吳明昊,陳 康,盧柄宜
(1.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116026;2.大連海事大學(xué) 航運(yùn)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 遼寧 大連 116026)
民航總局的一項(xiàng)調(diào)查顯示,2018 年我國(guó)航班正常率為80.13%,平均每5 個(gè)航班就有1 班延誤。航班延誤不僅給旅客帶來不便和經(jīng)濟(jì)損失,而且也給航空公司造成巨大損失,損害航空公司的形象與信譽(yù),甚至打擊了乘客使用航空出行的信心。天氣、航空管制(流量控制)以及航空公司自身因素是航班延誤的3 個(gè)主要原因[1]。民航總局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在全部航班不正常原因中,流量控制占比為30.68%,而流量控制主要是由于某時(shí)間段內(nèi)航班數(shù)量過多造成的[2]。
近些年,我國(guó)各機(jī)場(chǎng)國(guó)際、國(guó)內(nèi)航班數(shù)量大幅度增加,航空公司對(duì)空域資源的需求越來越大。由于我國(guó)對(duì)國(guó)家安防的重視,嚴(yán)格履行對(duì)空限制,直接導(dǎo)致民航空域藩國(guó)受到制約[2]。呂鴻等[3]研究表明我國(guó)民航空域范圍僅占整體空域范圍的20%。受有限空域范圍的制約,在高峰期,當(dāng)航班密集,空域中飛行器流量大時(shí),采取降速和空中等待等一系列措施來避免擁堵、匯集和交叉沖突都會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)航行時(shí)間延長(zhǎng),嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致航班延誤甚至取 消[4]。從供給側(cè)研究航班延誤問題,主要集中在空域規(guī)劃與管理、改航路徑規(guī)劃、流量控制與分配等方面,而有關(guān)航空出行需求管理的研究尚不多見。董念清等[5]提出我國(guó)航班延誤問題的治理應(yīng)該提高空域資源利用率;Kopardekar 等[6]研究中期和長(zhǎng)期空域配置;張晨靚等[7]建立目標(biāo)為航班總延誤成本最小的動(dòng)態(tài)改航模型;張洪海等[8]提出容量利用和流量分配協(xié)同優(yōu)化模型以求最佳的容量利用和流量分配方案。
這些研究多從增加容量的角度,研究緩解航班擁堵的方法。但是,隨著我國(guó)機(jī)場(chǎng)數(shù)量的快速增加,各機(jī)場(chǎng)都在努力協(xié)同航空公司開設(shè)更多的航班,以增加機(jī)場(chǎng)的通達(dá)度和客流量,結(jié)果是目前我國(guó)航班數(shù)量的增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛行空域資源的增速,空域擁堵和航班延誤必然成為無(wú)法避免的問題。隨著高速鐵路城市圈的形成,位于同一城市圈的居民既可以方便地利用好自己城市的機(jī)場(chǎng),也可以利用高速鐵路前往其他城市的機(jī)場(chǎng)乘坐航班,高速鐵路使多機(jī)場(chǎng)地區(qū)的居民共享多個(gè)機(jī)場(chǎng)成為可能?;诳砧F聯(lián)運(yùn)實(shí)施高速出行客運(yùn)需求管理,可能是在飛行空域資源無(wú)法大幅度增加的情況下,緩解航班延誤的一種有效方法。因此,以高速鐵路城市圈為單元,基于空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化區(qū)域間出行的運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò),加強(qiáng)高速鐵路有效地向樞紐機(jī)場(chǎng)喂給客流研究,提高樞紐機(jī)場(chǎng)空域和航線航班的利用率,控制支線機(jī)場(chǎng)的航線航班數(shù)量,減少航空出行延誤。
由高速鐵路和航空客運(yùn)系統(tǒng)構(gòu)成多模式綜合網(wǎng)絡(luò),空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示,圖中實(shí)鏈接表示高速鐵路和航班線路,虛鏈接表示空鐵換乘,A,B,C 表示空鐵換乘節(jié)點(diǎn),用于實(shí)現(xiàn)航空與高鐵2 種運(yùn)輸方式換乘的樞紐城市。(NG,AG)表示網(wǎng)絡(luò)模型G,(N1,A1)表示高速鐵路路網(wǎng)G1,其中N1為高速鐵路站點(diǎn)集合,A1為高速鐵路線路集合;(N2,A2)表示航線網(wǎng)絡(luò)G2,其中N2為機(jī)場(chǎng)集合,A2為航線集合;Gk表示換乘網(wǎng)絡(luò),Ak和Nk分別表示高速鐵路與航線之間的換乘鏈接和換乘節(jié)點(diǎn)。則有NG= N1∪ N2∪ Nk,AG= A1∪ A2∪ Ak,G = G1∪ G2∪ Gk。
