基于資源優(yōu)化的樞紐機場中轉仿真＊

張曉光 朱金福 陶婧婧

（交通運輸部規(guī)劃研究院1） 北京 100028） （南京航空航天大學民航學院2） 南京 210016）

對于樞紐機場而言，如何提高中轉旅客的流程效率是其實現(xiàn)自身樞紐戰(zhàn)略目標的關鍵性技術．隨著國內航空運輸業(yè)的迅速發(fā)展和航空需求的急劇增長，機場容量逐漸達到飽和，隨之出現(xiàn)了一系列問題，比如：高峰時段的機場擁擠狀況、飛機延誤增加、服務質量嚴重下降，等等．導致這些問題產(chǎn)生的根本原因在于機場資源有限性和航空需求快速增長之間的矛盾，而要解決這些問題就必須要對機場的關鍵資源進行合理的優(yōu)化配置．由于每個中轉航班上的中轉旅客從下機到抵達中轉大廳的時間相對較為集中（見圖1），這種中轉流程中設施資源與中轉旅客流量不匹配的問題給樞紐機場的運行和發(fā)展帶來了較大的困難，因此也就成為了機場當局急于解決的問題．

圖1 中轉航班旅客到達中轉廳分布圖

目前國內外對于中轉流程中的資源優(yōu)化問題的研究尚屬于起步階段，相關研究如下：S．Hafizogullari，P．Chinnusamy和 C．Tunasar［1］從航空公司的角度出發(fā)探討了旅客聯(lián)程中轉問題．他們著重考慮了如何利用仿真的方法來評估一個航空公司的中轉航班最小銜接時間．朱金福等［2］對樞紐機場運行規(guī)劃做了比較詳盡的闡述，論述了樞紐機場的運行特點、中轉旅客流程的規(guī)劃、中轉行李流程規(guī)劃等問題．施瑋靜等［3］提出一個簡捷有效的優(yōu)化方案來統(tǒng)籌上海到達的國內航班，使來上海作跨機場換乘的旅客總人次最少．由此可見，無論是國外學者還是國內學者對于機場旅客中轉流程的研究大多只停留在數(shù)據(jù)分析和理論研究的層面上．因此，本文所專注的問題在于如何通過中轉流程中設施資源與中轉旅客流量匹配研究來縮短旅客的中轉時間并提高機場資源的利用率．

1 旅客中轉資源仿真優(yōu)化模型

1．1 中轉流程及相關環(huán)節(jié)

根據(jù)旅客抵港航班與目標中轉航班類型的不同，旅客中轉流程可以劃分為國內中轉國內、國內中轉國際、國際中轉國際和國際中轉國內四類［4］，不同航班類型之間的中轉更是涉及了不同的中轉 流程設施，見圖2．

圖2 旅客中轉流程圖

1）中轉值機 在中轉值機環(huán)節(jié)，機場普遍采用公用式的值機柜臺，每個旅客隊列對應一個值機柜臺．其資源使用效率明顯高于專用柜臺的使用效率，辦理值機服務人員的服務速度及隊列長度決定高峰時段旅客等待時間［5］．

2）安全檢查 安檢包括兩部分：旅客人身安檢和隨身行李安檢．其中影響效率的主要環(huán)節(jié)是安檢員手動人身檢查和行李開箱檢查．走廊的寬度決定檢查通道的設置數(shù)量，通道數(shù)量是安全檢查容量的決定因素［6］．

3）其他檢查 海關檢查對出入國境的一切商品和物品進行監(jiān)督、檢查并照章征收關稅；邊防檢查主要檢查旅客的護照；檢驗檢疫則包括衛(wèi)生檢疫、動植物檢疫和商品檢驗等．

1．2 仿真目標

由于機場1 d中不同時段的中轉旅客到達數(shù)和類型都不同，如果中轉資源開放太多就會在旅客流量低谷時出現(xiàn)資源閑置浪費，而開放太少又會在旅客流量高峰時出現(xiàn)旅客排隊擁擠．如果能實時地根據(jù)中轉旅客到達情況動態(tài)分配中轉設施開放數(shù)量的話，將減少資源的使用數(shù)量和設施的工作時間，以此為目的，本模型采用離散事件仿真的方法，在保證滿足旅客平均排隊時間和平均排隊數(shù)量都達到相應服務柜臺基本設計標準和機場服務水平的條件下，對旅客中轉資源進行仿真優(yōu)化，根據(jù)每日中轉航班的情況為每個航班分配合理的中轉資源，實現(xiàn)資源的按需分配，優(yōu)化旅客中轉流程的運行效率．具體仿真目標包括3個方面：（1）實現(xiàn)各種中轉類型的旅客中轉流程仿真；（2）為每個航班實時指派中轉設施資源；（3）提高機場的中轉資源利用率和旅客中轉效率．

