飞机载重平衡的人工智能解决方案探讨
摘要：民航在长期的运行中积累了许多非常宝贵的经验，形成了严密的组织和运行模式，但与此同时快速增长的客货运量也给民航的各项保障工作带来了巨大的挑战。作为关系民航安全与效益的载重平衡工作,依靠传统的工作模式越来越显得力不从心，唯有借助类似人工智能等新技术带来的革命性力量，对民航载重平衡工作模式进行变革，才能大幅度提高民航的运输保障能力，助力我们实现民航强国的目标。
一、引言
民航局近期下发了《关于开展载重平衡专项检查的通知》，要求各单位于2019年1月至9月期间开展针对飞机载重平衡的专项检查工作，排查载重平衡工作中存在的隐患，制定风险防控措施，从源头把好载重平衡安全关。载重平衡一直都是航空公司地面保障的一个关键环节，直接影响到航空器的飞行安全, 历史上也发生过非常惨痛的教训，1981年2月的一天，一架隶属于苏联太平洋舰队的图-104专用客机，刚刚起飞8秒钟就坠落在机场跑道上。这次事故导致大部分苏联太平洋舰队的高层丧命，该舰队也从此一蹶不振。导致这次灾难的原因就是因为飞机尾部货舱严重超载，致使飞机重心严重偏后，破坏了飞机的操纵性能，最终酿成无法挽回的惨祸。
二、民航当前载重平衡工作模式的缺陷
飞机由于自身结构强度、客货舱容积的限制，必须要根据每一次航班的具体运行条件确定飞机最大装载重量和装载位置。而飞机装载位置所决定的飞机重心又会影响飞机飞行过程中的操控性能，所以每一个航班的货物装载重量和装载位置，以及旅客在客舱座位的安排并非随意而为的，必须要根据各相关单位经过仔细核实的数据，并经过专业人员的计算和反复的复核才能确定。由于这项工作直接影响飞行安全，因此民航运输企业设有专门的岗位负责飞机的配载平衡工作,并制定了相应的工作流程保障载重平衡工作的顺利进行。
（一）民航目前的配载工作模式
民航目前的配载工作模式分传统的本地配载模式和集中远程配载模式两种，传统的本地配载模式是由货运配载通过各部门的航班预报信息，大致算出货物运输可以使用的舱位，并据此确定具体运输的货物以及在飞机上的具体装载位置。而平衡部门则在航班值机关闭后综合各方面的反馈数据手工完成平衡图表的最终制作，确定飞机的重心位置是否符合安全要求。近年来，远程集中配载操作模式已逐步成为国内外行业的发展趋势。集中配载通常是以总部的平衡部门为中心，实现集中控制其他航站载重平衡工作的一种全新的运行模式。当然为了分担工作量和保险起见，世界各国实行集中配载的航空公司均会设立若干个集中配载的分控中心，在流程一体化的前提下，互为备份。从当前运行的情况看，远程集中配载模式由于将原来传统配载模式所要进行的大量数据的手工计算改由计算机完成，配载平衡人员只要确定了装载的舱位，就不再需要经过繁琐的手工计算，计算机配载系统就能够迅速给出飞机重心的数据，因此工作的效率和准确率要比传统配载模式有了相当大程度的提高。
（二）民航配载工作模式存在的缺陷
远程集中配载模式虽然比原来传统配载模式在工作效率和准确率上有了一定程度的提升，但并没有取得革命性的进步。
1.无法避免高强度的工作压力下的人为差错
由于装卸部门需要有一定的准备和装卸机时间，大部分国内航空公司设定的货运配载截止时间是航班起飞前1小时，也就是说当装卸部门拿到装机通知单的时候，飞机各项与平衡有关的数据还未最终确定。因为这个时候，旅客没有完成值机，货物和行李还没有完成装载，飞机加油量也没有最终确定。这在实际操作中，就很容易因为天气、超载、拉货等原因导致航班要多次修改平衡表而增加平衡人员工作量。虽然远程配载模式降低了配载人员在忙乱中发生计算错误的可能性，但由于决策时间紧张，无法进行多方案的比较，配载人员匆忙中修改的装载方案可能无法保证重心处于最佳位置。而更令人担心的是，由于民航工作的特殊性，工作人员在工作日内的工作强度往往不是均匀分布的，尤其在航班发生大面积不正常状态的时候，某个时段的工作强度要远远高于正常的工作时段。这很容易造成工作人员身心疲惫，增加配载人员及现场装卸人员出现人为原因差错的可能性，而这样的差错在目前的作业模式下很难被及时发现。
2.无法复核信息的准确性
