智慧机场建设中飞行区数智化应用研究

张红柳，师 展，王鑫玮，冉祥来，樊重俊

（1.上海理工大学 管理学院，上海 200093；2.上海机场（集团）有限公司，上海 200335）

0 引言

近年来，人工智能、大数据、物联网、元宇宙等技术加速创新，日益融入经济社会发展各领域全过程，党的十八大以来，党中央高度重视发展数字经济，将其上升为国家战略。民用机场是数字经济发展的重要场景之一，智慧机场建设致力于将数字化与智能化赋能传统机场，推动民航产业高质量发展。智慧机场建设对于提升机场运行效率、助力区域交通与经济综合发展、规避安全风险等方面都有重大意义。

民航机场作为一个运输系统被划分为三个部分：航站区、进出机场的地面交通系统和飞行区。本文中飞行区是一个宏观概念，指机场中除航站楼以外的部分，主要包括场面运行与地面保障，是机场的核心业务区，飞行区的运行效率反映飞机调度与后勤工作的实施情况，决定着旅客在航站楼内的停留时间、出行体验，把握着机场的核心命脉。智慧飞行区建设成为新时期民航业发展的一个崭新课题[1]。

目前，国内智慧机场建设仍然存在一些问题：一是以往的智慧机场建设更多关注航站楼的改造和重建，却对飞行区场面运行与地面保障的数智化转型关注较少；二是数字化与智能化在机场飞行区中渗透不够深入，很多新技术的应用停留在表面，没有发挥出巨大潜能；三是整体流程与环节没有形成系统，智慧机场建设是一个系统工程，把握飞行区的核心控制功能，借助数智化手段辐射机场全域，是智慧机场建设的题中应有之义。本文将详细分析飞行区各工作环节的数智化发展趋势及对非飞行区的辐射作用，从解决问题的角度助力我国智慧机场建设和发展。

1 机场中飞行区工作环节

机场中飞行区职责主要是为飞机正常航行做好场面运行与地面保障，根据飞机的进出港和航行状态将飞行区主要工作划分为以下几个部分：

离港起飞环节：航路容量评估、跑道容量评估、飞机根据调度在指定机坪等待、做好飞机起飞前加油、检查维护、加/排水、充电、机舱清扫及配餐工作、廊桥、传送带车、客梯车靠近机舱准备、货物、行李卸载及旅客登机、牵引车根据指示对飞机进行挂钩安装、牵引车牵引飞机至指定跑道后撤离、飞机按照指挥进入跑道、滑道起飞等。

航行中：空中交通态势识别、航路交叉点处碰撞风险模型、空中高速路匝口流量控制、空中高速路匝口排序、机场终端区容量评估、机场终端区着陆次序的排序规划、飞机滑行线路优化、基于航班延误的飞机和乘客恢复模型等。

落地进场环节：降落跑道容量评估、调度、飞机呼叫塔台传递降落信号、塔台根据信息安排飞机在指定跑道下降、地面跑道根据塔台指示打开大灯、飞机落地，由指定跑道滑入机场，引导员引导飞机进入指定停机坪、传送带车、客梯车及廊桥靠近舱门、地勤协助乘务人员打开舱门，引导旅客下机，卸载行李、货物、维护检查，清舱处理等。

其他：智慧围界建设、不停航施工的精准管控、风险隐患的智能管控、资源集约管理、站坪交通智能运行等。

由于飞机航行速度快、风险高，因此对整个工作流程的误差容忍度很低。目前，飞行区地面工作环节仍然过度依靠人力，尚未达到较高水平的数字化和智能化，人力作业无法满足精细化的设备要求，同时由于飞行区工作环境多为跑道、滑行道、机坪等，存在较大的安全风险。目前急需数字化与智能化手段解决飞行区工作痛点，提升勤务处理效率，缩短飞机准备时间，降低航班延误与取消率，增强机场流程的可控性，从而提升旅客出行效率和机场全流程的体验满意度，使智慧机场系统实现良性循环。

2 飞行区各工作环节数智化进步趋势

2.1 人工智能技术应用到飞行区工作环节

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学[2]，是一门新思想、新观念、新理论、新技术不断出现和迅速发展的前沿学科。人工智能研究与应用领域主要分为以下几个方面：知识表示与知识图谱、自动推理与专家系统、搜索算法与智能计算、机器学习与深度学习、计算机视觉、自然语言处理、机器人等，尤其是以深度学习为代表的智能算法，在人们的生产生活中不断扎根和渗透，推动人类社会向智能化与智慧化逐步发展。人工智能在智慧飞行区的建设中发挥重要的作用，如计算机视觉被广泛应用。为保障安全和提高效率，希望尽可能减少人员在场区中的作业，使用智能机器人、机器臂、无人驾驶作业车等代替人力完成繁琐重复的工作。未来地勤、地面支持设备（GES）以及地勤人员都可以由人工智能替代，从而保障作业质量和人员安全。

2.2 大数据技术应用到飞行区工作环节

大数据（Big Data，BD）指的是所涉及的资料量规模巨大到无法透过主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯[3]。大数据技术在飞行区工作中的应用如下：地面操作代理、航空公司和机场通过数据遥测，可使用一致的数据信息，获取航班预计到达时间和已分配登机口；保障单位可通过实施信息查询，获取航空器服务需求（包括维护、加油、上下水、配餐和空调），确保及时做好准备工作；飞机与各类地面服务、运行控制（空中交通管理、航空公司和机场）和维护设施保持信息交互；实时的载荷计划调整与配平，确保了统筹协同的飞机过站保障。

