機場早到行李存儲系統(tǒng)設(shè)計與仿真優(yōu)化

沈 偉，徐小波，何 迅，楊慧榮，闞細(xì)武，唐 青，張 寬

（1.中國民航局第二研究所，四川成都 610041；2.民航成都物流技術(shù)有限公司，四川成都 611430）

近年來，隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，航空運輸作為現(xiàn)代交通體系中較為快捷的運輸方式，得到了快速發(fā)展。2019 年，我國的機場旅客年吞吐量達(dá)12.6 億人次，北京首都國際機場的年旅客吞吐量更是突破1 億人次，旅客吞吐量達(dá)1 000 萬人次的運輸機場有37 個[1]。機場行李處理系統(tǒng)承載旅客托運行李業(yè)務(wù)——航站樓兩大核心功能“人流、物流”之一，是機場體量最大、構(gòu)成最復(fù)雜的關(guān)鍵運營系統(tǒng)，直接影響航空安全、航班正點率及旅客體驗，已成為機場運營愈發(fā)倚重的核心系統(tǒng)，是航站樓內(nèi)唯一一項納入行業(yè)許可管理的系統(tǒng)[2]。

EBS 是整個行李處理系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)早到行李的存儲與釋放。由于機場托運行李具有多樣性和不規(guī)則性，在采用翻盤分揀機（Tilt Tray Sorter，TTS）作為行李處理系統(tǒng)分揀模式的機場一直應(yīng)用輸送機存儲早到行李，此模式下EBS 占用航站樓面積大，且不同存儲策略下，EBS 存儲線有效利用率也大不相同，造成資源的浪費[3-4]。因此，對EBS 的設(shè)計及優(yōu)化分析對提高整個行李處理系統(tǒng)的有效利用率具有重要的實際意義。

1 EBS概述

按照國際航空運輸協(xié)會（International Air Transport Association，IATA）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)機場吞吐量不同，主要有人工EBS和自動EBS兩種模式。一般情況下，早到行李流量小于或等于250件/小時且在任何時候EBS行李中存儲量都小于或等于1 000件的情況下采用人工存儲模式；早到行李流量大于250件/小時或在任何時間早到行李中存儲量大于1 000 件的情況下采用自動存儲模式。該文主要針對中大型樞紐機場，研究自動EBS 的設(shè)計及優(yōu)化。

現(xiàn)階段，機場通常能接受距計劃起飛時間240 min 以內(nèi)航班的中轉(zhuǎn)行李和始發(fā)離港行李，將距航班計劃起飛時間150 min 之前到達(dá)的行李定義為早到行李，EBS 即存儲距航班起飛240 min 至150 min 之間到達(dá)機場值機柜臺的行李。EBS 模型如圖1 所示。

圖1 EBS模型

如圖1 所示，EBS 由一條條并列的輸送機構(gòu)成，該系統(tǒng)共有18 條輸送線用于存儲早到行李。存儲早到行李時，行李從入口進入EBS，按照“步進”方式進行存儲，行李完全離開上游輸送機光眼時，下游輸送機電機停機，直到上游有行李到來時繼續(xù)前進，達(dá)到在輸送機上存行李的目的[5]。釋放早到行李時，按照“先放先走”的原則順序釋放行李，當(dāng)一條輸送機行李釋放完成后，另一等待釋放的存儲線開始釋放行李，釋放完成的輸送機可以開放給其他航班進行存儲[6]。

2 EBS配置

2.1 機場規(guī)模預(yù)測

機場EBS 的配置與機場類型、飛行區(qū)等級、適航天數(shù)、年旅客吞吐量、行李系數(shù)、行李處理系統(tǒng)處理模式、機場周邊軌道交通情況、機場運營管理策略等息息相關(guān)。該文以華東片區(qū)長三角地區(qū)某省會干線機場為例，以下簡稱A 機場，進行EBS 優(yōu)化分析[7]。

根據(jù)A 機場總體規(guī)劃、初步設(shè)計、深化設(shè)計說明等權(quán)威文件，該機場2030 年航空參數(shù)預(yù)測如表1 所示，后文將參照該指標(biāo)參數(shù)進行推算及詳述[8]。

