詹梓涵

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

隨著城市化的發(fā)展，“智慧城市”成為公眾關(guān)注的熱門焦點(diǎn)之一，智慧城市概念的興起，為建設(shè)“思想物聯(lián)化、管理信息化、環(huán)境數(shù)字化、服務(wù)智能化”的智慧機(jī)場提供了參考價(jià)值和孵化環(huán)境。

無人駕駛技術(shù)是鄂州機(jī)場對(duì)數(shù)字運(yùn)維場景規(guī)劃中重要的一環(huán)。從微觀角度，各部分通過智慧化的數(shù)據(jù)挖掘和分析處理，可以實(shí)現(xiàn)不同維度信息的仿真模擬、關(guān)聯(lián)展示、事件回放、事態(tài)預(yù)測，并向管理人員提供定制化的分析功能，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為價(jià)值。從宏觀角度，CIM技術(shù)助力圖形、圖層與數(shù)據(jù)的融合，疊加地理信息數(shù)據(jù)、設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)、時(shí)空位置數(shù)據(jù)、車輛運(yùn)行時(shí)序數(shù)據(jù)、用戶需求數(shù)據(jù)等不同維度的數(shù)據(jù)，提供無人駕駛場景各類數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的可視化展示[1]。

2 智慧機(jī)場建設(shè)現(xiàn)狀

民用機(jī)場作為戰(zhàn)略性公共基礎(chǔ)設(shè)施，是智慧城市建設(shè)重要組成部分。智慧城市為智慧機(jī)場發(fā)揮功能提供人文科學(xué)基礎(chǔ)性環(huán)境，智慧機(jī)場依托智慧城市構(gòu)建數(shù)字孿生基礎(chǔ)。一方面，以智慧城市為抓手，通過BIM+GIS全生命周期數(shù)字化管理和大數(shù)據(jù)的融合疊加，為機(jī)場管理人員、運(yùn)維人員提供數(shù)字化支持和可視化的運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)各個(gè)單位之間的管理協(xié)同，帶動(dòng)行業(yè)信息化發(fā)展；另一方面，在機(jī)場陸側(cè)、機(jī)場空側(cè)及機(jī)場航站樓實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，為旅客提供智能業(yè)務(wù)服務(wù)，提高城市的信息化進(jìn)程。

3 無人駕駛技術(shù)優(yōu)勢

在智慧城市發(fā)展背景下，“車聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)走入了大眾的視野[2]。全球已有多個(gè)機(jī)場采用了無人駕駛技術(shù)，日本東京羽田國際機(jī)場致力于自動(dòng)駕駛擺渡車的測試和應(yīng)用、加拿大溫尼伯國際機(jī)場采用無人駕駛除雪車進(jìn)行飛行區(qū)的除雪作業(yè)等。無人駕駛技術(shù)在機(jī)場工程中的應(yīng)用處于早期階段，在信息化高速發(fā)展的今天，無人駕駛技術(shù)將成為機(jī)場領(lǐng)域的熱門研究方向[3]。

4 鄂州機(jī)場數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀

鄂州花湖機(jī)場位于湖北省鄂州市鄂城區(qū)燕磯鎮(zhèn)杜灣村附近，為4E級(jí)國際機(jī)場、航空物流國際口岸、亞洲第一座專業(yè)性貨運(yùn)樞紐機(jī)場。鄂州機(jī)場近期規(guī)劃為專業(yè)性貨運(yùn)樞紐機(jī)場，同時(shí)作為客運(yùn)支線輔助天河機(jī)場進(jìn)行客流輸送。

在數(shù)字化建造方面，鄂州機(jī)場采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，為施工現(xiàn)場機(jī)械和車輛安裝數(shù)字終端，在建設(shè)過程中，通過BIM技術(shù)制作近億個(gè)編碼構(gòu)件，產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，將數(shù)字資產(chǎn)整理、分析、最終應(yīng)用到機(jī)場運(yùn)維中，有效地提高了機(jī)場數(shù)據(jù)處理的效率。

在機(jī)坪的少人化規(guī)劃方面，鄂州機(jī)場的跑道下方埋設(shè)了5萬多個(gè)光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)場跑道全時(shí)、全域的信息感知[4]。同時(shí)，通過搭建車-路-云協(xié)同自動(dòng)駕駛生態(tài)環(huán)境，機(jī)坪上的無人駕駛車輛可以自主循圖行駛，自主感知避障。

