1、July 2014 中 国 民 航 飞 行 学 院 学 报 Vol.25No.4 Journal of Civil Aviation Flight University of China 27 机场地面作业仿真与优化 黄鹂诗 杨文东 （南京航空航天大学民航学院 江苏南京 211106） 摘 要：针对机场地面作业调度这一定位型流程（Fixed Site) 和 JOBSHOP二者混合的流程优化问题，运用面向对象的 SIMIO仿真软件实现机坪保障设备中摆渡车、加油车的全天运行。提出基于平衡设备工作 量 差和航班延误最少的双优化目标，对仿真所得的车辆指派计划进行统计分析，找出存在的问题，通过更改系统逻
2、辑条件建立优化模型，根据优化目标给出最终优化方案。 关 键 词：最小机坪运行 车辆调度仿真 作业优化 Airport Ground Services Scheduling Simulation and Optimization Huang Lishi Yang Wendong (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 211106, Jiangsu, China) Abstract：In view of airport ground services scheduling, which is a mixed pr
3、ocess optimization of fixed site and job-shop, a model is built which employs the object-oriented simulation software SIMIO to simulate the all-day operation of the shuttle bus and fuel truck. This article proposes a two-objective optimi-zation aiming at minimizing flight delays and reducing equipme
4、nt wastage. And then it analyzes the results of vehicle assignment plan to find out the existing problems. Through changing the logic condition of the system, an optimization solution has been put forward to improve equipment utilization. Key words：Apron operation Vehicle scheduling simulation Opera
5、tion optimization 1 引言 机场是航空运输生产的重要基础设施，机坪资源能否有效利用直接关系到机场的服务质量和效率。国内学者针对机坪车辆调度问题，就如何提高机场服务设备的利用率进行了研究。郑洁等采用妥协约束方法和遗传算法使设备总流经时间最少1。朱金福等在航班过站服务的一般特点上，考虑了不同设备加工能力，在减少航班延误上提出了基于设备能力差分配法的启发式算法2。国外这方面的研究相对较少，大多处于服务作业流程优化阶段。Treude等研究了如何提高机坪车辆的服务效率，减少延误航班所造成的经济损失3。Kenneth和Steffen分析了机坪车辆的排班，利用启发式遗传算法为车辆服务排序4
6、机坪车辆调度不仅仅是理论问题，更是一个实际问题，单纯依靠算法已不能满足实际生产的需要，在仿真方面目前主要是对单一车种的研究。本文运用SIMIO仿真软件，对机场停机坪摆渡车、加油车的调度进行仿真研究，模拟车辆的实际运行状况。针对仿真结果，提出调度优化方案，实现航班延误最少的同时平衡设备工作负荷。 。 2 机坪车辆调度模型 2.1 车辆调度问题 机坪车辆调度问题属于生产排程问题，作业设备有餐车、行李车、加油车、摆渡车、电源车等，摆渡车和加油车服务对象涵盖了飞机和旅客，具有其它车辆的共性特点，因此以摆渡车和加油车作为车辆调度研究对象。 在实际生产过程中，车辆服务会受到航班延误、车辆故障、天气等因素的
7、影响，因此在研究时，可作如下假设： （1）所有车辆在仿真过程中，皆能正常工作，不会出现故障，且不受外部因素影响。 （2）不考虑飞机降落的滑行过程，假设整个过程的时间是5分钟。 （3）假设所有航班没有延误，皆按已有航班July 2014 中 国 民 航 飞 行 学 院 学 报 Vol.25No.4 Journal of Civil Aviation Flight University of China 27 计划表执行。 （4）车辆的服务遵循先到先服务原则。 （5）只考虑远机位航班，规定在离港前50分钟开始为远机位离港航班加油。 2.2 模型的建立 以摆渡车为例，模型运行流程如下： （1）初始化
