過站保障。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到飛行區(qū)工作環(huán)節(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things，IoT）起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命[4]。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進(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)管等功能。機(jī)場物聯(lián)網(wǎng)最終通過各類具體應(yīng)用來呈現(xiàn)：機(jī)場室外環(huán)境監(jiān)測，室外環(huán)境傳感器采集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)信息并將其傳遞給乘務(wù)人員，工作人員提醒乘客室外溫度、濕度、天氣等，幫助乘客適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，同時(shí)還可以在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析，預(yù)測未來環(huán)境數(shù)據(jù)，做好保障和服務(wù)工作；人員、車輛定位系統(tǒng)，通常通過目標(biāo)檢測攝像頭來實(shí)現(xiàn)，以攝像頭為外部設(shè)備，采集人員和車輛的位置信息，將數(shù)據(jù)傳入物聯(lián)網(wǎng)，之后進(jìn)行分析和檢測，保障人員與車輛安全。

2.4 元宇宙應(yīng)用到飛行區(qū)工作環(huán)節(jié)

元宇宙（Metaverse）是人類運(yùn)用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的，由現(xiàn)實(shí)世界映射或超越現(xiàn)實(shí)世界，可與現(xiàn)實(shí)世界交互的虛擬世界，具備新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間。AR 技術(shù)機(jī)場應(yīng)用的三位一體化：三位一體化是指旅客、基礎(chǔ)功能、機(jī)場管理處通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)連接、AR 技術(shù)機(jī)場的應(yīng)用要逐漸向弱勢群體傾斜、AR 技術(shù)要從引入向創(chuàng)新發(fā)展。元宇宙技術(shù)助力智慧機(jī)場運(yùn)營過程中2D 畫面到3D 體驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，借助AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)提升旅客的沉浸式體驗(yàn)。

3 智慧飛行區(qū)對(duì)機(jī)場其他環(huán)節(jié)輻射作用

3.1 精準(zhǔn)控制旅客等待時(shí)間

旅客等待時(shí)間是衡量機(jī)場運(yùn)營效率的重要指標(biāo)之一，旅客等待時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致旅客旅行體驗(yàn)感差，甚至影響下一階段的行程，而旅客等待時(shí)間過短會(huì)使旅客在航站樓內(nèi)部停留時(shí)間過短，不利于航站樓內(nèi)免稅店等商業(yè)運(yùn)營與發(fā)展。因此智慧機(jī)場建設(shè)要求做到盡量嚴(yán)格把控時(shí)間，旅客等待時(shí)間的掌握對(duì)于機(jī)場效益產(chǎn)生著巨大的影響。人工智能技術(shù)在機(jī)場飛行區(qū)中的應(yīng)用，極大地提高場區(qū)內(nèi)的工作效率、減小意外事故發(fā)生概率，同時(shí)可以做到更加精準(zhǔn)地控制工作時(shí)間，這對(duì)于旅客等待時(shí)間的嚴(yán)格控制具有積極意義。

3.2 減少航班延誤和取消，提高旅客體驗(yàn)滿意度

智慧飛行區(qū)的建設(shè)中，還包括對(duì)飛機(jī)起降過程、確定保障資源、飛機(jī)數(shù)目、計(jì)劃時(shí)間以及設(shè)備故障排查等的數(shù)字化和智能化，根據(jù)人工智能算法優(yōu)化求解突發(fā)事件導(dǎo)致的后續(xù)飛機(jī)進(jìn)場/離場效率，并且統(tǒng)籌規(guī)劃和安排飛機(jī)進(jìn)場后對(duì)接合適登機(jī)口，解決飛行區(qū)內(nèi)飛機(jī)排隊(duì)問題、時(shí)間調(diào)度、設(shè)備、設(shè)施、車輛、人員的分配問題，使效率最大化、設(shè)施利用最小化，精準(zhǔn)把握和縮短飛機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間，為機(jī)場賦予更多彈力引導(dǎo)旅客停留商業(yè)區(qū)，提高旅客滿意度，同時(shí)提高機(jī)場運(yùn)營效率。