表1 機場2030年航空參數(shù)預(yù)測

A 機場現(xiàn)有三座航站樓滿足4 000 萬人次的國內(nèi)旅客，新建的航站樓服務(wù)于3 600 萬人次國內(nèi)旅客和全部的1 400 萬人次國際旅客。

2.2 行李處理系統(tǒng)規(guī)劃

行李處理系統(tǒng)作為航站樓最復(fù)雜的機電工程，由始發(fā)系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、到港系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)系統(tǒng)、EBS、大件行李系統(tǒng)、空框回收系統(tǒng)、應(yīng)急備份系統(tǒng)、信息與控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)相互配合，共同完成機場旅客行李的托運、安檢、輸送、存儲、分揀等過程[9]。

根據(jù)新建航站樓規(guī)劃，設(shè)計從北至南為A-G 值機島，每個值機島有兩條輸送線，再編號為A1、A2、……以此類推，其中，C 島為遠(yuǎn)期預(yù)留，本期不建設(shè)。本期建成后，A、B、D、E 島服務(wù)于國際及港澳臺旅客，F(xiàn)、G 島服務(wù)于國內(nèi)旅客，國內(nèi)、國際早到行李分別存儲在國內(nèi)EBS 和國際EBS 區(qū)，整個行李處理系統(tǒng)模型如圖2 所示。由于國內(nèi)、國際旅客行李分開處理，該文對國際EBS 進行設(shè)計及仿真優(yōu)化。

如圖2 所示，A 機場離港行李處理系統(tǒng)主要包括始發(fā)系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、GTC、國內(nèi)EBS、國際EBS 系統(tǒng)等，配合信息管理及控制系統(tǒng)共同完成行李的托運、安檢、輸送、早到存儲、分揀等功能。

圖2 A機場離港行李處理系統(tǒng)

2.3 EBS配置

EBS 存儲線配置需根據(jù)航空預(yù)測參數(shù)、機場運營相關(guān)系數(shù)等計算而得，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 機場運行相關(guān)系數(shù)

相關(guān)參數(shù)計算公式如下：

日平均離港旅客量（萬人次）：

高峰日離港旅客量（萬人次）：

高峰日離港旅客行李量（件）：

高峰日早到行李件數(shù)（件）：

理論早到存儲位數(shù)：

基于相關(guān)參數(shù)和以上計算公式，計算可得理論早到存儲位的需求為548，由于該EBS 采用“步進”方式存儲行李，且各航班離開EBS 時間也不盡相同，則EBS 位有效利用率有限，再結(jié)合該航站樓土建預(yù)留情況，本航站樓共設(shè)計18 條EBS 線，其中，上層14 條存儲線，下層4 條存儲線，每條存儲線長度34.5 m。每條存儲線的容量不低于34 件行李，總?cè)萘坎坏陀?12 件，可滿足EBS 最大存儲需求。同時，增設(shè)一條棄包線，用于回流未被分配存儲線或跟蹤丟失的行李，以處理異常情況。EBS 設(shè)計模型如圖1所示。

3 EBS仿真與優(yōu)化

EBS 仿真優(yōu)化的基本思想是根據(jù)機場實際安裝設(shè)備的尺寸及參數(shù)在仿真平臺Emulate 3D 中進行1∶1 建模，按照機場實際運營管理方式及控制策略對行李處理全系統(tǒng)進行全天候仿真模擬，采集并記錄EBS 運行數(shù)據(jù)，分析EBS 占用情況，提出優(yōu)化方案，再次仿真驗證，實現(xiàn)EBS 的最大化利用[10-11]。

3.1 EBS仿真分析

行李處理系統(tǒng)的仿真模擬就是將靜態(tài)的規(guī)劃設(shè)計方案以動態(tài)的運行系統(tǒng)呈現(xiàn)，從而評估運行指標(biāo)和參數(shù)。對于系統(tǒng)而言，由“靜”至“動”的驅(qū)動依據(jù)就是航班時刻表。該文所應(yīng)用的A 機場航班時刻滿足設(shè)計年吞吐量、高峰小時吞吐量、航班架次、機型比等設(shè)計參數(shù)，機場航班波與機場現(xiàn)有航班波波形相同且能實現(xiàn)完全覆蓋，以此航班時刻表作為該文研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有較高的可信度[12-13]。

