（系统工程专业论文）机场机位分配模型构建及算法实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：机场机位分配问题研究的主要目的就是为了使停留该机场的航班分配到合 适的停机位，以保证旅客能够准时进出机场、方便地上下航班、确保机场地面各 项作业顺利进行。机位分配直接影响机场和航空公司的运行效率，它涉及航空公 司进离港航班的时刻、数量、机型、作业时间和机场提供各类型机位的数量、地 面作业保障等因素。不合理的机位分配方案，会导致航班等待延误和拥挤，降低 旅客满意度和机位利用率，影响航空公司和机场的正常运营。因此，机场机位分 配问题研究具有重要的实际应用价值。 本文在分析现有机位分配模型的基础上，对机场机位分配问题进行研究，以航 班等待延误时间和机位使用空闲时间均衡性为目标函数建立机位分配模型，通过 引入权重系数口，将两个单独优化的目标函数变成一个综合的目标函数进行优化， 随着口的变化形成不同的机位分配方案。采用改进遗传算法对模型进行优化求解， 选取了首都国际机场的实际数据进行实证研究，对模型和算法的有效性进行验证 和分析；同时，与实际分配结果进行对比分析，并形成了更优的机位分配方案。 关键词：机场；停机位；分配模型；改进遗传算法 分类号：t u 2 4 8 6 ：f 5 6 0 81 ， a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h em a i np u r p o s eo fg a t ea s s i g n m e n tr e s e a r c hi st h a ta r r a n g i n gf l i g h t s f o rs u i t a b l eg a t e s ，a n de n s u r i n gt h a tt h et r a v e l l e r sc a nt i m e l yp a s si na n do u ta l la i r p o r t , c o n v e n i e n t l yg e t i n go na n do f f t h ef l i g h t s ，e n s u r i n gv a r i o u sg r o u n dt a s k si nt h ea i r p o r t s m o o t h l yf i n i s h e d g a t ea s s i g n m e n tp r o b l e mh a st h ed i r e c ti n f l u e n c eo nt h eo p e r a t i o n e f f i c i e n c yb e t w e e na i r p o r ta n da i r l i n ec o m p a n y i ti n v o l v e sw h i c h t h es c h e d u l e 、t h e q u a n t i t y 、t h et y p e 、t a s kt i m eo ff l i g h ta n da l lk i n d sq u a n t i t yo fg a t e 、g r o u n dt a s k g u a r a n t e ee t cf a c t o r s u n r e a s o n a b l eg a t ea s s i g n m e n ts c h e m er e s u l t si nt h e w a i tf o r d e l a yt i m ea n dh u s t l e 1 0 w e rt r a v e l e r s s a t i s f a c t i o na n df l i g h tu t i l i z a t i o n ，i n f l u e n c eo n t h en o r m a lo p e r a t i o no fa i r l i n ec o m p a n ya n da i r p o r t t h e r e f o r e ，a i r p o r tg a t e a s s i g n m e n tp r o b l e m r e s e a r c hh a sa p r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o nv a l u e t h i st h e s i ss t u d i e st h eg a t ea s s i g n m e n tp r o b l e mo nt h eb a s i so fe x i s t i n gm o d e l so f g a t ea s s i g n m e n t ，w i t ht h es e r v i c ew a i tf o rd e l a yt i m eo ff l i g