停機位容量評估及其包絡線分析

李軍會，朱金福，陳 欣

(1.南京航空航天大學 經(jīng)濟與管理學院，南京 210016; 2.南京財經(jīng)大學 管理科學與工程學院，南京 210046)

基礎(chǔ)科學

停機位容量評估及其包絡線分析

李軍會1，朱金福1，陳 欣2

(1.南京航空航天大學 經(jīng)濟與管理學院，南京 210016; 2.南京財經(jīng)大學 管理科學與工程學院，南京 210046)

為客觀評估停機位系統(tǒng)保障能力，探索機位容量提升方法，將進出港航班的地面作業(yè)時間、停機位緩沖時間及航班定位時間引入到容量模型，設(shè)計了一種改進型的停機位系統(tǒng)容量評估模型。以國內(nèi)某機場為例，使用停機位容量包絡線方法，分別從進出港航班比例變化、機型組合比變化、機位利用率和航班平均機位占用時間同時變化三個方面，對停機位系統(tǒng)的容量進行了評估分析。使用該模型和容量分析方法，可以為機場運行管理人員在制訂機位容量提升計劃、組織高峰時段航班運作及制訂中遠期機位規(guī)劃等方面提供有益的決策支持。

停機位；容量；評估模型；包絡線分析

機位容量評估管理是機場運營管理最重要的基礎(chǔ)性工作之一，它對評估機場機位系統(tǒng)的航班保障能力、制訂航班機位指派計劃及提高現(xiàn)有機位利用效率具有現(xiàn)實意義，也可以為機場中遠期發(fā)展規(guī)劃提供決策支持。停機位容量分為理論容量和實際容量，其中理論容量是指在航班對停機位有持續(xù)需求條件下，單位時間內(nèi)一定數(shù)量的停機位能夠保障的航班架次率，它不考慮航班的延誤問題。實際容量則是在滿足所有機位使用約束和機場地面運行規(guī)則下，同時考慮航班延誤水平下的單位時間內(nèi)一定數(shù)量的停機位可以保障航班數(shù)量。

現(xiàn)有文獻中對機位容量的研究主要有：FAA[1-3]制定的停機位容量評估圖形技術(shù)，作為一種快速的機位容量評估方法，在過去較長的一段時間里被美國的絕大部分機場使用。這種方法主要適用于高峰小時的容量評估，評估模型沒有考慮航班延誤對停機位容量的影響。美國National Research Board[4]提出了一種航班停機位占用甘特圖分析方法，該方法適用于機場典型日停機位容量評估，對停機位專用和高峰小時的容量評估有一定局限性。De Meufville和Odoni[5]定義了停機位靜態(tài)容量和動態(tài)容量，概括了計算動態(tài)機位容量的步驟，提出使用停機位鎖定時間(SBT)的概念表示平均機位占用時間，但沒有考慮停機位利用率的因素。Horonieff和Mckelvey[6]總結(jié)分析了影響停機位容量的主要因素，并從停機位需求和供給的角度，提出了停機位容量評估的分析模型。Ashford和Wright[7]在分析停機位容量影響因素的基礎(chǔ)上，進一步分析了航班停機位占用時間的影響因素，通過算例比較了有機位使用約束和沒有機位約束條件下的停機位容量差異，提出停機位的系統(tǒng)容量是由容量水平最低的某種類型的停機位所決定的。Mirkovic[8]對以前研究者的停機位容量評估模型進一步進行了拓展，使用算例比較了所設(shè)計模型與FAA 圖形技術(shù)的容量評估結(jié)果，指出了圖形評估技術(shù)的不足之處，使用容量包絡方法分析了在給定機位供給和機型組合比條件下專用機位比例變化和機型組合比變化對停機場容量的影響。Steuart[9]研究了給定數(shù)量的停機位可以保障的航班數(shù)量，并對航班計劃和機場運行程序?qū)νC位使用效率的影響進行了分析。Caves[10]從飛機制造商要求、航班計劃、樞紐運作等方面，對航班過站時間對停機位容量的影響進行了分析。Saffarzadeh和Masoumi[11]從停機位的設(shè)計和優(yōu)化運作角度，對機位的容量和面積進行了研究。張晨等[12]使用航班后效晚點時間，結(jié)合機型混合比、航班時段百分比等建立了一種停機位容量計算模型。熊杰[13]以限定機位占用沖突延誤時間，滿足航班機型混合比、航班時段百分比、機型機位匹配等關(guān)系為條件，建立了停機位實際容量計算模型。Bishop[14]等對機場保障寬翼展飛機的停機位容量能力進行了研究，分析了通過增加飛機翼展提高航油使用效率與因此導致的停機位容量降低之間的平衡關(guān)系。Chen和Schenfeld[15]等對航班需求、機位建設(shè)成本、時間周期等因素不確定情況下的彈性停機位容量問題進行了研究。Mirkovic和Tosic[16]對機坪容量方面的研究進行了綜合回顧，把航班機型和停機位專用因素引入到容量模型，對停機位容量評估模型進行了進一步拓展，分析了停機位容量的彈性和變化。

