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(Air Traffic Control) 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(Airport Access System) 航空运输需求源(Demand Source) 货站（Cargo Station） 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。 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 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(Spilled Demand)，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 1 , 0 1 1 1 1 1 1 1s.t. min 119842 13109876510864313121076531 12114321 13 1 ix xxxxx xxxxxxx xxxxxxxx xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxx xcz i i ii 这是一个 0-1 型整数规划模型，目标函数是机组飞行总成本最小，每个航班一个约束 条件，表示每个航班能且只能执行一次。这是一个集合分割问题，即将航班集合分割成若 干子集合，任意航班属于某一子集合，每两两子集合的交集为空，使分割的总代价最小。 这里每个航班子集就是一个航班环。有时由于航班计划在时间上的安排协调不够，导致某 些航班在当地机场没有机组去执行，这时上述模型无可行解。实践中，常采用加机组（又 叫空飞，Deadhead）的办法，即从别的机场调机组跟随某航班飞来本机场。如果允许机组 空飞（加机组）,则约束条件的等号应改为大于等于号，此时是集合覆盖问题。 集合分割问题和集合覆盖问题是航空运输规划经常遇见的数学模型，它们的一般描述 是： 集合分割问题：把一个含有 n 个元素的集合 A 分割成若干个子集合 Ai，i=1,2,m， 产生每个子集合 Ai需要付出相应的成本 ci，现要求从这些子集合中选出若干个子集合，使 得，并使分割这些子集合的总成本最小。AAmjijiAA m i iji 1 ;, 2 , 1, 集合分割问题可以用数学模型表述如下： mix nixa xcz i m j jij m i ii , 2 , 1; 1 , 0 , 2 , 1, 1s.t. min 1 1 (2-1) 其中=0 或 1，是一个示性算子，即当子集合 Aj 含有元素 i 时为 1，否则为 0。是决策 ij a i x 变量，等于 1 时表示 Ai 被选中，等于 0 时表示不选择 Ai。上述模型的约束条件共有 n 个， 每个元素一个，表示每个元素必须且只能包含在一个子集合中。 集合覆盖问题：如果在集合分割问题中，允许多个子集合包含同一个元素，即允许 ，则叫做集合覆盖问题，它的数学模型是jiAA ji , mix nixa xcz i m j jij m i ii , 2 , 1; 1 , 0 , 2 , 1, 1s.t. min 1 1 上述的集合分割问题和集合覆盖问题的决策变量是特殊的整数，因此它们是特殊的整 数规划。一般的整数规划问题可以这样定义： 定义 2-1 凡规定某些决策变量取整数值的数学规划问题都叫做整数规划问题。 例如 取整数 121 21 21 , 0, ),(s.t. ),(min XXX bXXg XXfz 其中是的任意函数，是决策变量矢量，是约束条件的右手边矢量。gf , 21, X X 21, X Xb 2-2-2 整数规划的分类和可行解集 定义 2-1 告诉我们，只要某数学规划问题的某些决策变量规定为整数，就是整数规划。 这就告诉我们，整数规划中可以规定变量取 0 或 1，也可以规定取其它整数值。有些整数 规划甚至允许某些决策变量取实数值，某些取整数值。而且目标函数和约束条件的左边可 以是线性的，也可以是非线性的。本小节首先对整数规划进行分类。 一、根据决策变量的取值规定进行分类 1、0-1 型整数规划：有决策变量取 0 或 1 的整数规划。