機(jī)位容量因其數(shù)量影響的仿真運(yùn)行及量化關(guān)系研究

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 機(jī)場(chǎng)工程與運(yùn)輸管理學(xué)院 四川 廣漢 618307)

引言

近年來我國(guó)航空運(yùn)輸量一直處于穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，截至2019年底，在239個(gè)境內(nèi)機(jī)場(chǎng)中，年旅客吞吐量超過1000萬人次以上的機(jī)場(chǎng)就有39個(gè)，距上年增長(zhǎng)7個(gè)[1]。同時(shí)，據(jù)歐洲空客公司發(fā)布的2013-2032全球民用航空市場(chǎng)的預(yù)測(cè)顯示，未來20年新增客機(jī)需求和貨機(jī)需求將達(dá)到29220架，全球航空運(yùn)輸量年均增長(zhǎng)率為4.7%。民航運(yùn)輸量的增長(zhǎng)勢(shì)必會(huì)造成機(jī)場(chǎng)的機(jī)位資源緊缺，機(jī)位特別是近機(jī)位容量問題也將成為繼跑道容量問題之后又一限制機(jī)場(chǎng)容量的瓶頸。目前解決機(jī)位資源緊缺的手段有以下兩種：一是合理分配使用停機(jī)位；二是擴(kuò)建機(jī)位或新建機(jī)場(chǎng)[2]。與較為成熟的機(jī)位分配問題的相關(guān)研究和機(jī)場(chǎng)計(jì)算機(jī)輔助人工機(jī)位分配手段相比，我國(guó)目前卻尚無完善的機(jī)場(chǎng)機(jī)位設(shè)置的相關(guān)規(guī)范和建議。因此本文將通過分析不同類型近機(jī)位數(shù)量變化對(duì)近機(jī)位容量的影響，探討機(jī)位容量?jī)?yōu)化下的機(jī)位數(shù)量，為我國(guó)機(jī)場(chǎng)機(jī)位的改擴(kuò)建計(jì)劃提供豐富思路和建設(shè)依據(jù)。

一、機(jī)位容量影響因素分析

機(jī)場(chǎng)機(jī)位容量是指在實(shí)際航班生產(chǎn)過程中，在一定的服務(wù)水平和機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間下，某機(jī)位能服務(wù)并容納的最大航班數(shù)量，機(jī)位總?cè)萘繛楦黝愋涂梢杂筛鱾€(gè)機(jī)位容量乘以該機(jī)場(chǎng)相關(guān)機(jī)位數(shù)得之[3]。而機(jī)位容量的影響因素復(fù)雜繁多，且不同影響因素與機(jī)位容量聯(lián)系密切程度又有所不同。本節(jié)將基于機(jī)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，總結(jié)歸納機(jī)位容量的相關(guān)影響因素，分析各影響因素與機(jī)位容量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

(1)機(jī)位與航班匹配關(guān)系。機(jī)位與保障航班的匹配主要包括數(shù)量和類型上的匹配。一方面，由于特定停機(jī)位只能停放其允許最大機(jī)型及其以下機(jī)型的容量約束問題，當(dāng)機(jī)位類型與運(yùn)行航班匹配不當(dāng)時(shí)，非匹配機(jī)位將處于空閑狀態(tài)，該機(jī)位單一容量將大大減少；另一方面，由于同一機(jī)位資源在任何時(shí)刻只允許一架航空器的占用獨(dú)占制約問題，當(dāng)機(jī)位數(shù)量與高峰小時(shí)航班數(shù)量匹配不當(dāng)時(shí)，過站航班的保障工作需排隊(duì)等待至機(jī)位資源的占用結(jié)束，過站地面保障工作或?qū)⒊蔀橛绊懺摍C(jī)場(chǎng)航班正常運(yùn)行的短板。因此，為避免機(jī)位資源的閑置浪費(fèi)和機(jī)位容量的必要保障，應(yīng)根據(jù)機(jī)場(chǎng)主要運(yùn)行航班類型和高峰小時(shí)航班數(shù)量共同決定機(jī)位數(shù)量和類型設(shè)置。