5 場景描述

鄂州機(jī)場是以貨運(yùn)為主的樞紐機(jī)場，運(yùn)行特點(diǎn)之一是作業(yè)時(shí)間主要在夜間，這樣的運(yùn)行模式增大了地勤車輛調(diào)度與控制的難度。主要包括以下三個(gè)方面：①由于所有的貨物都需要用車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，貨運(yùn)飛機(jī)的地面用車數(shù)量遠(yuǎn)大于客運(yùn)飛機(jī)；②鄂州機(jī)場本期規(guī)劃機(jī)位100余個(gè)，遠(yuǎn)期規(guī)劃機(jī)位超過200個(gè)，在貨物交換的有限時(shí)間范圍內(nèi)，飛行區(qū)的車流量將會(huì)非常大；③地勤車輛的種類眾多，對(duì)車輛調(diào)度、作業(yè)計(jì)劃、協(xié)同控制都提出了較高的要求。

無人駕駛技術(shù)在提升車輛主動(dòng)安全性、改善交通效率以及降低能耗等方面有著重要應(yīng)用。通過車-路-云的三方協(xié)同，無人駕駛車輛可以實(shí)時(shí)感知路況信息，全方位實(shí)現(xiàn)車與車、車與路、車與用戶之間的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互，從而形成安全、高效的道路交通系統(tǒng)。

基于智慧城市視角，對(duì)于無人駕駛汽車技術(shù)的研究，需要解決三個(gè)方面的主要問題：①無人駕駛汽車獲取外部信息從而感知環(huán)境的能力，關(guān)鍵技術(shù)包括導(dǎo)航定位技術(shù)、決策控制技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、智能控制技術(shù)等；②云端的群體協(xié)同控制能力，包括協(xié)同調(diào)度指令設(shè)置、態(tài)勢研究、推理決策等技術(shù)；③無人車輛系統(tǒng)與BIM模型、GIS底圖的結(jié)合應(yīng)用，包括無人駕駛自控系統(tǒng)與停車位BIM模型信息的聯(lián)動(dòng)、無人駕駛車輛的路徑規(guī)劃問題等。

鄂州機(jī)場對(duì)無人駕駛場景的規(guī)劃由規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)、車輛調(diào)度、車端、云端、路側(cè)單元、底層支撐系統(tǒng)、停車場七個(gè)層面組成，應(yīng)用多傳感器信息、無線通信等技術(shù)，讓無人駕駛汽車自動(dòng)避障，自動(dòng)選擇最佳的行駛方案，實(shí)現(xiàn)智能化交通管理和車輛智能化控制的一體化。

5.1 規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)車輛的群體協(xié)同控制需要制定相關(guān)的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，在宏觀調(diào)控方面進(jìn)行車輛的規(guī)范化管理，為云端的數(shù)據(jù)處理和決策分析提供依據(jù)。

1）場景標(biāo)準(zhǔn)

編制自動(dòng)駕駛場景庫，包括每一種場景的對(duì)策、交互信息、“車-車”端、“車-路”端、“車-云”端之間的通訊、動(dòng)作交互規(guī)則等。

2）交通標(biāo)準(zhǔn)

制定運(yùn)行管理規(guī)則，包括交通標(biāo)識(shí)規(guī)則、車輛燈光規(guī)則、車輛讓行規(guī)則、車輛間通訊規(guī)則等。

3）通訊標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

建立有效的通訊標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)管理模式，集中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、標(biāo)準(zhǔn)化、更新入庫、管理和分發(fā)，實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一管理下的信息共享機(jī)制。

5.2 車輛調(diào)度

車輛調(diào)度層輔助車輛管理人員監(jiān)控和維護(hù)無人駕駛車輛的狀態(tài)列表，包括設(shè)備編號(hào)、位置坐標(biāo)、停車場停車情況等信息，用于執(zhí)行調(diào)度策略。接收作業(yè)需求后，管理人員根據(jù)車輛調(diào)度模塊中待作業(yè)車輛的信息，選擇所需的車輛并派發(fā)工單，為車端的作業(yè)提供調(diào)度支持。

5.3 車端

鄂州機(jī)場規(guī)劃了無人引導(dǎo)車、航空板箱自動(dòng)運(yùn)輸車、無人拖車等十余種無人駕駛車輛。無人駕駛車輛通過測距儀、攝像機(jī)、傳感器、光纖等設(shè)備實(shí)時(shí)感知車輛周圍環(huán)境。根據(jù)實(shí)時(shí)采集的道路、車輛位置、障礙物等數(shù)據(jù)，利用無人駕駛自控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)對(duì)位、實(shí)時(shí)定位、自動(dòng)巡航、路況感知、障礙物識(shí)別等相關(guān)工作，自動(dòng)規(guī)劃（或提前設(shè)定）行車路線并控制車輛達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[5]。