h ta n du s es p a r et i m e b a l a n c e df o re n d u r a n c eo fg a t ea sat a r g e tf u n c t i o n ，b u i l tu pag a t ea s s i g n m e n tm o d e l t h r o u g hb r i n g i n gi nt h ew e i g h tc o e f f i c i e n t 口w i l lm a k et w ou n a t t a c h e do p t i m i z e d t a r g e tf u n c t i o nb e c o m eo n es y n t h e t i c a lt a r g e tf u n c t i o nf o ro p t i m i z a t i o n ，a l o n gw i t ht h e c h a n g eo ft h ew e i g h tc o e f f i c i e n t 口t oa l l u d et o d i f f e r e n ts t r a t e g y ic h o o s et h e m o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h mw h e nt h em o d e li ss o l v e d ，im a k eu s eo fa c t u a ld a t ao f c a p i t a li n t e r n a t i o n a la i r p o r tc a r r i e so nd e m o n s t r a t i o n ；v a l i d a t et h ev a l i d i t yo ft h e m o d e la n da l g o r i t h m i nt h em e a n t i m e ，im a k eac o n t r a s ta n a l y s i sw i t ht h ea c t u a l a s s i g n m e n tr e s u l t ，f o r mm o r ee x c e l l e n tg a t ea s s i g n m e n ts c h e m e k e y w o r d s ：a i r p o r t ；g a t e ；a s s i g n m e n tm o d e l ；m o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h m c l a s s n 0 ：t u 2 4 8 6 ：f 5 6 0 8 1 北京交通大学硕十学位论文图清单 图清单 图1 1 论文的框架6 图2 1 机场系统功能划分9 图3 1 机位分配甘特图l7 图3 2 机位分配最小间隔时间组成图2 3 图3 3 飞机停放类型示意图2 4 图3 4 机位过站服务p e r t 网络计划图2 6 图4 _ 1 遗传算法基本流程图3 6 图4 _ 2 基因编码图3 7 图4 3 初始可行解搜索流程图3 9 图“单点交叉示意图4 l 图4 5 基因变异示意图4 2 图5 1 首都机场近机位分布图4 4 图5 2 首都机场t 1 和t 2 俯视图4 5 图5 3 口= l 时各机位使用时间分布图4 9 图5 _ 4 口= l 时目标函数适应度值变化趋势5 0 图5 5 口= 0 时各机位使用时间分布图5 2 图5 6 口= 0 时目标函数适应度值变化趋势5 2 图5 7 口= 0 5 时各机位使用时间分布图5 4 图5 8 口= o 5 时目标函数适应度值变化趋势5 5 图5 - 9 实际分配时各机位使用时间分布图5 7 北京交通人学硕七学位论文表清单 表清单表；青早 表2 1i c a o 与f a a 机型分类对比表。1 3 表2 2 典型机位过站服务时间表1 5 表3 1 近机位过站服务组织计划时间表2 5 表3 2 机位尺寸标准2 7 表3 3 飞机尺寸标准2 7 表3 4 飞机机型分类。2 8 表3 5 飞机机型、机位类别表。2 9 表5 1 航班数据表4 6 表5 2 机位数据表。4 7 表5 3 口= 1 时目标函数与适应度值4 8 表5 - 4 口= 1 时机位分配结果表4 8 表5 5t ；t = 0 时目标函数与适应度值5 0 表5 - 6t ；t = 0 时机位分配结果表51 表5 7 口= 0 5 时目标函数与适应度值5 3 表5 8 口= 0 5 时机位分配结果表5 3 表5 - 9 实际机位分配结果表5 6 表5 1 0 机位分配结果对比分析表5 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储魏靖历禽 签字日期：2 嘟年箩月午日 导师签名：妥秀二 签字日期：枷善年占月了e t 北京交通人学硕士学位论文独创声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者徘衷而向签字眺小产g 月牟日 致谢 本研究及学位论文是在我的导师姜秀山副教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和 激励着我。