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商业机场航空物流的智能决策支持

L. Douglas Smith

密苏里大学圣路易斯分校的工商管理学院

ldsmith@umsl.edu

摘 要

对于大型商业机场的航空运输，采用分级队列系统进行协调具有一些竞争性和一些集体利益的独立运营商的航班与地面作业。系统的性能受到航班时刻表、分配给登机口的资源、滑行道和匝道的布局、飞机在地面和空中的交通管制程序、复杂的天气状况和主要中转枢纽的交通备份等的影响。我们提出了一个概念框架和离散事件仿真模型，用于研究机场设计、地面资源、运行程序和交通运动测序技术的变化如何影响不同的利益相关者。

1 绪论

商业机场的航空运营发生在一个紧密协调的旨在确保安全运营的系统中，因此个体运营商需要努力遵守其公布的时间表。飞行活动通常集中在乘客需求高峰期间，可能会由于恶劣天气和设备故障而中断。在一些机场，快递货运飞机、公务飞机和私人飞机的存在大大增加了交通量。空中交通管制员在考虑现行条件的同时尽量利用机场资源，同步飞机进近、起飞和地面运动，以保持飞机的适当分离。运行发生的难易和效率取决于跑道、滑行道、坡道和登机口的物理配置。他们还依赖航空公司部署的资源（登机口、设备以及人员）以及航空公司自己的调度流程。

经济效益通过机场基础设施的资金和维护成本、飞机消耗的燃料、飞行和地面人员的支出、乘客经历航班延误带来的间接效益以及错过航班间接带来的效益等而实现。对环境的影响以噪音和空气污染的形式表现出来。商业机场智能战略和战术规划所需要的是分析工具，可以帮助机场利益相关者调查以下影响：

· 改变机场滑行道，坡道及其指定用途，以提高安全性或运行效率；

· 更改门区分配以及各运营商的配套人员和设备；

· 引入灵活性使用门和合作航空公司之间的配套设备；

· 改变在各种天气和交通条件下到达和离开的跑道的使用情况；

· 飞机最后的进近、抵达登机口、派往主动跑道以及飞机起飞的替代方式（考虑空域行业的交通和天气情况以及涉及实地地面同步交通情况的时间）；

· 改变航班时刻表和整个交通的强度。

我们在本文中提出了一种分析框架和离散事件仿真模型，其中嵌入式优化启发式可以帮助机场规划者解决这些问题。机场环境表示为分级队列的网络，离散事件模拟用于表示系统行为。用我们的方法，我们可以：

· 将不同控制领域的多种活动整合到互动效果中；

· 在考虑基本操作特性的情况下，无需过多地表示系统；

· 合并由于飞行操作在每年、每周、每天以及不同时刻强度的变化而导致的系统性变化造成的随机变异；

· 允许影响正常操作的随机事件（天气、枢纽中心处的交通延迟）；

· 评估基础设施和运营实践变化对个人利益相关者（个体航空公司，飞机类型或运营商类别）的时变和差异效应。

2 相关的研究

机场和空域规划者几十年来一直使用离散事件模型来研究空中和地面的系统容量。美国联邦航空管理局（FAA，1989）Simscript创建的机场和空域建模工具SIMMOD已被全球用于估计机场跑道的数量和码头的容量（Gilbo，1993，Fishburn et al.，1995；Wei and Siyuan，2010；Bobalo and Daduna，2011）。它也被用来研究特定的机场行动，如雪灾期间的除冰服务（Bertino and Boyajian，2011）。SIMMOD将空域和机场作为二维活动网络，其中实体在网络中的节点之间沿着可以根据飞机的特殊特性及其环境进行调整的链路移动（例如，允许或限制滑行道路的通过，并且依赖于飞机的大小执行空中的分离标准）。波音公司开发的广泛使用的总空域和机场模型（TAAM）中实现了代表高度的附加现实主义（see Offerman，2001；Odoni et al.，1997）。这些模拟器（SIMMOD和TAAM）提供了从登机口到跑道到目的地的非常逼真的描绘和可视化的飞机运动模型，考虑到所有交通、个别飞机特性、分离要求、风和天气条件以及详细的飞行计划。它们是观察详细飞机运动的优秀资源，并在特定时间段内对具体情况下的模拟飞机活动的可行性进行微观细节测试，但是对于更加具有战略重点的研究，它们承担了大量的开销。

