智慧機場建設中飛行區數智化應用研究

張紅柳，師 展，王鑫瑋，冉祥來，樊重俊

（1.上海理工大學 管理學院，上海 200093；2.上海機場（集團）有限公司，上海 200335）

0 引言

近年來，人工智能、大數據、物聯網、元宇宙等技術加速創新，日益融入經濟社會發展各領域全過程，黨的十八大以來，黨中央高度重視發展數字經濟，將其上升為國家戰略。民用機場是數字經濟發展的重要場景之一，智慧機場建設致力于將數字化與智能化賦能傳統機場，推動民航產業高質量發展。智慧機場建設對于提升機場運行效率、助力區域交通與經濟綜合發展、規避安全風險等方面都有重大意義。

民航機場作為一個運輸系統被劃分為三個部分：航站區、進出機場的地面交通系統和飛行區。本文中飛行區是一個宏觀概念，指機場中除航站樓以外的部分，主要包括場面運行與地面保障，是機場的核心業務區，飛行區的運行效率反映飛機調度與后勤工作的實施情況，決定著旅客在航站樓內的停留時間、出行體驗，把握著機場的核心命脈。智慧飛行區建設成為新時期民航業發展的一個嶄新課題[1]。

目前，國內智慧機場建設仍然存在一些問題：一是以往的智慧機場建設更多關注航站樓的改造和重建，卻對飛行區場面運行與地面保障的數智化轉型關注較少；二是數字化與智能化在機場飛行區中滲透不夠深入，很多新技術的應用停留在表面，沒有發揮出巨大潛能；三是整體流程與環節沒有形成系統，智慧機場建設是一個系統工程，把握飛行區的核心控制功能，借助數智化手段輻射機場全域，是智慧機場建設的題中應有之義。本文將詳細分析飛行區各工作環節的數智化發展趨勢及對非飛行區的輻射作用，從解決問題的角度助力我國智慧機場建設和發展。

1 機場中飛行區工作環節

機場中飛行區職責主要是為飛機正常航行做好場面運行與地面保障，根據飛機的進出港和航行狀態將飛行區主要工作劃分為以下幾個部分：

離港起飛環節：航路容量評估、跑道容量評估、飛機根據調度在指定機坪等待、做好飛機起飛前加油、檢查維護、加/排水、充電、機艙清掃及配餐工作、廊橋、傳送帶車、客梯車靠近機艙準備、貨物、行李卸載及旅客登機、牽引車根據指示對飛機進行掛鉤安裝、牽引車牽引飛機至指定跑道后撤離、飛機按照指揮進入跑道、滑道起飛等。

航行中：空中交通態勢識別、航路交叉點處碰撞風險模型、空中高速路匝口流量控制、空中高速路匝口排序、機場終端區容量評估、機場終端區著陸次序的排序規劃、飛機滑行線路優化、基于航班延誤的飛機和乘客恢復模型等。

落地進場環節：降落跑道容量評估、調度、飛機呼叫塔臺傳遞降落信號、塔臺根據信息安排飛機在指定跑道下降、地面跑道根據塔臺指示打開大燈、飛機落地，由指定跑道滑入機場，引導員引導飛機進入指定停機坪、傳送帶車、客梯車及廊橋靠近艙門、地勤協助乘務人員打開艙門，引導旅客下機，卸載行李、貨物、維護檢查，清艙處理等。

其他：智慧圍界建設、不停航施工的精準管控、風險隱患的智能管控、資源集約管理、站坪交通智能運行等。

由于飛機航行速度快、風險高，因此對整個工作流程的誤差容忍度很低。目前，飛行區地面工作環節仍然過度依靠人力，尚未達到較高水平的數字化和智能化，人力作業無法滿足精細化的設備要求，同時由于飛行區工作環境多為跑道、滑行道、機坪等，存在較大的安全風險。目前急需數字化與智能化手段解決飛行區工作痛點，提升勤務處理效率，縮短飛機準備時間，降低航班延誤與取消率，增強機場流程的可控性，從而提升旅客出行效率和機場全流程的體驗滿意度，使智慧機場系統實現良性循環。

2 飛行區各工作環節數智化進步趨勢

2.1 人工智能技術應用到飛行區工作環節

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學[2]，是一門新思想、新觀念、新理論、新技術不斷出現和迅速發展的前沿學科。人工智能研究與應用領域主要分為以下幾個方面：知識表示與知識圖譜、自動推理與專家系統、搜索算法與智能計算、機器學習與深度學習、計算機視覺、自然語言處理、機器人等，尤其是以深度學習為代表的智能算法，在人們的生產生活中不斷扎根和滲透，推動人類社會向智能化與智慧化逐步發展。人工智能在智慧飛行區的建設中發揮重要的作用，如計算機視覺被廣泛應用。為保障安全和提高效率，希望盡可能減少人員在場區中的作業，使用智能機器人、機器臂、無人駕駛作業車等代替人力完成繁瑣重復的工作。未來地勤、地面支持設備（GES）以及地勤人員都可以由人工智能替代，從而保障作業質量和人員安全。

2.2 大數據技術應用到飛行區工作環節

大數據（Big Data，BD）指的是所涉及的資料量規模巨大到無法透過主流軟件工具，在合理時間內達到擷取、管理、處理、并整理成為幫助企業經營決策更積極目的的資訊[3]。大數據技術在飛行區工作中的應用如下：地面操作代理、航空公司和機場通過數據遙測，可使用一致的數據信息，獲取航班預計到達時間和已分配登機口；保障單位可通過實施信息查詢，獲取航空器服務需求（包括維護、加油、上下水、配餐和空調），確保及時做好準備工作；飛機與各類地面服務、運行控制（空中交通管理、航空公司和機場）和維護設施保持信息交互；實時的載荷計劃調整與配平，確保了統籌協同的飛機過站保障。

