1、 航空运输规划学 2008 年 10 月 第一章 绪论 1-1 航空运输系统概述 航空运输系统由航空公司子系统、机场子系统和空管子系统组成。 航空运输系统的组成如图 1-1 所示，系统的边界是“机场陆路到达系统”，它有时也被作为航空运输系统的一部分进行处理。航空运输系统作为社会系统的子系统，它的外部是社会系统的其他部分和气象等自然系统，系统的服务对象是运输需求发生地（需求源）。 空 管 系 统 ( A i r T r a f f i c C o n t r o l )地 面 指 挥 - 塔 台 管 制 - 进 近 控 制 - 航 路 扇 区 控 制机 场 空 侧 ( 飞 行 区 ) （ A i
2、 r s i d e )飞 机 到 达 - 旅 客 下 机 （ 卸 货 ） - 清 洁 维 护 飞 机 - 加 油 -加 水 上 餐 饮 - 上 客 （ 加 载 货 邮 ）机 场 陆 路 到 达 系 统 ( A i r p o r t A c c e s s S y s t e m )航 空 运 输 需 求 源 ( D e m a n d S o u r c e )货 站 （ C a r g o S t a t i o n ）理 货 - 打 包 - 过 磅 - 安 检旅 客 和 / 或 货 邮货 邮旅 客旅 客货 邮飞 机出 发( 购 票 ) 值 机 - ( 海 关 ) - 安 检 -( 边
3、防 ) - 候 机 - 登 机机 场 航 站 楼 ( T e r m i n a l )到 达（ 边 防 ） - 行 李认 领 - （ 海 关 ）图 1-1 航空运输系统 航空公司是运输生产的主体，是航空运输系统直接面对旅客或 货主的最主要部分，旅客的不满几乎全部撒向航空公司，即使延误是由恶劣天气或飞机流量管理造成的 ，也会造成旅客对航空公司的抱怨 。 旅客通过与航空公司接触的界面感受航空公司的服务质量，包括机票销售、航站楼服务和机上服务等，但航空公司的服务质量取决于服务链上的每个环节，从机队规划（机型的选择）、航线规划、航班计划、机务维修到运行控制，甚至为旅客服务的信息系统，处处都体现出航空
4、公司的服务水平和服务质量。 机场公司和空中交通管理局则为航空公司 提供生产保障 服务，帮助和支持航空公司完成运输生产任务，因此航空公司在航空运输系统 内部是机场和空管局的客户。 1-2 航空运输营运要素 航空运输的成功营运除了需要航空器、空勤人员、地勤人员和其它硬件资源以外，还需要软件要素的成功运用，包括航空运输计划、组织和运行，这软件三要素前后相继，又反馈控制，形成航空运输营运系统的闭合链。本节简要介绍这三要素。 1-2-1 航空运输计划 航空运输计划的主体是航空公司，航空公司将制定好的航班计划提交给相关机场和空管局，机场和空管局在此基础上形成自己的航班计划。但航空公司在设计航班计划时必须与
5、机场当局和空管局沟通、协调，对新增的航班还须获得他们的 批准，才能最终形成自己的航班计划。 1-2-2 航空运输组织 有了运输计划，必须建立有效的运输组织才能使运行有章可循，按程序流动。因此航空运输组织是完成运输任务的流程、章程和法规。 机场是航空运输活动的主要场所，图 1-2 是机场子系统的进出港流程图。机场陆路到达系统由陆路交通系统和机场停车场、车站和道边系统构成，陆路交通系统可能是机场高速、机场轻轨、机场地铁 。 机场高速的交通工具可能是出租车、公交车、 机场巴士、 团队 客 车和私家车，公交车需要设立车站 ； 出租车到达机场后 只在航站楼前短暂 停车， 下客后即离开，应当为他们设 置道