如果全部决策变量都只取 0 或 1，则称为纯 0-1 型整数规划，否则称为混合 0-1 型整数规划。 2、纯整数规划：所有的决策变量都取整数的整数规划问题叫做纯整数规划问题。 3、混合整数规划：有些变量取整数，有些变量取实数的规划问题，叫做混合整数规划。 二、根据目标函数、约束条件左边是否为线性进行分类 1、线性整数规划：目标函数和约束条件左边全都是决策变量的线性函数的整数规划叫 做线性整数规划。 2、非线性整数规划：目标函数或者某些约束条件左边是决策变量的非线性函数的整数 规划。 整数规划各种类型和划分标准可见表 2-3 所示。 表 2-3 整数规划分类 本章只讨论线性整数规划问题。线性整数规划由于规定某些变量取整数值，大大地加 大了求解难度。如果放松整数约束，则线性整数规划问题成为线性规划问题，叫做整数规 划的松弛线性规划问题，简称为松弛线性规划问题。如果是 0-1 型的整数规划，整数约束 将松弛成。1 , 0 i x10 i x 设松弛线性规划问题的可行域是 S，则对应的整数规划的可行域是 S 中整数点的集合。 例如如下的整数规划 （2- 整数, 0, 1032 881124. . 57max 21 21 21 21 xx xx xxts xxz 2） 对应的松弛线性规划问题为 （2- 0, 1032 881124. . 57max 21 21 21 21 xx xx xxts xxz 3） 线性规划（2-3）的可行域 S 是图 2-1 中的阴影部分构成的凸集，而整数规划的可行域是该 凸集中的整数点：(0,0),(0,1),(0,2),(0,3),(1,0),(1,1),(1,2),(2,0),(2,1),(2,2), (3,0),(3,1)。求整数规划的最优解即是在该可行域的整数点集中寻找使目标函数最优的 点。点（3,1）即是（2-2）的最优解。 线性整数规划非线性整数规划 整数规划0-1 型整数规划整数规划0-1 型整数规划 类型 条件纯整数规 划 混合整数 规划 纯整数规 划 混合整数 规划 纯整数规 划 混合整数 规划 纯整数规 划 混合整数 规划 变量全部取整 数 部分取整 数 全部取整 数 部分取整 数 全部取整 数 部分取整 数 全部取整 数 部分取整 数 目标函数和约束 条件 全部为线性函数部分为非线性函数 0 123 45 x1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x2 图 2-1 线性规划和整数规划的可行域 2-3 高级网络流问题 我们在运筹学课程中已经知道一些经典的网络优化问题，例如最小支撑树问题、最短 路问题、最大流问题和最小费用流问题。对于这些问题，已经有了有效的多项式算法。但 这些经典网络优化模型只能解决一些比较简单的问题。例如最短路问题只考虑边的长度， 没有考虑路径上其它因素的约束，如规定燃油的消耗量或规定允许的最长流动时间；最小 费用流问题假设网络上流动的是同一种“商品” ，而实际情况可能存在多种“商品” ，而且 假设单位流的费用相同，不考虑网络的建设投资等。因此实际问题比经典的网络流问题要 复杂得多。本节主要讨论在航空运输规划中经常遇到的网络优化高级问题：约束最短路问 题和多商品流问题。 2-3-1 约束最短路问题 图 2-2 是大家熟悉的最短路问题，其中节点 v1和 v8分别是始发节点（源节点）和终止 节点（汇节点） ，图中每边上权重表示长度，要求从始发节点到终止节点的这样一条路径， 该路径上各边的权重之和最小（路径长度最短） 。在图 2-2 中，节点 v1到 v8 的最短路径是 v1 v7 v5 v6 v8，最短路程是 9。 2 4 2 3 4 2 10 2 3 6 4 1 1 v 2 v 7 v 5 v 3 v 6 v 8 v 4 v 图 2-2 最短路问题 可见经典的最短路问题只考虑网络每边的长度，可以用如下的数学模型来描述： 1 , 0 , 1 Otherwise, 0 , 1 s.t. min )(:)( ij jadjij ji iadjj ij ViVj ijij x ti si xx xdz 其中，是边(i,j)的长度，是 0-1 型的决策变量（路径选择变量） ，边(i,j)在最短路径 ij d ij x 上时=1，否则=0。