本文將結(jié)合國內(nèi)機場的運作實際，綜合考慮專用機位問題、進出港航班比例及其不同的地面作業(yè)時間、機位緩沖時間以及航班定位時間等因素，設(shè)計一種改進型的機位容量評估模型，建立機位容量包絡線，分別從進離港航班比例變化、機型組合比變化、機位利用率和航班平均機位占用時間同時變化等三個方面，對停機位系統(tǒng)的容量進行分析。

1 停機位容量模型描述

1.1 模型參數(shù)定義

Nki—專用機位組k中i類停機位的數(shù)量,k=1,2,…,o,i=1,2,…,m

Uki—專用機位組k中i類停機位的機位利用率

1.2 機位容量評估模型

本文的機位容量是指整個機場(某機坪)單位時間(例如每小時)能夠保障的最大航班數(shù)量，包括進港航班和出港航班。

1.2.1 某一類型停機位的機位容量

任一類型停機位的容量都可以表示為：

(1)

(2)

(3)

1.2.2 機位專用群組機位容量

任一機位專用組k可能包括多個不同類型的停機位，其機位容量可以表示為：

(4)

整理后得到：

(5)

1.2.3 機場停機位系統(tǒng)機位容量

機場停機位系統(tǒng)的總?cè)萘坑善鋼碛械乃袑Ｓ脵C位群組的容量組成，可以表示為：

(6)

整理后得到：

(7)

由以上模型可知：

(1)當所有航班全部為進港航班時，可簡化為：

(8)

(2)當所有航班全部為出港航班時，可簡化為

(9)

(3)當機場所有停機位都可以被任意用戶使用，即不存在機位專用問題時，可簡化為

(10)

2 算例分析

本文以國內(nèi)某機場停機位系統(tǒng)及典型日高峰小時航班需求結(jié)構(gòu)為例進行算例分析。該機場擁有的停機位數(shù)量和類型、各類機位可?？匡w機的類型及比例、進/出港飛機地面作業(yè)時間、機位緩沖時間、航班定位時間等見表1。

根據(jù)本文模型，使用Matlab編程進行計算，得到該機場停機位系統(tǒng)在目前航班需求結(jié)構(gòu)下的最大機位容量為56.07架次/小時。其中，國際航班專用機位、基地航空公司國內(nèi)航班機位、其他航空公司國內(nèi)航班機位的機位容量分別為10.94、29.74、15.39架次/小時。

2.1 進出港航班比例對停機位容量的影響

本文進一步分析了進出港航班比例變化對機位容量的影響情況，結(jié)果見圖1。隨著進港航班比例的逐步增加，停機位系統(tǒng)容量的增加比例也逐步提高，當進港航班的比例增加到100%，停機位系統(tǒng)容量達到最高的69.69架次/小時。由于進出港航班比例的變化，高峰小時停機位系統(tǒng)的容量最大可以提高48.56%。

2.2 機型組合比對停機位容量的影響

假設(shè)該機場基地航空公司因戰(zhàn)略發(fā)展需要，計劃在未來一段時間內(nèi)逐步增加中型飛機在機隊中的比例，飛機機型組合比的具體變化見表2。由于3、4號類型的飛機只?？炕睾娇展綝類停機位，基地航空公司D類停機位在不同機型組合比情況下的機位容量計算結(jié)果如圖2所示。隨著中型飛機在機隊中比例的逐步上升，所?？客C位的機位容量呈相應下降趨勢。反之，當?shù)孛孀鳂I(yè)時間相對較長的機型比例逐漸減少時，停機位容量呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。

表1 航班需求結(jié)構(gòu)及停機位類型和數(shù)量

圖1 不同進出港航班比例停機位容量包絡線

表2 機型組合比變化

圖2 不同機型組合比停機位容量包絡線

2.3 停機位利用率與航班平均機位占用時間對機位容量的影響

某一具體類型的停機位而言，當停機位數(shù)量和機位利用率保持不變時，航班平均機位占用時間與機位容量的函數(shù)關(guān)系可以簡化為：

(11)

其中：

di=NiUi

(12)

