机场智慧飞行区愿景与架构

摘要

针对目前机场飞行区运行现状及管理使用的需求，结合《智慧民航建设路线图》和未来科技发展趋势，明确了机场智慧飞行区运行愿景。在此基础上，进一步诠释与梳理智慧飞行区的架构。智慧飞行区以智能物理要素为基础，以功能系统为支撑，组织相关业务模块，最终保障运行愿景的实现。最后，系统分析了智慧飞行区在场面运行、设施管养、地勤服务、应急救援、能源保障方面的发展方向，提出了有效支撑智慧飞行区安全、效率、效益、环保的业务组织模式，对未来智慧飞行区的规划与应用具有重要参考意义和价值。

关键词

智慧飞行区; 愿景; 架构; 功能系统; 业务模块

航空运输已成为主要经济支柱，推动全球经济发展。2018年，国务院制定《新时代民航强国建设行动纲要》，到本世纪中叶，我国民航将向全方位民航强国的跨越，全面建成保障有力、人民满意、竞争力强的民航强国。机场在航空运输中占有重要地位，2019年民航局印发《中国民航四型机场建设行动纲要 （2020－2035年）》，要求加快以“平安、绿色、智慧、人文”为核心的四型机场建设。然而，随着机场流量的增大，飞行区内交通愈发难以掌控，由此产生的场面拥挤、航班延误频发，飞行区运行的安全与效率问题逐渐成为制约航空运输发展的关键因素。此外，机场扩容和新建引发的效益与环保问题也倍加关注。飞行区原有运行模式难以应对日益严峻的安全、效率、效益以及环保问题，智慧化将成为实现飞行区“全时安全、零误高效、最优效益、绿色环保”的关键支撑^［1］。

飞行区智慧化研究起源于智慧城市^［2］关于机场建设的部分，该理念最早由IBM提出并在全球推广。目前，在场面监视^［3］、道面管理系统^［4］、智能灯光系统^［5］、跑道FOD监测系统^［6］、滑行路径规划^［7］、网络安全防御^［8］、客流优化^［9］、用户需求分析^［10］等开展了较为深入的研究，相关技术已经成功应用于现代机场建设。此外，云计算、大数据、物联网、人脸识别和自动驾驶技术的发展为智慧机场建设注入活力。技术发展丰富了智慧飞行区的实现路径和智慧化特征，但智慧飞行区架构还未有系统的阐述^［11-13］，需充分借鉴智慧城市^［2］、智能交通^［14］、智能道路^［15-16］等智慧化研究成果，进一步丰富和完善智慧飞行区的愿景和架构。

本文从飞行区的特征剖析为出发点，针对飞行区面临的核心问题揭示未来飞行区发展方向，通过梳理智慧飞行区物理要素、功能系统、业务模块提出智慧飞行区的架构，研究结果可为国内外智慧飞行区的规划设计与应用落地提供参考。

1 机场飞行区的特征

机场飞行区为供飞机起飞、着陆、滑行和停放使用的场地，包括跑道、升降带、跑道端安全区、滑行道、机坪以及机场周边对障碍物有限制要求的区域^［17］。在飞行区内，基本要素包括飞机、车辆、人、货物、环境、基础设施及服务设备共七大类，如图1所示。

图1  飞行区基本要素

Fig.1  Fundamental elements of the airfield

为保障飞行区内飞机安全起飞、着陆、滑行和停放，飞行区需提供一系列基本业务服务。业务组成包括场面运行、设施管养、地勤服务、应急救援和能源保障，如表1所示。

表1  飞行区业务组成

Tab.1  Operation module of an airfield

飞行区业务	内涵
场面运行	飞行区内移动目标进行相应活动的统称：飞机起飞着陆、车辆的巡视、人员的监管等过程
设施管养	机场方对飞行区内的基础设施进行管理和养护，以保障飞行区安全高效的运行
地勤服务	机场为航空器旅客提供的在机场空侧范围内的各种服务
应急救援	指针对飞行区内突发、具有破坏力的紧急事件采取预防预备、响应和恢复的活动
能源保障	通过各类能源的生产与管理保证对飞行区各类能耗设备正常有序运行