5.4 路側(cè)單元

路側(cè)單元是一個(gè)信息傳輸中樞，通過在機(jī)坪布設(shè)傳感器、測距儀、光纖、RSU、基站等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的位置及運(yùn)行狀態(tài)。信息采集完成后，打通路側(cè)單元的無線通信模塊與無人駕駛自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，實(shí)時(shí)接收和處理車載單元發(fā)出的車輛通行信息；同時(shí)，路側(cè)單元將車端環(huán)境感知設(shè)備采集到的道路路況信息、道路氣象信息、車輛信息等信息進(jìn)行數(shù)字化移交，傳遞給云端，云端利用云計(jì)算、人工智能等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果發(fā)送給車端，通過“車-路-云”三端信息的實(shí)時(shí)傳輸和協(xié)同管理，保障鄂州機(jī)場飛行區(qū)無人車輛的運(yùn)行。

5.5 云端

云端的主要任務(wù)是調(diào)度和總體態(tài)勢優(yōu)化，“云車路一體化”通過集成車端、路端、塔臺(tái)的各傳感設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將“車-路”、“車-車”、“車-用戶”、“車-環(huán)境”之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互和融合，同時(shí)計(jì)算車輛態(tài)勢，為決策執(zhí)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)監(jiān)控、智能決策、任務(wù)調(diào)度、全局路徑設(shè)定、群體智能協(xié)同控制、態(tài)勢優(yōu)化等功能。

5.6 底層支撐系統(tǒng)

底層支撐系統(tǒng)為無人駕駛場景提供數(shù)字孿生基礎(chǔ)，與車輛環(huán)境信息達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，具有數(shù)據(jù)高精度、高維度及高及時(shí)性的特點(diǎn)。一方面，傳感設(shè)備實(shí)時(shí)抓取障礙物等駕駛環(huán)境中的各種動(dòng)態(tài)信息，并對(duì)車道線、曲率、坡度、路側(cè)物體等靜態(tài)元素厘米級(jí)的三維表示，通過比對(duì)車載環(huán)境信息與底層支撐系統(tǒng)的信息，可以計(jì)算出車輛在底層支撐系統(tǒng)中厘米級(jí)的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)車輛的高精度定位[6]；另一方面，底層支撐系統(tǒng)中的各類信息實(shí)時(shí)傳遞給車載控制單元，從而輔助車輛的環(huán)境感知功能，達(dá)成路況警示、減速提醒等目的，進(jìn)而降低車載環(huán)境感知的難度。

①靜態(tài)圖層：高精度地圖，精度優(yōu)于10cm，為底層支撐系統(tǒng)提供基礎(chǔ)地理信息。

②動(dòng)態(tài)圖層：標(biāo)注車輛位置、組態(tài)、速度、行駛意圖的圖層，包括車和車之間協(xié)同的數(shù)據(jù)等。

③實(shí)時(shí)圖層：道路、交通信息、車輛感知圖層。通過路側(cè)有的傳感器等設(shè)備，實(shí)時(shí)抓取車輛種類、態(tài)勢等信息。

④用戶圖層：車輛的尺寸特征、司機(jī)的開車習(xí)慣、用戶需求等用戶數(shù)據(jù)。

5.7 停車場

鄂州機(jī)場的停車位在建設(shè)期間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)BIM建模，無人車輛的停車管理將從以下兩方面與BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)合：在路徑規(guī)劃方面，實(shí)時(shí)抓取車輛管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，將車位信息實(shí)時(shí)匯集在停車位BIM模型中，當(dāng)無人駕駛車輛向系統(tǒng)提交停車申請(qǐng)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)車輛實(shí)時(shí)位置與停車位的泊車情況，進(jìn)行就近車位的分配與最優(yōu)返程路徑規(guī)劃，提高車輛運(yùn)行效率；在仿真模擬方面，停車場周邊車流量較大，在同一時(shí)間段內(nèi)存在多種行駛行為，將BIM模型與模擬仿真相結(jié)合，并進(jìn)行實(shí)時(shí)交通流模擬，對(duì)車輛路網(wǎng)性能、沖突區(qū)域的優(yōu)先規(guī)則、路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)、車輛行程時(shí)間進(jìn)行分析，模擬出每個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)每輛個(gè)體車輛的駕駛行為，為車輛調(diào)度和泊車管理提供輔助決策依據(jù)。

6 結(jié)語

鄂州機(jī)場作為全國航空貨運(yùn)樞紐，需要充分滿足大型物流企業(yè)對(duì)航線和航班密度的需求，滿足航空快遞運(yùn)營中轉(zhuǎn)運(yùn)作，兼顧傳統(tǒng)航空貨運(yùn)業(yè)務(wù)。通過構(gòu)建無人駕駛車輛的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，將CIM、車聯(lián)網(wǎng)、視頻識(shí)別、雷達(dá)定位、傳感器、無線傳輸、數(shù)字接口等多種技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)部署車輛管理系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)機(jī)坪上的大體量的無人駕駛車輛進(jìn)行群體智能協(xié)同控制，提高機(jī)場的生產(chǎn)運(yùn)行效率，助力智慧機(jī)場的建設(shè)運(yùn)營。