运筹学课件：空中交通系统优化与管理

空中交通系统优化与管理空中交通系统优化与管理空中交通系统的组成机场系统航空公司空中交通管理2.1 空中交通系统的组成空中交通系统是一个以机场、航空公司和空中交通管理部门为主体的复杂系统，主要功能是提供高效、安全的航空运输服务。机场是航空运输网络的节点，是飞机起降、停靠、上下旅客、装卸货物、加油和维护修理的场所。航空公司是航空运输的主体，航空运输服务是航空运输产业的核心业务。空中交通管理是空中交通指挥和生产调度的安全保障部门。2.2 机场系统机场：亦称飞机场、空港，较正式的名称是航空站，为专供飞机起降活动之场地。除了跑道之外，机场通常还设有塔台、停机坪/登机门、航空客运站、维修厂等设施，提供机场现场指挥等其它服务。机场运行管理：登机口指派、机场选址、滑行路径优化等问题。2.2 机场系统2.2 机场系统车辆环行路登机停机坪候机楼等待停机坪滑行道系统等待区跑道出口到滑行道机场空域跑道停车场空港道路系统机场地面出入系统AirsideLandside飞行区：飞机运行的区域地面运输区：车辆和旅客活动的区域候机楼：旅客登机的区域2.2 机场系统机场机坪登机口指派影响进港航班登机口分配的因素很多，如飞机大小、旅客中转步行距离、行李转运、停机坪拥挤程度、飞机调配以及地面服务需求等等。运筹学的研究范畴，航空公司一般会从旅客的角度来分析这个问题，即如何使旅客的步行距离最短。2.2 机场系统---机场运行管理

机场选址机场建设的首要环节和设计工作的重要步骤。除了满足必要的空域限制条件外，要充分协调和平衡不同利益主体的实际愿望和要求。不仅有利于机场资源的优化配置和容量的协调利用，而且有利于提高机场竞争力，这在市场经济条件下具有实际意义。2.2 机场系统---机场运行管理

滑行路径优化空中交通的持续增长导致空域拥挤，造成大面积的航班延误。在机场跑道多种组合运行方式下，机场场面交通也变得拥挤和复杂，能否解决好滑行路径问题，直接关系到航空器平均滑行时间和航班的延误，甚至关系到航空安全。2.2 机场系统---机场运行管理2.3 航空公司2.3 航空公司---飞行运行管理

飞行运行管理主要包括：航班时刻编制、机型分配、飞机航线调配、机组排班、枢纽机场选择、航班衔接等优化管理任务。

航班时刻编制航空公司一切计划和运营活动的基础，航班时刻确立了航空公司飞行的航线以及飞行的时间。航空公司对航班的安排是基于对市场需求的预测、现有飞机的运营特点、现有人力资源的情况、政府规章以及竞争对手的状况等等。必须考虑航空公司具体的运营情况，由于大量的变量的存在，时刻编制的数学模型也因此变得非常复杂。2.3 航空公司---飞行运行管理

航班时刻编制将时刻的编制过程分解成几个大模块，几乎涉及到公司的各个职能部门。计划过程分解后，问题的复杂程度得以降低。然而这一方案也存在一定的弊端，即各模块的解决方案对整个航空公司的整体运营而不是最佳的方案。设立反馈系统，即如果整个方案与各模块的解决方案出现冲突，则立即修改直到问题全部解决。2.3 航空公司---飞行运行管理

航班时刻编制考虑因素航空公司运力是时刻表制定的基础。市场调查是时刻表制定的依据。从整个航线网来考虑航班安排，如航线间的衔接以及与其它交通形式的衔接。在班期和时刻表安排上尽力做到与旅客的时间需求相适应，如季节、假期等。各公司航线竞争需要全盘考虑，妥协和让步。公司各部门之间工作周期和能力的协调，如飞行、维修工应等部门。考虑不正常情况的影响，如气象、需求等，要有灵活性。2.3 航空公司---飞行运行管理

机型分配将机队中的机型与时刻表中航班相匹配的过程。目的是在满足目标优化及各种运营约束条件情况下，将时刻表中的航段尽可能多地分配给一种或多种机型。2.3 航空公司---飞行运行管理

机型分配航空公司一般运营有多种机型，每个机型的特点和成本有所不同。为了降低维护成本，航空公司在做机队规划时会尽量减少机型的种类。机队多样化使航空公司为每种机型都要配有相应的机组和机务维护人员，制定不同的维护计划，因而当飞机有故障发生时，飞机替代的灵活性降低。2.3 航空公司---飞行运行管理

飞机航线调配将机队中的每一架飞机指派到相应的航节上。目的是在满足下列条件的前提下，使航线网络收入最大化或运营成本最小化：航班覆盖：每个航节必须只有一架飞机覆盖。飞机使用均衡：每架飞机的使用必须是均衡的。维护要求：航空公司所运营的机场不是都具备各种机型的维护检修能力。航空公司一般在他们的枢纽机场设有不同机型的维修基地，保证维修就是要使飞机在航线网络各点飞行时能在正确的基地和正确的时间里得到所需的维修。2.3 航空公司---飞行运行管理

