航空运输规划学

航空运输规划学2008年10月第一章绪论1-1航空运输系统概述航空运输系统由航空公司子系统、机场子系统和空管子系统组成。航空运输系统的组成如图1-1所示，系统的边界是“机场陆路到达系统”，它有时也被作为航空运输系统的一部分进行处理。航空运输系统作为社会系统的子系统，它的外部是社会系统的其他部分和气象等自然系统，系统的服务对象是运输需求发生地（需求源）。空管系统(AirTrafficControl)地面指挥-塔台管制-进近控制-航路扇区控制机场空侧(飞行区)（Airside)飞机到达-旅客下机（卸货）-清洁维护飞机-加油-加水上餐饮-上客（加载货邮）机场陆路到达系统(AirportAccessSystem)航空运输需求源(DemandSource)货站（CargoStation）理货-打包-过磅-安检旅客和/或货邮货邮旅客旅客货邮飞机出发(购票)值机-(海关)-安检-(边防)-候机-登机机场航站楼(Terminal)到达（边防）-行李认领-（海关）图1-1航空运输系统航空公司是运输生产的主体，是航空运输系统直接面对旅客或货主的最主要部分，旅客的不满几乎全部撒向航空公司，即使延误是由恶劣天气或飞机流量管理造成的，也会造成旅客对航空公司的抱怨。旅客通过与航空公司接触的界面感受航空公司的服务质量，包括机票销售、航站楼服务和机上服务等，但航空公司的服务质量取决于服务链上的每个环节，从机队规划（机型的选择）、航线规划、航班计划、机务维修到运行控制，甚至为旅客服务的信息系统，处处都体现出航空公司的服务水平和服务质量。机场公司和空中交通管理局则为航空公司提供生产保障服务，帮助和支持航空公司完成运输生产任务，因此航空公司在航空运输系统内部是机场和空管局的客户。1-2航空运输营运要素航空运输的成功营运除了需要航空器、空勤人员、地勤人员和其它硬件资源以外，还需要软件要素的成功运用，包括航空运输计划、组织和运行，这软件三要素前后相继，又反馈控制，形成航空运输营运系统的闭合链。本节简要介绍这三要素。1-2-1航空运输计划航空运输计划的主体是航空公司，航空公司将制定好的航班计划提交给相关机场和空管局，机场和空管局在此基础上形成自己的航班计划。但航空公司在设计航班计划时必须与机场当局和空管局沟通、协调，对新增的航班还须获得他们的批准，才能最终形成自己的航班计划。1-2-2航空运输组织有了运输计划，必须建立有效的运输组织才能使运行有章可循，按程序流动。因此航空运输组织是完成运输任务的流程、章程和法规。机场是航空运输活动的主要场所，图1-2是机场子系统的进出港流程图。机场陆路到达系统由陆路交通系统和机场停车场、车站和道边系统构成，陆路交通系统可能是机场高速、机场轻轨、机场地铁。机场高速的交通工具可能是出租车、公交车、机场巴士、团队客车和私家车，公交车需要设立车站；出租车到达机场后只在航站楼前短暂停车，下客后即离开，应当为他们设置道边系统；私家车和团队车下客后一般需要停车，因此应当为它们建设停车场。为此应当对机场高速的车辆结构和数量进行调研、预测和评估，为规划停车场面积、道边长度和宽度以及公交车车站提供依据。对于出发旅客，机场陆侧指从值机大厅入口到登机口（又叫闸口）的部分，其间提供的服务有值机、安检、候机、登机等，对于国际旅客还必须提供海关、边防检查等服务；对于到达旅客，机场陆侧指从旅客到达入口到迎客厅出口的部分，其间提供的服务主要是行李认领和迎客，对于国际到达旅客，还提供边防、海关和动植物检验等服务；对于中转的旅客，是指航站楼中办理换取登机牌和提供中转候机服务的部分。有些陆侧的服务（主要是值机）可以前移至城市航站楼、火车站、机场到达交通工具上，以方便旅客，因此也可将陆路交通系统归入机场陆侧系统。现在也有网上值机系统，在航站楼值机大厅还设有自助式值机系统，以方便旅客值机。