旅客通常在距航班計劃起飛時間前240 min 以內(nèi)到達(dá)機場辦理值機手續(xù)，基于排隊理論、IATA 機場開發(fā)指導(dǎo)手冊、支持向量機回歸算法預(yù)測分析[14]，可得機場托運行李旅客到達(dá)機場時間分布規(guī)律，即國際離港行李到達(dá)機場分布規(guī)律，如圖3 所示。

圖3 國際離港行李到達(dá)機場時間分布規(guī)律

如圖3 所示，根據(jù)航班時刻表、行李系數(shù)、離港行李到達(dá)機場時間分布規(guī)律，定義距航班起飛150 min 以前的行李為早到行李，可計算出A 機場國際離港行李分布情況如圖4 所示。

圖4 國際離港行李分布情況

現(xiàn)階段，EBS 通常采用按航班號存儲早到行李，即一條存儲線同時段只能被一個航班占用。若某航班早到行李量大于該條存儲線的容量，則可占用第二條存儲線；若EBS 的18 條存儲線均被占用，則該時段未被分配資源的早到行李經(jīng)棄包線輸送至TTS分揀，距離航班起飛前150 min 時，則航班對應(yīng)滑槽開放，早到行李可被釋放并輸送至對應(yīng)滑槽，距航班起飛前30 min，該滑槽關(guān)閉回收[15-16]?；诖舜鎯Σ呗裕凑諜C場實際運營管理模式，所有行李按標(biāo)記的值機柜臺和時間離散出現(xiàn)在值機柜臺，在行李處理系統(tǒng)中進行安檢、輸送、早到存儲、分揀，經(jīng)過全天候24 h 仿真模擬運行，實時記錄EBS 占用情況，EBS 存儲線占用率如圖5 所示。

分析圖5，按航班號分配存儲線模式下，EBS 存儲線出現(xiàn)了三個占用率較高的時段，在5:00-6:00 達(dá)到了88.89%，平均占用率為39.93%，設(shè)計過程中EBS 線已考慮了冗余情況，可仍然出現(xiàn)了資源相對緊張情況，若在春運、暑運或其他航班增多的情況下，仍采用按航班分配EBS 線模式可能出現(xiàn)資源不夠的情況。

圖5 EBS存儲線占用率

3.2 EBS優(yōu)化仿真分析

仿真模擬運行過程中，部分小機型僅有幾件或十幾件早到行李，卻仍被分配一條存儲線，說明EBS線有效利用率較低。

該文采用按時間段分配存儲線模式進行仿真分析，即把存儲線按每30 min 的時間段標(biāo)記，進入EBS的行李再根據(jù)存儲線的釋放時間是否滿足本航班對應(yīng)滑槽的開放時間選擇EBS 線存儲，到達(dá)存儲線標(biāo)記的釋放時間后，再統(tǒng)一釋放該存儲線的行李；若同一時段需釋放的早到行李較多，則該時段可標(biāo)記多條存儲線，以滿足行李在對應(yīng)滑槽開放后可盡快釋放的需求。在輸入數(shù)據(jù)及分配方案不變的情況下，基于此存儲策略進行全天候24 h 仿真模擬，EBS 存儲線占用率如圖6 所示。

圖6 EBS存儲線占用率

如圖6 所示，按時間段存儲早到行李策略下，各時段存儲線占用率均較低，即使在早到行李最高峰時間存儲線占用率也僅為61.11%，EBS 資源緊張狀況得到較為明顯改善。按航班號分配存儲線和按時間段分配存儲線占用率對比情況如圖7 所示。

由圖7，通過對比發(fā)現(xiàn)，采用按時間段分配存儲線存儲早到行李可明顯提升存儲線的有效利用率，平均占用率由39.93%降低為26.7%，最高占用率由88.89%降低為61.11%，明顯緩解EBS 線資源緊張的局面。