圖1 空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of air-rail integrated transport network
很顯然基于空鐵聯(lián)運(yùn)的集約化航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題是一個(gè)雙層規(guī)劃問題,由上層空鐵聯(lián)運(yùn)跨域航空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型和下層乘客路徑選擇模型組成,在上層決策者選擇樞紐機(jī)場(chǎng),設(shè)計(jì)航線網(wǎng)絡(luò)和空鐵聯(lián)運(yùn)方案;在下層出行者各自尋找由本區(qū)域前往對(duì)方區(qū)域最佳的航空出行路線。更進(jìn)一步來說,下層模型基于UE 原理,在綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上為乘客指派路徑,從而得到各路段上的流量和流向,進(jìn)而反饋至上層,決定著上層模型的目標(biāo)函數(shù)值,形成閉環(huán)。
空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型假設(shè)條件為①高速鐵路和機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施已知且不變;②兩區(qū)域間的航空出行需求已知且不變,并以周為單位計(jì)量;③非樞紐機(jī)場(chǎng)城市的乘客利用高速鐵路可以直接到達(dá)樞紐機(jī)場(chǎng);④不考慮同一區(qū)域內(nèi)城市之間的航班服務(wù);⑤區(qū)域空域資源有限,空域交通擁堵與航班數(shù)成正比。
空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型為
模型的約束條件為
式中:Z1表示空鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的總通行時(shí)間;ta(va)表示鏈接a 的通行時(shí)間,當(dāng)a ∈ Ak時(shí),ta(va)為中轉(zhuǎn)換乘阻抗;va表示鏈接a上的客流量;Uk為0-1 變量,當(dāng)機(jī)場(chǎng)k 為機(jī)場(chǎng)樞紐時(shí)Uk= 1,否則Uk= 1;β 表示公平性指數(shù);tij(ρs)表示集約化使用空域資源后,從出發(fā)地i 至目的地j 整條出行路徑的通行時(shí)間,即OD 點(diǎn)對(duì)間的平均出行時(shí)間,tij(ρs)由從出發(fā)地i 至目的地j 所經(jīng)過所有路段的通行時(shí)間ta(va)組成;ρs為決策變量,當(dāng)空鐵聯(lián)運(yùn)優(yōu)化方案s 被選擇時(shí)為1,否則為0;表示之前同一OD 點(diǎn)對(duì)間平均出行時(shí)間;ε 為不公平極限,可以預(yù)先設(shè)置合理的閾值;O 為出發(fā)城市集合;D 為目的地城市 集合。
公平性指數(shù)作為約束條件,是因?yàn)橐詤^(qū)域全體航空出行者為對(duì)象,優(yōu)化區(qū)域?qū)ν夂娇者\(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)時(shí),還需考慮區(qū)內(nèi)居民享受航空出行服務(wù)的公平性。很顯然,基于空鐵聯(lián)運(yùn)集約化使用空域資源將增加空域資源的有效利用,減輕區(qū)域間整體航空出行的延誤程度。但是,支線機(jī)場(chǎng)所在城市居民的航空出行便利性會(huì)有所下降。張國(guó)強(qiáng)等[9]研究交通規(guī)劃中普遍存在的公平性和優(yōu)先性問題,基于“優(yōu)先考慮,相對(duì)公平”的思想建立考慮公平性的數(shù)學(xué)模型。這里用Caggiani 等[10]提出的公平性指數(shù)β 衡量區(qū)域居民航空出行的公平性。β 為集約化使用空域資源后,OD 點(diǎn)對(duì)間的平均出行時(shí)間tij(ρs)與之前同一OD 點(diǎn)對(duì)間平均出行時(shí)間t~ij比值的最大值,即集約化利用區(qū)域空中資源前后區(qū)域間航空出行成本(即出行時(shí)間)的臨界比,計(jì)算公式為
當(dāng)β < 1 時(shí),所有出行者均從優(yōu)化方案中收益;如果β > 1,則至少有1 個(gè)OD 對(duì)間的出行時(shí)間會(huì)增加,不公平隨之出現(xiàn)。為盡可能保持區(qū)域內(nèi)各城市居民公平地享受航空出行服務(wù),在空鐵聯(lián)運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)需考慮公平性約束,使公平性指數(shù)β ≤ε (ε 為公平性比例,閾值由決策者確定)。β 應(yīng)位于 1 個(gè)有效區(qū)間,即β ∈ [βmin,βmax]。βmin和βmax可以定 義為
