机场地面作业仿真与优化.pdf

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 process 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 equipment 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 Operation 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] 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 ①设置事件发生时间ts ②设置事件发生时间t ； s对应的停机位Ns ③设置事件发生时间t ； s所需摆渡车数量As ④设置摆渡车计划到达指定停机位时间T ； s ⑤设置仿真钟 T=t； ； ⑥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 （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： ∑ = N i i dsign 1 )(min （2） )(min , ∑ − kj kj PP （3） 其中， i d表示第i个航班由于服务造成的延 误时间；)( i dsign是一个符号函数，可表示为    = = 0, 0 0, 1 )( i i i d d dsign； j P表示j号车服务的航班 数； k P表示k号车服务的航班数且 kj PP 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 Journal 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% 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 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。