智慧民航的构想和探索
来源：第十六届中国智能交通年会（ITSAC 2021）暨2021智能交通大会
刘卫东 研究员
中国民航局第二研究所所长
随着技术的不断发展，人类社会已经步入了人工智能时代。目前的智能化，本质上是让机器学习模拟人，充分发挥数据的作用，更自动、更智能地帮助人类处理重复而又复杂的工作，是人类能力的延伸。而智慧化却代表着更高的层次，在智能的基础上，能进一步的归纳分析、理解联想，进而演化出审美、情感、思想等，带来对世界的感悟和创造，能够引领人类不断向前，这也是智慧化发展的最终形态。
近年来，我们国家越来越多的领域都以此为目标，戴上了“智慧”之冠，重新焕发出活力，如智慧城市、智慧交通、智慧医疗等。而我国民航，正处于快速发展与转型升级的关键时期，将智慧化先进理念，逐步融入民航运行中，将是未来民航建设发展的主要趋势。
国务院颁布的《国家综合立体交通网规划纲要》，明确提出要推进交通运输智慧发展水平，为未来交通领域的规划和建设指明了方向。
随着民航高速发展，我国民航已跃升为世界第二。由于运输量不断增长、空域更加复杂、机场更为繁忙、管控难度更大，基于民航自身发展的需要，亟需利用新一代的物联网、大数据、人工智能等技术推进全行业的数字化、智慧化转型升级，在有限资源中把管理水平、运行水平、安全水平、服务水平进一步提升。
为此，2021年全国民航工作会议上，民航局党组形成了以实施智慧民航建设为牵引的发展战略，将智慧民航建设作为“十四五”的主攻方向，成立智慧民航建设领导小组和办公室，出台了推进民航新型基础设施建设的实施意见和五年行动方案。未来，民航将围绕智慧出行、智慧物流、智慧运行、智慧监管等场景，提升旅客出行体验，压缩综合出行时间，提高货物运输效率，到2035年实现民航出行一张脸、物流一张单、通关一次检、运行一张网、监管一平台。
未来，航空公司将成为旅客的私人行程助理。通过大数据智能关联分析，精细刻画用户画像，自动为前往不同目的地的旅客提供个性化的智能出行规划，推荐偏好的路线和航班；为大件行李运输提供门到门服务，让旅客只携带随身物品，轻装出行；充分利用航班运行大数据，优化机组人员和飞行航线的资源配置，航班准点率进一步提升。
未来，机场将为旅客带来无感式的引导服务和便捷舒适出行体验。当旅客到达航站楼后，利用各种传感器及生物识别技术，在值机改签、购物支付、行李托运、安全检查、登机引导等各个环节，主动核验旅客信息，省掉繁琐的检查环节，带来高效便捷、而又自然连贯的体验。通过构建立体化、多层次的运行态势监测网络，对机场全要素信息的汇集和分析，自动解析业务进程，实现一体化的运行管控，提升协同效率，减少等待时间。
未来，空中交通将更加顺畅自由。通过空地同步的四维航迹，准确推演和预测交通流、精确控制关键节点时间和高度、统一优化调整时隙和排序。运用人工智能与数字化工具，让多类型航空器在共享空域混合运行，降低极端天气、空空冲突等突发事件带来的影响。基于星地一体的通信导航监视技术，能够支撑高精度飞行导航、数字化管制指挥、机上宽带互联服务，实现空地运行的连续、无缝衔接。
智慧民航将通过为旅客提供更快捷、安全的无感式出行体验，对行李、货物全流程无人化处理和全场景分级快速转运，实现“人享其行、物畅于流”。
民航业要实现数字化转型、智慧化融合，需要运用新技术积极开展智慧运行场景的开发应用，建立管理流程，落地数据标准、提升数据质量、实现数据共享，形成行业数据与业务应用的标准化、公开化和规范化，以此打破业务系统和信息的壁垒，构建更加完善的智慧民航一体化体系。具体来说包含感知、互联互通、数字孪生、智慧协同、智慧监管等五个基本层面：
（一） 面向全要素的智能感知在感知层面，面向旅客、货物，航司、机场等不同服务对象和业务主体，部署各类新型传感器，连接可交互的业务系统，利用网联化的物联终端，实现主动式的全要素多源智能感知。
（二） 空天地一体化的互联互通在互联网络层面，利用星基互联、地空宽带、AEROMACS、5G移动通信、物联网等网联技术，将构建不同层级的通讯网络，并加强各网络之间的相互融合，为我们带来无处不在的，空天地一体化互联互通。
（三） 民航动态运行的数字孪生在数字平台层面，利用分布式体系，存储和汇聚海量数据；基于区块链技术，在保护各自数据资产的同时，又能安全共享关键信息；再结合人工智能，不断的自我学习与进化，真正形成一个在云端的、实时动态的航空系统数字孪生体。
（四） 全要素资源智慧协同在智能应用层面，面向航司、空管、机场，以及相关单位等业务运行主体，再通过一体化的平台来协同多方决策、融合智能应用、联动安全监管，最终实现面向行业内外的多元主体智慧协同。
（五） 一体化智慧决策与顶层管理在民航智慧化基础设施的支撑下，将通过优化的治理体系、体制机制和资源配置等，实现智慧化的宏观管理，使得民航的顶层设计与决策管理能同社会经济发展达到和谐共融、相互促进，实现安全、高效、绿色的发展目标。
图1 智慧民航总体技术架构
在机场领域，研制出防跑道侵入、跑道FOD探测、机场协同决策（A-CDM）、行李全流程跟踪等系列产品。这些系统完全可以归纳到刚才介绍的五层智慧民航技术架构中。
