馮 君 鄒沛林 路曉梅 劉彥君

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 廣漢 618000）

1 引言

機(jī)場(chǎng)地面車輛調(diào)度是在航班進(jìn)港時(shí)，為了保障航班過站或停放時(shí)狀態(tài)的良好，對(duì)飛行所需資源進(jìn)行補(bǔ)給和對(duì)機(jī)身維修檢查的一系列工作。國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)針對(duì)機(jī)場(chǎng)地面車輛調(diào)度的相關(guān)研究還不夠全面，大部分國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)根據(jù)車輛先到先服務(wù)的排班方式進(jìn)行調(diào)度工作，這種模式優(yōu)點(diǎn)在于工作安排較便捷，能夠第一時(shí)間派出車輛進(jìn)行調(diào)度工作，但缺點(diǎn)很明顯，所有車輛統(tǒng)一從加油站出發(fā)，遠(yuǎn)機(jī)位的航班不能及時(shí)得到加油服務(wù)，從而增大航班延誤的可能性。

有關(guān)機(jī)場(chǎng)調(diào)度的國(guó)內(nèi)相關(guān)研究重點(diǎn)偏向于帶有時(shí)間約束的協(xié)同調(diào)度方面［1～5］。后續(xù)學(xué)者考慮到了資源需求量的差異和時(shí)間窗約束等特點(diǎn)，建立了基于帶有時(shí)間窗車輛路徑問題（VRPTW）的航班保障服務(wù)流程模型［6～8］。國(guó)內(nèi)外運(yùn)用Any Logic軟件進(jìn)行機(jī)場(chǎng)方面研究的側(cè)重于有關(guān)時(shí)間延誤分析以及調(diào)度優(yōu)化方面。國(guó)外學(xué)者重點(diǎn)以優(yōu)先次序的調(diào)整來考慮仿真優(yōu)化效果［9～12］。國(guó)內(nèi)學(xué)者袁悅［13］使用Any Logic 建立仿真模型，得出在機(jī)坪進(jìn)行保障服務(wù)的行李車的最優(yōu)數(shù)量并提高機(jī)坪服務(wù)行李車的利用率，從而減少因行李車調(diào)度問題所引起的航班延誤。

本文選擇引入時(shí)間窗概念，結(jié)合容量約束建立多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型，以仿真軟件Any Logic 為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，代入西安咸陽機(jī)場(chǎng)航班數(shù)據(jù)，得出最優(yōu)車輛調(diào)度方案。

2 機(jī)場(chǎng)加油車調(diào)度概念

機(jī)場(chǎng)地面服務(wù)調(diào)度旨在利用不同種類的機(jī)場(chǎng)特種車輛補(bǔ)充過站航班和停站航班的消耗資源。以加油車為例，車輛統(tǒng)一?？吭诤娇占佑驼荆?dāng)飛機(jī)即將進(jìn)港時(shí)，加油車收到指令，提前準(zhǔn)備工作，在指定機(jī)位等待飛機(jī)?？糠€(wěn)定，執(zhí)行加油任務(wù)。

加油車調(diào)度仿真需要在規(guī)定的路徑上，對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)采取時(shí)間約束等措施。而Any Logic 軟件可以根據(jù)目標(biāo)需求制訂移動(dòng)路線，在起始點(diǎn)采取時(shí)間約束，制訂好地面服務(wù)計(jì)劃。因此，本文采用Any Logic 軟件將加油車具體工作流程統(tǒng)一以時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行描述，并以西安咸陽機(jī)場(chǎng)2021年高峰日的三家航空公司的航班數(shù)據(jù)為研究樣本，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3 基于Any Logic 的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型構(gòu)建

3.1 多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型建模

首先需要針對(duì)模型所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)主要有加油車的具體參數(shù)（包括型號(hào)、運(yùn)輸能力、馬力）、機(jī)場(chǎng)的平面布局、航空加油站的位置分布、研究機(jī)位的具體位置坐標(biāo)以及航班的具體進(jìn)港時(shí)間。在軟件中，利用流程建模庫中的Source元件連接到航空加油站的坐標(biāo)，不同機(jī)位的坐標(biāo)用點(diǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，加油車的服務(wù)時(shí)間采用delay 元件表示，運(yùn)用queue 連接提前排號(hào)的車輛服務(wù)路徑，最后以sink元件表示流程終止，結(jié)束調(diào)度作業(yè)。