该问题是一个易解问题，经典的标号法是多项式的算法。 但在一些路径最短问题中，不但要考虑选取最短（或成本最小的）路径，而且沿某路 径流动时存在资源消耗。例如根据机组适航性要求，每机组在 24 小时内的飞行小时一般不 得超过 8 小时，即所谓的 8-in-24 规则。此时，这 8 小时就成为机组航班环（配对， Pairing）问题的有限资源。确定每个机组航班环是航班网络中的约束最短路问题。再如， 在考虑飞机路线时，需要考虑飞机的飞行小时，一般要选择日利用率在给定范围内的航班 环作为飞机的可行路线，因此飞机的飞行小时是飞机路线问题的有限资源。 一般地，约束最短路问题可以描述成如下的网络流问题：网络的每条边(i,j)的权重是 一对数(,)，其中是该边的“长度” ，是在该边流动时消耗的资源（可以有多个） ij d ij s ij d ij s 。要求网络的始发节点到终止节点的一条满足资源消耗约束的最短路经。如图 2-3 所示的 网络中，从源 s 到汇 t 有 5 条路经，最短路经是：s 5 t，该路径长度是 9，消耗资 源量 13。如果我们限制该流可消耗资源量最大为 10，则约束最短路径是：s 1 2 4 t，该路径的长度是 11（9） ，但资源消耗量等于 10，满足资源约束条件。 s s t t 1 2 34 5 6 (1,4) (4,2) (2,2) (3,1) (2,1) (5,4) (6,12) (4,3) (2,1) (6,3) (3,2) i j),( ijij sd 图 2-3 约束最短路问题 约束最短路问题的数学模型如下： 1 , 0 , 1 Otherwise, 0 , 1 . . min )(:)( ij ViVj ijij jadjij ji iadjj ij ViVj ijij x Sxs ti si xxts xdz 2-3-2 多商品流问题 经典的网络流问题只涉及到一种“商品”(single commodity)，即在网络上流动的只有 一种商品。请大家回顾一下单商品流的数学模型是什么样子的。在最小费用流问题中，给 定了网络的流量 d，以及每边(i,j)的容量和单位流费用，要求网络流 d 在网络上的最 ij u ij c 小费用的分布模式，如图 2-4 所示。 st 1 2 3 4 5 6 (7,4) (4,2) (2,2) (5,3) (2,3) (5,4) (6,12) (4,3) (2,1) (6,3) (8,4) i j),( ijij cu b=7 图 2-4 最小费用流问题（网络流 b=7） 最小费用流问题的数学模型如式（2-5）所示。其中（2-5a）是目标函数，要求总费用 最小，(2-5b)是节点的流量平衡约束条件，每个节点具有一个这样的约束条件，(2-5c)是 边的容量约束条件，要求每条边的流量不大于容量。 Vjiux tid sid xxts xcz ijij jadjij ji iadjj ij ViVj ijij ,;0 , Otherwise, 0 , . . min )(:)( 生产实际上，我们常常碰见网络上同时流动着多种“商品”的问题，例如在航线网络 (2-4a) (2-4b) (2-4c) (2-5a) (2-5b) (2-5c) 上同时流动着各种机型的飞机，一种机型的飞机就是一种“商品” ，这样的问题叫做多商品 流问题（multicommodity flow problem） 。下面我们来为多商品流问题建模。 假设在网络上流动着 K 种商品，令 k=1,2,.,K 表示任意第 k 种商品，在任意边(i,j) 上，商品流存在容量限制，各种商品的单位流都是占有一个单位的容量，因此各种商品流 之和不能超过该边的容量，第 k 种商品的网络流量（总需求）为，在边(i,j)上的单 ij u k d 位流费用是，并进一步假设受到该种商品流容量的限制。根据以上假设，多商品流 k ij c k ij u 问题的数学模型是 KkVjiux Vjiux Kk tid sid xxts xcz k ij k ij ij K k k ij k k jadjij k ji iadjj k ij K kViVj k ij k ij , 2 , 1,;0 ,; , 2 , 1, , Otherwise, 0 , . . min 1 )(:)( 1 可见，多商品流问题是最小费用流问题的直接推广，其中(2-6a)是目标函数，要求总 费用最小，(2-6b)是对每种商品，每个节点都必须满足的流平衡约束条件，(2-6d)是对每 种商品，每条边都必须满足的容量限制条件，(2-6c)表示每条边上各种商品流之和不得大 于该边的容量。