3.3 減小一線工作人員體量

在智慧機(jī)場建設(shè)中不斷加入數(shù)字化與智能化設(shè)施和服務(wù)，不斷借助數(shù)字化手段替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)，這樣可以大幅降低一線工作人員數(shù)量，不僅借助人工智能等數(shù)智化技術(shù)提高工作效率、降低錯(cuò)誤率，同時(shí)將一線有安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)的人員轉(zhuǎn)移到后臺(tái)工作，改善員工的工作質(zhì)量、提高員工的工作幸福感、提高員工福利，同時(shí)極大地避免安全事故。

3.4 節(jié)約成本與提高收益

對(duì)于智慧機(jī)場建設(shè)中的數(shù)智化基礎(chǔ)設(shè)施投入，只需要在第一次全面設(shè)置與替換、開發(fā)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與數(shù)智化機(jī)場平臺(tái)時(shí)消耗一筆大額開支，之后按照產(chǎn)品使用要求定期檢查、維修、更新或替換，消耗一定的維護(hù)費(fèi)用，但同時(shí)由于數(shù)智化應(yīng)用的推廣，實(shí)現(xiàn)一定的人工替代，降低人力成本。數(shù)智化應(yīng)用大幅提升機(jī)場內(nèi)部運(yùn)營效率，在機(jī)場運(yùn)營各個(gè)環(huán)節(jié)中避免非必要的開銷，同時(shí)借助數(shù)智化手段對(duì)數(shù)據(jù)和時(shí)間的精準(zhǔn)把握，使機(jī)場獲得海量的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)資源蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和隱性商業(yè)效益。合理利用數(shù)據(jù)資源，把握數(shù)智化基礎(chǔ)建設(shè)和數(shù)智化飛行區(qū)的發(fā)展契機(jī)，對(duì)于智慧機(jī)場的發(fā)展至關(guān)重要。

3.5 提高機(jī)場應(yīng)急能力

數(shù)智化設(shè)備如各種機(jī)器人、傳感器替代人工作業(yè)之所以成為時(shí)代潮流，是因?yàn)橹悄茉O(shè)備的諸多優(yōu)點(diǎn)不可替代，比如在準(zhǔn)確率上，目前流行的目標(biāo)檢測算法其對(duì)物體定位的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.7%，識(shí)別速度甚至低于0.01 秒，人工智能由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，在速度和精確度方面很難被超越，也因此可以將最重要的安全問題交給人工智能，以此來提升機(jī)場應(yīng)急反應(yīng)能力，盡量避免安全事故。不僅對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全負(fù)責(zé)，同時(shí)保障了機(jī)場運(yùn)營效益。

4 基于飛行區(qū)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的機(jī)場未來

智慧飛行區(qū)建設(shè)包含機(jī)場運(yùn)營中的諸多關(guān)鍵工作，均承擔(dān)著重要使命，牽一發(fā)而動(dòng)全身，每一環(huán)節(jié)的數(shù)智化改造和轉(zhuǎn)型都為機(jī)場建設(shè)創(chuàng)造巨大能量。具體數(shù)智化轉(zhuǎn)型應(yīng)逐步擴(kuò)展應(yīng)用到飛行區(qū)工作環(huán)節(jié)的方方面面，最終實(shí)現(xiàn)全面現(xiàn)代化和數(shù)智化。如：航路容量評(píng)估、機(jī)場終端區(qū)著陸次序的排序規(guī)劃、航路交叉點(diǎn)處碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型、機(jī)場終端區(qū)容量評(píng)估、空中交通態(tài)勢識(shí)別、跑道容量評(píng)估、跑道起飛調(diào)度模型、終端區(qū)飛行效率、基于航班延誤的飛機(jī)和乘客恢復(fù)模型、飛機(jī)滑行線路優(yōu)化、作戰(zhàn)飛機(jī)調(diào)配保障需求、空中高速路匝口流量控制、匝口排序等。智慧飛行區(qū)建設(shè)對(duì)于機(jī)場數(shù)智化轉(zhuǎn)型的系統(tǒng)工程起到關(guān)鍵支柱作用，對(duì)于我國民航業(yè)和數(shù)字產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。