各种建模方法和技术已被用于研究机场运作的各个方面，以支持战略规划。Norin等人（2009）描述了航空公司运营、空中交通管制和机场运营的相互作用以及可用于“空侧作业”建模和分析的各种商业模拟方案。它们说明了使用数学规划模型来调度除冰操作并将其整合到机场地面作业的仿真模型中。对于机场候机楼内及周边的客运服务，Snowdon等（2000）使用ARENA通过票务、登机和装载来模拟乘客和行李的移动。Horstmeier和de Haan（2001）使用ARENA模型来模拟空中客车A380的功能，并发现通过改变飞机配置、食品餐饮和乘客下船的过程来缩短时间的机会。为了追求“最优”的解决方案用于提高登机口活性（飞机的分配到登机口），并在随机的环境中测试它们。Yan等人（2002）采用数学规划模型，启发式方法和使用Fortran 90的初步模拟来考虑随机效应。Ravizza等人（2013年）提出了一种算法，用于考虑完成所有预定运动所需的燃料时间，确定用于重新定位飞机的最佳出租车路线（和运动顺序）（如抵达和离开）。Zografos和Midas（2006）讨论了如何将具有个人优势的模型集合、相关信息的协调、数据库以及特定于领域的分析工具集合到人机界面的帮助下，作为决策支持系统（DSS）机场规划和业绩研究。

在空中交通管制系统中，空中交通管制员根据必要的时间到达入场点，并将其通过主动跑道的最终方法解决方案进行动态排序，一般采用先来先服务（FCFS）原则，但进行一些调整以适应系统上的当前压力。空域规划模式和研究将尽量考虑航空活动的详细相互作用，并在确定与飞机运动有关的时间和延误时，调整个别飞机特性和条件的影响。它们通常以相对于时间表（当从登机口推回时）或当接近模拟网络中的节点（例如，到达定位或起跑跑道）时以FCFS为基础进行操作。这样做，模型能够尽可能模拟航空公司调度员和空中交通管制员的行为（尽管灵活性较低）。他们调整时间和飞行路线，以执行飞机分离标准。

对工作车间环境中的调度研究表明，通常可以通过偏离FCFS处理顺序来实现效率（Allahverdi et al.，1999，2008）。整数编程（IP）模型和启发式解决方案已经被用来安排工作时间取决于工作顺序的工作(Balas et al.，2008； Carroll amp; Bronzini，1973；Dai amp; Schonfeld，1998；Gagneacute; et al.，2002；Gendreau et al.，2001；Gupta amp; Smith，2006)。

Atkin等人（2009）在伦敦希思罗机场通过在起跑跑道的控制区域以不同的格局分段飞机，寻求对FCFS起飞顺序的改进。解决方案在数学上使用禁忌搜索开发，随机生成用于测试解决方案的替代序列。他们研究了起飞期间飞机物理分离的限制对标准仪表（SID）制定离开的路线和通过保持区域机动的相对影响。Brentnall和Cheng使用离散事件模型来研究使用FCFS以外的规则对商业机场飞机进近过程进行排序的影响，并得出结论，如果唯一关注的是到达跑道容量，那么效益并不重要。Atkin等人（2010年）审查了过去关于机场地面作业优化方面的工作，认识到MIP制度的普遍性和研究实际目的对启发式方法的需要；他们强调在分析问题时整合到达顺序、离场顺序、登机口指配和地面运动的基本要素的重要性。

在不同的交通环境中，Smith等人 （2011）的研究表明，在河道运输系统中，可以使用分级队列的启发式调度程序（具有确保权益的优先转换机制）来提高FCFS的性能。分级队列具有一个或多个成员的特征，被指定为准备被选择用于服务的，并且因此当资源变得可用或发出信号时，可以在队列被移除的子集中。这个属性在运输和物流方面特别重要，因为物理限制往往会限制排队实体的流动性。在水路环境下，可以实现整体效率的提高，而不会对任何一类船舶造成巨大的困难。根据发生优先权转移的时间间隔的紧密程度，延迟的负担从一类用户转移到另一类。

我们目前的概念框架和建模方法旨在促进对航空器活动的不同测序方法的研究，同时认识到主体在系统中行使的控制权。该模型提供了一个方便的工具，用于探索机场的物理基础设施、配套设备、人员和各个领域的操作实践的变化的影响。我们将其应用于朗伯圣路易斯国际机场。

3 分阶段队列作为整合框架

我们通过移动模拟飞机通过分段队列网络（一些物理的，其他的概念）来整合这三个领域（航空公司运营，机场设施和空中交通管制）。

飞机到达时间是根据单个航空公司的日程表生成的，但随机偏差更适用于模拟场景。这种情况是根据当地天气状况、到达和离开的空域行业的天气情况以及主要枢纽机场的情况来定义的，这些机场可能导致抵达和起飞出现拥堵的情况。起飞机场出发航班是按照时间表生成的，“定位”在航空公司的可利用的登机口（假设设备可用）并被指定为准备离开、随机变化，反映了当时的历史偏差 、个人航空公司和飞行目的地。后续航班的出发是在登机口的“周转”随机间隔后发生的。