(2)機(jī)位占用時(shí)間要素。機(jī)位占用時(shí)間要素主要包括機(jī)位過站保障時(shí)間、機(jī)位最小安全間隔時(shí)間、機(jī)位緩沖時(shí)間。機(jī)位過站保障主要包括廊橋及客梯車對(duì)接、電源空調(diào)和氣源設(shè)備提供、擺渡車到位、客艙清潔、污水操作、餐食及機(jī)供品配送、航油加注、機(jī)組及乘務(wù)組保障、貨郵行李裝載等流程[4]，過站保障時(shí)間主要與機(jī)位保障的機(jī)型類別有關(guān)；機(jī)位的最小間隔時(shí)間與前后行航班的飛機(jī)類型、機(jī)位類型、飛機(jī)在機(jī)位上的停放關(guān)系有關(guān)；機(jī)位緩沖時(shí)間則根據(jù)各機(jī)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行水平自行決定。

(3)機(jī)位分配使用策略。機(jī)位分配需嚴(yán)格按照民航局發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和原則進(jìn)行操作。此外，根據(jù)機(jī)場(chǎng)與航空公司的機(jī)位簽訂協(xié)議，現(xiàn)機(jī)位分配使用策略可分為獨(dú)占策略、偏好使用策略、聯(lián)合使用策略和共用策略[5]。航空公司獨(dú)占策略是指機(jī)場(chǎng)與某航司簽訂特定區(qū)域機(jī)位獨(dú)占的租賃合同。這種策略往往會(huì)面臨其它航空公司航班急需機(jī)位卻得不到空閑機(jī)位的尷尬局面；而偏好使用策略為機(jī)場(chǎng)與航司簽訂允許機(jī)場(chǎng)調(diào)度空閑機(jī)位的相關(guān)協(xié)議，但這種協(xié)調(diào)將會(huì)讓簽訂合同的航司陷入自身機(jī)位需求難以完全滿足的困境；聯(lián)合使用策略是指機(jī)場(chǎng)與多家航空公司共同簽訂特定機(jī)位租賃合同，在該策略下，機(jī)場(chǎng)能更加科學(xué)合理得分配機(jī)位資源，將機(jī)位利用最大化；公用策略是指有機(jī)場(chǎng)方作為機(jī)位分配權(quán)力的決定者，該策略一般適用于機(jī)位能滿足所有航班需求的流量較小的機(jī)場(chǎng)。

(4)航站樓構(gòu)型及機(jī)位分區(qū)。航站樓構(gòu)型主要分為指廊型、T型、衛(wèi)星型、前線型、轉(zhuǎn)站車型五中基礎(chǔ)類型。不同構(gòu)型的航站樓直接影響了機(jī)位的空間布局，這將會(huì)發(fā)生航班進(jìn)出機(jī)位限制條件和影響附近區(qū)域機(jī)位范圍的不同，導(dǎo)致保障工作受到影響；此外，機(jī)場(chǎng)對(duì)客貨機(jī)坪、專機(jī)/公務(wù)機(jī)坪、維修機(jī)坪等機(jī)位分區(qū)的細(xì)化程度也會(huì)影響保障工作的安排。

結(jié)合以上分析和前人研究，與機(jī)場(chǎng)的容量聯(lián)系最為密切的因素為機(jī)位與航班的匹配關(guān)系和機(jī)位占用時(shí)間要素[6]。結(jié)合本文研究重點(diǎn)，本文將以各類型機(jī)位平均保障時(shí)間作為機(jī)位占用時(shí)間要素，簡(jiǎn)化仿真模型構(gòu)建的同時(shí)著重探討航班與機(jī)位匹配性對(duì)機(jī)位容量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

二、機(jī)位過站保障流程仿真建模

機(jī)位過站保障服務(wù)可以看做是一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)，不同類型的機(jī)位作為服務(wù)臺(tái)，同時(shí)根據(jù)機(jī)位和航班的類型匹配關(guān)系有條件地對(duì)航班進(jìn)行保障服務(wù)，Arena仿真軟件可視化的流程建模功能符合本文仿真要求，因此本節(jié)將基于該仿真工具，對(duì)機(jī)位過站保障工作的相關(guān)邏輯流程進(jìn)行搭建，運(yùn)行調(diào)試后記錄并輸出運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)。

