多机场协同下航路网络通行能力优化

多机场协同下航路网络通行能力优化

王梓安,孟嘉豪,张英泽

民用航空学院

一．摘要

近年来，民航业的发展形式愈发的迅猛，繁忙空域的航线网络面临着越来越大的流量压力。虽然在目前，我国的区域多机场建设已初具雏形，区域多机场体系进一步完善管理模式，但是通过与国外发达地区的成熟机场群相对比，发现我国区域多机场航线网络布局存在缺乏整体统筹规划问题，且区域内各机场间发展程度不平衡，功能定位不稳定。空中交通管制依赖管制员的个人经验。持续高强度流量将导致管制员负荷过大，同时加剧空域拥堵问题，增加运营风险。

我国目前亟需加深对多机场协同的认知，对区域多机场的航线网络及协同发展模式进行探究。要完善其布局，推动区域多机场协同发展，首先需要在明确各机场功能定位的基础上，对多机场的航线网络结构进行调整，形成与机场定位相契合、与多机场协同发展相适应的航线网络布局。本文对区域多机场的协同发展模式展开研究，对区域多机场的功能定位进行分析，在此基础上进行区域多机场的航线网络优化研究，实现各机场之间功能互补和协同发展，为我国区域多机场航线结构的调整以及区域多机场都可能对整个系统产生影响，从全局角度对航线网络上的空中交通流运行进行优化。对其进行深入研究，有助于提高空域容量，优化空域结构。

二．概述

以最短路径、最大覆盖范围、最小总运输成本等为约束条件，在具备航空运输能力的城市中相互连接形成的网络上，合理地建立所有从起点到终点的起讫航路流(O-D 流)设计合理的运输路线即为航路网络优化模型。通过已有文献可知，在O-D 流设计路线上的差异，同样会形成不一样的航线网络结构。进而可以通过分析这些航线网络结构类型可以把航线网络优化的模型分为以下两类，即普通航线网络优化模型和枢纽航线网络优化模型。普通航线网络优化模型主要应用于普通的城市对航线结构，假设不考虑航线开辟成本，并且运输成本与距离成正比，则因为任意 O-D 流需要按照运输成本最小的路径运输，而当按照最短路径进行运输总运输成本最小，同时因为两点之间直线最短，因此优化后的航线网络每对 O-D 流会选择直达航线。但实际运营中，航线开辟需要成本，并且航空运输成本受很多因素的影响，因此实际运营中需要考虑的问题往往复杂得多。实际中，管制员向航路网络分配流量时，会尽量为航空器选择从起点到终点阻抗最小的航路，但只能根据经验完成流量与航路的分配，使航空器得以保持安全间距。即管制员不是在航空器进入管制区域时就为其分配好了由进入点到离开点的航线，而是在飞行过程中每到一个节点会根据实际情况对航空器的航路和高度进行调整，也即管制员真正为空中交通流分配的是具体的某条航路，而非整个航线;此外，管制员在某一节点处为航空器分配航路时，并非考虑所有以该节点为起点的航路，而是只考虑“有效航路”。枢纽航线网络优化模型又称为枢纽选址问题（Hub Location Problem），解决此类问题有两种思路，分别是选择枢纽点和选择枢纽边的航线网络设计方法。枢纽航线网络的优化模型是已知所需要连接的航线网络优化设计是指在航空运输所需的城市对之间的相连所构成的网络上，以路径最短、覆盖范围最大、总运输成本最小或其他等等为目标，对所有的 O-D 流设计合理的运输路线。

三．正文内容

1．  在对区域多机场航线综合评价的基础上，通过航线网络优化模型的构建，对区域多机场航线网络进行优化，加大整个区域的航线网络覆盖范围，促进区域多机场协同发展。航线网络优化分为两个方面，区域内航线优化以及国内航线优化，区域内航线优化参考第四章的评价结果选取待优化航线，对待优化航线上的数据进行收集和整理，并基于航线优化分配模型将待优化航线优化分配至区域内其他机场，采用 MATLAB 软件对优化模型进行求解，实现航线出发机场在区域内的优化分配。