飞机的物理运动（仅用于演示用途）作为“路线”之间的“站”之间的移动。飞机的排序和分离受制于考虑单个飞机类别（重，中等，轻）的规则。图1显示了飞机根据有效跑道进入模拟模型的动画部分时所定位的最终修正方法（FAF）。飞机在FAF的队列中具有各种属性（飞机类型，预定到达时间，FAF的航空公司，航空公司，航班号，飞行起点，航班总站）。

在机场终止的航班将从模拟过程中移除，并在进行卸货和维修的时间间隔之后腾出登机口。这使得登机口可用于由模型根据时间表生成的始发航班（如有需要，随机扰动）或新的到达。如果航班计划进行到另外的目的地，它将随着对数正态随机分量的周转时间准备就绪。图2显示出了跑道、滑行道和斜坡区域的物理布局，也标明了飞机从着陆点到达登机口和从登机口到达起飞点的关键交叉点。飞机被允许进近，不得早于在前进方向飞行的同一方向腾空之前到达最后一段滑行道。他们也不能比当前正在相反方向穿过的飞机腾空前，进入一段滑行道。

图1 分期航班到达的最终修复方法

图2 机场跑道、滑行道、斜坡和主要交叉口布局

指定斜坡区域，以便在抵达飞机没有可用的登机口或通向指定的登机口的清晰路径时容纳分段队列。在机场的其他地方，当由于现场拥挤造成的起飞积压时，由于出发地区的天气条件或由于中心目的地的天气或拥堵而导致交通阻塞，所以采用了分期排队的策略。

为了适应航空公司在实地管理自己的资源和派遣航班的行为，我们需要分开在斜坡和闸门作业的活动。这是在每个航空公司的到达和离开的坡道上指定单独的分段区域（图3）完成的。航空公司到达的飞机在坡道的一个区域上进行排队，等待有可用的登机口（并且有明确的路径）。离开的飞机（可由ATC在地面上进行天气或交通管制）如果必须清理登机口以容纳到达的飞机，则在另一地区举行。图3显示了1号航站楼主要有四个航空公司的登机口的闸门分段区域和飞机到达登机口的滑行路线。2号航站楼也是类似抵达和离开的条件。当飞机进行起飞和到达所经过指定区域达到其极限物理能力时，机场的其它区域被指定为溢出。

除了与机场财产上的实际位置相关的分段队列外，飞机还被放置在所有航空公司共享的概念队列中。例如，飞机的航线涉及到受恶劣天气影响的空域，在一个普通的队列中，由有效的模拟调度机制确定从序列中释放出来。

图3 个别航空公司抵达和离港的坡道分段

4 建模工具

对于离散事件模拟，我们在Windows平台上使用ARENA 12.0进行。启发式调度和排序程序能够在建模逻辑需要时由C 或Visual Basic编写并由“事件”块调用。模型以复制模式（抑制动画）运行，以便对实验场景中涵盖的因素或策略的影响进行统计测试。通过阻止飞机进入指定部门（使用用户定义的时间表或连续事件的指数概率分布及其持续时间）来模拟飞机受到本地空域的交通流量及不利天气条件影响进入，当交通限制到期时，将受影响的飞机在排队时有秩序地释放。

用于仿真模型的实体特征和具体时间参数由统计分析系统（SAS）开发和维护并嵌入到ARENA模型的逻辑和回归模型中。SAS还用于根据航空公司历史时刻表（根据需要加强或缩小以表示交通量的潜在变化），生成个别航空公司的抵达文件（一些航班终止，其他航班在登机口口转机后继续）。它类似地用于生成模拟场景中的始发航班文件。抵达和离港的随机性是由日期和时间变化的方式和历史航空公司门票数据确定的标准偏差与日程表正常偏差引起的。

5 信息生成

机场的活动全天都在变化， 航班大多集中在乘客需求高峰的时间（表1）。随着时间的推移，时间表在发生着变化，从而引起了晚点航班的增加。一些延误（如天气）与根据时间表和航线飞行的航空公司有很大关系（在我们这个例子中，以空域部门和主要交通枢纽为代表）。其他延误（如设备故障引起的延误）是随机的。机场运行的综合模拟模型必须产生人们能研究系统的动态性能的信息。

表1 实际航班和超过364天晚点

表2 飞机活动模拟事件日志摘录

为了报告模拟结果，我们创建了模拟活动的详细日志（由Arena编写为平面文件），并使用SAS进行分析。表2显示了Arena为单个飞

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