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型保障作業(yè)車輛與飛機(jī)同時(shí)運(yùn)行,隨著航班流量增長、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)保障無人化作業(yè)”,這無疑將大大推進(jìn)無人駕駛技術(shù)在民航機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用。本文在分析國內(nèi)無人駕駛技術(shù)發(fā)展歷程基礎(chǔ)上,探討飛行區(qū)無人駕駛技術(shù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn),提出一種無人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)框架設(shè)想和未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 國內(nèi)外無人駕駛技術(shù)發(fā)展歷程
20 世紀(jì)70 年代開始,美國、英國、德國等發(fā)達(dá)國家就開始無人駕駛汽車的研發(fā),一些車企通過射頻和磁釘方式導(dǎo)引車輛自動(dòng)行駛。2011 年美國內(nèi)華達(dá)州第一個(gè)通過了無人車合法上路, 此后,美國密歇根州、弗吉尼亞州相繼建立多個(gè)無人駕駛測(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)用于無人駕駛測(cè)試。2016 年美國聯(lián)邦政府宣布未來10 年撥款40 億美元加速無人汽車發(fā)展,減少交通事故率和交通堵塞。2010 年德國柏林自由大學(xué)科研人員推出名為“德國制造”的無人駕駛概念車,該車允許乘客利用智能設(shè)備向車輛發(fā)送消息,車輛通過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 年德國無人駕駛汽車應(yīng)用邁出了階段性一步,博世公司首先在高速公路進(jìn)行無人駕駛汽車測(cè)試,此后梅塞德斯奔馳公司在高速公路、鄉(xiāng)間道路、城市道路開展了無人駕駛實(shí)地測(cè)試。歐盟2014 年攜十余家汽車行業(yè)廠商推出Adaptive(智能車輛自動(dòng)駕駛和技術(shù))項(xiàng)目, 提供2 500 萬歐元支持開發(fā)能在高速公路和城市道路上行駛的部分或完全自動(dòng)駕駛車輛。
我國智能駕駛技術(shù)研究始于20 世紀(jì)80 年代, 1980 年國防科大、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽自動(dòng)化所共同參與研究遙控駕駛防核化偵察車。1992 年國防科大成功研制了我國第一輛真正意義的無人駕駛車,2004 年該校開發(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了達(dá)到國際先進(jìn)水平的智能車THMR-V。2005 年上海交通大學(xué)研制成功首輛城市無人駕駛汽車ATB-3。2011 年7 月,國防科大在國家自然科學(xué)基金資助下研發(fā)的HQ3 自動(dòng)駕駛汽車首次完成了長沙至武漢283 km 高速全程無人駕駛測(cè)試,標(biāo)志中國無人車在復(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 無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
事實(shí)上無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)駕駛功能的汽車駕駛。
L1 指具有特定功能的自動(dòng)駕駛,例如ESC(汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng))、AEB(自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng))、LKA(車道保持系統(tǒng))。目前主要應(yīng)用于高檔車輛。
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)汽車駕駛,主要代表功能是高度自動(dòng)駕駛。主要成果有德爾福12 天時(shí)間行駛近3 400 km 橫跨美國、長安無人駕駛汽車行駛近2 000 km 從重慶到北京。
L4 指完全無人駕駛,主要代表功能是完全自動(dòng)駕駛。主要成果有Google 完成200 萬千米路測(cè), 百度完成北京三環(huán)路測(cè)。
目前,無人駕駛的發(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)的無人駕駛通過單車智能化, 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 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正不斷促進(jìn)無人駕駛技術(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)也成為無人駕駛技術(shù)可能應(yīng)用的場(chǎng)景之一。2019 年11 月法國航空、CHARLATTE AUTONOM 公司與圖盧茲機(jī)場(chǎng)測(cè)試無人駕駛用于行李分揀區(qū)到飛機(jī)的行李傳送。英國物流公司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)開展無人駕駛短途接駁驗(yàn)證。在國內(nèi),2019 年香港國際機(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)分公司在長沙黃花國際機(jī)場(chǎng)貨運(yùn)區(qū)使用無人駕駛運(yùn)輸貨物,實(shí)現(xiàn)無人駕駛在內(nèi)地航空物流的首個(gè)商業(yè)應(yīng)用。
飛行區(qū)無人駕駛技術(shù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)
2.1 飛行區(qū)運(yùn)行車輛分類
為保障航班運(yùn)行,飛行區(qū)內(nèi)存在不同類型作業(yè)車輛,大致可分為4 類(如表1 所示),這4 類車輛有著不同的運(yùn)行模式。