民航的工作需要各专业的相互协同配合，配载的各项数据往往由各相关部门提供，原始数据的准确性直接关系到配载的工作质量，甚至会影响飞行安全，但实际操作过程中两种配载模式都缺少核实数据的技术手段，使得数据的准确性在很大程度上只能依赖于数据源头的工作质量。澳大利亚《悉尼先驱晨报》2014年9月3日报道，因为销售人员把87名小学生错误地标注为成人，使得配载平衡人员在计算飞机重量时多算了3.5吨到5吨的重量。而根据这个错误数据配平的这架波音737客机在起飞时出现了机头过重的险情，好在机长操作得当才没有导致严重的后果。而我国也发生过多起货物称重数据与实际重量偏差较大的情况，由于缺乏有效的复核手段，这种隐患较难在后续工作环节中被发现，这无疑会给飞行安全带来负面影响。
3.无法避免散货舱装载货物的体积估算的偏差
根据2016年的数据，我国民航窄体飞机的数量占比高达机队总数的82%，宽体机在中国民航机队的占比仅为12%[1]。相对于使用集装设备的宽体机而言，使用散货舱装载货物的窄体机在进行货物配载时还面临着一个棘手的问题，就是飞机货舱的每次装载的利用率往往受到装卸人员的工作经验、飞机过站时间是否充裕、货物包装的大小和材质等多种因素的影响而存在一定程度的差异。事实上，配载人员往往需要相当长的经验积累才能对飞机散货舱所能装载货物的体积有较准确的判断，但这种基于经验的目测判断，往往会有一定程度的偏差。在民航发展的早期由于客座率比较低，货运量也较为有限，客户对民航运输的时限要求也相对较低，民航可以在配货时保留一定的宽裕度来避免发生超载而导致发生拉货。而目前国内的航班客座率已经达到了一个很高的水平，民航局的相关资料显示2018年的月份最高值已超过88%。考虑市场的季节性差异与地区性差异，以及旅客行为带来的自然座位空耗，民航的客座率事实上已经接近了极限[2]。
中国民航2013-2018年月度平均客座率（数据来源：民航局网站）
接近满客的旅客占用了飞机大部分可用业载，所交运的行李也会占用相当部分的货舱空间，使得配载人员对于货舱可用空间的估算更加困难，而增长的货运量也迫使配载在配货时不得不将可用业载和舱位用到极限，这就使得飞机非常容易因超载而拉下货物、邮件，或者由于货舱空间估计错误而导致修改装载方案。而频繁的拉货和装载方案的修改又会造成平衡表的频繁修正，这一方面容易造成由于信息沟通不畅造成配载数据与实际装载出现偏差，严重的可能会导致飞行安全出现隐患。另外一方面，拉货也容易导致货物出现不正常运输，提高差错率，降低客户对民航运输的满意度。
4.无法解决员工流失导致装载质量下降的难题
配载人员计算得到的飞机重心只是纸面上的数据，要实现配载的目标还需要一线装卸工人严格按照装机通知单的装载指令完成装载，尤其是窄体机的货舱装载质量与员工的熟练程度相关度更高，有经验的装载工人的装载质量和速度要好于缺乏经验的员工。然而由于民航超长的工作时间和较为艰苦的室外工作环境以及与此不相称的收入，使得民航一线操作岗位的员工出现了很高的流失率，据香港《星岛日报》报道，2018年香港工会联合会地勤工会估计，香港机场欠缺至少12%人手，包括货车驾驶员、地勤及客运人员。甚至像香港机场地勤服务有限公司(HAS)出现“百分百流失率”，这种现象在国内机场也开始出现，从长期看民航行业的一线员工高流失率将是无法回避的问题，这将会造成一线极度缺乏有经验的操作人员，并由此导致飞机装载质量的严重下降。
三、载重平衡人工智能技术解决方案探讨
民航作为高价值商品的主要运输方式，在国际贸易竞争中的重要作用已经无可替代。但相对而言民航的很多操作还停留在手工作业阶段，这极大地限制了民航运输效率和运输质量的提高，难以满足越来越高的社会运输需求。而当前正在蓬勃发展的人工智能技术如果在载重平衡工作中得到应用，将极大地提高载重平衡的效率和准确性，在保证飞行安全的前提下提高运输的效率和收益。
（一）人工智能配载系统
配载过程实际上是一个决策过程，在各种数据和多种装载方案中选择达到最佳效果的装载方案，整个过程需要大量的计算和方案对比，如果有充裕的时间，配载人员是完全可以胜任的。传统的配载模式往往通过制定一些业务的截止时间，给配载平衡人员留出较宽裕的结算时间。但随着航班量的不断攀升，以及社会对运输效率不断提高的期望，配载和平衡人员的结算时间一再被压缩，甚至完成了结算，还可能会因为装载上的变化而需要进行修正。这使得载重平衡的工作节奏快得让人越来越难以承担，但却正是人工智能的强项，民航完全可以对配载系统进行智能化的程序设计，使之能够模拟配载平衡工作人员的决策过程，可以随时根据动态的数据变化对装载方案进行评估，如果在装载过程中发现装载方案需要调整，可以即时给出最佳的最小工作量的调整方案。此外还可以利用人工智能的深度学习功能不断提高智能配载的精确性以保证航班运输的高效和收益最大化。