如果网络有 n 个节点，m 条边，那么对于每个商品，这个模型将有 m 个流 变量，因此共有 Km 个决策变量。而且模型共有 Kn 个节点的流守恒约束，m 个边的总容 量约束，以及可能存在 Km 个各商品流的边容量约束条件。 (2-6a) (2-6b) (2-6c) (2-6d) 第三章 机场运行规划 3-1 引言 3-1-1 机场生产组织 机场是组织航空运输生产的重要场所。在这里，飞机起飞、着陆、停放；旅客下机、 领取托运行李，办理乘机手续、候机和登机以及转机；到达的货物在这里卸下和转运，离 港的货物在这里分理、打包、装箱和装机。这里一片繁忙景象，人来客往，车辆穿梭，如 果没有高效的组织，很难想象这里的运输生产可以有条不紊地进行。 机场分为陆侧(Landside)和空侧(Airside)两部分。航站楼和地面到达系统组成陆侧部分， 是旅客转换交通模式的地方；跑道、滑行道和停机坪组成空侧部分（也称飞行区） ，是飞机 活动的场所，有时也把终端区甚至进近区域（Terminal Area）划归机场空侧部分。机场组 成的示意图如图 3-1 所示。 旅客运输生产从旅客到达航站楼入口处开始，国内航班旅客通过值机和安检，即可进 入候机厅候机，航班出发前 20 分钟左右开始登机；国际旅客则除了值机和安检外，还需要 办理出关手续（包括海关申报、检验检疫和边防检查） 。到达目的地机场后，国内航班旅客 下机到行李认领厅领取行李，然后转乘陆路交通离开机场；国际航班旅客还必须办理入关 手续，首先通过边防检查，然后领取行李，接受卫生检验检疫和海关申报后，转乘陆路交 通离开机场。 货物运输生产首先由货代收集货物，分理打包，向航空公司申请货舱舱位，再运送至 机坪装机；到达目的地机场的货物下机后运到货站，在货站进行分理，然后用货车运往最 终目的地。如果是国际货物还必须办理出入报关手续，通过海关和检验检疫检查。 所以，除了运输途中飞行以外，航空客货运输生产都在机场完成，运输生产的效率主 要体现为机场生产组织的效率。上述的生产组织活动将在本章作详细讨论。 跑 道 快速脱离道 等待停机坪 跑道入口 等待区 滑行道系统 停机坪/停机位 候 机 楼 车辆环行路/停车场 侧 空 机场进近空域 侧 陆 机场地面出入系统 进港飞机流离港飞机流 城市交通系统 进港客货流/车辆离港客货流/车辆 图 3-1 机场组成示意图 3-1-2 繁忙机场和航班延误问题 首先定义机场容量： 机场容量指单位时间的生产能力，在不同的功能区，有服务旅客数、服务飞机数和服 务行李数等。 机场功能设施理论可达到的最大流量叫做极限容量。在繁忙机场，常常由于容量不足 而导致飞机排队等待起飞和降落；旅客排着长队等待值机、安检、领取行李。当航班不能 正点起飞时，便产生航班延误。航班延误大小是指实际出发时间与计划出发时间的差值， 尽管航班延误的原因有多种，但机场容量不足是重要原因。如果航空公司的机务或机组原 因造成了航班延误，则只会影响一个航班，如果机场容量不足，则将造成大面积航班延误。 一般来说，当交通需求超出机场容量时，航班延误定将发生。如果使用平均需求来进 行衡量，要特别注意：即使平均需求小于机场容量，航班延误也可能发生。这是因为尽管 平均需求不超过机场容量，但瞬时需求（即峰值需求）可能会超过（甚至大大超过）机场 容量，造成一段时间内的航班拥堵和延误。 可见交通需求的规模及其分布对航班延误有重要影响。在交通需求不变的条件下，增 加机场容量能减少延误。机场容量与交通需求及航班延误之间的关系常可作为确定机场容 量的有用方法，如图 3-2 所示。极限容量在生产实际中是达不到的。随着交通需求的增加， 航班延误开始时缓慢增加，当交通需求增加到某种水平时，航班延误增长加快，当生产流 量接近极限容量时延误将趋于无穷大。对应于允许最大延误的交通需求量定义为实际容量。 延误的增加与流量的增长成非线性关系。 航 班 延 误 交通流量 极限流量 允许的最大延误（例如20分钟） 实际容量 图 3-2 机场容量、交通需求和航班延误关系图 3-1-3 机场运行规划及其意义 机场可以分为陆路到达系统、航站楼系统和飞行区系统，航站楼系统的旅客流程又可 以分成处理器、容器和连接器三种功能设施。