8、 设置事件发生时间ts设置事件发生时间t； s对应的停机位Ns设置事件发生时间t； s所需摆渡车数量As设置摆渡车计划到达指定停机位时间T； s设置仿真钟T=t； ； 设置仿真开始时间t0，结束时间te（2） if tT的仿真时间t； s摆渡车服务产生延误； then else 摆渡车正常完成服务； （3）仿真时间T继续推进，转(2)； （4）仿真结束。 2.3 车辆逻辑定义 （1）加油车逻辑定义 定义多个离散状态变量（Discrete State）用于存放所需的结果数据，如车辆的编号、行驶距离、延误时长、到达停机位时间、服务完成时间等，同时为摆渡车建立旅客上下车以及加油车加油的过程触发器，加
9、油车加油过程设定如图1所示，Assign3记录车辆到达时间，判断是否产生延误，将未发生延误的航班和延误的航班分别写到不同的excel中，并随着仿真运行结果输出。 （2）车辆行驶路径的逻辑定义 分析摆渡车和加油车的工作量，在模型路径终端处建立附加过程触发器（Reached End），当有对象经过节点处，系统会自动记录车辆此次行驶的距离，触发器命名为record -vehicle-distance，车辆最终行驶距离存放于车辆自定义变量TotalDistance，表示为： Vehicle.TotalDistance= Vehicle.Movement+ Ve-hicle.TotalDistance
10、（1） 其中，Vehicle.Movement是系统自带变量，用于存放车辆的移动路径长度。 图1 加油车加油过程触发器 2.4 优化目标 机坪地面作业延误是航班延误的原因之一，航班延误具有网络传播效应。因此，机坪车辆调度的目标是合理分配服务车辆，避免因服务造成航班延误，减少延误时长。同时从设备利用率的角度出发，需平衡设备工作能力，有效利用资源。则优化目标函数可表示为： =Niidsign1)(min （2） )(min,kjkjPP （3） 其中，id表示第i个航班由于服务造成的延误时间；)(idsign是一个符号函数，可表示为=0,00,1)(iiidddsign；jP表示j号车服务的航班数
11、；kP表示k号车服务的航班数且kjPP 。式（2）要求延误的航班总数最小，式（3）要求车辆之间负荷差最小。 3 机场地面作业仿真系统实现 3.1 数据采集 根据某机场的调研数据，有11个远机位，3个航站楼远机位登机口，1个机坪出口。机场目前摆渡车的数目为6辆，最大行驶速度为30 km/h；6辆加油车，最大行驶速度为30 km/h。仿真当日共有29个到港远机位航班，28个离港远机位航班。 3.2 系统验证 模型运行时间24小时，通过View菜单下的Camera Placement将Camera设定为Follow July 2014 中 国 民 航 飞 行 学 院 学 报 Vol.25No.4 J
12、ournal of Civil Aviation Flight University of China 27 behind，跟踪每一辆车的行驶规则，观察是否与实际一致。经验证，运行中没有出现问题。 3.3 仿真分析 根据目标机场某日的航班数据，远机位到港航班高峰期在16:00- 17:00以及22:00- 23:00这两个时间段，分别有4个航班进港；在19:00- 20:00和21:00-22:00处于低谷期，到达航班数为0。远机位离港航班高峰时段为17:00- 18:00，有5个离港航班；9:00 -10:00及19:00-20:00离港航班数为0。 对采集到的实际生产数据进行仿真，得到结果
13、如表1所示。由于数据结果中加油车只有4辆处于工作状态，所以只给出4辆加油车运行数据。摆渡车编号分别为1、2、3、4、5、6，加油车编号为1-1、1-2、1-3、1-4。 由表2知摆渡车和加油车的工作任务分配是不合理的，1号和2号摆渡车负责了大部分的旅客接送服务，日利用率超过了其他4辆摆渡车，服务航班数也远多于其他车辆。同时，由摆渡车造成了2个航班延误。加油车1-1服务的航班数远大于其他加油车的服务航班数，日利用率近乎于其余3辆加油车日利用率。对于这种车辆工作量极其不平衡的情况，需要对整个系统进行优化处理。 3.4 地面作业仿真系统的优化 由以上对机场地面作业的仿真结果可知，对系统的优化包括两个
14、方面：均衡每辆车的工作量，使工作量之差最小；在尽可能减少航班延误的情况下合理分配车辆数目，节约机场资源。 3.4.1 改变车辆选择条件 表1 车辆运行数据 车辆 编号 行驶距离（米） 服务 航班数 日利 用率 1 30370.65 27 37.02% 2 23178.2 23 25.98% 3 13651.93 14 15.18% 4 11098.04 10 12.25% 5 6746.13 6 6.9% 6 2610.5 3 2.7% 1-1 9165.45 14 49.67% 1-2 6778.04 9 32.4% 1-3 2666.25 4 14.28% 1-4 880.65 1 3.7
15、% 表2 优化前后运行结果对比 车辆编号 服务航班数（个） 工作时长（小时） 行驶距离（米） 优化前 优化后 优化前 优化后 优化前 优化后 1 27 21 6.83 3.71 30370.65 16816.24 2 23 18 4.79 2.95 23178.2 14755.31 3 14 13 2.80 2.90 13651.93 14642.14 4 10 12 2.26 2.90 11098.04 14202.65 5 6 12 1.27 3.00 6746.13 14143.85 6 3 11 0.49 3.06 2610.5 14026.09 1-1 14 7 6.38 3.19
