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引言

  飛行區(qū)是機(jī)場(chǎng)內(nèi)用于飛機(jī)起飛、降落、滑行的區(qū)域，承載了航班運(yùn)行地面保障作業(yè)，每時(shí)每刻都有大量不同類(lèi)型保障作業(yè)車(chē)輛與飛機(jī)同時(shí)運(yùn)行，隨著航班流量增長(zhǎng)、機(jī)場(chǎng)布局日益復(fù)雜，保障場(chǎng)面活動(dòng)安全、高效、有序運(yùn)行成為機(jī)場(chǎng)面臨的重要挑戰(zhàn)。隨著高精度傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制等新技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)已逐漸走向成熟，無(wú)人駕駛在飛行區(qū)內(nèi)這種封閉場(chǎng)景下的應(yīng)用已成為現(xiàn)實(shí)可能，也為解決飛行區(qū)運(yùn)行面臨的挑戰(zhàn)提供了新的思路。
  民航局發(fā)布的《智慧民航建設(shè)路線圖》明確提出了要“積極應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能機(jī)器人等技術(shù)，推進(jìn)飛行區(qū)保障無(wú)人化作業(yè)”，這無(wú)疑將大大推進(jìn)無(wú)人駕駛技術(shù)在民航機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用。本文在分析國(guó)內(nèi)無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展歷程基礎(chǔ)上，探討飛行區(qū)無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，提出一種無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)框架設(shè)想和未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。


  1.1 國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展歷程

  20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始無(wú)人駕駛汽車(chē)的研發(fā)，一些車(chē)企通過(guò)射頻和磁釘方式導(dǎo)引車(chē)輛自動(dòng)行駛。2011 年美國(guó)內(nèi)華達(dá)州第一個(gè)通過(guò)了無(wú)人車(chē)合法上路， 此后，美國(guó)密歇根州、弗吉尼亞州相繼建立多個(gè)無(wú)人駕駛測(cè)試道路和場(chǎng)地，弗羅里達(dá)州甚至在弗羅里達(dá)理工大學(xué)外建立了一個(gè)模擬小鎮(zhèn)用于無(wú)人駕駛測(cè)試。2016 年美國(guó)聯(lián)邦政府宣布未來(lái)10 年撥款40 億美元加速無(wú)人汽車(chē)發(fā)展，減少交通事故率和交通堵塞。2010 年德國(guó)柏林自由大學(xué)科研人員推出名為“德國(guó)制造”的無(wú)人駕駛概念車(chē)，該車(chē)允許乘客利用智能設(shè)備向車(chē)輛發(fā)送消息，車(chē)輛通過(guò)GPS 系統(tǒng)定位乘客位置，并自動(dòng)計(jì)算最佳路線到達(dá)搭載乘客。2014 年德國(guó)無(wú)人駕駛汽車(chē)應(yīng)用邁出了階段性一步，博世公司首先在高速公路進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車(chē)測(cè)試，此后梅塞德斯奔馳公司在高速公路、鄉(xiāng)間道路、城市道路開(kāi)展了無(wú)人駕駛實(shí)地測(cè)試。歐盟2014 年攜十余家汽車(chē)行業(yè)廠商推出Adaptive（智能車(chē)輛自動(dòng)駕駛和技術(shù)）項(xiàng)目， 提供2 500 萬(wàn)歐元支持開(kāi)發(fā)能在高速公路和城市道路上行駛的部分或完全自動(dòng)駕駛車(chē)輛。
  我國(guó)智能駕駛技術(shù)研究始于20 世紀(jì)80 年代， 1980 年國(guó)防科大、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽(yáng)自動(dòng)化所共同參與研究遙控駕駛防核化偵察車(chē)。1992 年國(guó)防科大成功研制了我國(guó)第一輛真正意義的無(wú)人駕駛車(chē)，2004 年該校開(kāi)發(fā)的紅旗CA7460 能在城市道路、高速公路環(huán)境下運(yùn)行。2003 年清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的智能車(chē)THMR-V。2005 年上海交通大學(xué)研制成功首輛城市無(wú)人駕駛汽車(chē)ATB-3。2011 年7 月，國(guó)防科大在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下研發(fā)的HQ3 自動(dòng)駕駛汽車(chē)首次完成了長(zhǎng)沙至武漢283 km 高速全程無(wú)人駕駛測(cè)試，標(biāo)志中國(guó)無(wú)人車(chē)在復(fù)雜環(huán)境識(shí)別、智能決策與控制等方面達(dá)到世界先進(jìn)水平。