模型條件：

總目標(biāo)同時(shí)考慮車輛使用數(shù)目最少、車輛的行駛時(shí)間最短、時(shí)間窗懲罰度最小和容量懲罰度最小。將時(shí)間變化與資源變化轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)成本，以此來表示調(diào)度效率的高低。

每輛車都得從加油站出發(fā)，并且每輛車都得裝滿航空煤油。

第k輛車服務(wù)j點(diǎn)后必須離開，防止車輛堆積。

任何車輛承載容量必須大于指定停機(jī)位需求量，防止車輛多次服務(wù)同一航班，造成調(diào)度時(shí)間浪費(fèi)。

任何車輛開始服務(wù)時(shí)間在規(guī)定的時(shí)間窗范圍內(nèi)，時(shí)間窗懲罰成本是當(dāng)配送車輛超出時(shí)間窗范圍時(shí)需要接受的懲罰，用懲罰成本來反映。

第k 輛車在i 點(diǎn)結(jié)束服務(wù)時(shí)間早于后續(xù)j 點(diǎn)開始服務(wù)時(shí)間。

配送車輛一旦完成線路配送任務(wù)后便從外圍返回配送中心，即只考慮單程配送問題；配送過程中車輛勻速行駛，速度為20km/h，且道路交通和天氣狀況良好。

公式參數(shù)含義如下。

i，j表示機(jī)場(chǎng)停機(jī)位節(jié)點(diǎn)，i=0 表示配送中心，i，j=1，2，3，，，，，，n表示停機(jī)位編號(hào)；ck表示k 車輛的承載容量；aik表示該航班允許k 車輛服務(wù)的時(shí)間窗開始時(shí)間；bik表示該航班允許k 車輛服務(wù)的時(shí)間窗結(jié)束時(shí)間；mk表示不同種類車輛行駛費(fèi)用；pk表示不同種類車輛派車費(fèi)用；Tik表示第k輛車在i點(diǎn)服務(wù)開始時(shí)間；Tjk表示第k輛車在后續(xù)j點(diǎn)服務(wù)開始時(shí)間；Uik表示第k 輛車在i點(diǎn)服務(wù)結(jié)束時(shí)間；Dik表示對(duì)于k 車輛的i 點(diǎn)資源需求量；Cijk表示第k 輛車在i 點(diǎn)或j 點(diǎn)時(shí)間超過時(shí)間窗懲罰成本；dij表示停機(jī)位i至停機(jī)位j的距離。

3.2 加油車編號(hào)

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西安咸陽機(jī)場(chǎng)每天可執(zhí)行任務(wù)的加油車車輛為30 輛，所有車輛搭載航空煤油總量200000L，服務(wù)時(shí)間為4min。將30 輛車從1、2、3……30進(jìn)行編號(hào)，便于進(jìn)行后續(xù)流程研究。

3.3 航班數(shù)據(jù)分析

本文選取西安咸陽機(jī)場(chǎng)三亞航班、寧波航班、溫州航班在2021年9月高峰日的航班進(jìn)港時(shí)間數(shù)據(jù)。將航班進(jìn)港數(shù)據(jù)帶入模型，航班編號(hào)從1 開始。并將delay 元件的參數(shù)設(shè)為triangular（2，3，4），由于航班機(jī)型不一致，因此取平均服務(wù)時(shí)間最長(zhǎng)為4min。結(jié)合實(shí)地調(diào)研，可以得到該機(jī)場(chǎng)加油車派車費(fèi)45元，行駛費(fèi)6元/km。

4 實(shí)例分析與結(jié)果

4.1 仿真分析

截取西安咸陽機(jī)場(chǎng)T2、T3 航站樓、機(jī)坪以及航空加油站等局部區(qū)域平面布局圖，確定好仿真區(qū)域。如圖1所示。

圖1 機(jī)場(chǎng)仿真布局圖

通過軟件編寫模型代碼，將每個(gè)機(jī)位坐標(biāo)代入，運(yùn)算模型，得出配送路徑與調(diào)度總成本。根據(jù)得出的最優(yōu)配送路線再進(jìn)行時(shí)間延誤分析。如圖1所示，T2 航站樓涉及到的機(jī)位由7 至17，T3 航站樓涉及到的機(jī)位由F13 至F19。流程建模的順序，按照航空加油站、路徑、機(jī)位的順序進(jìn)行連接即可。調(diào)度流程以航班編號(hào)為例，三亞航班配送路徑為8 條，航班編號(hào)為1～26，寧波航班配送路徑有5條，航班編號(hào)為1～18，溫州航班配送路徑有兩條，航班編號(hào)為1～8，航班數(shù)據(jù)示例見表1，具體配送路線見表2。