从论文的选题到论文的最终完成，姜老师都始终给予我细心地指导和 不懈地支持。两年来，姜老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生 活上给我以无微不至的关怀，在此谨向姜老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 另外，特别感谢张晨博士，他为本篇论文提供了大量的实例和数据资料，使 论文的实证部分得以顺利地完成。 在此，我还要感谢一起愉快度过研究生生活的好朋友王金旺、刘力，正是由 于你们的帮助和支持，我才能克服一个又一个的困难；感谢我的同门和舍友解天 荣、陈宇，感谢他们在生活上对我的关心和支持，永远难忘读研期间和他们共同 走过的日子。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，父母的理 解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，感谢所有支持和关心的亲朋好友， 你们永远健康快乐是我最大的心愿。 最后对参加本论文评阅和答辩的各位专家、教授表示衷心的感谢。 北京交通人学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 本章主要介绍机场机位分配问题的研究背景和意义，回顾和总结国内外专家对 机位分配问题的研究，构建本文的研究框架和主要内容。 1 1 论文研究的背景和意义 近年来，随着社会经济的快速发展，国民收入水平不断的提高，人们在出行的 快捷性、舒适性以及安全性等方面也提出了更高的要求。一方面促进民航运输的 快速发展，另一方面也造成了民航运量增长与相关基础设施供应不足的矛盾。 2 0 0 5 年我国航空运输总周转量为2 5 7 7 5 6 亿吨公里，成为仅次于美国的第二 大航空运输大国。2 0 0 6 年全行业航空运输总周转量、旅客运输量和货邮运输量分 别达到3 0 6 亿吨公里、1 6 亿人次和3 4 9 万吨。“十一五”期间预计增长率为1 4 ， 到2 0 1 0 年我国民航运输总周转量、旅客运输量和货邮运输量分别达到5 0 0 亿吨公 里、2 7 亿人次和5 7 0 万吨。就目前的首都国际机场来说，最高日起降航班数量己 达1 0 0 0 多班次，旅客年吞吐量己经提前达到3 4 8 8 万人次的饱和水平，平均每同 9 5 万人次。如此之大的航班数量己经给首都国际机场的空中走廊、跑道、停机坪 与候机楼等方面造成了很大的压力。 根据国际航空运输协会( i a t a ) 的规定，通过廊桥登机的旅客需占用机场 所有出港旅客的9 0 9 5 ，每个廊桥机位每天停靠航班班次应少于1 0 次；但是， 目前我国有些大型机场，通过廊桥登机的旅客占机场所有出港旅客的6 0 左右， 而每个廊桥机位每天停靠的班次却高达1 0 1 3 次，由此可见我国的大型机场机位资 源非常紧缺。除此之外，根据我国各航空公司在“十一五一期间的发展规划，机 队的规模有较大幅度增长；国航预计引进1 2 4 架飞机，东航预计引进1 2 2 架飞机， 上航预计引进6 0 架飞机，深航预计引进7 0 架飞机。另据波音公司公布的预测数 据，我国未来2 0 年内将需要2 6 0 0 架飞机，飞机数量的快速增长，也势必会造成 机场的机位资源紧缺，制约我国民航运输的发展口1 。同时，机位容量问题也将成为 继跑道容量问题之后又一个限制机场容量的瓶颈。 我国民航机场建设虽然也正在逐渐形成枢纽、干线、支线机场相配套的格局， 但是目前我国大型枢纽与干线机场的资源相对于不断增长的航线、航班数量和客 运量来说仍是日益紧张。当前机场的停机位、登机门等资源己经是相当有限的， 由此产生的航班排队等待延误时间不断增加，给机场的正常运行产生较大的影响。 北京交通人学硕士学位论文1 绪论 随着航空业务量的不断增加，航空运输量的迅猛增长，机场扩建、停机位资源的 增加速度远不能满足航班业务量的增加需求，机场有限的资源逐渐会成为航空业 发展的瓶颈，尤其是以首都国际机场为代表的大型枢纽机场矛盾更为突出。 机场资源的紧缺主要反映在机场空域资源、跑道资源、滑行道资源、机坪机 位资源以及航站楼资源等方面。其中，机场机位中的近机位资源的紧张问题近几 年日益突出。机场近机位容量不足，不仅导致机场机位作业秩序混乱，作业效率 下降，也导致机场航班安排受限，航班的等待延误时间增加，制约机场的快速发 展。在航班安排时，如何根据现有的机位运输资源提出合理的航班计划，机场就 需要充分评估和合理利用现有的近机位运输资源。因而，研究繁忙机场机位运输 资源的分配问题，分析并解决机位分配不合理的限制因素，就是现实航空运输生 产中亟待解决的一个重要问题。 