值机柜台、安检通道、边检通道和登机门等 是处理器，旅客在每个处理器处接受服务时，可能需要排队等待，所以一般每个处理器处 都配有容器，以容纳等待的旅客，两处理器之间设计有通道。飞行区又可分为跑道系统、 滑行道系统和停机坪三个功能设施，飞行区功能是为飞机运行服务而建设。 机场运行规划是指为机场的生产运行所制定的计划和规则，包括生产流程的设计和分 析、生产资源的配置以及生产调度计划的制定等内容。 在进行机场运行规划时，需要分析机场系统各子系统、各功能实施的容量和效率。容 量是生产能力的体现，效率是管理水平的体现。通过运行规划，可以帮助机场管理者掌握 生产组织的各种关系，提高服务水平和改善机场运行质量。 ICAO 推荐了机场规划基本步骤，如图 3-3 所示。由图 3-3 可以看出，容量评估是机场 规划的第一步，其基础性作用在于机场规划人员不仅需要正确分析现有容量水平和容量瓶 颈环节，找准生产流程需要改进甚至改造的地方，提出改造方案，还要掌握未来交通流量 需求下的机场容量水平。在这一过程中，交通需求被不断反馈到机场容量的规划中，影响 容量规划的制定和修订。 机场容量评估 （分析现有容量水平、容量瓶颈） 预测未来的交通流量 （提供一系列可能出现的情况及其中各种流量构成） 明确需要增加的适于不同类型和 水平流量的设施 得出几个总体规划方案 供对比和选择 选择最佳总体规划方案 (能够根据变化作出相应的调整） 图 3-3 机场运行规划流程图 3-2 机场运行规划基础 3-2-1 排队网络 由各种排队系统通过串联和并联方式连接成的网络，叫做排队网络。航站楼系统的旅 客流程、飞行区的飞机流程是一种排队网络，如图 3-4 所示。 值机排队系统1 值机排队系统2 值机排队系统m 安检排队系统 候机登机排队系统1 候机登机排队系统2 候机登机排队系统l . . . . . . 汇集 分散 图 3-4 排队网络 旅客流程作为一种排队网络，是一种开环网络，叫做 Jackson 网络。若排队系统是 M/M/c 系统，并且利用率小于 1，则它的输出率等于输入率。如果各同性质的排队系统相 互独立，则它们构成的并行排队系统的输出率等于各排队系统的输出率之和。 值机区的各值机排队系统是并行的排队系统。如果不实行航班和航空公司之间的公用 设备模式，则可认为一个航班的值机是一个排队系统，这样的排队系统旅客输入过程是非 稳态的 Poisson 过程。如果值机采用公用设备模式，那么如果实现完全的公用模式，则值 机区是一个排队系统；如果公用模式只在局部实行，则该局部的所有值机柜台构成一个排 队系统。 安检排队系统尽管有许多通道，但采用完全的公用形式，因此可认为是一个排队系统。 国际和国内航班安检一般是分离的排队系统。值机排队系统和安检排队系统是串连的，值 机系统的输出是安检系统的输出。 因为机场目前常采用公用候机厅方式，旅客也可能去商店购物，候机登机排队系统比较复 杂 3-2-2 累计分布曲线 对于机场旅客流程以及飞机停机坪作业流程的任一排队系统，非常简单又有用的分析 工具是累计分布曲线。它是排队系统的累计到达/离开顾客数随时间的变化曲线，横轴是时 间，纵轴是顾客已到达/离开累计数（或占总数的比例） 。例如，对于值机排队系统，该累 计曲线的横轴是航班起飞前的时间，通常是逆向的，纵轴是已到达旅客数占该航班旅客总 数的比例。图 3-5 是不同时间出发的国内航班值机旅客累计到达分布曲线。 图 3-5 国内航班值机旅客累计到达分布曲线 3-2-3 高峰小时的定义的定义 用于机场规划基本参数是机场高峰小时需求，又叫做典型高峰小时，或设计小时、高 峰小时(DPH)。高峰小时的几种定义如下 年度的第 20、30 或 40 个最繁忙的小时 年度高峰月的平均日高峰小时 年度两个高峰月的日平均高峰小时 年度每百繁忙日的第 95 天的高峰小时 年度第 7 或 15 个繁忙日的高峰小时 其中第一种定义多用于英国，第二种定义用于美国，第三种是 ICAO 推荐的。 高峰小时不是一年中最繁忙的小时，但超过高峰小时（超负荷）的运转次数只有很少 几天。 根据统计数据分析发现，每年需求随月份的变化具有相似性，每天各小时需求的变化 也具有相似性。