图1-2机场子系统旅客进出港作业流程出发货邮到达机场后首先在陆侧进入货站，对货物进行分理、装箱、打包、过磅、安检机场陆路到达系统停车场车道边设施航站楼进出口值机安检候机闸口飞机行李提取行李检验机场停车区域航站楼机场边界等服务，然后使用机场平板车进入停机坪装机。到达货邮到达机场后首先卸机，然后通过场面运输进入货站，进行分理后，再通过机场陆路到达系统运输到最终目的地。如果是国际出发/到达货邮，还必须通过海关和动植物检验后放行才能出/入关。中转行李需要通过自动化分拣设备或人工分拣，然后准确转运到各出发飞机上。1-2-3航空运输运行有了航空运输计划和运输生产组织体系，接下来是航空运输生产运行。航空运输运行包括航空公司运行、机场运行和空中交通管理三部分。航空公司的运行控制中心是负责生产运行的控制部门，在这里集中了市场部门、机务部门、飞行和客舱部门、地面服务部门的代表，以及航行情报、性能工程和飞行签派的专家。运输生产在这里组织实施，生产状态在这里进行监控。生产发生一般性问题，由运控中心领导与有关部门代表协商解决。这里还有公司的值班领导，生产运行一旦发生重大问题，由公司领导牵头，各部门代表会商解决，必要时须与机场监控中心（指挥处）以及空管部门协商解决。负责机场生产运行的部门是机场监控中心（指挥处），其职责是调配机场的生产资源，保障机场正常和安全生产。这里集中着最先进的监控设备和生产管理信息系统、服务信息系统，生产现场的情形在这里一目了然，监控人员随时可以和生产部门进行联系，解决发生的问题。这里也是机场与航空公司和空管部门进行协调，解决问题的部门。空管部门根据航班计划和跑道容量、空域容量等对空中交通流量进行管理，保障飞机安全有序飞行。管制区域通常分为塔台管制区、近进管制区和区域管制，分别由塔台管制员、近进管制员和区域管制员管理。管制员主要和飞行员发生联系，以实现指挥飞机飞行的目的，必要时还会与航空公司运控中心、机场监控中心进行联系。根据自己管制的扇区容量和扇区内飞机流量情况，管制员决定飞机通过某定位点的顺序以及同一航路上前后两架飞机的间隔，保障飞机的安全飞行。1-3航空运输规划概述1-3-1航空运输规划定义和意义如前所述，计划是航空运输生产的依据和出发点，而规划则是为实现预定目标对未来的行动做出的计划。航空运输规划是为实现航空运输系统的目标对系统的结构、规模、作用、反应和市场等做出的计划。航空运输生产能力的安排应当与运输需求相适应，或两者应当尽可能保持平衡。如果生产能力大于运输需求，则由于运输产品不能存储，多余的生产能力将浪费掉；如果生产能力小于运输需求，那么将会有部分需求得不到满足，导致需求溢出(SpilledDemand)，降低航空运输系统的服务质量，影响航空运输系统的公众形象，被溢出的旅客将转向其他交通模式，因而进一步影响航空运输系统的竞争能力。因此必须对航空运输的需求做出预测和评估，然后对生产能力做出科学的安排，这就是航空运输规划必须解决的问题。但航空运输需求的影响因素复杂，需求波动严重，不能准确预测。而且需求除了受需求发生地的社会、经济的因素影响外，还受到系统提供的生产能力的影响。生产能力不足，产生需求溢出，生产能力偏大，可能吸引其他运输模式的运输需求，因此需求不完全是外生变量。航空运输规划不但直接影响航空运输系统运行的效率和安全，还是航空运输系统竞争能力和决策水平的体现。各航空公司的飞行器和运行规范等都符合适航规定，服务产品几乎是同质的，创新的服务产品很容易摹仿。例如常旅客计划，首先由美国航空公司推出，但很快传播到其他航空公司。那么航空公司的核心竞争力体现在哪里呢？应当体现在运输规划的核心技术上，和掌握了这些核心技术的技术人员上。在先进的航空公司，R&D小组主要的研究工作就是开发运输规划的核心技术，该小组的成员则是公司的宝贵财富。1-3-2航空运输规划的分类航空运输规划可以有多种分类方法。根据规划的层次分类，可以分为战略规划、战术规划和运行规划。一般地”Planning”是战略层次的，”Scheduling”是战术层次到运行操作层次的规划。根据子系统分类，可以分为航空公司子系统规划、机场子系统规划和空管子系统规划。