1．3 模型假設

旅客中轉資源仿真優(yōu)化模型模擬了航站樓內全天所有中轉航班的運行情況，模擬的流程比較復雜，所以在不影響仿真效果的情況下，對模型做了如下假設和定義：（1）仿真模型的運行周期為全天24 h，設定系統(tǒng)開始時間為某典型日零點；（2）在仿真初始狀態(tài)，系統(tǒng)內沒有任何旅客，設備和工作人員都處于就緒狀態(tài)；（3）所有工作人員的工作排班基于一定的柔性安排，即在其工作時間段內可以隨時投入工作或暫時休息；（4）模型中只涉及中轉航班，旅客的到達時間、到達人數(shù)和中轉類型數(shù)據(jù)等均基于中轉航班時刻表產(chǎn)生；（5）旅客隊列服務遵循先到先服務原則（FIFO），且旅客能夠自行選擇最短隊列排隊（最有利原則）；（6）旅客辦理完中轉手續(xù)后退出系統(tǒng)，系統(tǒng)記錄旅客完成中轉流程的整個時間．

1．4 模型構建

根據(jù)1．2中的模型仿真目標和1．3中對模型的假設，以單個中轉服務設施為例建立基于資源優(yōu)化的旅客中轉仿真模型．

旅客從中轉抵港航班下機，并通過指定的抵港長廊從各入口進入中轉大廳，到達這種中轉服務設施的工作區(qū)．中轉旅客首先前往已開放的服務柜臺準備接受服務，柜臺的初始開放數(shù)根據(jù)其中轉服務類型而定．當?shù)竭_的中轉旅客逐漸增加，初始開放的服務柜臺前排隊的旅客逐漸增多而接近了機場相應服務柜臺的基本設計標準時，現(xiàn)有的已開放服務設施數(shù)量將無法滿足IATA規(guī)定的機場C級服務標準，這時自動增加一個新的服務柜臺以減緩壓力，那么隨后到達該中轉工作區(qū)的旅客將進行判斷，如果已開放的服務柜臺前的旅客排隊數(shù)小于設計指標，那么旅客將前往已開放服務柜臺進行服務；如果旅客排隊數(shù)已經(jīng)超出其設計標準，那么旅客將前往新增加的服務柜臺．如果已開放的服務柜臺數(shù)仍不能滿足其設計標準和機場服務水平，那么繼續(xù)增加新的服務柜臺，以此類推，直到服務完所有的中轉旅客．在所有中轉旅客完成中轉流程后統(tǒng)計各中轉資源的使用情況，記錄每個時段各種資源的開放數(shù)量，用這種優(yōu)化方案來優(yōu)化中轉資源的利用率，實現(xiàn)資源的合理有效分配．其資源優(yōu)化流程圖見圖3．

圖3 資源仿真優(yōu)化模型流程圖

2 旅客中轉資源仿真優(yōu)化系統(tǒng)設計

選取SIMIO仿真系統(tǒng)作為開發(fā)平臺．根據(jù)設計的旅客中轉資源仿真優(yōu)化系統(tǒng)，需要設置以下建模元素．

1）實體（model entity）：實體即旅客．

2）源對象（source）：為中轉旅客進入系統(tǒng)的地點，即機場國際和國內抵港長廊．

3）處理器（server）：處理器在本系統(tǒng)中代表各種中轉服務設施，處理器的處理時間服從一定的正態(tài)分布．處理器還可以限制其等待服務的實體的排隊長度．

4）路徑（path）：在本系統(tǒng)中路徑表示旅客的行走路線，其中包括實體的選擇權重屬性．

5）基本節(jié)點（basic node）：本系統(tǒng)中的基本節(jié)點根據(jù)路徑邏輯的選擇權重將旅客分流．

6）轉移節(jié)點（transfer node）：本系統(tǒng)中的轉移節(jié)點根據(jù)中轉柜臺排隊情況來轉移旅客．

7）退出對象（sink）：本系統(tǒng)中的退出對象是中轉旅客離開系統(tǒng)的地點，即機場國際和國內候機大廳．

3 旅客中轉資源仿真優(yōu)化系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)校驗日定于2007年3月30日，使用上海浦東國際機場的實際航班調研信息，以核實及校正仿真模型．當日浦東國際機場的中轉航班正確性驗證結果為：全天中轉航班69架次，其中國際中轉國內航班23架次，國內中轉國際航班23架次，國際中轉國際航班12架次，國內中轉國內航班11架次．仿真輸出的中轉航班分布與當日真實運行情況基本相同．