2 智慧飞行区的愿景

飞行区运行的安全与效率目前基本能保障机场正常运行，但随着机场流量的不断增加，飞行区存在的问题逐渐显现，诸如安全隐患、场面拥挤、飞机延误、设施老化、环境影响等等。依据《2019年民航行业发展统计公报》，通用航空事故15起，运输航空事故症候570起，由空管原因造成的航班不正常12000多次。此外，民航机场停机坪静态分配、滑行冲突、场道巡检和道口安检效率低、基础设施建养信息缺失、资金投入缺乏效益评估等问题也制约了飞行区发展。

传感器、大数据、机器学习等一系列智能技术使得相关设备能够实现一定的智能功能，如智能识别、智能决策等，可广泛应用于不同领域，推动各个行业的智能化发展。在飞行区中，面向管理者和用户某一方面的需求，采用相应的智能技术对基础设施、工作流程进行智能化升级，形成具有不同功能的智能系统，如：采用高性能传感器技术感知结构性状，基于神经网络技术进行结构性能评价，利用支持向量机技术进行态势预测，并通过专家系统等技术进行智能决策，指导跑道结构设计和保障跑道使用性能，等等。进而，通过建立不同智能系统间的逻辑关系，融合具有不同功能的多种智能系统，形成面向飞行区所有基本要素的多功能整合、动态交互的智慧飞行区，保障飞行区业务模块的高安全、高效率、低成本与低排放。参考民航局发布的《智慧民航建设路线图2022》，本文定义智慧飞行区愿景的内涵为：

（1）全时安全：时刻保障飞行区内一切活动的安全性，避免一切事故征候；

（2）零误高效：保障飞行区内场面运行的通畅性，实现飞行区场面的零延误；

（3）最优效益：准确进行飞行区各项目的投资，实现效益-成本比的最大化；

（4）绿色环保：在于实现飞行区的节能减排，打造绿色环保机场。

图2  智慧飞行区的愿景

Fig.2  Aim of a smart airfield operation

3 智慧飞行区的架构

智慧飞行区“全时安全、零误高效、最优效益和绿色环保”愿景的最终实现^［1］，需要以飞行区基本要素为基础，以功能系统做支撑，组织相关业务模块，如图3所示。其中，物理要素包含基础设施、感知系统、数据中心、通讯系统、供能系统，是智慧飞行区的基础组成；功能系统包括智能跑道系统、智能运行调度、智能设施管养、智能地勤服务、智能应急救援五个部分，是支撑智慧飞行区智慧能力的核心；业务模块有场面运行、设施管养、地勤服务、能源保障、应急救援五块，是体现智慧飞行区智能能力的层面。

图3  智慧飞行区架构

Fig.3  Framework of a smart airfield

3.1　物理要素

传统飞行区基础设施主要通过人工操作来实现各项业务，无法支撑智慧飞行区智慧能力的实现。因此，在传统飞行区基本要素的基础上，智慧飞行区还添加了感知系统、数据中心、通讯系统、供能系统等智能“物理要素”，形成智慧飞行区完整的物理要素组成。智慧飞行区的基础设施主要包括场道设施、灯光系统、助航系统、排水系统、围界系统、供能系统、气象站、塔台等，其中场道设施是保障飞机起降、滑行和停放的地面设施，是飞行区内最重要的基础设施，主要包括跑道、滑行道、停机坪等支撑飞机地面运动的结构体，由面层、基层、底基层、垫层和地基等结构层组成；感知系统包括道面传感器、智能材料、定位设备、环境监测设备，主要对跑道内部状态与外部环境信息进行智能感知；数据中心主要包括信息交换平台、数据库、信息处理平台、云，负责将感知系统的信息处理并储存；通讯系统包括无线专网、互联终端、通讯光纤、无线数据链等，主要负责与服务对象之间的信息交互。