16、9165.45 4282.77 1-2 9 7 4.16 3.21 6778.04 4860.75 1-3 4 7 1.83 3.24 2666.25 5587.88 1-4 1 7 0.47 3.21 880.65 4758.9 针对系统运行出现车辆分工不均衡的问题，调整系统中车辆选择策略，在SIMIO到达源出口节点处设置车辆选择目标（Seclection Goal）为车辆服务航班数最小值，产生车辆需求之后，自动搜寻已服务航班数最少的车辆为之服务。表2给出了优化前后的数据对比，优化后车辆服务的航班数是相近的，即各车辆的工作量得到了合理的分配。1号摆渡车行驶距离优化前后相差13 554.41米
17、，服务航班数减少了6个，大大减少了该车的工作量。1-4号加油车的服务航班数从仅有的1个航班增加到7个航班，工作小时由0.47小时增加到3.21小时，分担了其他车辆的任务，提升了设备利用率。 3.4.2 改变车辆数目 由表1知有车辆工作量处于均值以下，此次通过减少车辆数目来提高车辆利用率。图2显示了改变车辆数目后的当日平均工作小时，以及造成的航班延误数量。车辆组合的前一个数是加油车车辆数目，后一个数是摆渡车车辆数目。当摆渡车减少到3辆、加油车减少到2辆时，造成的航班延误情况最严重，导致了15个航班延误。 根据各车辆组合方式的运行结果，当加油车和摆渡车数目分别为3、5的时候最为合适，此时 July
18、 2014 中 国 民 航 飞 行 学 院 学 报 Vol.25No.4 Journal of Civil Aviation Flight University of China 27 图2 改变车辆数目运行结果 有5个航班产生延误，比2辆加油车、3辆摆渡车时少了12个航班，延误时长为8.7分钟，满足民航局规定航班延误在15分钟以内的要求；车辆平均工作4小时，相比4辆加油车、6辆摆渡车时增加了0.86小时，提高了车辆工作时长，有效改善了车辆工作不均衡的现状。 参考文献 1 郑洁，高剑明. 机场地面作业调度问题研究J. 河北北方学院学报，2008（ 6）：6062 2 姚韵，朱金福，柏明国 .
19、航班过站地面服务的优化调度算法J. 信息与控制，2007 （ 4）：486492 3 R.Treude. Optimizing performance by monitoring the turnaround processC. 5th R&D Symposium , 2005, Braunschweig, Germany 4 Kenneth Kuhn, Steffen Loth. Airport Service Ve-hicle SchedulingC. Eighth USA/EuropeAir Traffic Management Research and Development Semi
20、-nar(ATM2009) （上接第23页）最后进近航段的指示空速为240 km/h，保护区宽度W=900，可以得到图5。 图4 对话框界面 图5 CAD下使用规定航迹的目视盘旋等待保护区图 参考文献 1 辜运燕. 基于 Arc GIS 的仪表飞行程序设计J. 交通科技与经济，2009 （2 ）：114 -115 2 卢敏. 基于 GIS 的飞行程序设计D. 北京：北方工业大学，2006 ：2-5 3 侯欢欢. 基于 Arc GIS 的电子沙盘生成方法研究D. 太原：太原理工大学，2010 4 Glem Taylor， MSG Jeff Miller， Jeff Maddox. Automat
21、ing Simulation-Based Air Traffic ControlJ. Interservice/Industry Training ， Simulation ， and Education Conference， 2005：2193 5 刘良华，朱东海AutoCAD2000 ARX 开发技术M 北京：清华大学出版社，2000 6 李晓明，伏宇 AutoCAD 使用与开发指南M北京：国防工业出版社，2011 7 戴福清. 飞行程序设计M. 天津： 天津科学技术出版社，2000 8 朱代武目视和仪表飞行程序设计M 成都：西南交通大学出版社，2004 9 吴洁明，赵安计算机辅助设计航
22、空器目视盘旋进近程序 J航空计算机技术，2004 ， 34(1)：59-61 10 台林 . 飞行程序辅助设计 V1.1软件的设计J. 空中交通管理，2002 （ 3）：17- 19 机场地面作业仿真与优化作者： 黄鹂诗， 杨文东， Huang Lishi， Yang Wendong作者单位： 南京航空航天大学民航学院 江苏南京 211106刊名： 中国民航飞行学院学报英文刊名： Journal of Civil Aviation Flight University of China年，卷(期)： 2014(4)引用本文格式：黄鹂诗.杨文东.Huang Lishi.Yang Wendong 机场地面作业仿真与优化期刊论文-中国民航飞行学院学报 2014(4)