根据规划内容分类，可以分为航空交通基础实施规划、市场布点规划、机队规划、空域规划、人力资源规划，信息系统规划、生产规划等。1-3-3航空运输规划的内容市场计划、机队规划和航线网络规划，这些属于航空公司的战略层次。航班计划、航材管理计划、飞机维修计划和排班、机组人员排班，这些是战术层次的。收益管理、运行控制和地面服务人员排班等，这些是运行层次的规划。第二章航空运输规划基础2-2大规模整数规划问题整数规划属于组合优化问题，由于它的NP难解性，在大学本科的运筹学课程中一般作为选修内容，不做课堂讲授。难解性引起的困难只有对大规模的优化问题才凸现出来，甚至成为解决问题难以逾越的障碍，不得以放弃最优解的获得，退而求其次，用启发式算法获得次优解或满意解。航空运输规划所遇到的整数规划问题几乎全是大规模的，因此需要对其作专门介绍。本节介绍整数规划的基本概念和基本问题，不涉及算法问题。算法将在第2-5节中专门介绍。2-2-1一个例子和问题的提出例2-1某小型航空公司一周的航班计划如表2-1所示，机组基地机场是A、C和D，现在要为该航空公司的机组人员排班。对于周一到周五每天都飞的航班，叫做日周期航班(DailyFlight)。为这样的航班计划进行机组人员排班时，首先生成可供选择的航班环，其结果如表2-2所示。这里的航班环是指由同一个机组执行的符合衔接条件的航班串，并且第一个航班的出发机场与最后一个航班的到达机场相同。这里的衔接条件至少有两个：一个是后一个航班的出发机场与前一个航班的到达机场相同；另一个是后一个航班的出发时间大于前一个航班的到达时间，并且间隔大于规定的最小值。本例中我们要求在同一个航班环中，前后两航班的衔接时间间隔不小于40分钟。关于如何由航班时刻表生成航班环，请参见第八章。表2-1某小航空公司的航班时刻表航班号出发时刻出发机场到达时刻到达机场频率1108:00A9:00B1,2,3,4,512012:30C14:00D1,2,3,4,5,613015:00D16:00A1,2,3,4,5,712110:00B11:00C1,2,3,4,5,6,711217:00A18:20B1,2,3,4,5,6,712215:00C16:30A1,2,3,4,5,6,712311:00B12:15C1,2,3,4,5在表2-2中P1-P4这四个航班环的周期是一天，P5-P12这八个航班环的周期是两天，P13的周期则是三天，没有周期超过三天的航班环。对于周期是两天的航班环，每天应执行两个（两架飞机来飞），三天周期的航班环每天需执行三个，需要三架飞机来飞。表2-2可选择的航班环航班环第一天第二天第三天飞行小时基地机场P1110-121-120-130重复重复4.5AP2110-123-120-130重复重复4.25AP3110-121-122重复重复3.5AP4110-123-122重复重复3.75AP5112121-120-130重复第一天4.83AP6112121-122重复第一天3.83AP7120-130-112121重复第一天4.83CP8122-112123重复第一天4.08CP9120-130-112123重复第一天5.08CP10122-112121重复第一天3.83CP11130110-123-120重复第一天4.75DP12130110-121-120重复第一天4.5DP13130112121-1204.33D设决策变量1,0ix，等于0表示不飞航班环Pi，等于1表示飞航班环Pi。如果根据航班环Pi的飞行小时计算出机组成本是ic，则表2-1的航班计划的机组执行总成本是131iiixcz我们希望这个总成本越小越好。对于每个航班，每天必须有一个航班环执行，而且只能有一个航班环执行。例如对于航班110，航班环P1、P2、P3、P4、P11、P12都包含它，这些航班环只能执行一个，不能同时都执行，否则航班110将被执行多次。因此112114321xxxxxx