通常解决机场机位资源紧缺有两种方法：一是通过扩建停机位或新建机场的 来增加机场的机位资源。例如，首都国际机场是北京2 0 0 8 年奥运会期间的主要机 场，机场进行大规模的扩建，增加1 条跑道、l 座候机楼、5 5 个标准停机位，使 年客运能力达到4 8 0 0 万人次。但是问题并不是这么简单，机场系统的建设需要巨 大的投资、要占用大量的土地，也不是所有的机场停机位都能进行扩建的，而且 对周围社会环境有着广泛而深远的影响，因此机场的新建或扩建要受到其他许多 因素的制约，也不可能靠无限制的新建或扩建来满足这无限增长的航空运输需求。 二是通过科学合理的方法对现有的机位资源进行合理高效的分配来提高机场机位 利用率，增加机场容量和提高旅客的满意度。这种方法简单易行，且见效快。有 限资源的合理与高效利用一直是人们研究的热点和重点，机场停机位优化配置方 法的实现对于机场、航空公司的运营管理都有着很重要的现实意义，将会使得机 场、航空公司、旅客多方受益。 在国外，有限的地面服务资源和迅速增长的航班数量之间的矛盾出现时间较 长，对于这方面的研究也比较广泛和深入；但是由于国内状况与国外有着很大不 同，完全照搬是不可行的。目前，国内在此方面的研究还不够深入，我国国内的 机位分配主要还是靠人工来完成，工作人员的工作强度大且在很大程度上还是依 靠个人经验，无法满足日益严重的有限资源有效利用问题，急需要有科学合理的 机场机位分配方法。合理编制停机位分配计划是机场生产指挥中心完成作业任务 的核心工作之一，建立停机位分配模型并设计相应的算法是实现计算机辅助调度 编制停机位分配计划的重要内容。为此，需要建立合理的机场停机位分配问题的 数学模型和算法，并对该问题进行深入研究。 本文以航班等待延误时间和机位使用空闲时间均衡性为优化目标，建立机位 分配模型，寻找算法对现有的机位资源进行合理分配；通过对机场机位分配模型 2 北京交通人学硕士学位论文 1 绪论 进行实证分析，为机场机位分配策略提供参考依据，从而以期能够达到提高机场 机位的利用率和旅客满意度。 1 2 机位分配问题研究综述 1 2 1 国外研究现状 关于机位分配问题，国外提出了不同的研究方法，主要可以归纳为三类：数 学规划方法、人工智能方法、计算机仿真方法。 l 、数学规划方法 机位分配的数学规划方法一般是通过对机位分配的约束条件进行归纳，对实 际过程进行抽象后，用符号和关系式表示，并将关系量化，建立分配和优化的数 学模型，然后进一步从数学和运筹学的角度研究优化的求解算法。m a n g o u b i 和 m a t h a i s e l 口1 ( 1 9 8 5 年) , v a n d e r s t r a e t a n 和b e r g e m n h l ( 1 9 8 8 年) ，b i h r 啼1 ( 1 9 9 0 年) ，z h a n g e ta l 嗍( 1 9 9 4 年) ，c h e n g n l ( 1 9 9 7 年) ，及b o l t a 呻们( 1 9 9 9 2 0 0 0 年期间) ，分别提 出了整数规划模型。这些模型的目标函数选择为全部旅客走过的路程、登机使用 时间和空闲时间最小化，或者上述几种的组合，但需要考虑中转、签证、问讯、 值机等各种因素以及旅客自身行为的不确定性，使得计算量大幅增加，这些模型 或使用精确解法，或使用启发式算法。在同类研究中，j i e f e n gx u 和h d i n g 等人 的研究较为深入。j i e f e n gx u 和g l e n nb a i l e y n 们在2 0 0 1 年提出了一个基于每日出发 和到达的旅客流数据的机场停机位配置问题，动态地将机场停机位配置到预定航 班，问题的目标是最小化旅客到达其相关航班全部相关时间。把机位分配问题构 造成为一个混合的o 1 二次整数规划问题，然后将其转换为具有线性目标函数和约 束条件的0 1 整数规划问题，设计了一种简单的启发式禁忌搜索算法来进行问题求 解，该算法利用不同类型邻接移动的特殊性质，产生一个非常有效的候选序列策 略。最后，还进行了试验性计算，提供了计算结果。h d i n g ，a l i r a 和b r o d r i g u c s u 等在2 0 0 4 年先用贪婪算法使得未分配机位的航班数量达到最少，然后使用启发式 交换，使得旅客行走路程最短。 2 、人工智能方法 机位分配的人工智能方法主要引入了专家系统，专家系统是对领域专家分析、 求解复杂问题能力的模拟。专家系统具有三个属性刳：启发性、透明性和灵活性。 由于专家系统解决实际问题时考虑周密，并且突出知识的价值，所以发展很快； 但是专家系统推理结果受推理规则的影响很大，不合适的推理规则可能导致不可 行的推理结果。机位分配专家系统，通常将航班和机位信息转化为“知识表达 ， 3 北京交通大学硕士学位论文 l 绪论 建航班和机位信息“知识库”，然后使用推理机通过设定不同的分配规则得到机位 分配方案。