机组排班机组总成本是继航油成本之后航空公司的第二大成本项目，其中包括人员工资、福利以及机组费用。与燃油成本不同的是，飞行机组费用的大部分是可以控制的。2.3 航空公司---飞行运行管理

机组排班通过机组排班就可以将机组费用减少几个百分点，进而每年可以为航空公司节省成千上万美元的开支，它将直接影响航空公司最终的盈利水平。机组排班是一个需要大量计算工作的综合性问题之一，分为两个步骤，即机组配对和机组轮班。2.3 航空公司---飞行运行管理枢纽机场选择城市对型(City

Pair)：两个城市间开通往返航班，把城市两两连接起来组成一个航线网。中心辐射型(Hub-Spoke)：航空公司选择几个大的交通中心作为中心枢纽航站，其它中、小城市和相距最近的枢纽航站设立支线，支线和干线航班在时间上紧密相连，形成了中心辐射型的航线网。2.3 航空公司---飞行运行管理枢纽机场选择中枢辐射航线网络可以使非枢纽机场之间的客源通过枢纽机场中转来体现规模经济效应。枢纽机场是旅客和货物的吞吐量达到一定规模的大型机场，其选择意义重大，是航空公司长期的战略决策。航空公司选择了枢纽机场之后，取消已有的枢纽机场或者增加新的枢纽机场都要消耗大量的时间和费用，而对非枢纽机场与枢纽机场连接的改变，花费相对较少，更具有可行性。2.3 航空公司---飞行运行管理

枢纽机场选择航空公司可以先确定枢纽机场的位置，也就是在一些备选机场中选择几个机场作为自己中枢辐射航线网络的枢纽。从n个备选机场中选择p个机场(p一般不会很大)作为枢纽，对于每个机场，航空公司的收益部门通过一系列的指标如市场预测、自身所占的份额以及建设枢纽机场所需的前期投入等，得到该机场作为枢纽能给航空公司带来的效益值，然后选择p个使总效益最大的机场作为自己的枢纽。2.3 航空公司---飞行运行管理2.3 航空公司---飞行运行管理内航线网国航北京国美联航国内航线网

航班衔接编制航班衔接表是航空公司制订日常生产计划的基础。将本航空公司的一个到港航班与另一个离港航班衔接起来，生成若干个“航班串(through)”。在此基础上生产调度人员为每个航班串指派执行的飞机(即飞机指派问题)和空勤机组(即机组指派问题)。2.3 航空公司---飞行运行管理

航班衔接目前在国内，编制航班衔接表的工作主要依靠人工形式，衔接表的质量取决于生产调度人员的经验，当航班规模变大后该项工作就难以靠手工完成。在航空公司的日常运营中，航班衔接方案是一个多目标优化问题，除了使所需飞机数最少外，还需综合考虑飞机的适航限制及维护计划限制、空勤机组的作业时间限制等，这些问题均有待探讨。2.3 航空公司---飞行运行管理为确保航空器在各个运行阶段的安全和高效运行所必需的空中职能和地面职能的总称。——（ICAO DOC4444）空中交通管理的任务是有效地维护和促进空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通。——（CCAR-93TM-R5，民用航空空中交通管理规则）2.4 空中交通管理

组成2.4 空中交通管理

空域管理在既定的空域条件下，按短期需求划分空域以满足不同类型用户的需求，来实现空域资源的充分利用。——（ICAO

DOC4444）依据既定空域结构条件，实现对空域的充分利用，尽可能满足空域用户使用空域的需求。——（CCAR-93TM-R5）相关问题：空域划分；空域（航路网）规划2.4 空中交通管理

空中交通服务飞行情报服务、告警服务、空中交通咨询服务、空中交通管制服务(区域管制服务、进近管制服务或机场管制服务)等不同含义名词的通称。——（ICAO DOC4444）空中交通管理的主要部分，包括空中交通管制服务、飞行情报服务和告警服务。——（CCAR-93TM-R5）2.4 空中交通管理

空中交通流量管理为空中交通安全、有序和迅速流通的目的而设置的服务，以确保最大限度地利用ATC的容量和确保交通量与有关ATS当局宣布的容量相一致。——（ICAO DOC4444）空中交通流量管理的任务是在空中交通流量接近或者达到空中交通管制可用能力时，适时地进行调整，保证空中交通最佳地流入或者通过相应区域，尽可能提高机场、空域可用容量的利用率。——（CCAR-93TM-R5）2.4 空中交通管理

空中交通流量管理流量控制是根据航路、机场的地形、天气特点、通信、导航和雷达设备等条件，以及管制人员的技术水平和有关管制间隔的规定，对某条航路和某个机场在同一时间所能容纳的飞机架数加以限制。空中交通流量管理手段主要包括：地面等待、进离场排序、实时冲突的解决、改航等等。2.4 空中交通管理

地面等待在空中交通流量管理的各种方法中，地面等待策略是一种较为有效的途径，也是一种基本的方法。地面等待就是指飞机不按规定时刻起飞而延迟起飞的一种方法，这样做的原因是在延误不可避免的前提下，地面等待比空中等待更安全、更经济。地面等待典型应用于飞往拥挤的机场或穿越拥挤空