6、边系统 ； 私家车和团队车 下客后一般 需要停车，因此应当 为它们建设停车场。为此应当 对机场高速的车辆结构和数量进行调研 、 预测和评估，为规划停车场面积、道边长度和宽度 以及 公交车车站提供依据。 对于出发旅客 ， 机场陆侧指从 值机 大厅 入口 到登机口（ 又 叫闸口）的部分，其间提供的服务有值机、安检、候机、登机等，对于国际旅客还必须提供海关、边防检查等服务；对于到达旅客 ， 机场陆侧指从旅客 到达 入口到迎客厅出口的部分，其间提供的服务主要是行李认领和迎客，对于国际到达旅客，还提供边防、海关和动植物检验等服务；对于中转的旅客，是 指 航站楼 中办理换取登机牌和提供中转候机服务的部分。
7、有些陆侧的服务（主要是值机）可以前移至城市航站楼、火车站、机场到达交通工具上，以方便旅客，因此也 可 将陆路交通系统归入机场陆侧系统。 现在也有网上值机系统，在航站楼值机大厅还设有自助式值机系统，以方便旅客值机。 图 1-2 机场子系统旅客进出港作业流程 出发货邮到达机场后首先在陆侧进入货站，对货物进行分理、装箱、打包、过磅、安检机 场 陆 路 到 达 系 统停 车 场车 道 边 设 施航 站 楼 进 出 口值 机安 检候 机闸 口飞 机行 李 提 取行 李 检 验机 场 停 车 区 域航 站 楼机 场 边 界等服务，然后使用机场平板车进入 停 机坪装机。到达货邮到达机场后首先 卸机 ，然后通
8、过场面运输 进入货站，进行分理后， 再 通过机场陆路到达系统运输到最终目的地 。 如果是国际出发 /到达货邮，还必须通过海关和动植物检验后放行才能出 /入关。中转行李需要通过自动化分拣设备或人工 分拣 ，然后准确转运到各出发飞机上。 1-2-3 航空运输运行 有了航空运输计划 和运输生产组织体系，接下来是航空运输生产运行。 航空运输运行包括航空公司运行、机场运行和空中交通管理三部分。航空公司的运行控制中心是负责生产运行的控制部门，在这里集中了市场部门、机务部门、飞行和客舱部门、地面服务部门的代表，以及航行情报、 性能工程和飞行签派的专家。运输生产在这里组织实施，生产状态在这里进行监控。生产发生
9、一般性问题，由运控中心领导与有关部门代表协商解决。这里还有公司的值班领导，生产运行一旦发生重大问题，由公司领导牵头，各部门代表会商解决，必要时须与机场监控中心（指挥处）以及空管部门协商解决。 负责机场生产运行的部门是机场监控中心（指挥处），其职责是调配机场的生产资源，保障机场正常和安全生产。这里集中着最先进的监控设备和生产管理信息系统、服务信息系统，生产现场的情形在这里一目了然，监控人员随时可以和生产部门进行联系，解决发生的问 题。这里也是机场与航空公司和空管部门进行协调，解决问题的部门。 空管部门根据航班计划和跑道容量、空域容量等对空中交通流量进行管理，保障飞机安全有序飞行。管制区域通常分为
10、塔台管制区、近进管制区和区域管制，分别由塔台管制员、近进管制员和区域管制员管理。管制员主要和飞行员发生联系，以实现指挥飞机飞行的目的，必要时还会与航空公司运控中心、机场监控中心进行联系。根据自己管制的扇区容量和扇区内飞机流量情况，管制员决定飞机通过某定位点的顺序以及同一航路上前后两架飞机的间隔，保障飞机的安全飞行。 1-3 航空运输规划概述 1-3-1 航空运输规划定义和意义 如前所述，计划是航空运输生产的依据和出发点，而 规划 则 是为实现预定目标对未来的行动做出 的 计划。航空运输规划 是 为实现航空运输系统的目标对系统的结构、规模、作用、反应 和市场 等做出的计划。航空运输生产能力的安排
11、应当与运输需求相适应，或两者应当尽可能保持平衡。如果生产能力大于运输需求， 则 由于运输产品不能存储，多余的生产能力将浪费掉；如果生产能力小于运输需求，那么将会有部分需求得不到满足， 导致 需求溢出(Spilled Demand)，降低航空运输系统的服务质量，影响航空运输系统的公众 形象，被溢出的旅客将转向其他交通模式，因而进一步影响航空运输系统的竞争能力。因此必须对航空运输的需求做出预测和评估，然后对生产能力做出科学的安排，这就是航空运输规划 必 须解决的问题。 但航空运输需求的影响因素复杂，需求波动严重，不能准确预测。而且需求除了受需求发生地的社会、经济的因素影响外，还受到系统提供的生产能