（二）拖斗车标准化
目前各机场均使用拖斗车装载窄体机运输的货邮和行李以完成机场内部的短驳运输，传统本地配载在配货时往往会到出仓现场查看货物的体积和形状，并结合装车情况估计货物的大致体积，判断所飞机型是否可以完成装载。而远程配载只能靠当地出仓部门提供的装车数据对货物的体积进行估算，但目前各机场使用的拖斗车尺寸和外形并不统一，这给体积估算带来了困扰。解决这个问题可以考虑将拖斗车统一成标准的可封闭的样式，一方面可以使货物、行李免受日晒雨淋并减少掉落的风险。另一方面，由于封闭式拖斗车容积完全一致，使得所装载的货物体积比较容易估算。此外还可以统一车上标识和编号，以便于利用机器视觉的识别功能对货物和行李的场内运输进行全过程的监控，使整个运输过程可以全程记录，彻底解决运输过程无法控制的管理难题。
（三）更精确的旅客重量
民航配载还存在一个历史难题就是无法获得旅客体重的精确数据，通常只能按平均体重进行飞机业载计算[3]，这非常可能与实际的旅客重量有较大出入，但苦于长期没有可靠的技术手段在短时间内准确完成对旅客的称重，只能出此下策。而当前人脸识别系统已经在安检的身份查验环节得到了应用，可以考虑在旅客安检口设置称重设备，在旅客进行身份识别的同时完成对旅客本人和携带行李的称重。并由人脸识别系统识别旅客并自动录入体重数据，同时在旅客乘机的航班上自动汇总旅客的重量，这样就能得到较精确的旅客重量，使得配载数据更精确，杜绝由于大部分旅客体重超标而导致飞机超载的极端情况发生。
（四）更详细的装载指导
虽然像机坪装卸搬运这些岗位大多是低技能的岗位，但却关系到航班的装载是否能按照配载平衡人员的装载指令完成，否则就会出现平衡图的重心与实际重心存在偏差的现象。但低技能岗位的员工通常文化水平比较低，如果没有一定的工作经验，在看装载通知单以及相关运输文件的时候会有一定困难。特别是民航的运输文件上经常会使用一些代码和简写，即使是一些老员工也不见得能准确理解，这就有可能增加出现装卸差错的风险。如果能在智能配载系统中增加信息汉化功能，并在生成的装载通知单上增加更详细的作业指导，甚至在移动通讯技术发达的今天，完全可以将装载演示动画发送到移动通讯设备上，这将会极大提高装载工作完成的质量和准确率。根据民航局的数据，2017年我国客运航空公司共执行航班403.9万班次[4]，每个航班如果能够多装100公斤货物，哪怕只是多收入100元，放在整个民航也是一个不小的数字。
（五）全流程监控
民航的作业场所非常分散，这使得很难对工作质量进行有效监控，虽然有部分机场和航空公司有专职的监装负责对现场的装载质量进行监督，但人毕竟没有火眼金睛，所以实际效果差强人意。目前基于人工智能技术的机器视觉已经有了很成熟的应用，很多居民区的车牌识别系统已经广泛使用了这一技术。如果能够进一步改进，通过安装在货物、邮件和行李收运场所的图像摄取装置获取货物的图像信号，通过专用的图像处理系统可以判断货物的外形尺寸，结合称重系统可以详细记录下每一件货物和行李的体积和重量。智能配载系统可以根据包装的形状和运输信息确定一个最佳装载方案。在装载过程中，还可以从整个机场内部的摄像头监控整个货物邮件的运输路程，判断是否运输到正确的航班。发生错运、漏运，包括运输过程中货物行李掉落可以及时发出警告。而在装载现场可以随时判断装载的舱位是否正确，是否符合配载的装载指令，这将极大提高民航运输的全过程的运输质量的控制能力，降低运输差错的发生。
四、结语
民航配载从最初手工计算飞机重心，发展到广泛使用平衡表计算飞机重心，再到目前主要依靠计算机配载系统计算重心，配载工作模式虽然一直在改进，但主要体现在计算工作量的简化上。虽然目前计算工作量几乎减到了极限，但还是无法应付民航越来越快的工作节奏。从长远看，只有人工智能配载系统的应用使配载工作模式发生革命性的变革，才能应对民航越来越高强度的工作节奏。而在国际贸易摩擦越来越白热化的背景下，民航竞争力的提升不仅关系民航业自身的发展，更可以助力我国生产企业的产品更高效地参与国际竞争。荀子曰：不积跬步无以至千里，我们民航的每一个小小的进步，都会使我们离民航强国乃至民族复兴的目标更近一步。
参考文献
［1］6张图表，解读近5年中国民航机队发展特点,国际航空快讯
［2］邹建军, 2019，航空运输业在不确定性中寻找变革之道 国际航空
［3］王可、肖艳平、刘志强《重量平衡与飞行计划》[M]西南交通大学出版社2017年8月第一版
［4］民航局2017年民航行业发展统计公报