(13)

(14)

機位利用率和機位占用時間同時變化所形成的機位容量可以通過曲面圖來表示，見圖3。曲面圖上的每一個點都表示不同機位占用時間和機位利用率水平下的停機位容量。頂點A表示當機位利用率最高且機位占用時間最短時的最大機位容量。頂點C表示當機位利用率最低且機位占用時間最長時的最小機位容量。從頂點D到A、頂點C到B的變化，反映了隨著機位利用率的提高機位容量逐漸增加的過程。從頂點A到B、頂點D到C的變化，反映了隨著機位占用時間的增加機位容量逐漸減少的過程。

圖3 停機位容量包絡線

3 結(jié)論

本文把進出港航班比例及其地面作業(yè)時間、機位緩沖時間以及航班定位時間引入到容量模型，設(shè)計一種改進型的停機位系統(tǒng)容量評估模型，以國內(nèi)某機場為例進行了應用分析。運用機位容量包絡線方法，分別從進離港航班比例變化、機型組合比變化、機位利用率和航班平均機位占用時間同時變化三個方面對停機位系統(tǒng)的容量進行評估分析。研究成果可以為機場運行管理人員在制訂機位容量提升計劃、組織高峰時段航班運作及制訂中遠期機位規(guī)劃等方面提供有益的決策支持。

[1]Federal Aviation Administration.Techniques for determining airport airspace capacity and delay [R].Washington D.C:FAA,1976.

[2]Swedish W J.Upgraded FAA Airfield Capacity Model[R].The MITRE Corporation,McLean,Virginia,1981.

[3]Federal Aviation Administration.Airport Capacity and Delay,Advisory Circular 150/5060[R].Washington D.C:FAA,1983.

[4]Transportation Research Board.Measuring airport landside capacity[R].Washington D.C:TRB,1987.

[5]De Meufville R,Odoni A.Airport systems:planning,design and management [M].New York,United States:McGraw-Hill,2003:424-430.

[6]Horonieff R,Mckelvey F X.Planning and design of airports [M].5thed.New York,United States:McGraw-Hill,2010：250-254,538-541.

[7]Ashford N J,Wright P H.Airport engineering:planning,design,and development of 21st century airports [M].4rd ed.Hoboken,United States:John Wiley & Sons Inc,2011:264-266.

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[9]Steuart G N.Gate Position Requirements at metropolitan airports [J].Transportation Science,1974,8(2):169-189.

[10]Caves R.A search for more airport apron capacity [J].Journal of Air Transport Management,1994,1(2):109-120.

[11]Saffarzadeh M,Masoumi G.An optimum analysis and design model for airport aprons [J].Iranian Journal of Science & Technology Transportation B,2004,28(B5):519-528.

[12]張晨,胡思繼.基于后效晚點時間的機位容量評估研究[D].北京:北京交通大學,2007.

[13]熊杰.樞紐機場近機位分配及其容量計算理論依據(jù)[D].北京:北京交通大學,2009.

[14]Bishop K C,Hansman J R.Assessment of the ability of existing airport gate infrastructure to accommodate transport category aircraft with increased wingspan for improved fuel efficiency[R].Cambridge:Massachussets Institute of Technology International Center for Air Transportation,2013.

[15]Chen C,Schonfeld P.Uncertainty analysis for flexible airport gate development [J].Procedia-Social and Behavioral Sciences,2013,96:2953-2961.

[16]Mirkovic B,Tosic V.Airport apron capacity:estimation,representation and flexibility[J].Journal of Advanced Transportation,2014,48:97-118.

(責任編輯：趙金蘭 英文審校：劉敬鈺)

Airportgatecapacityestimationanditsenvelopeanalysis

LI Jun-hui1,ZHU Jin-fu1,CHEN Xin2

(1.College of Economic and Management,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China；2.School of Management Science and Engineering,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210046,China)

To objectively estimate ability of airport gate system to serve flights,explore techniques for gate capacity enhancement,Mixture and Ground Operation Time of arrival and departure flight,Gate Buffer Time and Flight Position Time were introduced to capacity model.An improved airport gate system capacity estimation model was formulated.Over the real data on airport gates and flights from an airport in China,capacity of the airport gate system was estimated and analyzed.

airport gate;capacity;estimation model;envelope analysis

2014-04-01

國家自然科學基金資助項目(項目編號：71171111)； 國家自然科學基金資助項目(項目編號：71103034)

李軍會(1970-)，男，陜西西安人，博士研究生，研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理，E-mail：ericlee2au@gmail.com。

2095-1248(2014)05-0077-05

V351.11

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.05.015