因此高峰小时的需求可以用年度预测需求近似计算，转换系数可取 0.03%- 国内航班不同时间段旅客达到分布 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00% 120.00% 4:00 3:30 3:00 2:30 2:00 1:30 1:00 0:30 0:00 距航班起飞时间 人数累积到达百分比 8:00-9:00 15:00-16:00 21:00-22:00 0.05%之间的某个值，平均值大约为 0.033%。机场的年吞吐量越大，峰值显得越平坦，因 此转换系数越小。反之，机场的年吞吐量越小，峰值越显著，转换系数取较大值。 3-2-4 机场场服务质量标准质量标准 到目前为止，国际上对机场的规划设计还没有统一的标准。但已有一些推荐标准，比 较常用的有 IATA 标准。表 3-1 是航站楼服务质量标准的定义，表 3-2、3-3 分别是航站楼 服务质量空间和时间标准。详细资料还可以参考本章的附录 1。 表 3-1 IATA 服务质量等级定义 标准描述 服务水平 质量和舒适度人流状态延误 A极好自由无限制无 B很好稳定的非常少 C好稳定的可接受 D一般不稳定的尚可接受 E较差不稳定的不可接受 F不可接受间断流服务中断 表 3-2 IATA 航站楼服务质量空间标准。 服务水平等级ABCDE 1、极少旅客托运行李，不用行李车（队列宽 1.2 米） 2、每旅客 1-2 件行李，不用行李车（队列宽 1.2 米） 3、多数旅客使用行李车（队列宽 1.4 米） 4、每旅客带有 2 件及以上的重行李，绝大多数旅客使用 行李车（队列宽 1.4 米） 1.7 1.8 2.3 2.6 1.4 1.5 1.9 2.3 1.2 1.3 1.7 2.0 1.1 1.2 1.6 1.9 0.9 1.1 1.5 1.8 表 3-3 IATA 航站楼处理器时间标准 服务水平最短可接受可接受最长 经济舱值机0-12(分钟)12-30(分钟) 公务舱值机0-33-5 到达护照查验0-77-15 出发护照查验0-55-10 行李认领0-1212-18 安检0-33-7 3-2-53-2-5 动态排队系统分析动态排队系统分析 排队论研究了稳态排队系统的平均指标计算方法，稳态排队系统要求到达率和服务率 在平均意义上是不随时间变化的常数。如果平均到达率和平均服务率随时间而变化的话， 相关计算公式将不能使用。图 3-6 表示了顾客到达率不变，服务率变化情况下队列长度的 变化。 到达率 服务率 系统中旅客数 a (单 位 时 间) 旅 客 数 时间 b l n h 图 3-6 服务率变化引起排队长度的变化 从图 3-6 可以看出，在时刻 a 之前，服务率为 h到达率 n，因此队列长度等于 0，在 时间区间a,b上，服务率降为 l1, 8.4/2.9=2.91, 15.12/6.8=2.241，都符合航班频率大于 1 的基本要求。考虑第三条原则，对照 150 座飞 机的业载航程特性知，该机型不能飞航线 C，因为它的最大燃油航程是 3000 公里，小于航 线 C 的长度 3600 公里。用 150 座级的飞机飞航线 A 也不够经济，因为它的最大业载航程为 2000 公里，小于航线 A 的长度 2200 公里，可能经常需要减载飞行。 如果采用 200 座级的飞机，航班频率分别是 3.5/3.96=0.881, 9.59/6.5=1.481，可见采用 200 座级的飞机飞航线 A 时航班频率将小于规定的最小频率， 因此不能采用，飞航线 C 每天约有 1.5 个航班符合最低频率要求。但根据第三条原则，因 为它的最大业载航程为 3100 公里，小于航线 C 的长度 3600 公里，因此常常需要减载飞行， 不够经济。 可见这两种机型最适合的航线都是航线 B，150 座级的飞机在允许减载飞行时可飞行航 线 A，但由于业载航程特性的限制不能飞行航线 C；200 座级飞机在允许减载飞行时可飞行 航线 C，但受最小航班频率限制不能飞航线 A。 从上述讨论的结论可看出，对于航线 B，150 座和 200 座级机型的飞机都满足前三个飞 机选型的原则。如果 150 座级和 200 座级的飞机的空重分别是 52 吨和 84 吨，则它们的每 座空重分别是 52/150=0.347 吨/座和 84/200=0.42 吨/座，这说明 150 座级的飞机每个座位 承担的空机重量较小，由于飞机的耗油量与重量有关，因此 150 座级的飞机油耗特性应当 好于 200 座级的，则根据飞机选型的第四原则，航线 B 可以考虑 150 座级的飞机。 