  1.2 無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

  事實(shí)上無(wú)人駕駛是智能駕駛發(fā)展的最高形態(tài)， 在智能駕駛發(fā)展過(guò)程中有5 個(gè)階段：L0~L4。
  其中：
  L0 指不具備自動(dòng)駕駛功能的汽車(chē)駕駛。
  L1 指具有特定功能的自動(dòng)駕駛，例如ESC（汽車(chē)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)）、AEB（自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)）、LKA（車(chē)道保持系統(tǒng)）。目前主要應(yīng)用于高檔車(chē)輛。
  L2 指具有組合功能的自動(dòng)駕駛，例如ACC （自適應(yīng)巡航控制）、自動(dòng)泊車(chē)等。目前成果有Mobileye 輔助系統(tǒng)、沃爾沃、上汽集團(tuán)部分產(chǎn)品。
  L3 指受控的自動(dòng)汽車(chē)駕駛，主要代表功能是高度自動(dòng)駕駛。主要成果有德?tīng)柛?2 天時(shí)間行駛近3 400 km 橫跨美國(guó)、長(zhǎng)安無(wú)人駕駛汽車(chē)行駛近2 000 km 從重慶到北京。
  L4 指完全無(wú)人駕駛，主要代表功能是完全自動(dòng)駕駛。主要成果有Google 完成200 萬(wàn)千米路測(cè)， 百度完成北京三環(huán)路測(cè)。

  目前，無(wú)人駕駛的發(fā)展有兩條路徑，分別是：以ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）主導(dǎo)和以人工智能主導(dǎo)。L1~L3 等級(jí)的智能駕駛系統(tǒng)主要以ADAS 為主導(dǎo)。ADAS 主導(dǎo)的無(wú)人駕駛通過(guò)單車(chē)智能化， 以及ADAS 和高精度地圖的使用為基礎(chǔ)，技術(shù)較為成熟，但在突破L3 級(jí)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛時(shí)遇到諸多難題。
  另一條路徑則是以人工智能為核心技術(shù)，隨著移動(dòng)式機(jī)器人深度學(xué)習(xí)能力及自主決策能力的提升，在基于先進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、成熟算法和云服務(wù)平臺(tái)下，以計(jì)算機(jī)控制汽車(chē)取代人工駕駛為目的。對(duì)于以人工智能為主導(dǎo)的智能駕駛，V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正不斷促進(jìn)無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展。所謂V2X 即V2R（Vehicle To Road）、V2H（Vehicle To Human）和V2V（Vehicle To Vehicle）等技術(shù)的結(jié)合。深度學(xué)習(xí)算法和云服務(wù)使得智能駕駛能夠獲得更多的學(xué)習(xí)樣本，優(yōu)化其本身行為決策算法處理模型，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)L4 自動(dòng)駕駛更好的技術(shù)路線。