在上海虹桥机场完成了国内首个防跑道侵入系统示范验证工程。在工程开展之前，现场的飞行器感知手段比较单一只有场面监视雷达，部分区域存在虚警。所以，工程中增加了新的传感器，这个传感器叫做场面多点定位系统，让飞机定位更加准确，并通过多传感器的融合，实现了对场面飞行器活动态势感知的增强。其次，通过部署AeroMACS宽带无线通讯网络，以及光纤网络和宽带电力载波网络，构建了一体化数据宽带通信平台，实现了对跑道状态灯的实时控制、车辆与控制中心间的双向信息交互。在全要数运行数据精准获取基础之上，形成了对整个机场空中到地面飞行器以及地面车辆运行整体态势的实时掌控。之后，再通过决策去控制灯光，如果跑道被占用，灯光就自动提醒飞行员跑道被占用。这个体系完全印证了刚才智慧民航总体技术架构。目前在和田机场，我所的防跑道侵入系统已完成了工程竣工验收。
跑道外来物探测系统，在大兴机场工程项目已有应用，使用了雷达和光学复合传感器，使用近距、远距不同型号雷达，长焦距的、中焦距、定焦等不同类别的摄像头，在感知方面大大增强，实现了投资、性能、运维的综合最优。然后通过宽带通讯网络，把分布式传感器的外来物探测数据传回中心处理服务器集群，来分析识别是什么异物、要不要处理。长期以来，跑道异物是由人工目视检查，而现在可以由机器通过人工智能来自动检测。我所正在做的研究是结合机器人，未来可以实现用机器人去自动发现和清理异物。
机场协同决策系统（A-CDM），在广州机场得到成功的应用，通过汇集空管、机场、航空公司的数据，能给出更加准确的放行时间，提高机场运行效率。再例如行李全流程跟踪系统，通过在行李标签上嵌入传感芯片，可以实现覆盖12个节点、18个环节的全程智能感知，在大兴机场实现通过手机 APP就能够看到行李在哪里、什么时候可以提取。我所还研制了机场运行品质分析平台，通过将机场集团各个成员机场数据汇集在一起，对机场运行品质进行分析和评估，支撑整个机场一体化运行决策和管理。
在智慧空管方面也开展了很多尝试。将空管运行数据进行融合以后，形成空中交通的整体运行态势，各个运行环节可以进行智慧协同、远程指挥。
研制了空地一体化管控平台，基于大数据、云计算技术，可以更好地对空管运行资源进行优化和控制。我所在天府机场承建的塔台终端区一体化管制中心，将区管、塔台和终端区数据进行了汇聚，为成都、绵阳“两市三场”的运行管控提供了有效支撑。
智慧远程塔台系统，通过全景视频监控、ADS-B、多点定位及其它场面传感设备形成多模式传感器网络，并通过通信系统实现在异地对机场飞机的运行管控。系统支撑新疆机场集团成功开展民航首个远程塔台试点，从试点运行情况看远程塔台获取信息的手段更丰富，智能化水平更高，管制员态势感知能力更强，可以更好地帮助管制员建立情景意识。
另外还有通航飞行服务平台。目前，通航飞行的有效监视还存在困难，在通航飞机上增加了多模式通讯导航监视机载设备，通过可支持北斗三代的硬件模块实现定位及导航，通过ADS-B、4G/5G移动通讯、北斗短报文来进行不同空域的无缝数据传输，最终实现整个低空通航飞行态势的监视和控制。目前，该平台已支撑湖南通航建成了全国首个省级规模的北斗低空监视应用系统。
在智慧航司方面，也开展了一些有益的尝试和探索。给国航研发的全球地面航班保障平台，利用数据中台技术搭建地面保障大数据平台，优化了航班全流程监控数据，也强化了决策能力，可提升航空公司运行数据全生命周期治理能力。
同时，为商飞开发了运营合作平台（Flywin），该平台通过整合云计算、基础服务、应用系统等软硬件资源，搭建了航材交易共享、航材维修、局方在线监管、客户改装服务、电子服务目录、供应链金融服务、数据分析监控等一系列功能服务模块，打通了商飞客服公司、客户与合作伙伴之间的信息流和业务流，为其航空保障体系高效运转提供支撑。
在智慧监管方面我所也开展了一些尝试。与民航黑龙江监管局联合成立了民航首家局所共建非现场监管技术试验基地，双方合作通过整合空管、机场、航司的运行数据，能够实现对很多监管事项的非现场远程监管，构建了一体化的非现场安全监管平台。平台在民航黑龙江监管局的运行验证表明，监管人员远程监管的问题发现率远高于现场检查的问题发现率。目前，我所正在尝试使用AR虚拟现实技术来辅助监察员，将AR眼镜采集的数据传回处理中心，通过大数据、人工智能分析来实现对监管业务的在线识别。
在民航局和四川省的联合支持下，正在建设国内首个民航科技创新示范区。示范区将建设具有国际一流水准的科技创新基础设施平台，包括全域空管仿真中心、机场模拟验证中心以及16个专业领域研究中心，未来将为智慧民航建设发挥重要支撑作用。我所将积极开展智慧民航顶层规划和新技术研究，以国家科技创新重大攻关项目和民航重大工程建设项目为牵引，围绕智慧民航基础前沿理论、共性关键技术开展攻关，努力在制约智慧民航发展的卡脖子问题上取得重大突破。
征程万里风正劲，重任千钧唯担当。智慧民航是我们的共同期待，而智慧存在于你我之间，人人都是参与智慧民航建设的“智能体”。未来已来，远景不远，智慧民航建设其时已至、其势已成、其效可期。让我们携起手来，以智慧塑造民航业全新未来，为新时代民航高质量发展注入新动力。
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