1 9 8 8 年r o b e r te b r a z i l e 和k a t h l e e nm s w i g g e r 【1 3 1 建立了一个飞机地面滑 行路线安排和停机位分配的专家系统，1 9 9 0 年g dg o s l i n g n 钔建立了基于专家系统 的机位分配模型，1 9 9 1 年s r i h a r i 和m u t h u k r i s h n a n n 钉建立了机位预分配的专家系 统，并对分配方案进行敏感性分析，19 9 7 年j j o n g - m e n g 和y c h a n g y o o n n 剐建立 了一个基于停机位时刻分配的专家系统，2 0 0 2 年l s o i h o i 、c j i a - m e n g 和f h e n r y n 刀 建立了一个与人工智能相结合的机位分配专家系统。 3 、计算机仿真方法 机位分配的计算机仿真方法是设计一个实际系统的模型，并对其进行实验， 以便理解和评判系统的各种运行策略，它的基础是建立在系统的数学模型上，并 以计算机为工具对系统进行试验研究的方法。1 9 8 6 年s gh a m z w a w i n 踟建立了机位 分配的仿真模型，并通过模拟得到机位预分配的方案，1 9 9 8 年y uc h e n g 钔建立了 以网络流为基础的仿真模型，1 9 9 8 年y a n 和c h e n 啪1 建立了机场仿真模型，通过模 拟机场的实际运行情况，帮助机场管理人员分析飞机的随机延误对机位预分配产 生的影响，并且统计出同机位衔接航班间的柔性缓冲时间分布。 另外，1 9 9 7 年y uc h e n g 口提出的介于专家系统和数学优化之间的解决方法， 此方法耗时少，能清晰的描述不确定因素，易于展示复杂问题之间的关系；但是 也有其自身的缺点，他的推论系统没有专家系统有效，优化过程没有数学优化严 密。 1 2 2 国内研究现状 在国内机位分配问题的研究还刚刚起步，主要集中在民航系统的民航二所、 首都国际机场、厦门机场和一些相关的民航高校等单位，主要采用数学规划与启 发式规则、专家系统等方法来制定航班停机位的分配计划。 2 0 0 0 年北京航天航空大学的张学明和施法中啪1 基于机位分配多规则和多样性 的特点，采用了专家系统原理，结合知识库、关系数据库原理提出并实现了基于 知识的，三级推理模式的机位自动专家系统( g p s e s ) ，三级推理机分别为：1 、 粗略分配，即定性的分析各个航班可以停靠的机位集合；2 、条件过滤，包括任务 过滤、特殊机位过滤、机位状态过滤：3 、冲突处理，即当出现多个可行解决方案 时，比较各种解决方案找到最优的解决方案。 2 0 0 4 年周至和孟波从知识库的组成出发，给出了一种关系数据库的通用知 识库结构设计，同时利用拆分规则的方法表示知识，从而使系统能更好的表达事 物一规则体系知识，也使推理过程简单高效，同时考虑了较多非量化性的准则。 4 北京交通火学硕士学位论文 1 绪论 中国民航飞行学院的文军和孙宏等在2 0 0 4 年乜钔通过分析航班占用机位的特性，建 立了机位分配问题的排序模型，考虑“先到先服务 的规则，并通过引入机位标 号函数和航班标号函数，设计了一种求解模型的标号算法。 2 0 0 5 年北京航空航天大学的田晨和熊桂喜口5 1 通过对大型机场机位分配所受约 束和最终目标的分析研究，将其模型化，提出使用遗传算法对模型进行求解来解 决机位优化分配问题。文军和李冰汹1 等在2 0 0 5 年把停机位的分配转化为图着色， 建立机位分配问题的图着色模型，并引入时间片算法确定航班使用机位的时间冲 突集合，根据“先到先服务”的原则给出了机位分配的顶点序列着色算法。 2 0 0 6 年王力乜引在系统分析国内繁忙机场停机位配置情况的基础上，提出以旅 客登转机时间( 旅客满意度) 、机型与停机位类型匹配( 机场效益) 为优化目标，同 时考虑航班性质( 国内短途、国际长途) 、航班数量与密度( 忙时、闲时) 、停机时 间的停机位配置的数学模型，并设计求解模型的禁忌搜索( t s ) 算法。2 0 0 6 年常钢 和魏生民根据系统优化理论，考察了停机位问题的研究历程和发展趋势，论述 了停机位优化问题研究的一般技术途径，并对其关键技术建模技术和优化求 解技术进行了较为深入的探讨；后来，他们又在停机位分配问题优化技术啪1 中针 对以往研究在优化模型方面存在的问题，较全面地考察了实际停机位分配过程中 的约束条件，以旅客在机场所移动距离总和最小作为目标函数，建立了停机位分 配问题的整数规划模型，并对该问题的求解和验证技术进行了讨论。 2 0 0 7 年王力啪1 在系统分析国内繁忙机场停机位配置情况的基础上进行计算机 仿真，模拟给出停机位优化配置。同时考虑旅客登转机时间( 旅客满意度) 、机型 与停机位类型匹配( 机场效益) 等优化目标。系统运行稳定，效率高。 综上所述，机位分配问题在国外已经运用多种方法进行研究，但是由于国内 状况和国外状况有着很大的差异，无法照搬国外已有的研究成果。