各機(jī)場(chǎng)機(jī)位的設(shè)置主要根據(jù)該機(jī)場(chǎng)主要運(yùn)行機(jī)型占比決定，目前我國(guó)絕大多數(shù)機(jī)場(chǎng)主要運(yùn)行機(jī)型為C類機(jī)，D、E類機(jī)占比相對(duì)較少。經(jīng)過多機(jī)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各機(jī)場(chǎng)的機(jī)位類型和航班性質(zhì)特別是高峰時(shí)段的航班類型能夠基本匹配，未來機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建機(jī)位難點(diǎn)主要還是在于對(duì)機(jī)位數(shù)量的把控，因此本文設(shè)置C、D、E類型航班數(shù)量和機(jī)位數(shù)量占比分別為65%，17.5%，17.5%；同時(shí)設(shè)置各類型的機(jī)位平均保障時(shí)間分別為52分鐘、68分鐘和79分鐘。

Arena仿真流程搭建步驟如下：

(1)首先在source模塊中創(chuàng)建實(shí)體，本文以進(jìn)港飛機(jī)作為移動(dòng)實(shí)體，飛機(jī)到達(dá)服從泊松分布。每次到達(dá)飛機(jī)數(shù)量一架次，初始值為0，同時(shí)在Assign模塊中創(chuàng)建仿真時(shí)鐘；

(2)在Decide模塊中設(shè)置多個(gè)分流口表示單個(gè)實(shí)體通過對(duì)應(yīng)機(jī)位的選擇進(jìn)入機(jī)位過站保障，其中輸入C、D、E類型航班數(shù)量占比；

(3)當(dāng)進(jìn)港飛機(jī)滑入機(jī)位時(shí)，需保證該機(jī)位資源無其他飛機(jī)占用，且保障期間不允許其他飛機(jī)搶占該資源，因此，在Process資源池設(shè)置每個(gè)機(jī)位容量為1，即表示某時(shí)段該機(jī)位有且只能保障一架飛機(jī)，同時(shí)輸入各類型機(jī)位平均服務(wù)時(shí)間；

(4)同時(shí)設(shè)定用于保障服務(wù)的機(jī)位數(shù)量，具體數(shù)量由機(jī)位總數(shù)和類型占比共同決定；

(5)待保障服務(wù)完成后，實(shí)體完成系統(tǒng)流程，進(jìn)入Dispose模塊代表實(shí)體完成系統(tǒng)流同時(shí)機(jī)位資源得以釋放，最后以Record模塊中記錄實(shí)體在系統(tǒng)中的逗留時(shí)間。

輸入調(diào)試航班占比和對(duì)應(yīng)機(jī)位數(shù)量相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)置仿真時(shí)間起始時(shí)刻為11：00，時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)定9小時(shí)，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試后，運(yùn)行仿真界面系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 仿真系統(tǒng)界面

由圖1可知，運(yùn)行結(jié)束后接受完飛機(jī)過站保障作業(yè)的飛機(jī)總數(shù)為324架次，正在機(jī)位上接受保障作業(yè)服務(wù)的飛機(jī)數(shù)量是39架次，在機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的高峰持續(xù)時(shí)段進(jìn)港飛機(jī)的總數(shù)為363架次，可以得出初步結(jié)論機(jī)位容量區(qū)間是(324,363)。

仿真系統(tǒng)中三種機(jī)位的等待服務(wù)時(shí)間和等待隊(duì)列信息如上表所示，包括平均等待時(shí)間，最小等待時(shí)間，最大等待時(shí)間，平均等待隊(duì)列數(shù)量，最小等待隊(duì)列數(shù)量和最大等待隊(duì)列數(shù)量，可由等待時(shí)間和等待隊(duì)列對(duì)應(yīng)的最大最小差值作為反映機(jī)位系統(tǒng)容量魯棒性的指標(biāo)，其差值越大，容量魯棒性越差，反之，差值越小，機(jī)位容量魯棒性越好。