航班保障車輛為航班提供保障服務(wù),車輛種類最多,運(yùn)行規(guī)則復(fù)雜。其中除引導(dǎo)車與除冰車外, 其余車輛僅在機(jī)坪活動(dòng)。
場(chǎng)道維護(hù)車輛為機(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)也有著比其他車輛更高的行駛優(yōu)先權(quán)。
一般車輛即非特種保障車輛,通常只被允許在靠航站樓的服務(wù)車道上行駛,不能使用飛機(jī)后方的服務(wù)車道,在沒有管制許可的情況下也不得進(jìn)入機(jī)動(dòng)區(qū)。
2.2 不同類型作業(yè)車輛應(yīng)用無人駕駛技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
航班保障類車輛是執(zhí)行特定保障作業(yè)任務(wù)的車輛,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,大部分車輛作業(yè)時(shí)需要與航空器進(jìn)行對(duì)接。因此解決車輛運(yùn)行有序調(diào)度、人- 機(jī)- 車混合場(chǎng)景下安全控制、車輛??颗c對(duì)接的高精度控制都將是此類車輛實(shí)現(xiàn)無人駕駛需解決的重要技術(shù)問題。
場(chǎng)道維護(hù)車輛是為地面運(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, 僅依靠單車智能無法保證運(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)于該類車輛除實(shí)現(xiàn)無人駕駛外,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)急救援類車輛是在機(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,在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi),該類車輛應(yīng)用無人駕駛技術(shù)都并非好的選擇。
機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)一般類車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,無人駕駛技術(shù)在該類車輛上應(yīng)用有更大的可能性,目前機(jī)場(chǎng)環(huán)境下的無人駕駛技術(shù)應(yīng)用集中在物流貨運(yùn)車輛即屬于該類車輛。
目前各類無人駕駛技術(shù)開展的大量運(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)車輛與航空器在同一時(shí)空運(yùn)行,運(yùn)行復(fù)雜度相較開放公路場(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、有人無人駕駛混合運(yùn)行、突發(fā)情況應(yīng)急處置等諸多挑戰(zhàn)。
飛行區(qū)車輛無人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)
3.1 飛行區(qū)無人駕駛系統(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),僅僅依靠單車智能系統(tǒng)無法滿足飛行區(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)包括車輛綜合智能管控平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境、智能車輛組成。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,支撐車輛任務(wù)規(guī)劃、無人駕駛場(chǎng)面車輛集群管控等任務(wù)實(shí)現(xiàn),綜合管控平臺(tái)具備無人駕駛車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、任務(wù)管理、車輛路由規(guī)劃、安全預(yù)警、對(duì)車輛指令控制等功能。
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。
智能車輛系統(tǒng)包括車載終端包括無線通信、高精度定位、環(huán)境感知、智能決策與控制等組成。
3.2 無人駕駛系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)
在上述框架下,無人駕駛技術(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。
車輛環(huán)境感知:目前車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)獲取車輛和路側(cè)設(shè)施等實(shí)時(shí)信息,并通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛與道路互聯(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, 其中涉及車車/ 車路信息交互、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,無人駕駛車輛一旦故障將會(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)智能車輛車載設(shè)備通過無線方式與其他設(shè)備或互聯(lián)網(wǎng)相連時(shí),信息安全問題隨之產(chǎn)生,應(yīng)研究從車輛、開放式信息平臺(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。
結(jié)束語
無人駕駛技術(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)用無人駕駛是預(yù)防人因失誤、違規(guī)作業(yè)這類不安全事件的有效手段;無人駕駛能夠?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)開展充分測(cè)試驗(yàn)證。