智能要素在飞行区内的空间位置分布梳理后如表2所示。与道面的相对位置来看，各类智能物理要素的空间位置分布从道面内部、道面表面、道面旁侧、远离道面的部门到远端或空中。

表2  飞行区内物理要素空间位置分布

Tab.2  Positions of fundamental elements of airfield

空间位置	智能物理要素
道面内部	传输光缆线、道面性状感知传感器、环境监测设备
道面旁侧	雷达、摄像头、灯光系统、环境监测设备、供能系统
远离道面的机场部门	数据中心、信息交换平台、BIM、GIS
远端或空中	私有云、公有云、基站、卫星、无线数据链

3.2　功能系统

智慧飞行区功能系统是指为提高飞行区运行效率、效益、安全性和环保性，而在物理要素基础上面向实际应用场景开发设计的设备、技术和程序集成系统，功能系统总体组成如图4所示。场面运行方面包括智能跑道系统、智能围界系统、智能驱鸟系统和智能运行调度系统，通过研发动态应变计、分布式光纤、激光雷达、高速摄像头等设备，应用大数据分析、机器学习技术、物联网技术，开发跑道性能评价、运行风险评估与预警、异物入侵识别、鸟群识别与预警、目标监测追踪与路径规划等算法，实现场面运行安全、效率保障工作的协同化与自动化。

图4  智慧飞行区的功能系统

Fig.4  Function system of smart airfield

设施管养方面包括道面管理系统、全寿命周期管理系统和灯光管理系统，通过重锤式弯沉仪、激光断面仪、表面摩阻测试仪等设备和人工徒步检查采集设施运行性能与维护信息，运用“GIS+BIM”技术开发全寿命管理系统平台，实现飞行区设施建管养数据一体化储存、解析与展示。

地勤服务方面包括飞行区资源分配与调度系统、地服人员管理与优化系统和站坪监测系统，通过摄像头、雷达等设备获取多源视频、ACDM数据、ADS-B数据；进而运用云计算、大数据处理技术开发飞行区资源智能排班调度、运行流程追踪与还原、站坪安全态势与趋势预测等算法，实现资源到人员的全局统筹协调，提高作业效率与安全。

应急救援方面的智慧应急救援系统通过配备单兵视频、车载视频等设备采集传输应急信息，运用5G通讯、GIS、模式识别等技术开发应急事件一键共享与群呼、处置链条可视化等算法，协助各部门完成应急救援任务，提高应急事件处置的精准性，保障运行安全。

能源保障方面包括高杆节能灯控制系统、分布式能源再生系统和能源管理系统，通过照度传感器、分布式光伏组件等设备感知耗能和产能信息，运用多维统计分析、数据挖掘技术开发能源调控、评估和负荷预测算法，智能决策供能计划和节能计划。

场面运行是机场飞行区最主要的业务模块，以场面运行为例进行相应功能系统的详细阐述。场面运行方面主要面向的是安全和效率，智能跑道系统、智能围界系统、智能驱鸟系统、智能运行调度保障飞行区场面运行安全和提升飞行区场面运行效率。

（1）智能跑道系统主要包括道面异物（foreign object debris，FOD）自动监测系统、跑道防侵入系统、跑道湿滑状态监测系统、智能灯光系统、道面性状感知系统。其中，跑道湿滑状态监测系统是基于跑道湿滑状态对飞机滑行风险的精确解析之上，通过机场气象站和天气预报降雨强度两种方式的结合，监测区域内水膜厚度，并通过历史数据的演变规律对其进行预估，获取概率的风险预估模型，对冲偏处安全风险进行评估^［18］。同时，道面性状感知系统监测获取道面性状，基于数据解析模型算法，可对道面性能进行实时评价、预测，并智能化地给出对应的养护措施。

（2）智能围界系统可通过感知飞行区围界的振动，实时监测围界的非法进入情况，并及时通知监护人员。包括侵入报警系统、视频安防监控系统、广播及语音呼叫系统、灯光辅助照明系统、监控中心管理系统和通信传输网络系统。