2.3 物聯網技術應用到飛行區工作環節

物聯網技術（Internet of Things，IoT）起源于傳媒領域，是信息科技產業的第三次革命[4]。物聯網是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。機場物聯網最終通過各類具體應用來呈現：機場室外環境監測，室外環境傳感器采集數據，分析數據信息并將其傳遞給乘務人員，工作人員提醒乘客室外溫度、濕度、天氣等，幫助乘客適應當地環境，同時還可以在物聯網內部進行數據挖掘和分析，預測未來環境數據，做好保障和服務工作；人員、車輛定位系統，通常通過目標檢測攝像頭來實現，以攝像頭為外部設備，采集人員和車輛的位置信息，將數據傳入物聯網，之后進行分析和檢測，保障人員與車輛安全。

2.4 元宇宙應用到飛行區工作環節

元宇宙（Metaverse）是人類運用數字技術構建的，由現實世界映射或超越現實世界，可與現實世界交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數字生活空間。AR 技術機場應用的三位一體化：三位一體化是指旅客、基礎功能、機場管理處通過網絡平臺連接、AR 技術機場的應用要逐漸向弱勢群體傾斜、AR 技術要從引入向創新發展。元宇宙技術助力智慧機場運營過程中2D 畫面到3D 體驗的轉變，借助AR 增強現實等技術提升旅客的沉浸式體驗。

3 智慧飛行區對機場其他環節輻射作用

3.1 精準控制旅客等待時間

旅客等待時間是衡量機場運營效率的重要指標之一，旅客等待時間過長會導致旅客旅行體驗感差，甚至影響下一階段的行程，而旅客等待時間過短會使旅客在航站樓內部停留時間過短，不利于航站樓內免稅店等商業運營與發展。因此智慧機場建設要求做到盡量嚴格把控時間，旅客等待時間的掌握對于機場效益產生著巨大的影響。人工智能技術在機場飛行區中的應用，極大地提高場區內的工作效率、減小意外事故發生概率，同時可以做到更加精準地控制工作時間，這對于旅客等待時間的嚴格控制具有積極意義。

3.2 減少航班延誤和取消，提高旅客體驗滿意度

智慧飛行區的建設中，還包括對飛機起降過程、確定保障資源、飛機數目、計劃時間以及設備故障排查等的數字化和智能化，根據人工智能算法優化求解突發事件導致的后續飛機進場/離場效率，并且統籌規劃和安排飛機進場后對接合適登機口，解決飛行區內飛機排隊問題、時間調度、設備、設施、車輛、人員的分配問題，使效率最大化、設施利用最小化，精準把握和縮短飛機準備時間，為機場賦予更多彈力引導旅客停留商業區，提高旅客滿意度，同時提高機場運營效率。

3.3 減小一線工作人員體量

在智慧機場建設中不斷加入數字化與智能化設施和服務，不斷借助數字化手段替代傳統的人工作業，這樣可以大幅降低一線工作人員數量，不僅借助人工智能等數智化技術提高工作效率、降低錯誤率，同時將一線有安全隱患和風險的人員轉移到后臺工作，改善員工的工作質量、提高員工的工作幸福感、提高員工福利，同時極大地避免安全事故。

3.4 節約成本與提高收益

對于智慧機場建設中的數智化基礎設施投入，只需要在第一次全面設置與替換、開發數據庫系統與數智化機場平臺時消耗一筆大額開支，之后按照產品使用要求定期檢查、維修、更新或替換，消耗一定的維護費用，但同時由于數智化應用的推廣，實現一定的人工替代，降低人力成本。數智化應用大幅提升機場內部運營效率，在機場運營各個環節中避免非必要的開銷，同時借助數智化手段對數據和時間的精準把握，使機場獲得海量的數據信息，數據資源蘊藏著巨大的經濟價值和隱性商業效益。合理利用數據資源，把握數智化基礎建設和數智化飛行區的發展契機，對于智慧機場的發展至關重要。

3.5 提高機場應急能力

數智化設備如各種機器人、傳感器替代人工作業之所以成為時代潮流，是因為智能設備的諸多優點不可替代，比如在準確率上，目前流行的目標檢測算法其對物體定位的準確率可以達到99.7%，識別速度甚至低于0.01 秒，人工智能由于其獨特的優勢，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，以此來提升機場應急反應能力，盡量避免安全事故。不僅對人民生命財產安全負責，同時保障了機場運營效益。

4 基于飛行區數智化轉型的機場未來

智慧飛行區建設包含機場運營中的諸多關鍵工作，均承擔著重要使命，牽一發而動全身，每一環節的數智化改造和轉型都為機場建設創造巨大能量。具體數智化轉型應逐步擴展應用到飛行區工作環節的方方面面，最終實現全面現代化和數智化。如：航路容量評估、機場終端區著陸次序的排序規劃、航路交叉點處碰撞風險模型、機場終端區容量評估、空中交通態勢識別、跑道容量評估、跑道起飛調度模型、終端區飛行效率、基于航班延誤的飛機和乘客恢復模型、飛機滑行線路優化、作戰飛機調配保障需求、空中高速路匝口流量控制、匝口排序等。智慧飛行區建設對于機場數智化轉型的系統工程起到關鍵支柱作用，對于我國民航業和數字產業發展具有重要意義。