圖7 EBS存儲線占用率對比

仿真模擬運行過程中，記錄了EBS 各時段行李數(shù)量，按航班號和按時間段分配存儲線兩種模式下早到行李在EBS 中實時行李數(shù)量對比如圖8 所示。

圖8 EBS實時行李數(shù)量對比

分析圖8，采用按時間段分配存儲線存儲早到行李模式下，EBS 的實時行李數(shù)量更多，EBS 壓力更大，每件早到行李在系統(tǒng)中的平均存儲時間增加了322 s，基于按時間段的釋放機制，在高峰時段多條存儲線同時釋放早到行李，EBS 行李再次進入TTS，可能出現(xiàn)系統(tǒng)瓶頸點，增加整個系統(tǒng)運行壓力。

3.3 改進的EBS優(yōu)化仿真分析

基于按航班號分配存儲線和按時間段分配存儲線的優(yōu)化方案存儲早到行李方式均存在一定的運行風(fēng)險。EBS 均設(shè)計較長的存儲線存儲早到行李，由于輸送線較長，就會造成存儲線利用率低或早到行李回流線壓力增大情況。

該文提出一種改進的EBS 設(shè)計方法，基于A 機場新建航站樓，在預(yù)留空間不變的情況下，對EBS 進行工藝流程改進，減少每條輸送線的長度，形成更多的存儲單元。如圖9 所示。

如圖9所示，將原有超過30 m 的輸送線更改為兩條更短的輸送線，新增兩個早到行李出口，則改進的EBS 有36 條存儲線，每條存儲線的容量不低于16 件行李，總?cè)萘坎坏陀?76 件。

圖9 改進的EBS工藝流程布局

基于改進的EBS 工藝流程布局，在輸入數(shù)據(jù)及運營策略不變的情況下，采用按航班號分配存儲線模式進行全天候24 h 仿真模擬，按航班號分配存儲線和改進設(shè)計后的按航班號分配存儲線占用率對比如圖10 所示。

圖10 按航班號分配存儲線占用率對比

由圖10 對比發(fā)現(xiàn)，均采用按航班號分配存儲線模式下，改進后的EBS 存儲線占用率大幅度降低，平均占用率由39.93%降低為25.93%，最高占用率由88.89%降低為61.11%，優(yōu)化效果明顯。

基于改進的EBS 的工藝流程布局，在輸入數(shù)據(jù)及運營策略不變的情況下，采用按時間段分配存儲線模式進行全天候24 h 仿真模擬，按時間段分配存儲線和改進設(shè)計后的按時間段分配存儲線占用率對比如圖11 所示。

圖11 按時間段分配存儲線占用率對比

由圖11 對比發(fā)現(xiàn)，均采用按時間段分配存儲線模式下，改進設(shè)計后EBS 存儲線占用率仍能繼續(xù)降低，平均占用率由26.7%降低為最低的24.1%，最高占用率仍為61.11%，具有優(yōu)化效果。

EBS 在按航班號和按時間段分配存儲線模式早到行李在EBS 平均存儲時間如表3 所示。

表3 早到行李在EBS中平均存儲時間

如表3 所示，按航班號分配存儲線模式下早到行李在EBS 中存儲的時間更短；早到行李在改進的EBS 中存儲的時間更短；在改進的EBS 中按時間段分配存儲線模式下，EBS 線平均占用率達(dá)到最低值24.1%，所有早到行李的平均占用時間也降低至3 293 s，存儲線有效利用率具有明顯的增大效果。

4 結(jié)論

1）通過模擬機場行李處理系統(tǒng)實際運營，EBS采用按航班號分配存儲線模式下，進行全系統(tǒng)仿真分析，EBS 能滿足機場未來對其處理能力的要求，但存在潛在風(fēng)險，在春運、暑運或航班增加的情況下可能出現(xiàn)資源不夠用的情況。

2）輸入條件及運營策略不變，EBS 采用按時間段分配存儲線模式下，進行全系統(tǒng)仿真優(yōu)化分析，存儲線平均占用率較按航班號分配存儲線模式降低了13.23%。

3）通過對EBS 工藝流程優(yōu)化后，在改進的EBS采用按時間段分配存儲線模式下，進行全系統(tǒng)仿真分析，早到行李在EBS 中平均存儲時間較改進前按時間段分配存儲線模式降低了39 s，存儲線平均占用率較改進前按航班號分配存儲線模式降低了15.83%，達(dá)到最低值24.1%，實現(xiàn)了EBS 的優(yōu)化設(shè)計，為機場實際運營提供了數(shù)據(jù)支撐。