  1.3 無(wú)人駕駛技術(shù)在機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用

  隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人駕駛技術(shù)逐漸應(yīng)用于港口、公園等封閉環(huán)境的運(yùn)行，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)也成為無(wú)人駕駛技術(shù)可能應(yīng)用的場(chǎng)景之一。2019 年11 月法國(guó)航空、CHARLATTE AUTONOM 公司與圖盧茲?rùn)C(jī)場(chǎng)測(cè)試無(wú)人駕駛用于行李分揀區(qū)到飛機(jī)的行李傳送。英國(guó)物流公司IAG Cargo 與Oxbotica 公司在倫敦希思羅機(jī)場(chǎng)跑道周邊貨運(yùn)道路開(kāi)展自動(dòng)駕駛測(cè)試，Oxbotica 公司還在倫敦蓋特威克機(jī)場(chǎng)開(kāi)展無(wú)人駕駛短途接駁驗(yàn)證。在國(guó)內(nèi)，2019 年香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)與馭勢(shì)科技落地全球首個(gè)機(jī)場(chǎng)環(huán)境下常態(tài)化運(yùn)行無(wú)人駕駛物流運(yùn)輸項(xiàng)目。2020 年9 月，湖南空港實(shí)業(yè)股份有限公司航空貨運(yùn)分公司在長(zhǎng)沙黃花國(guó)際機(jī)場(chǎng)貨運(yùn)區(qū)使用無(wú)人駕駛運(yùn)輸貨物，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛在內(nèi)地航空物流的首個(gè)商業(yè)應(yīng)用。


  2.1 飛行區(qū)運(yùn)行車(chē)輛分類(lèi)

  為保障航班運(yùn)行，飛行區(qū)內(nèi)存在不同類(lèi)型作業(yè)車(chē)輛，大致可分為4 類(lèi)（如表1 所示），這4 類(lèi)車(chē)輛有著不同的運(yùn)行模式。 
  航班保障車(chē)輛為航班提供保障服務(wù)，車(chē)輛種類(lèi)最多，運(yùn)行規(guī)則復(fù)雜。其中除引導(dǎo)車(chē)與除冰車(chē)外， 其余車(chē)輛僅在機(jī)坪活動(dòng)。
  場(chǎng)道維護(hù)車(chē)輛為機(jī)場(chǎng)提供保障服務(wù)，負(fù)責(zé)跑道、滑行道、助航燈光等機(jī)場(chǎng)設(shè)施的維護(hù)工作。主要在機(jī)動(dòng)區(qū)活動(dòng)，也可能為機(jī)坪區(qū)提供服務(wù)。
  應(yīng)急救援車(chē)輛僅在緊急情況時(shí)進(jìn)入機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面， 但同時(shí)也有著比其他車(chē)輛更高的行駛優(yōu)先權(quán)。
  一般車(chē)輛即非特種保障車(chē)輛，通常只被允許在靠航站樓的服務(wù)車(chē)道上行駛，不能使用飛機(jī)后方的服務(wù)車(chē)道，在沒(méi)有管制許可的情況下也不得進(jìn)入機(jī)動(dòng)區(qū)。

  2.2 不同類(lèi)型作業(yè)車(chē)輛應(yīng)用無(wú)人駕駛技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