（3）智能驱鸟系统采用星型网络的拓扑结构，实现了对机场区域的鸟情监测，利用数据挖掘技术，对鸟情信息进行数据分析，预报鸟情，从根本上防止鸟撞事故的发生。总体分为三个模块：自动采集现场鸟情信息；鸟情分析与预报；智能联动设备进行机场智能化驱鸟。

（4）智能运行调度系统包括飞行区移动目标追踪监测系统、车辆运行监控系统、飞机泊位引导系统、地面资源动态分配系统。智能运行调度系统就是一种飞行区资源利用最大化的动态分配系统，该系统的运作可有效提高飞行区的运行效率。

3.3　智慧飞行区业务模块

智慧飞行区为以物理要素为基础，以功能系统为核心，具有主动感知、自动辨析、自主决策、自主适应、自主行动、动态交互和持续供能等智能能力，在场面运行、设施管养、地勤服务、应急救援和能源保障五个业务模块中发挥作用，可实现全时安全、零误高效、最优效益和绿色环保愿景的飞行区^［1］。

各个业务模块与智能能力的逻辑关系如图5所示，功能系统感知飞行区信息进行自动辨析，进而支撑飞行区自主适应并辅助飞行区自主决策各事件。决策方案一方面可以与飞行区管理者、飞行员、地勤服务人员等交互执行，另一方面可反馈至各功能系统对事件开展自主行动。

图5  智能能力逻辑关系

Fig.5  Logic diagram of intelligent capability

3.3.1　智慧飞行区场面运行

机场场面运行优化是短期内缓解运行冲突、减小滑行成本、降低环境污染的重要途径，飞行区智慧化将有力支撑机场场面运行优化。图6给出了场面运行模块的运营原理及流程。通过感知设备对外来物、跑道湿滑状态、场面活动、位置、速度等主动感知，并将感知数据提供给场面运行中的数据中心，实现信息集成、数据过滤、数据管理、风险预测、趋势判断等数据自动辨析功能。在此基础上，一方面智慧飞行区自主适应能力可实现飞行区对突发状况消散、动态滑行路径规划、动态停机位分配等；另一方面智慧飞行区自主决策能力可实现场面运行中的防侵入处理、引导处理、冲突处理和动态调度计划等。在智慧飞行区中，这些决策信息会与飞行员、服务人员、管理员等进行动态交互，实现对飞行区场面运行更好的管理；当智慧飞行区达到最高等级时，自主行动的能力可实现对外来物自动清除和处理、飞机车辆的主动控制以及协助飞行区突发状况的消散等。

图 6  智慧飞行区场面运行业务模块

Fig.6  Operation module of smart airfield

3.3.2　智慧飞行区设施管养

飞行区的基础设施是整个飞行区活动的基础，基础设施管养是飞行区日常最重要的内容之一，其目的是保障飞行区场面活动的正常运行，降低飞行区基础设施维护成本。图7给出了智能设施管养模块的运营原理及流程，覆盖全生命周期的规划、计划、预算、建造、施工、运营、维护、变更、处置阶段。通过埋设智能材料与传感器件，实现对飞行区基础设施的温湿度、平整度、应变、位移、沉降等信息的主动感知，并对所有信息进行自动辨析——集成管理，评估诊断，风险预测以及趋势预判。在此基础上，一方面智能飞行区的自主适应能力，可实现飞行区道面的损伤修复、污染物降解与清除；另一方面，自主决策能力可科学合理地制定维修计划和手段，并实现与服务人员与管理员的动态交互。当飞行区达到智慧最高等级，自主行动能力可实现对飞行区的机械化、自动化施工、全自动维修、全自动运输等。