12、力的影响。生产能力不足，产生需求溢出，生产能力偏大，可能吸引其他运输模式 的运输 需求 ，因此需求不完全是外生变量 。 航空运输规划 不但 直接影响航空运输系统运行的效率和安全，还是航空 运输系统 竞争能力和决策水平 的体现。 各 航空公司 的 飞行器 和 运行规范等都 符合适航规定 ，服务产品几乎是同质的，创新的服务产品很容易摹仿 。 例如常旅客计划，首先由美国航空公司推出， 但 很快传播到 其他航空公司。那么航空公司的核心竞争力体现在哪里呢？应当体现在运输规划的核心技术上，和掌握了这些核心技术的技术人员上。在先进的航空公司， R1,01111111s . t .m i n119842131
13、09876513121197521108643131211975211312107653112114321131 ixxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxcziiii这是一个 0-1型整数规划模型，目标函数是机组飞行总成本最小，每个航班一个约束条件，表示每个航班能且只能执行一次。这是一个集合分割问题，即将航班集合分割成若干子集合，任意航班属于某一子集合，每两两子集合的交集为空，使分割的总代价最小。这里每个航班子集就是一个航班环。有时由于航班计划在时间上的安排协调不够，导致某些航班在当地机场没有机组去执行，这时上述模型无可行解。实践中，
14、常采用加机组（又叫空飞，Deadhead）的办法，即从别的机场调机组跟随某航班飞来 本机场。如果允许机组空飞（加机组） ,则约束条件的等号应改为大于等于号，此时是集合覆盖问题。 集合分割问题和集合覆盖问题是航空运输规划经常遇见的数学模型，它们的一般描述是： 集合分割问题：把一个含有 n 个元素的集合 A 分割成 若干 个子集合 Ai， i=1,2, ,m，产生每个子集合 Ai 需要付出相应的成本 ci，现要求从这些子集合中选出若干个子集合，使得 AAmjijiAA mi iji 1;,2,1,，并使分割这些子集合的总成本最小。 集合分割问题可以用数学模型表述如下： mixnixaxczimjj
15、ijmiii,2,1;1,0,2,1,1s .t .m i n11其 中 ija =0 或 1，是一个示性算子，即当子集合 Aj 含有元素 i 时为 1，否则为 0。 ix 是决策变量，等于 1 时表示 Ai 被选中，等于 0 时表示不选择 Ai。上述模型的约束条件共有 n 个，每个元素一个，表示每个元素必须且只能包含在一个子集合中。 (2-1) 集合覆盖问题：如果在集合分割问题中，允许多个子集合包含同一个元素，即允许jiAA ji , ，则叫做集合覆盖问题，它的数学模型是 mixnixaxczimjjijmiii,2,1;1,0,2,1,1s .t .m i n11上述的集合分割问题和集合覆
16、盖问题的决策变量是特殊的整数，因此它们是特殊的整数规划。一般的整数规划问题可以这样定义： 定义 2-1 凡规定某些决策变量取整数值的数学规划问题都叫做整数规划问题。 例如 取整数1212121,0,),(s .t .),(m inXXXbXXgXXfz 其中 gf, 是 21,XX 的任意函数， 21,XX 是决策变量矢量， b 是约束条件的右手边矢量。 2-2-2 整数规划的分类和可行解集 定义 2-1告诉我们，只要某数学规划问题的某些决策变量规定为整数，就是整数规划。这就告诉我们，整数规划中可以规定变量取 0或 1，也可以规定取其它整数值。有些整数规划甚至允许某些决策变量取实数值，某些取整