国内在此方面 的研究仅局限于有限的方法，且优化的目标基本都是单目标进行优化，或基于旅 客行走距离最少、或机位使用空闲时间均衡、或使用的机位数量最少等进行优化 分配，很难反映机位分配过程的实质，也无法解决有限资源有效利用和航班延误 等问题。 本论文对机场机位分配问题进行系统地研究，并结合我国机场实际运行的情 况，针对目前我国机场机位紧张且利用率不高、航班等待延误现象严重这两个方 面的问题，以机位资源紧张所引起的航班等待延误总时间最少和机位使用空闲时 问均衡性为优化目标，建立了机位分配模型，并设计模型求解的遗传算法。 北京交通大学硕十学位论文 1 绪论 1 3 论文的主要内容及框架 本文对机场地面作业系统的核心业务机位分配问题进行了系统、深入地 研究，从影响机位分配方案决策的两个主体( 机场和航空公司) 出发，建立符合 我国实际运行的机位分配模型，并引入了权重系数口( 0 口1 ) ，通过不同的权 重系数的变化来为决策者提供灵活的决策支持，最后用遗传算法实现不同机位分 配结果，以期机位优化分配，减少航班等待延误时间，提高机场机位的利用率。 论文的主要内容和框架如图1 1 所示： 第一章绪论 之乡 第二章机位分配系统分析 之乡 第四章机位分配模型求解算法分析与设计 00 算法的选择 算法的设计 第五章实证研究 厂 弋夕 第六章结论与展望 图1 1 论文的框架 f i g u r e1 = 1t h ef r a m e w o r ko f t h i sp a p e r 第一章：绪论，介绍机场机位分配问题的研究背景，综述国内外研究现状， 构建本文的研究思路、主要内容。 第二章：机位分配系统分析，系统分析机位分配系统的两个子系统机位 子系统和子航班系统，明确机位分配的影响因素，为机位分配模型的建立和参数 的选取奠定基础。 第三誊：机位分配问题的模型构建，在分析现有机位分配模型及存在问题的 基础上，明确本文机位分配模型优化的目标，建立机位分配模型，确定模型的相 6 北京交通人学硕士学位论文 l 绪论 关参数。 第四章：机位分配模型求解算法分析与设计。在比较分析已有算法的基础上， 选择遗传算法作为模型求解方法，并设计适合本文机位分配模型的遗传算法的编 码、初始种群的生成、适应度函数、遗传算法的参数、遗传操作的算法终止条件， 以及机位分配的遗传算法基本流程。 第五章：机位分配的实证研究。利用了本文的机位分配模型和遗传算法，选 用北京首都国际机场实际分配数据进行实证研究，通过改变权重系数口，形成不 同的机位分配方案和机位的利用情况，并与实际的机位分配结果进行了对比分析， 为决策者提供参考依据。 第六章：结论与展望。本章对全文内容进行总结和概括，并对今后进一步研 究展望。 1 4 论文的主要贡献 本文系统地分析机场机位分配问题，在已有研究成果的基础上，建立了适合 我国民航实际情况的机位分配模型；在模型中引入了权重系数口，形成多种机位 分配方案，并选择了遗传算法进行机位分配模型的求解。论文的主要贡献为： l 、将机位分配决策的两个单独优化目标进行改进，通过引入权重系数口，将 两个单目标转化为一个综合目标进行优化；口取值不同形成不同的机位分配决策 方案。 2 、设计了适合于求解本文机位分配模型的遗传算法，并将模拟退火的思想引 入到遗传算法中，对适应度评价函数进行了改进。 3 、利用北京首都机场的实际数据，对本文的机位分配模型和遗传算法进行验 证，利用计算机实现机位的分配，并与实际分配情况进行了对比分析，得到了较 优的机位分配方案。 7 北京交通大学硕士学1 1 i 7 ：论文2 机位分配系统分析 2 机位分配系统分析 在机位分配系统分析中，对机位分配系统的内容，功能及目标进行概述，详 细分析机位分配系统的两个子系统机场地面机位子系统和航班子系统：通过 对这两个子系统作业特性的分析，明确机位分配系统的影响因素，从而更深入的 研究机位分配的机理。 2 1 系统的功能及目标 系统目标是指系统所希望达到的结果或完成的任务，它对系统的发展起着决 定性作用。确定系统目标，首先必须明确系统的边界。机位分配问题就是保证航 班能够停到具体的机位，与机位和航班有着密切的关系，即机位分配系统是由机 场地面的机位子系统和航班子系统所构成。 机位子系统主要是位于机坪机位地区，是整个机场作业的核心区域。机场口 主要由空侧和陆侧两部分组成( 如图2 1 所示) 。机坪机位区域是处于机场作业的 中间位置，跨越了陆侧和空侧两个部分，是连接空侧部分与陆侧部分的纽带口2 圳， 又决定了机位子系统在整个机场中重要作用。 从旅客角度考虑，旅客在经过登机门时，身处机坪机位区域，而旅客登机以 后，所接受的一切服务实际上都是通过航班子系统来完成的。所以，从旅客接受 服务的整个过程来看，机位子系统其实起着机位和航班的有效衔接作用。 从机场角度考虑，机场主要的功能是将旅客及其行李、货物从地面运输系统 转移到空中运输系统，这个转移过程主要是在机场停机位上完成。停机位( 又称 机位) 是指停机坪上设有供飞机停放的划定位置，停机位又分为近机位和远机位。 停机位处在机坪机位地区，停机位是航班在机场地面活动的中心，机位的基本状 况由机场航站楼的布局所决定。