表1 航班編號(hào)數(shù)據(jù)表

表2 航班配送路線表

以三亞航班為例，根據(jù)路徑中的航班編號(hào)順序，連接仿真系統(tǒng)中的模塊，航班之間的通過路徑以queue元件鎖定位置，運(yùn)用delay元件控制服務(wù)開始時(shí)間與服務(wù)進(jìn)程時(shí)間。連接流程見圖2。

圖2 機(jī)場(chǎng)仿真流程圖

運(yùn)行程序，通過查看time measure end 得出最終完成時(shí)間。

為了體現(xiàn)該模型的現(xiàn)實(shí)效果，這里采用對(duì)比方式。現(xiàn)實(shí)工作中機(jī)場(chǎng)一般采用先到先服務(wù)的排班方式，運(yùn)用這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于快捷。將先到先服務(wù)模式劃分為兩種狀態(tài)進(jìn)行分析，在保證航班數(shù)據(jù)一致情況下，一種是以調(diào)度模型結(jié)果同樣的車輛編號(hào)，進(jìn)行先到先服務(wù)計(jì)算；另一種是不固定編號(hào)，直接運(yùn)用先到先服務(wù)計(jì)算。

4.2 結(jié)果評(píng)估

從車輛數(shù)目來看，考慮資源分配與時(shí)間窗的調(diào)度方案的三亞航班成本總額423.22元，寧波航班成本總額262.15 元，溫州航班成本總額99.28 元。在保證車輛編號(hào)數(shù)目一致情況下，考慮先到先服務(wù)算法的調(diào)度方案的三亞航班成本總額428.32元，寧波航班成本總額281.35 元，溫州航班成本總額108.88元。當(dāng)不考慮車輛編號(hào)一致情況下，先到先服務(wù)算法的調(diào)度方案的三亞航班成本總額474.81元，寧波航班成本總額566.59 元，溫州航班成本總額208.76元。由此可見，比較三家公司調(diào)度成本總額來看，多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化成本消耗更低。對(duì)于時(shí)間延誤的分析，以固定編號(hào)與不固定編號(hào)兩種情況進(jìn)行對(duì)比。具體時(shí)間延誤結(jié)果，固定編號(hào)見表3。

表3 固定編號(hào)時(shí)間延誤分析表

將兩種表格結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以更好地看出時(shí)間延誤數(shù)值大小，以3 家航空公司航班總數(shù)設(shè)為任務(wù)總量，多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化時(shí)間延誤總和為35.69min，固定編號(hào)的先到先服務(wù)時(shí)間延誤總和為41.72min，不固定編號(hào)的先到先服務(wù)時(shí)間延誤總和為37.01min。綜上所述，本文研究的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型，通過時(shí)間延誤與調(diào)度成本兩個(gè)結(jié)果分析來看，都要小于先到先服務(wù)算法，證明模型現(xiàn)實(shí)運(yùn)用是可行的。

通過分析圖3，三種調(diào)度方式的每種車輛編號(hào)的服務(wù)數(shù)目，以多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化方式進(jìn)行運(yùn)算，每輛車服務(wù)數(shù)目均在3架～5架航班，保證了每輛車工作量均衡，避免對(duì)車輛造成過度損耗。

圖3 車輛服務(wù)數(shù)目圖

5 結(jié)語

結(jié)合仿真驗(yàn)證和地面車輛調(diào)度的基本要求，有以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）對(duì)于調(diào)度環(huán)節(jié)，平衡車輛服務(wù)對(duì)象數(shù)目，可以有效減少因航班進(jìn)港數(shù)量過多造成的調(diào)度延誤以及調(diào)度成本。

2）通過仿真建模和仿真結(jié)論分析，使Any Logic 軟件技術(shù)在地面車輛調(diào)度流程中得到了有效利用，仿真結(jié)果實(shí)時(shí)給出機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度加油車的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行路徑，并通過西安咸陽機(jī)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與先到先服務(wù)作對(duì)比，證明仿真的可行性。

然而，本文仍有不足之處，有關(guān)車輛多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型還不夠全面，可進(jìn)一步考慮在調(diào)度仿真過程中不同編號(hào)車輛之間的影響程度，減小調(diào)度路徑之間產(chǎn)生沖突，造成時(shí)間延誤。該模型可進(jìn)一步改進(jìn)時(shí)間窗的大小數(shù)值，優(yōu)化車輛調(diào)度的先后次序。