  航班保障類(lèi)車(chē)輛是執(zhí)行特定保障作業(yè)任務(wù)的車(chē)輛，其作業(yè)區(qū)域?yàn)闄C(jī)場(chǎng)交通最為密集、環(huán)境最為復(fù)雜的機(jī)坪區(qū)域，運(yùn)行路線與航空器存在空間交集，其作業(yè)時(shí)停放位置有嚴(yán)格要求，通常需要靠近航空器，大部分車(chē)輛作業(yè)時(shí)需要與航空器進(jìn)行對(duì)接。因此解決車(chē)輛運(yùn)行有序調(diào)度、人- 機(jī)- 車(chē)混合場(chǎng)景下安全控制、車(chē)輛?？颗c對(duì)接的高精度控制都將是此類(lèi)車(chē)輛實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛需解決的重要技術(shù)問(wèn)題。
  場(chǎng)道維護(hù)車(chē)輛是為地面運(yùn)行設(shè)施設(shè)備的維護(hù)提供運(yùn)輸服務(wù)車(chē)輛，其作業(yè)區(qū)域主要在機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)，其運(yùn)行環(huán)境與航班保障作業(yè)車(chē)輛相比相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于其活動(dòng)區(qū)域涉及飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)區(qū)域， 僅依靠單車(chē)智能無(wú)法保證運(yùn)行安全性，必須建立機(jī)場(chǎng)運(yùn)行活動(dòng)全局管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)面活動(dòng)協(xié)同管控。此外，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道維護(hù)車(chē)輛駕駛?cè)藛T通常承擔(dān)了設(shè)施設(shè)備檢查維護(hù)任務(wù)，因此對(duì)于該類(lèi)車(chē)輛除實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛外，還應(yīng)具備諸如FOD 自動(dòng)探測(cè)、道面狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)等自動(dòng)化功能。
  應(yīng)急救援類(lèi)車(chē)輛是在機(jī)場(chǎng)發(fā)生緊急情況下執(zhí)行特定任務(wù)的車(chē)輛，要求其響應(yīng)及時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度快， 并能根據(jù)實(shí)時(shí)情況隨機(jī)應(yīng)變，因此根據(jù)現(xiàn)階段的機(jī)器智能發(fā)展水平，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，該類(lèi)車(chē)輛應(yīng)用無(wú)人駕駛技術(shù)都并非好的選擇。
  機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)一般類(lèi)車(chē)輛主要提供人員或貨物的運(yùn)輸任務(wù)，其運(yùn)行路線一般在靠航站樓的服務(wù)車(chē)道上行駛，與航空器的運(yùn)行空間相對(duì)獨(dú)立，運(yùn)行場(chǎng)景相對(duì)固定，無(wú)人駕駛技術(shù)在該類(lèi)車(chē)輛上應(yīng)用有更大的可能性，目前機(jī)場(chǎng)環(huán)境下的無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用集中在物流貨運(yùn)車(chē)輛即屬于該類(lèi)車(chē)輛。
  目前各類(lèi)無(wú)人駕駛技術(shù)開(kāi)展的大量運(yùn)行測(cè)試仍聚焦于通用公路運(yùn)輸場(chǎng)景下，飛行區(qū)雖然被廣泛認(rèn)為屬于封閉園區(qū)環(huán)境，但由于大量作業(yè)車(chē)輛與航空器在同一時(shí)空運(yùn)行，運(yùn)行復(fù)雜度相較開(kāi)放公路場(chǎng)景并不簡(jiǎn)單，同時(shí)飛行區(qū)運(yùn)行有著自身嚴(yán)格運(yùn)行程序與規(guī)范，無(wú)人駕駛智能決策控制必須與飛行區(qū)的運(yùn)行規(guī)則相匹配，無(wú)人駕駛在飛行區(qū)的應(yīng)用仍面臨飛行區(qū)運(yùn)行場(chǎng)景適應(yīng)性、有人無(wú)人駕駛混合運(yùn)行、突發(fā)情況應(yīng)急處置等諸多挑戰(zhàn)。


  3.1 飛行區(qū)無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)

  飛行區(qū)是機(jī)場(chǎng)內(nèi)用于飛機(jī)起飛、降落、滑行的區(qū)域，飛行區(qū)內(nèi)尤其是跑道、滑行道上的目標(biāo)活動(dòng)呈現(xiàn)典型的管控間隔為特點(diǎn)的運(yùn)行，無(wú)人駕駛技術(shù)在飛行區(qū)的運(yùn)行必須與此相適應(yīng)，僅僅依靠單車(chē)智能系統(tǒng)無(wú)法滿足飛行區(qū)安全、有序、協(xié)同運(yùn)行的要求，必須建立全局智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)面車(chē)輛、飛機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制，該系統(tǒng)主要原理框架如圖1 所示。 

  系統(tǒng)包括車(chē)輛綜合智能管控平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境、智能車(chē)輛組成。其中綜合管控平臺(tái)接收A-SMGCS 系統(tǒng)、態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)信息、管制指令、航空器滑行路由等信息，支撐車(chē)輛任務(wù)規(guī)劃、無(wú)人駕駛場(chǎng)面車(chē)輛集群管控等任務(wù)實(shí)現(xiàn)，綜合管控平臺(tái)具備無(wú)人駕駛車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、任務(wù)管理、車(chē)輛路由規(guī)劃、安全預(yù)警、對(duì)車(chē)輛指令控制等功能。
  通信網(wǎng)絡(luò)作為綜合管控平臺(tái)與智能車(chē)輛間協(xié)同橋梁，負(fù)責(zé)相互間信息可靠傳輸，將集成光纖網(wǎng)絡(luò)、AeroMACS 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT 等網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境。
  智能車(chē)輛系統(tǒng)包括車(chē)載終端包括無(wú)線通信、高精度定位、環(huán)境感知、智能決策與控制等組成。