5-3-3 机队规划方法 本小节讨论狭义的机队规划问题。 机队规划方法尽管有多种，就其本质而言可分为两类：即宏观机队规划和微观机队规 划。宏观机队规划是从机队规模预测的角度进行分析研究，主要解决长期规划问题，它按 “从上而下” （即从宏观到微观）的顺序进行分析预测。而微观机队规划是在微观航班、航 线机型选择的基础上，按“从下到上” （即从局部到整体）的顺序进行分析，得出航空公司 机队中短期规划结果。 一、宏观规划方法一、宏观规划方法 机队规模分析是航空运输业和飞机制造商都十分关心的研究课题。例如，波音飞机集 团在 1998 年的市场预测中，中国航空运输业在未来 20 年里将保持年均 9.5%的增长率，居 全球之冠，这一增长率几乎是全球年度增长率 4.9%的两倍。此外还预测中国的航空公司在 今后的 20 年内将新增 1800 架喷气式飞机，全球的航空公司将增加 17650 架喷气式飞机。 而国际航空运输协会(IATA)指出，受亚洲金融危机的影响，亚洲地区 40%的航空公司将在 今后 5 年减少 10%的飞机订货。 面对各种分析预测的结果，航空公司必须作出自己的分析判断，利用客观的信息、科 学的方法作出合理的决策。概括起来，影响航空公司机队规模分析决策的主要因素有： 现有的运输需求对运力的要求； 预期的需求增长或航班频率增加、市场份额增长的需要； 获得进入新航线的许可； 现有飞机更新； 提高运营效率和合理调配飞机的需要。 载运率在机队规划中起着重要作用，因为当载运率达到一定水平时，就会发生客货溢 出，载运率越高，溢出的旅客需求量越大，意味着航空公司潜在收入的损失越多。载运率 偏高还会增加旅客的随机延误时间，因而降低服务质量。因此，当载运率相对偏高时，说 明可供运力不能满足市场要求，此时应考虑增加运力；反之，载运率偏低时，说明航空公 司运力浪费严重，应当减少运力。这是一种“指标警示” 分析方法，这种方法既可以作为 航空公司整体运力的需求分析，也可以用于某一航线运力需求分析。 1 1、应用基本方程的经验方法、应用基本方程的经验方法 机队规模决策的经验方法是： 第一步，评价现有载运率。分析现有机队总运力和完成的总运输量，计算现有载运率 载运率=总运输量/总运力 （5- 5） 看它是否合理，是否符合公司发展战略，对现有载运率进行必要的调整，确定机队规划的 载运率。 第二步，评价现有飞机利用率。对公司运行现状进行经济分析，评估现有机队结构与 现有航线结构是否匹配，根据公司市场发展战略，包括航线调整和市场份额目标，对现有 机队结构作必要的调整，确定机队规划中各机型的分担比例。根据公司发展战略对各机型 的飞机利用率进行调整，确定规划期限内的各机型飞机利用率。 第三步，确定机队总运力。根据市场需求增长的预测，确定规划期限内运输总需求， 然后根据运输总需求和第一步确定的载运率，应用公式（5-5）确定机队总运力（机队规模 发展目标） 。 第四步，确定各型飞机架数。根据机队总运力和第二步确定的机型比例，计算各机型 运力。然后根据各机型飞机的最大业载、利用率和航速，由机队规划基本方程（5-3）计算 各机型的飞机架数。 飞机架数=该类机型总运力/（该类飞机的航速最大业载利用率） （5- 6） 例例 5-25-2 新飞航空公司准备为下个五年计划做机队规划，该航空公司现有的飞机机型如 表 5-4 所示。 表 5-4 新飞航空公司现有飞机的机型和座级划分 50 座 级 100 座级150 座级200 座级250 座级300 座级 CRJ200B737-700B757-200B767-300MD11 B737-800B757-231 根据该公司的发展战略，综合考虑航线的长度和市场需求状况，计划未来在规划期限 内只采用 100 座级、150 座级和 200 座级的飞机。 由各型飞机的技术数据可以给出各座级飞机的平均航速、最大业载；根据航空公司的 财务数据计算出了各座级飞机的小时成本和盈亏平衡载运率（可用它作为低限载运率） ；通 过对现有市场和生产数据的分析，发现现有的各型飞机的日利用率、载运率都比较低，根 据公司的发展战略及综合专家的意见，对飞机日利用率和高限载运率和各型飞机的分担率 作必要的调整；通过市场调查和市场预测获得了五年后市场年运输量需求将达到 3.45 亿吨 公里，再根据各座级飞机的分担率得到各型飞机承担的市场需求。