式中:Gs為所有空鐵優(yōu)化方案s 的集合,當(dāng)ε < βmin時(shí),找不出更滿意的方案,初始方案仍是最優(yōu)的;當(dāng)ε > βmin時(shí),公平性約束則成為冗余。
上層空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型用遺傳算法求解。把總運(yùn)輸時(shí)間作為適應(yīng)度函數(shù)值,首先隨機(jī)生成聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)方案的初始種群,針對(duì)每個(gè)染色體,用Frank-Wolf 算法計(jì)算用戶平衡狀態(tài)下的聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)各路段流量,然后計(jì)算適應(yīng)度值,引入懲罰系數(shù)ρ 對(duì)不滿足約束的方案進(jìn)行懲罰。接著對(duì)各染色體進(jìn)行選擇、交叉、變異至滿足最大迭代次數(shù)i > imax終止,選取計(jì)算得到的最優(yōu)解。
用戶平衡的交通分配模型的目標(biāo)函數(shù)為
模型的約束條件為
式中:Z2為路段時(shí)間函數(shù)的積分;為出發(fā)城市i到目的地城市j 的第e 條路徑上的客流量;E 表示從出發(fā)地i 到目的地j 之間路徑的集合;Qij是出發(fā)城市i 到目的地城市j 的總出行需求;為0-1 變量,若鏈接a 位于i 到j(luò) 的第e 條路徑,取值為1,否則為0。
乘客路徑選擇模型用Frank-Wolfe 算法求解,首先計(jì)算自由流時(shí)OD 間的路徑與各路段的客流量,求得各路段的阻抗;接著尋找迭代方向,基于阻抗函數(shù)為OD出行指派路徑,得到新的路段流量;然后確定最優(yōu)步長(zhǎng),并確定新的迭代點(diǎn);最后重復(fù)迭代直至找到最優(yōu)解則停止計(jì)算,輸出結(jié)果即各路段上的流量和流向。
以遼寧省為A 區(qū)域,山東省作為B 區(qū)域。根據(jù)飛常準(zhǔn)網(wǎng)站提供的航班數(shù)據(jù),基于OD 反推法得到一周期間的OD 對(duì)之間的OD 流量,區(qū)域間的OD 流量表如表1 所示。
表1 區(qū)域間的OD 流量表 人/周Tab.1 OD traffic between regions
航段通行時(shí)間隨航段內(nèi)航班流量的變化而變化。為得到航段內(nèi)通行時(shí)間與航班流量的函數(shù)關(guān)系,以王樹盛等[11]的變形擬合BPR 函數(shù)為依據(jù),利用飛常準(zhǔn)網(wǎng)站所提供的2007—2018 年山東省到遼寧省的航班延誤數(shù)據(jù),擬合飛行航段的阻抗函數(shù),用于表示航段a上通行時(shí)間ta與航班流量Va的關(guān)系,擬合回歸效果R2= 0.932。因此,當(dāng)下層模型依據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)得到航段中飛機(jī)流量時(shí),可以根據(jù)函數(shù)關(guān)系式得到對(duì)應(yīng)的航段通行時(shí)間并進(jìn)一步用于計(jì)算航空網(wǎng)絡(luò)總運(yùn)輸時(shí)間。
假設(shè)高速鐵路和航空可以無(wú)縫換乘,平均換乘時(shí)間為45 min。OD 間自由流下的飛行時(shí)間如表2所示。遼寧省兩兩城市間高速鐵路運(yùn)輸時(shí)間如表3所示。山東省兩城市間高速鐵路運(yùn)輸時(shí)間如表4 所示。根據(jù)中國(guó)高速鐵路網(wǎng)提供的規(guī)劃圖,除現(xiàn)有的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)外,這里還考慮了規(guī)劃期內(nèi)將開通的高速鐵路線路。
表2 OD 間自由流下的飛行時(shí)間 minTab.2 Flying time between OD under free flow condition
表3 遼寧省兩兩城市間高速鐵路運(yùn)輸時(shí)間 minTab.3 High-speed rail time between two cities in Liaoning Province
2.2.1 空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果 與分析