  3.2 無(wú)人駕駛系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)

  在上述框架下，無(wú)人駕駛技術(shù)在飛行區(qū)的應(yīng)用還應(yīng)著力解決如下一些關(guān)鍵技術(shù)：
  全局態(tài)勢(shì)高精度感知：在現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視基礎(chǔ)上，應(yīng)用激光雷達(dá)、視頻智能分析，結(jié)合車(chē)載環(huán)境感知回傳數(shù)據(jù)，構(gòu)建高精度全局三維精確感知，為全局智能控制決策提供支撐。
  車(chē)輛環(huán)境感知：目前車(chē)載傳感器采用毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、視頻等實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知，作用距離約在100 m 左右，對(duì)于飛機(jī)這種須保持遠(yuǎn)距離間隔運(yùn)行的場(chǎng)景，傳感器作用距離有待提升。同時(shí)機(jī)坪作業(yè)區(qū)電磁環(huán)境復(fù)雜，融合式的環(huán)境感知是重要發(fā)展方向。
  協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)：協(xié)同優(yōu)化技術(shù)基于環(huán)境感知技術(shù)獲取車(chē)輛和路側(cè)設(shè)施等實(shí)時(shí)信息，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與道路互聯(lián)互通，整合兩者優(yōu)勢(shì)協(xié)同優(yōu)化交通系統(tǒng)資源，提高道路安全， 其中涉及車(chē)車(chē)/ 車(chē)路信息交互、協(xié)同感知、協(xié)同預(yù)測(cè)、協(xié)同決策與協(xié)同控制技術(shù)，以及協(xié)同系統(tǒng)仿真測(cè)試技術(shù)等多個(gè)方面。
  應(yīng)急處置技術(shù)：對(duì)于飛行區(qū)運(yùn)行而言，無(wú)人駕駛車(chē)輛一旦故障將會(huì)占用關(guān)鍵道面資源，嚴(yán)重情況下可能危及航空器安全，必須研究提升無(wú)人駕駛設(shè)備運(yùn)行可靠性、故障預(yù)測(cè)與主動(dòng)預(yù)警技術(shù)。
  信息安全技術(shù)：當(dāng)智能車(chē)輛車(chē)載設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式與其他設(shè)備或互聯(lián)網(wǎng)相連時(shí)，信息安全問(wèn)題隨之產(chǎn)生，應(yīng)研究從車(chē)輛、開(kāi)放式信息平臺(tái)與通信環(huán)境等三個(gè)層級(jí)上構(gòu)架信息安全的防護(hù)體系。


  無(wú)人駕駛技術(shù)是智慧機(jī)場(chǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向，能夠?yàn)槠桨矙C(jī)場(chǎng)建設(shè)提供重要保障，應(yīng)用無(wú)人駕駛是預(yù)防人因失誤、違規(guī)作業(yè)這類(lèi)不安全事件的有效手段；無(wú)人駕駛能夠?yàn)橹腔蹤C(jī)場(chǎng)運(yùn)行保障提供智能解決方案，其所具有的復(fù)雜環(huán)境感知、智能判斷、協(xié)同控制等功能，是實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)型的典型應(yīng)用。為推進(jìn)無(wú)人駕駛技術(shù)的應(yīng)用，需加快建立和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，建設(shè)飛行區(qū)模擬運(yùn)行驗(yàn)證環(huán)境，對(duì)相關(guān)技術(shù)開(kāi)展充分測(cè)試驗(yàn)證。