圖2 隊(duì)列分析

三、機(jī)位與容量量化關(guān)系分析

考慮到量化關(guān)系研究中需要機(jī)位數(shù)量的數(shù)據(jù)是連續(xù)性的，跟據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)1000萬級(jí)機(jī)場(chǎng)以上的39個(gè)機(jī)場(chǎng)機(jī)位數(shù)量分布，確定一定范圍的仿真輸入機(jī)位數(shù)量數(shù)據(jù)。根據(jù)資料顯示，千萬級(jí)機(jī)場(chǎng)最少的機(jī)位總數(shù)為煙臺(tái)蓬萊機(jī)場(chǎng)39個(gè)，最多為北京首都機(jī)場(chǎng)314個(gè)，從最低機(jī)位數(shù)量范圍，以按上述機(jī)位類型比例，以10作為機(jī)位遞增梯度，遞增至最高范圍機(jī)位總數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，保證后續(xù)仿真結(jié)果分析的科學(xué)性。

首先分析機(jī)位數(shù)量改變對(duì)機(jī)位容量的影響，將每組仿真數(shù)據(jù)結(jié)束后分析并整理機(jī)位容量區(qū)間數(shù)據(jù)，并分析機(jī)位數(shù)量改變對(duì)機(jī)位容量區(qū)間的影響情況。具體數(shù)據(jù)整理如圖3所示。

由圖3可知，隨著機(jī)位數(shù)量的遞增，機(jī)位容量區(qū)間的總體變化趨勢(shì)為逐漸上升至平穩(wěn)狀態(tài)，其中當(dāng)機(jī)位數(shù)量處于(39,79)區(qū)間范圍時(shí)，機(jī)位容量區(qū)間由(324,363)逐漸增大至(460,526)，當(dāng)機(jī)位數(shù)量處于(89,314)區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)位容量區(qū)間則保持穩(wěn)定在(463,526)。

其次分析機(jī)位數(shù)量的改變對(duì)機(jī)位容量魯棒性的影響，本文以各類型機(jī)位最大最小等待隊(duì)列長(zhǎng)度差值的平均值和平均等待隊(duì)列長(zhǎng)度作為評(píng)估機(jī)場(chǎng)整體機(jī)位容量魯棒性的指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得各機(jī)位數(shù)量變化下的等待隊(duì)列相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

圖3 機(jī)位容量區(qū)間變化趨勢(shì)圖

圖4 機(jī)位系統(tǒng)魯棒性變化趨勢(shì)圖

由圖4可知，隨著機(jī)位總數(shù)的遞增，等待隊(duì)列長(zhǎng)度最大最小差值呈下降趨勢(shì)，即機(jī)位系統(tǒng)的魯棒性逐漸變好。其中，當(dāng)機(jī)位數(shù)量區(qū)間為(39，69)時(shí)，魯棒性提升水平呈線性增加；當(dāng)機(jī)位數(shù)量區(qū)間為(79,109)時(shí)，魯棒性向好趨勢(shì)逐漸放緩；當(dāng)機(jī)位數(shù)量區(qū)間為(109,314)時(shí)，此時(shí)平均等待隊(duì)列長(zhǎng)度為0，即表示此時(shí)機(jī)位保障能力將達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定且最優(yōu)的狀態(tài)。

四、總結(jié)

根據(jù)仿真運(yùn)行結(jié)果分析得出結(jié)論：機(jī)位容量會(huì)隨著機(jī)位數(shù)量的增大而增大的同時(shí)機(jī)位系統(tǒng)的魯棒性也會(huì)越好，抗干擾的能力越強(qiáng)，其中，當(dāng)機(jī)位數(shù)量達(dá)到89個(gè)及以上時(shí)，機(jī)位容量區(qū)間將保持穩(wěn)定較大狀態(tài)，當(dāng)機(jī)位數(shù)量達(dá)到109個(gè)及以上時(shí)，機(jī)位系統(tǒng)的魯棒性呈最佳效果；當(dāng)機(jī)場(chǎng)機(jī)位數(shù)量處于(89,109)時(shí)，機(jī)位容量能達(dá)到最大但機(jī)位系統(tǒng)未處于最健壯狀態(tài)，因此，機(jī)場(chǎng)在進(jìn)行擴(kuò)改建機(jī)位時(shí)可根據(jù)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地和工程預(yù)算等情況，并結(jié)合機(jī)場(chǎng)機(jī)位保障水平要求制定適用于各機(jī)場(chǎng)的改擴(kuò)建計(jì)劃。