17、数值。而且目标函数和约束条件的左边可以是线性的，也可以是非线性的。本小节首先对整数规划进行分类。 一、根据决策变量的取值规定进行分类 1、 0-1 型整数规划：有决策变量取 0 或 1 的整数规划。如果全部决策变量都只取 0 或 1，则称为纯 0-1型整数规划，否则称为混合 0-1型整 数规划。 2、纯整数规划：所有的决策变量都取整数的整数规划问题叫做纯整数规划问题。 3、混合整数规划：有些变量取整数，有些变量取实数的规划问题，叫做混合整数规划。 二、根据目标函数、约束条件左边是否为线性进行分类 1、线性整数规划：目标函数和约束条件左边全都是决策变量的线性函数的整数规划叫做线性整数规划。 2、
18、非线性整数规划：目标函数或者某些约束条件左边是决策变量的非线性函数的整数规划。 整数规划各种类型和划分标准可见表 2-3所示。 表 2-3 整数规划分类 类 型 线性整数规划 非线性整数规划 本章只讨论线性整数规划问题。线性整数规划由于规定某些变量取整数值，大大地加大了求解难度。如果放松整数约束，则线性整数规划问题成为线性规划问题 ，叫做整数规划的松弛线性规划问题，简称为松弛线性规划问题。如果是 0-1 型的整数规划，整数约束 1,0ix将松弛成 10 ix 。 设松弛线性规划问题的可行域是 S，则对应的整数规划的可行域是 S 中整数点的集合。例如如下的整数规划 整数,0,1032881124
19、.57m ax21212121xxxxxxtsxxz（ 2-2） 对应的松弛线性规划问题为 0,1032881124.57m a x21212121xxxxxxtsxxz（ 2-3） 线性规划（ 2-3）的可行域 S 是图 2-1 中的阴影部分构成的凸集，而整数规划的可行域是该凸集中的整数点： (0,0),(0,1),(0,2),(0,3),(1,0),(1,1),(1,2),(2,0),(2,1),(2,2), (3,0),(3,1)。求整数规划的最优解即是在该可行域的整数点集中寻找使目标函数最优的点。点 （ 3,1） 即是（ 2-2）的最优解。 条件 整数规划 0-1 型整数规划 整数规划
20、 0-1型整数规划 纯整数规划 混合整数规划 纯整数规划 混合整数规划 纯整数规划 混合整数规划 纯整数规划 混合整数规划 变量 全部取整数 部分取整数 全部取整数 部分取整数 全部取整数 部分取整数 全部取整数 部分取整数 目标函数和约束条件 全部为线性函数 部分为非线性函数 01 2 34 5x1012345678x2图 2-1 线性规划和整数规划的可行域 2-3 高级网络流问题 我们在运筹学课程中已经知道一些经典的网络优化问题，例 如最小支撑树问题、最短路问题、最大流问题和最小费用流问题。对于这些问题，已经有了有效的多项式算法。但这些经典网络优化模型只能解决一些比较简单的问题。例如最短路
21、问题只考虑边的长度，没有考虑路径上其它因素的约束，如规定燃油的消耗量或规定允许的最长流动时间；最小费用流问题假设网络上流动的是同一种“商品”，而实际情况可能存在多种“商品”，而且假设单位流的费用相同，不考虑网络的建设投资等。因此实际问题比经典的网络流问题要复杂得多。本节主要讨论在航空运输规划中经常遇到的网络优化高级问题：约束最短路问题和多商品流问题。 2-3-1 约束最短路问题 图 2-2 是大家熟悉的最短路问题，其中节点 v1和 v8分别是始发节点（源节点）和终止节点（汇节点），图中每边上权重表示长度，要求从始发节点到终止节点的这样一条路径，该路径上各边的权重之和最小（路径长度最短）。在图 2-2 中，节点 v1到 v8 的最短路径是v1 v7 v5 v6 v8，最短路程是 9。 2423421 023641v 2v7v5v3v6v8v 4v