保证足够的停机位资源供应，尤其在高峰小时， 已经成为机场运营的一个很重要的环节。 从航空公司的角度考虑，航空公司的功能是提供航班方便旅客的出行，使旅 客能够准时的到达目的港；航班主要包括定期航班、不定期航班等，本文指的是 定期航班，公布在航班时刻表上，有固定的时刻、固定的日期、固定的机型和固 定航线的定期飞行。但是航班到港后能否保证将旅客准时的转移地面，停机位资 源的保障和合理调配起着非常重要的作用。 从上面的分析过程中能够看到，机位分配其实就是机场与航空公司之间的一 8 北京交通大学硕十学位论文 2 机位分配系统分析 种调配。机位的合理分配是机位分配系统的一项核心任务，航班进行空中运输的 机场地面作业几乎都是在停机位上完成的，航班只有合理的分配到停机位上，这 些地面保障工作才能顺利展开，旅客才能更好的得到航空公司航班的服务。 所以，机位分配系统的目标是要为每个航班分配一个具体的机位，为旅客上 下提供登机门、方便旅客进离航空港、保证航班正点运营和机场地面作业顺利进 行，提高航空公司和机场的运营效益。因此，为了进一步确定机位分配系统的优 化目标，必须对机位分配系统的子系统进行详细、周密的分析。停机位分配的合 理与否与机场地面机位子系统和航班子系统有着密切的关系，只有正确地把握机 场地面的机位使用特性和航班特性才能保证机位分配的顺利进行，提高航空器利 用率、地面作业效率、保证航班计划的实现，降低运输成本，为旅客提供优质的 服务。 删系、一觥蜘卜 机场体系 i j 一黼蜘躺一、 空 一艄k 、 等待起飞机坪 跑道出口至滑行道 侧 删耥骚 1 r 。机坪哆警v a ，p 夕 航站楼 、? 、 i 陆j ，7j 7 7、j 侧：f 、刊，一 和停放 r = 、 j j 一一一j j v i：t j? 、r 系统面l 1 二：翟- 旅客流 图2 - 1 机场系统功能划分 f i g u r e 2 1f u n c t i o n a lv i e wo fa na i r p o r ts y s t e m 9 北京交通大学硕士学位论文2 机位分配系统分析 2 2 系统的构成 机位分配系统主要是由机场地面的机位子系统和航班子系统构成，两者相互 联系、相互影响，只有对它们进行深入的分析，才能够更好地建立机位分配系统 的优化模型、明确模型的约束，实现合理的机位分配。 2 2 1 机位子系统 机位子系统是机位分配系统的重要组成部分，对机位子系统深入的分析有利 于更好的把握机位分配系统的特性，机位子系统主要构成要素为机位容量、机位 保障作业和作业设备、机位类型与作业特点。 1 、机位容量 机位容量是机位子系统的重要构成要素，是衡量机位子系统的作业能力和机位 利用率的重要指标，也是一个机场发展和提升首先需要考虑的问题。机位容量是 指在连续服务情况下，一个固定的机位数在一个规定的时间阶段内所能容纳的最 多飞机数，机位容量可以用所有服务飞机的加权平均占用时间的倒数来计算。在 很多情况下由于种种因素，机位的利用率是很难达到1 0 0 。 机位容量基础是飞机所需要的机位时间少于或等于为这些飞机提供机位时间， 为确定机场机位的容量有两种模式口钔：一种模式假设所有的飞机都能使用机场上 具备的全部机位，这种称为“不受限制的机位使用策略；另一种模式假设某种大 小的飞机或航空公司只能使用专门为这些飞机或航空公司设计的机位，这种称为 “受限制的机位使用策略”。但是在实际运行中多数情况下是通过这两种模式之一 得到解决，而在本文中机位的使用是不受限制，也就是采用第一种模式来研究机 场的机位分配问题。 在机位使用不受限制时，即所有的飞机都能使用所有的机位，此时的机位容 量e ，满足提供的机位时间 需要的机位时间： 以心= 研t q ( 2 1 ) 其中：从：为机位利用系数，或在- d , 时内k 型机位可供i 类型飞机使用时间的百 分数； f ：能供f 类型飞机使用的k 型机位数； 研疋 ：可使用k 掣机位的飞机所需占用机位时间的期望值； c 口：k 型机位的容量，每小时飞机的架数。 1 0 北京交通大学硕士学位论文2 机位分配系统分析 占用机位时间的预期值研】可从下式求得： e i r , 】- ( 2 2 ) 其中：历。：使用该机场的机群组合中i 类型飞机的百分数； 乙：机场上i 类型飞机所需的占用机位时间。 在机位使用受限时，机位的组合和使用该机场的机型组合可能不一致。因此， 有必要找出每种类型的机位容量，然后根据以所有类型机位的最小容量的机位能 力来确定机场的机位容量，也即： q = m i n c a 】 ( 2 - 3 ) 影响机位容量的因素有： 具有可供飞机使用的机位数量和类型； 需要机位的飞机机型组合以及各不同类型飞机的占用机位时间； 机位可供使用时间的百分数； 对一个或全部机位使用上的限制。 2 、机位保障作业和作业设备 从飞机滑入机位并挡好轮挡时开始，到结束保障作业服务，撤下轮挡时止的 整个时间段都包括在机位保障作业时间之内汹1 。