在空域資源約束下,以城市圈為空間單元基于空鐵聯(lián)運(yùn)優(yōu)化區(qū)域的對(duì)外航空運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(即航線和航班設(shè)計(jì)),以1 周為決策周期,設(shè)公平性指數(shù)閾值β = 1.4,此時(shí),樞紐城市航線間機(jī)型配備及載客率如表5 所示,空鐵協(xié)同后整個(gè)聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)(包括航空、高鐵以及換乘系統(tǒng))的總運(yùn)輸時(shí)間為4 332 460 min,比之前的5 141 310 min 節(jié)約 808 850 min。
空鐵協(xié)同后,增加了區(qū)內(nèi)樞紐機(jī)場(chǎng)運(yùn)輸能力,控制了支線機(jī)場(chǎng)的航班和航線數(shù)量,由該區(qū)域出發(fā)的航線通達(dá)地區(qū)增多,重復(fù)航線減少,航空運(yùn)輸可達(dá)性上升,提高了區(qū)域空域資源的整體效率,減少了航班延誤,改善了區(qū)域間航空出行的服務(wù)水平。除此之外,在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的作用下,樞紐機(jī)場(chǎng)出發(fā)的航班可以用大型客機(jī)滿載運(yùn)輸旅客,航線和航班效率高。由于區(qū)域間航線和航班總數(shù)量下降,空中交通流量減少,航空器在空中的擁堵得以緩解,區(qū)域?qū)ν獾暮桨嘌诱`減少,區(qū)域居民全體對(duì)外航空出行時(shí)的乘客體驗(yàn)大幅度改善。協(xié)同前后樞紐機(jī)場(chǎng)間航班延誤時(shí)間比較如表6 所示。例如,協(xié)同前大連—濟(jì)南、大連—青島的航班密度分別為51 班/周和44 班/周,平均延誤時(shí)間分別為39 min /班和45 min /班,空域擁堵;協(xié)同后,由于使用大機(jī)型和載客率的增加,大連—濟(jì)南、大連—青島的航班密度分別下降為35 班/周和 28 班/周,平均延誤時(shí)間分別減少了28 min /班和35 min /班,空域的擁堵得以改善。
表4 山東省兩城市間高速鐵路運(yùn)輸時(shí)間 minTab.4 High-Speed rail time between two cities in Shandong Province
表5 樞紐城市航線間機(jī)型配備數(shù)量及載客率Tab.5 Used aircrafts and loading ratio between hub airports
空地協(xié)同后,樞紐機(jī)場(chǎng)之間的出行時(shí)間大幅減少,共減少了1 068 350 min,其中沈陽(yáng)—濟(jì)南間的出行時(shí)間減少了30 min/客次,下降23.44%。但是,非樞紐機(jī)場(chǎng)城市間的通行時(shí)間增加了259 500 min,其中變化最大的是大連—臨沂的通行時(shí)間,空地協(xié)同后大連—臨沂乘客的出行時(shí)間增加了53 min/客次,上升了34.42%。由于非樞紐城市的居民要經(jīng)樞紐機(jī)場(chǎng)中轉(zhuǎn)出行,因此出行時(shí)間增加,使得區(qū)域內(nèi)居民享受航空運(yùn)輸服務(wù)的不公平性增加,但是這種不公平換來是區(qū)域內(nèi)整體航空出行效率的提高。
空鐵協(xié)同后,在A 區(qū)需要有2 個(gè)樞紐機(jī)場(chǎng),大連和沈陽(yáng),客運(yùn)量分別為排在遼寧4 個(gè)機(jī)場(chǎng)設(shè)置城市的第1,2 位;在B 區(qū)需要有4 個(gè)樞紐機(jī)場(chǎng),分別為青島、濟(jì)南、煙臺(tái)和濰坊機(jī)場(chǎng),目前它們位于B 區(qū)9 個(gè)機(jī)場(chǎng)的第1,2,3,5 位。從客運(yùn)量看,這些樞紐機(jī)場(chǎng)的設(shè)置是合理的。受公平性的約束,非樞紐機(jī)場(chǎng)城市的乘客應(yīng)在合理的距離內(nèi)中轉(zhuǎn)。在上述方案中每個(gè)非樞紐機(jī)場(chǎng)城市的附近都有對(duì)應(yīng)的樞紐機(jī)場(chǎng),因此從空間位置上看樞紐機(jī)場(chǎng)的設(shè)置也是合理的。非相鄰區(qū)域間空鐵聯(lián)運(yùn)示意圖如圖2 所示。圖2a 顯示了遼寧省與山東省航線分布狀況,目前遼寧省有4個(gè)機(jī)場(chǎng),山東省有13 個(gè)機(jī)場(chǎng),兩區(qū)域間有航線21條,平均每周航班370 架次。圖2b 顯示基于高速鐵路網(wǎng)絡(luò)實(shí)施空鐵協(xié)同,兩區(qū)域間可能的航線分布狀況。
2.2.2 乘客路徑選擇模型計(jì)算結(jié)果與分析