當浦東國際機場的中轉旅客流程正確性驗證結果為：全天完成旅客中轉1 847人，其中國內轉國內旅客341人，國內轉國際旅客615人，國際轉國內旅客527人，國際轉國際旅客364人．仿真輸出的中轉旅客量與當日真實運行情況基本相同．通過本系統(tǒng)對浦東國際機場中轉航班和中轉流程運行的仿真校驗，證明仿真系統(tǒng)能夠真實模擬浦東國際機場的運行狀況，為中轉流程研究提供可靠、高效的系統(tǒng)平臺．

4 仿真實例應用與分析

以一個國際中轉國內的航班波為例，對其進行動態(tài)中轉服務資源指派．該航班波中第一個航班的到達時刻為14：41（即仿真時刻的第881 min），最后一個航班的到達時刻為15：54（即仿真時刻的第954 min），航班波總長度為73 min，其中包含11個中轉航班，需要中轉的旅客總數(shù)為313人．將各個航班的到達時刻和中轉旅客數(shù)輸入到系統(tǒng)中，按照中轉旅客國際轉國內的中轉流程得到的資源指派結果如表1所列．

由表1中可見，所有中轉服務設施開放總時間為938 min，比機場實際運行的1 040 min減少了11%，節(jié)省了機場的寶貴資源，同時也提高了機場中轉資源的利用率．其中每個中轉柜臺的平均開放時間均小于IATA規(guī)定的機場服務C級標準，而單個柜臺的開放最長時間也在機場資源的合理使用范圍內．由此可見，本系統(tǒng)可以節(jié)約機場的寶貴資源，使其減少無謂的閑置和浪費．

表1 中轉航班波資源開放時間 min

各中轉服務資源的服務數(shù)據(jù)見表2，可以看出，各服務柜臺前的旅客排隊數(shù)和排隊時間均符合機場設計要求，中轉旅客排隊情況較為平均，沒有短時間排隊高峰或長時間資源閑置等問題．由此可見，本系統(tǒng)能夠根據(jù)中轉航班或中轉航班波的到達信息和到達的中轉旅客人數(shù)來指派合理的中轉資源，滿足中轉流程的順利完成，最大限度地減少旅客的排隊時間，使各中轉服務資源使用情況基本滿足IATA的機場C級服務標準．

表2 各中轉服務資源的服務數(shù)據(jù)

從系統(tǒng)仿真結果輸出的報告來看，整個航班波的旅客中轉流程平均耗時39 min，符合IATA規(guī)定的機場設計中轉最短銜接時間（國際轉國內為45～60 min）．從圖4中可以看出，機場中轉廳內的各種中轉資源是根據(jù)中轉航班或中轉航班波的到達信息動態(tài)實時開放的，并根據(jù)中轉旅客的到達情況自動地增減開放的資源數(shù)，同時保證各項指標均優(yōu)于IATA規(guī)定的機場C級服務標準．

圖4 中轉資源動態(tài)開放情況

由此可見，機場的中轉設施資源并不需要全天24 h不間斷地開放和工作，可以在保證機場服務質量的前提上動態(tài)地進行工作計劃的指派，從而節(jié)省了機場的寶貴資源和勞動力，同時又提高了各種中轉資源的利用率．

5 結束語

闡述了樞紐機場旅客中轉流程及其相關環(huán)節(jié)，提出了基于資源優(yōu)化的建模思想，運用離散事件仿真的方法來對樞紐機場的旅客中轉流程進行建模，使用SIMIO仿真建模軟件實現(xiàn)了旅客中轉資源仿真優(yōu)化系統(tǒng)設計，從機場資源優(yōu)化的角度出發(fā)，通過對中轉設施資源的有效地利用優(yōu)化了旅客的中轉流程．優(yōu)化結果表明，動態(tài)分配的機場資源實現(xiàn)了中轉資源利用率的最大化，通過中轉流程中設施資源與中轉旅客流量的匹配縮短了旅客的中轉時間并提高了機場的資源利用率．

［1］Hafizogullari S，Chinnusamy P，Tunasar C．Simulation reduces airline misconnections：a case study［C］／／Proceedings of Winter Simulation Conference．2002：1 192－1 198．

［2］朱金福．航空運輸規(guī)劃［M］．西安：西北工業(yè)大學出版社，2009．

［3］施瑋靜，華 誠，丁光宏．上海機場中轉旅客轉機場優(yōu)化方案［J］．中國民航大學學報，2010，28（1）：41－44．

［4］夏薔薇．計算機仿真技術在樞紐機場中轉流程研究中的應用［D］．南京：南京航空航天大學交通運輸規(guī)劃與管理系，2008．

［5］Allauddin J．Airport access planning，process and design：An overview［D］．Hong Kong：University of Hong Kong，2003．

［6］Alexandre Gomes de Barros．Planning of Airports for the New Large Aircraft［D］．Calgary：University of Calgary，2004．