将区域内所有机场视作一个有机整体，区域内各机场由统一的管理机构进行运营管理，可实现机场资源的相互协调和优化分配；

除枢纽机场以外，区域内的中小型机场容量富足，航班时刻较为充足；

优化后航线的具体航班资源配置，包括执飞航空公司、执飞机型等根据不同航线，不同类型机场特殊配备，重新分配后的航线如高原航线将由特定执飞航空公司在优化后的出发机场执行通往原目的地机场的运输任务。

根据上述航线网络优化原则及模型假设，以多机场协同发展为优化目标，基于多机场航线优化，构建分配模型，目标函数如下：

函数式子中变量及参数设置如下：

：待优化航线； ：待优化航线集合，  其中；

： 区域多机场内可选择的出发机场 ：区域多机场内可选择出发机场集合；  其中

：机场 的平均准点率；

：待优化航线目的机场到可选择的出发机场航线距离权重（航线距离为400-600km；；航线距离为 600-800km；；航线距离为 800-1000km：；航线距离>1000km；

）；

：机场 p 与机场q 的等级匹配度，同一等级：=1 ，跨等级：=0.8

：自变量，当=1时，将航线分配至机场出发；当=0时，航线不从机场出发；

因变量是目标函数的最终解。

约束条件：

航线出发机场唯一性：所有航线只能分配到区域内的其中一个机场出发。

通过以上函数将数据带入，进而求出如何多机场协同进行航路优化。

2．航路网络优化模型的求解

考虑到本模型的操作困难程度，利用MATLAB编程，完成航线优化此模型的求解。将待优化航线上机场的相关数据整理为如表 4.1 所示，相关参数数据来自民用航空相关工作部门、飞常准等网站。

表 4.1 待优化航线数据整理

CPLEX 是一种由 IBM 公司推出的数据处理软件，它可以便捷、高效的对复杂问题进行优化，主要用于解决以下几种数学问题：带约束的二次规划问题、大规模的线性规划问题、二次规划问题、混合整数规划问题以及二阶锥规划问题等。CPLEX 与 Java、C++等多种编程语言都具有兼容性，并且与许多优化软件存在接口，具有极强的通用性。CPLEX 可以将复杂的行业问题数学化模型化，运用超线性加速器，自动搜索优化算法，高效的整合现有资源进行快速的计算求解。通过使用 CPLEX 对模型求解，可以对航线上的出发机场进行调整，在次枢纽机场中为原航线重新分配出发机场。优化后结果如下（表4.2展示的是 CPLEX 对航线优化分配模型的求解结果）：

表 4.2 航线优化分配模型求解结果

分析表4.2可知，在本算例中共有 4 条航线实现优化。为如下4条：由贵阳发至腾冲的航线现改为从兴义出发；由贵阳发至大理的航线现改为从遵义出发；由贵阳至保山的航线改为从毕节出发；由贵阳发至万州的航线现改为从铜仁出发。通往丽江的航线及西双版纳的6 条航线仍由原起始机场贵阳机场出发。在云南，丽江及西双版纳为次枢纽机场，但就全国范围而论，与贵阳同为三级枢纽机场。所以为保障基本需求，保留至西双版纳及丽江的航线是合乎情理的。通过分析分配给其他次枢纽的机场航班情况，在贵阳机场的综合排名中，该情况航线均处于较低水平，故将其分配给区域内次枢纽机场可为贵阳机场提供航班时刻，用于在国内重点城市的密集航班中分担压力，有效地提高区域多机场协同的整体效益的合理性。

该实验结果也进一步验证了航路优化分配模型的有效性，优化后的次枢纽航线网络更贴近实际情况，这些次枢纽航班航线能力靠后，对于次枢纽机场而言，增加次枢纽机场航线的建立对其支线航空市场的扩充和巩固有极大的现实意义，便于其形成支线航空市场竞争优势。对于枢纽机场而言，进一步完备拓充枢纽机场航路网络是首要问题，在加密国内重点城市的航班中提供了重要航班时刻，在国内枢纽航空市场中的竞争趋势中脱颖而出，提升区域多机场内各机场功能定位的明确性以及促进多机场协同发展模式形成的良性循环。

四．参考文献

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