2.3 物联网技术应用到飞行区工作环节

物联网技术（Internet of Things，IoT）起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命[4]。物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。机场物联网最终通过各类具体应用来呈现：机场室外环境监测，室外环境传感器采集数据，分析数据信息并将其传递给乘务人员，工作人员提醒乘客室外温度、湿度、天气等，帮助乘客适应当地环境，同时还可以在物联网内部进行数据挖掘和分析，预测未来环境数据，做好保障和服务工作；人员、车辆定位系统，通常通过目标检测摄像头来实现，以摄像头为外部设备，采集人员和车辆的位置信息，将数据传入物联网，之后进行分析和检测，保障人员与车辆安全。

2.4 元宇宙应用到飞行区工作环节

元宇宙（Metaverse）是人类运用数字技术构建的，由现实世界映射或超越现实世界，可与现实世界交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间。AR 技术机场应用的三位一体化：三位一体化是指旅客、基础功能、机场管理处通过网络平台连接、AR 技术机场的应用要逐渐向弱势群体倾斜、AR 技术要从引入向创新发展。元宇宙技术助力智慧机场运营过程中2D 画面到3D 体验的转变，借助AR 增强现实等技术提升旅客的沉浸式体验。

3 智慧飞行区对机场其他环节辐射作用

3.1 精准控制旅客等待时间

旅客等待时间是衡量机场运营效率的重要指标之一，旅客等待时间过长会导致旅客旅行体验感差，甚至影响下一阶段的行程，而旅客等待时间过短会使旅客在航站楼内部停留时间过短，不利于航站楼内免税店等商业运营与发展。因此智慧机场建设要求做到尽量严格把控时间，旅客等待时间的掌握对于机场效益产生着巨大的影响。人工智能技术在机场飞行区中的应用，极大地提高场区内的工作效率、减小意外事故发生概率，同时可以做到更加精准地控制工作时间，这对于旅客等待时间的严格控制具有积极意义。

3.2 减少航班延误和取消，提高旅客体验满意度

智慧飞行区的建设中，还包括对飞机起降过程、确定保障资源、飞机数目、计划时间以及设备故障排查等的数字化和智能化，根据人工智能算法优化求解突发事件导致的后续飞机进场/离场效率，并且统筹规划和安排飞机进场后对接合适登机口，解决飞行区内飞机排队问题、时间调度、设备、设施、车辆、人员的分配问题，使效率最大化、设施利用最小化，精准把握和缩短飞机准备时间，为机场赋予更多弹力引导旅客停留商业区，提高旅客满意度，同时提高机场运营效率。

3.3 减小一线工作人员体量

在智慧机场建设中不断加入数字化与智能化设施和服务，不断借助数字化手段替代传统的人工作业，这样可以大幅降低一线工作人员数量，不仅借助人工智能等数智化技术提高工作效率、降低错误率，同时将一线有安全隐患和风险的人员转移到后台工作，改善员工的工作质量、提高员工的工作幸福感、提高员工福利，同时极大地避免安全事故。

3.4 节约成本与提高收益

对于智慧机场建设中的数智化基础设施投入，只需要在第一次全面设置与替换、开发数据库系统与数智化机场平台时消耗一笔大额开支，之后按照产品使用要求定期检查、维修、更新或替换，消耗一定的维护费用，但同时由于数智化应用的推广，实现一定的人工替代，降低人力成本。数智化应用大幅提升机场内部运营效率，在机场运营各个环节中避免非必要的开销，同时借助数智化手段对数据和时间的精准把握，使机场获得海量的数据信息，数据资源蕴藏着巨大的经济价值和隐性商业效益。合理利用数据资源，把握数智化基础建设和数智化飞行区的发展契机，对于智慧机场的发展至关重要。

3.5 提高机场应急能力

数智化设备如各种机器人、传感器替代人工作业之所以成为时代潮流，是因为智能设备的诸多优点不可替代，比如在准确率上，目前流行的目标检测算法其对物体定位的准确率可以达到99.7%，识别速度甚至低于0.01 秒，人工智能由于其独特的优势，在速度和精确度方面很难被超越，也因此可以将最重要的安全问题交给人工智能，以此来提升机场应急反应能力，尽量避免安全事故。不仅对人民生命财产安全负责，同时保障了机场运营效益。

4 基于飞行区数智化转型的机场未来

智慧飞行区建设包含机场运营中的诸多关键工作，均承担着重要使命，牵一发而动全身，每一环节的数智化改造和转型都为机场建设创造巨大能量。具体数智化转型应逐步扩展应用到飞行区工作环节的方方面面，最终实现全面现代化和数智化。如：航路容量评估、机场终端区着陆次序的排序规划、航路交叉点处碰撞风险模型、机场终端区容量评估、空中交通态势识别、跑道容量评估、跑道起飞调度模型、终端区飞行效率、基于航班延误的飞机和乘客恢复模型、飞机滑行线路优化、作战飞机调配保障需求、空中高速路匝口流量控制、匝口排序等。智慧飞行区建设对于机场数智化转型的系统工程起到关键支柱作用，对于我国民航业和数字产业发展具有重要意义。