图7  智慧飞行区设施管养业务模块

Fig.7  Facility maintenance module of smart airfield

3.3.3　智慧飞行区地勤服务

机场地勤服务是飞行区活动的重要模块，所有的民用、商用、及军用飞行器都需要地勤的服务，从飞机进入停机坪的那一刻起，到离开停机坪进入滑行道为止，停泊其间的所有后勤服务（给油、给水、旅客下机登机、行李搬运、飞机餐点装载、机身清洁、废弃物处理等）皆为机场地勤人员的工作职能范围。图8给出了地勤服务模块的运营原理及流程，智慧飞行区先通过对飞机泊位位置、后勤保障车作业情况等主动感知，并对感知信息进行信息集成、数据管理、数据过滤等自动辨析。在自动辨析的基础上，一方面自主适应能力可实现地勤服务中地勤人员和特种车辆的协调调度，另一方面，自主决策能力可动态协调调度方案和优化作业分配方案，并将其与地服人员、管理人员动态交互。当智慧飞行区实现最高等级时，自主行动能力可实现飞行区内无人驾驶自动运输、自动装卸作业。

图8  智慧飞行区地勤服务业务模块

Fig.8  Ground handing service module of smart airfield

3.3.4　智慧飞行区应急救援

应急救援服务保障了飞行区的安全稳定运行。图9给出了应急救援模块的运营原理及流程，通过主动感知能力监测火灾、碰撞等场面突发事件，并实时将感知的信息进行自动辨析。在此基础上，一方面自主适应能力可实现救援人员与救援设备的协调调度，另一方面，自主决策能力可自动生成相关应急救援决策，并与指挥中心组与相关救援单位动态交互，使应急救援服务无延迟，更加高效。当智慧飞行区达到最高等级时，具有自主行动能力的飞行区可主动联系救援车辆、应急服务设备等进行自主应急救援。

图9  智慧飞行区场面应急救援业务模块

Fig.9  Emergency rescue module of smart airfield

3.3.5　智慧飞行区能源保障

飞行区的能源保障是一切活动的基础。图10给出了能源保障模块的运营原理及流程，智慧飞行区中的能源除了来自于公用电网，还包括太阳能、压电能、地热能等分布式可再生能源，保证对飞行区的持续供能。同时，智慧飞行区的主动感知能力可实时感知电量的同步测量状态、发电机组状态、电能质量、配电状态，并通过这些感知的信息，对其诊断电力状态、安全风险等自主辨析。在此基础上，一方面智慧飞行区的自主适应能力可使能源动态供应、耗能设备动态调整；另一方面，主动决策生成供能地点选取、供能线路优化、能源生产计划等方案，并实时与能源管理者进行信息的动态交互。当智慧飞行区达到最高等级，自主行动能力可自动排查故障，对传输线路自动维修等。

图 10  智慧飞行区能源保障业务模块

Fig.10  Energy security module of smart airfield

4 结论

（1）给出了未来飞行区运行愿景，成为解决飞行区安全、效率、效益、环保问题的导引。以实现飞行区运行愿景为目标，明确智慧飞行区架构。智慧飞行区是以基本要素为基础，以功能系统为支撑，开展相关业务模块的组织。

（2）从场面运行、设施管养、地勤服务、应急救援、能源保障五个方面出发梳理未来机场研究与建设应重点发展的新技术，以及不同功能系统的业务组织模式。

（3）未来智慧飞行区建设应突破科技应用的局限性、提升建设运维的整体性，带来新技术变革和支撑点。现有先进技术如物联网、移动通讯技术虽在智慧飞行区有初步的探索应用，但尚未形成深入、全面的应用成果，未来可整合智慧飞行区多源异构数据信息面向不同业务模块，开发解析算法实现在线分析、直观应用、交互共享。并增加AI等新兴技术赋能智慧飞行区，如研发集点云扫描、无损探测、图像识别为一体的智能巡检机器人，实现隐蔽性、突发性跑道病害与场道FOD快速识别，覆盖无人化巡检技术。此外，飞行区智慧化不仅是单一业务模块智能化，同时也是飞行区各要素、业务模块的智慧联动协作，如结合场面运行信息与设施管养信息，可依据调度状况优化调整设施管养时间与策略，提升管养效率与效益。

作者贡献声明

刘诗福：研究工作开展、论文初稿撰写；

赵鸿铎：理论框架搭建、论文稿件修改；

郝航程：文献查阅整理、业务模块梳理；

凌建明：论文思路提供、理论技术支撑。