以上这些数据综合后列 在表 5-5 中。 表 5-5 机队优化模型参数列表 参数100 座级150 座级200 座级 小时成本 i C 237283028942021 平均航速 i v 566633664 最大业载 i z 10.315.223.4 日利用率 i T 77.57 低限载运率 i l 0.510.50.52 高限载运率 i L 0.740.70.65 市场需求（亿吨公里） i D 0.16961.301821.97904 已有飞机数量 i N 055 应用式（5-6）按高限载运率计算可得各座级所需飞机架数如下： 100 座级飞机架数=0.1696108/(10.356670.74365)=1.56 架 150 座级飞机架数=1.30182108/(15.26337.50.7365)=7.06 架 200 座级飞机架数=1.97904108/(23.466470.65365)=7.67 架 如果按照低限载运率来计算各座级的飞机架数，则 100 座级飞机架数=0.1696108/(10.356670.51365)=2.26 架 150 座级飞机架数=1.30182108/(15.26337.50.5365)=9.88 架 200 座级飞机架数=1.97904108/(23.466470.52365)=9.59 架 实际各座级飞机架数可取以上两个结果的中间某数值，例如取 100 座级飞机 2 架， 150 座级和 200 座级飞机各 9 架，此时总成本为 183376.82 万元。 2 2、最优化方法、最优化方法 上述简单计算的机队规划结果一般不能保证总成本最小。如果希望实现总成本最小的 机队规划，可以通过建立数学模型，然后求解获得。式（5-7）-（5-12）给出了一种简单 的机队宏观规划数学模型。 （5- K i iii xCTC 1 365min 7） KiDxLvT KiDxlvT iiiii iiiii , 2 , 1,365 , 2 , 1,365 K i i K i iiii K i i K i iiii DxzvTL DxzvTl 11 11 365 365 （5-KiNx ii , 2 , 1, 12） 其中：取正整数，是决策变量，表示第 i 类飞机的架数； i x 是第 i 类飞机的现有架数； i N K 是机型总数； l 和L是平均低限载运率和平均高限载运率，可用下面的式（5-14）计算。 上述数学模型中， “365”表示平均每架飞机一年工作 365 天。实际情况下，由于需要 停场检修，飞机也许不能出满勤，例如可能只有 320 天。目标函数（5-7）表示优化的目标 是总成本最小，各约束条件的意思是： 式（5-8）表示第 i 类机队对应低限载运率的载运量应该不大于该类机型的市场需求； 式（5-9）表示第 i 类机队对应高限载运率的载运量应该不小于该类机型的市场需求； 式（5-10）表示对应平均低限载运率的总载运量应该不大于市场总需求； 式（5-11）表示对应平均高限载运率的总载运量应该不小于市场总需求； （5-8） （5-9） （5- 10） （5- 11） 式（5-12）表示规划的该类飞机的数量应该不小于该类飞机的现有数量。该约束条件 不是所有情况下都需要，在不必要时可以删除。 3、最优化模型的讨论、最优化模型的讨论 令，则约束条件（5-8）和（5-9）可写成。 iiii zvTa365, i iiiiiii al xDa L xD 因此有 （5- ii i iii i DD x a Lal 13a） 如果，则进一步有 iiii NLaD/ （5- iiiii laDxN/ 13b） 令，则是第 i 类机型的市场需求分担率，则平均低限载运率 l 和 n i i DD 1 D Di i 平均高限载运率 L 可以用下式计算 （5- n i ii n i ii n i ii n i ii LLD D L llD D l 11 11 / 1 / / 1 / 14） 即 l 和 L 分别是以为权的加权调和平均值。 ii Ll 和 i 考虑到目标函数与成正比，在满足约束条件的情况下，应当尽可能地取小值。所 i x i x