空鐵協(xié)同后,由B 區(qū)至A 區(qū)的航班的載客率均在95%以上,說明基于樞紐實(shí)施空鐵聯(lián)運(yùn)是合理的。從可達(dá)性看,到樞紐機(jī)場(chǎng)最遠(yuǎn)的城市是丹東市,距大連機(jī)場(chǎng)315.4 km。但是,當(dāng)高速鐵路與空港實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接時(shí)走行時(shí)間也只有76 min,在乘客的可接受范圍內(nèi),公平性得到保證。遼寧省2個(gè)中轉(zhuǎn)樞紐城市客運(yùn)量如表7 所示。山東省4 個(gè)中轉(zhuǎn)樞紐城市客運(yùn)量如表8 所示。其中,濰坊樞紐的中轉(zhuǎn)比例為97.9%,是典型的中轉(zhuǎn)型樞紐。
表6 協(xié)同前后樞紐機(jī)場(chǎng)間航班延誤時(shí)間比較 min Tab.6 Comparison of delay before and after coordination
圖2 非相鄰區(qū)域間空鐵聯(lián)運(yùn)示意圖Fig.2 Airline network between two regions in the case of with and without air-rail coordination
β 越大公平性越差。β < 1 表示所有乘客都收益,β > 1 表示所有乘客都減益。改變運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營(yíng)模式,部分乘客必然遭遇時(shí)間損失。通過合理設(shè)定β 取值,可以把受損乘客出行時(shí)間的損失限定在合理的范圍內(nèi)。系統(tǒng)運(yùn)輸總時(shí)間與公平性指數(shù)β 關(guān)系圖如圖3 所示。圖3 顯示了不同的β 所對(duì)應(yīng)的總出行時(shí)間??梢钥闯觯?dāng)β ≤1.15 時(shí)總出行時(shí)間不變,此時(shí)受公平性約束,空鐵協(xié)同無(wú)法實(shí)施;當(dāng)β > 1.15 時(shí),隨β 的增加總出行時(shí)間持續(xù)減少,運(yùn)輸系統(tǒng)效率提升;當(dāng)β = 1.4 時(shí),總出行時(shí)間出現(xiàn)拐點(diǎn),之后隨β 的增加總走行時(shí)間不變,說明此時(shí)公平性約束為冗余約束。因此,β 的取值應(yīng)在(1.15,1.40)內(nèi)。
表7 遼寧省2 個(gè)中轉(zhuǎn)樞紐城市客運(yùn)量Tabl.7 Passenger volumes in hub airports in Liaoning Province
表8 山東省4 個(gè)中轉(zhuǎn)樞紐城市客運(yùn)量Tab.8 Passenger volumes in hub airports in Shandong Province
總體上公平與效率是矛盾的,為提高公平性就要犧牲效率;而提高效率同樣也要以犧牲公平為代價(jià)。例如,與空鐵協(xié)同前相比,營(yíng)口和丹東的乘客到山東的出行時(shí)間將有所增加,但營(yíng)口、丹東至山東航班的取消大大提升了沈陽(yáng)、大連至B 區(qū)的航班效率,減少了A 區(qū)到B 區(qū)的航班的延誤,使得A 區(qū)前往B 區(qū)乘客的總出行時(shí)間減少。我國(guó)大量的航班延誤使得乘客對(duì)航空客運(yùn)喪失了信心,在高速鐵路時(shí)代如果航空客運(yùn)效率低下,地區(qū)內(nèi)航空出行的公平也就失去了意義,因而效率是公平的基礎(chǔ)。
圖3 系統(tǒng)運(yùn)輸總時(shí)間與公平性指數(shù)β 關(guān)系圖Fig.3 The relationship between total travel time and index β
在高速鐵路日益發(fā)達(dá),航班延誤嚴(yán)重的情況下,從需求管理的角度研究空鐵聯(lián)運(yùn)空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)輸組織優(yōu)化問題,對(duì)出行者基于空鐵協(xié)同高效實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的出行具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,也能夠?yàn)榻煌ú块T空鐵協(xié)同戰(zhàn)略的實(shí)施和空鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的建設(shè)提供合理的決策依據(jù)。由于各個(gè)城市高鐵站和機(jī)場(chǎng)間距不同,需要進(jìn)一步研究空鐵換乘時(shí)間上的銜接性。另外,除了以最小化聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)總出行時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)外,還可以考慮乘客的出行費(fèi)用。