航班到达后，一般为飞机提供两 组机务人员，确认无误后方可；另一类为过站保障服务，由各保障单位和车辆同 时作业，作业内容包括用餐保障、用水保障、用油保障以及其他各种为飞机提供 服务的保障作业。 机位保障作业的完成很大程度上依赖特殊保障车辆的及时到达和高效作业， 特殊保障车辆的快速到达要靠便利的场内交通设施和有效的调度指挥系统。机场 场内交通设施呻1 包括连接机场各机位的双向行驶线路、平面交叉口、下穿道、停 车场等。特种保障车辆包括：客梯车、大拖车、小拖车、救护车、消防车、加油 车、清水车、污水车、用餐车、垃圾车、平板车等。特种车辆到达后需要与飞机 连接，连接时间一般在l m i n 到2 m i n ，连接后在机位作业区开始作业。作业结束， 车辆与飞机断开连接并离开至下一飞机作业。特种车辆由保障单位统一指挥和调 度。一般机位分配员会提前做出机位分配计划，由保障单位调配相应的保障车辆 在规定的时间内完成作业。各种保障作业的起止时间和作业时间均按照相应的作 业标准完成。当前国内很多航空公司都将保障作业时间标准规定得尽量短，不留 缓冲，以提高飞机的利用率。但是，一旦出现保障作业设备不足或者机场场内交 通堵塞而造成保障作业时间延误时，则会产生航班等待延误时间，而使机位运行 秩序混乱，机位容量下降。因此机位保障作业时间标准的长短、保障作业设备的 数量、机场机位容量的大小，与机位的分配有直接的关系。 北京交通大学硕士学位论文 2 机位分配系统分析 3 、机位的类型与特点 机坪机位位于机场控制区内部，按照与航站楼的衔接关系可以分为近机位和 远机位两类；按照机位最大服务机型，则又可以分为a f 六类。机位分配应详细 分析各种类型机位的特征，并根据每种类型的机位数量确定机位容量的大小。 近机位直接和候机楼相连，设有加油井和登机门，不仅方便旅客乘降，同时 也方便过站保障人员生产作业，运行效率较高。远机位则需要依靠摆渡车，在较 远的航站楼与停机位之间来回运送登机及离机旅客，才能完成上下旅客的作业， 加油也需要多辆油罐车共同作业才能保证按时完成。因此，在远机位作业时容易 发生作业衔接不紧密，作业延误，效率降低的问题。相对而言，近机位由于运行 效率较高，一般是各航空公司竞相争取的紧缺资源。一般机场会将外航航班安排 在近机位u ，主要是为保证国际航班的正常运行；其次，机场会将衔接紧密的过 站航班安排在近机位，从而缩小各航班前后的时间间隔，提高机位资源的使用效 率。而远机位则会分配给占用较长时间的航班使用( 例如航后航班) 。因此，无论 从地理位置、过站作业效率还是从航班分配的角度讲，机场近机位的作业效率都 比远机位的作业效率要高。因此，本文主要针对机场近机位的分配展开研究分析。 其次，按照对机型的分类方法可以将机位分为六类。机型划分方法共有两种， 美国f a a 在飞机机型设计上设有飞机设计组别的分类系统m 1 ( a i r p l a n ed e s i g n g r o u p ) ，该标准按照飞机翼展和尾翼高度将飞机分为六类：类型i 一类型v i 。而 根据i c a o ( 国际民航组织) 的附件十四口引，按照飞机机翼长度和主起落架外轮外 缘间距，又可将机型分为a 、b 、c 、d 、e 、f 六类。两种划分方法的对比情况如 表2 1 所示。从表中可以看到，两种划分方法均以翼展长度为机型分类标准，且划 分的区间一致。 一般按照国际民航组织的划分方法对机位进行分类，将最大能为a 类飞机提 供停机服务的机位称为a 类机位，最大能为f 类飞机提供服务的机位称为f 类机 位，f 类机位可以为另外其它五种类型飞机使用，小型号的机位则不能为大型飞机 所使用。各种类型机位的数量决定了该类机位的最大服务能力，也就决定了该机 场对该类型飞机的最大容量。所以，各种类型机位的数量关系和到达机场飞机的 各类机型的比例关系决定了机场机位的容量大小。 在实际使用时，机场为航班提供服务一般按照飞机的吨位收取各项服务费用 呻，；对机场而言，大型号机位提供给大型飞机使用会更为经济。所以，相对于大 型号机位而言，大型飞机比小型飞机拥有更高的使用权限和使用等级。可以将大 型飞机看作高等级航班，而将小型飞机看作低等级航班。在航班发生冲突时，往 往照顾高等级航班进入此机位，而调整低等级航班进入其他机位，或者等待机位 空闲后再进入此机位。本文是根据在同时到达情况下，大型飞机比小型飞机具有 1 2 北京交通大学硕十学位论文2 机位分配系统分析 优先权；在非同时到达情况下，则按照先到先服务的原则进行机位的分配。 表2 - 1i c a o 与f a a 机型分类对比表 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o nf o ra i r c r a f tc l a s s i f i c a t i o n ( i c a o & f a a ) f 从分类主起落架外轮外缘尾翼高度 i c a o 字母代码翼展( m ) 系统间距( m ) ( m ) ai 1 5 3 5 6 bi i 【1 5 ，2 3 )【3 5 ，6 )【6 , 9 1 ) ci i i 【2 3