基于规则库优化的浦东机场机位分配系统研究与实践论文

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　　摘 要：浦东机场机位分配系统是航班信息集成系统的核心业务子系统,通过对运行指挥中心机位分配业务流程及机位分 配系统现有功能的研究,详细分析系统存在的技术和管理问题。继而开展机位分配规则梳理及用户需求深入调研,实施机位规 则库的优化升级以及其他配套功能的整体升级,使系统升级达到预期的应用效果。最后对开发基于人工智能的机位分配系统的 概要技术路线做出展望。

　　【Abstract】：Pudong Airport Stand Allocation System is the core business subsystem of flight information integration system, through the study of the operation command center stand allocation business process and the existing functions of the stand allocation system, the technical and management problems of the system are analyzed in detail. Then, the stand allocation rules were sorted out and the user needs were deeply investigated, and the optimization and upgrade of the stand rule library and the overall upgrade of other supporting functions were implemented, and the system upgrade achieved the expected application effect. Finally, the outline technical roadmap for the development of AI-based stand allocation system is prospected.

　　【Key words】：stand allocation;allocation efficiency;rule base;penalty point;artificial intelligence

　　1 业务背景

　　1.1 浦东机场及飞行区概况

　　上海浦东国际机场现有两座航站楼,一座卫星厅, 四条跑道。2019 年旅客吞吐量 7615 万人次,货运吞吐 量 363 万吨,航班起降 51 万架次,浦东机场立足中国 长三角世界级城市群,已成为全球最繁忙的机场之一。 飞行区现有 340 个机位, 其中 163 个近机位(T131 个、 T242 个、卫星厅 90 个)及 177 个远机位,主要分为 C/ D/E/F/ 类机位,服务于 25 种主要机型、110 家定期航司。

　　1.2 机位分配系统现状

　　浦东机场航班信息集成系统软件主要由中央数据 库、集成消息中间件、航班处理系统、资源分配系统以 及客户端应用组成。资源分配系统由机位、登机门、值机柜台、行李转盘等分配系统联合组成。机位分配系统 通过人工手段将预设的基础数据、分配规则逐条输入到 机位规则库中,通过确立不同的罚分等级和分值,使不 同的航班在同一时段针对同一机位获取不同的罚分,用 以确认该航班是否适合停靠在该机位。系统支持自动全 量航班分配、筛选局部航班自动分配、以及手工拖拽甘 特图人工分配等工作模式。

　　1.3 机位分配工作模式

　　运行指挥中心设置 AOC(Airport Operation Center) 机构负责飞行区资源分配工作, AOC 设置资源分配席位 并分为 4 个班组,通过机位分配客户端软件, 7×24h 不 间断开展停机位计划性分配和实时调整任务, 此外还要兼 顾应急救援时资源管理,不停航施工资源调整等工作。资源分配席位必须充分了解各类机型数据、航空公司代码, 还要掌握不同机型的停放规则 [1]。在长期的工作中,席位人 员需要把机场规定和个人经验提炼为业务规则, 在机位分 配系统中不断创建和调整规则,确保规则库高效运转 [2]。

　　2 机位分配问题分析

　　2.1 规则库创建久远且与现实需求不符

　　机位分配系统现有规则库主要编制于 2008— 2010 年,与当前运行情况偏差较大,主要存在机型数据老旧, 机型种类不完整,停机位基础数据错误,机位与跑道头 滑行距离未设置,系统罚分体系设置不合理等问题。 2.2 规则条目多调整风险不可预测由于资源分配的复杂性,操作技能的传承存在较大 困难,用户缺乏大规模修改规则库的经验且存在规则命 名及备注不规范的问题,多年来规则库的调整基本为只 增不删,库中存在大量过时无用的规则条目,现有条目 达到 1.6 万条,彼此关联程度高,局部调整规则可能导 致全局问题或其他未经验证的安全性问题。

　　2.3 手工分配时间长工作效率低

　　由于机位的差异性,产生了复杂繁多的分配规则, 需要席位人员记忆大量基础规则,如航班计划、飞机机 型、航班性质、航线性质以及各种优先级规则。叠加现 有规则库存在配置偏差的情况下,需要依赖席位人员的 个人经验且花费大量时间来进行机位分配, 4 个班组需 要 24h 进行动态的机位分配和调整。针对过夜航班还需 要额外投入专人 3h 的分配作业。当面对不利天气、大 面积延误、多机备降等突发情况时,手工机位调整耗时 更长,难以迅速完成计划外的分配任务。

　　2.4 缺乏测试验证环境

　　现有机位分配系统的测试环境为独立环境,只能通 过手动导入航班计划数据的方式对计划性分配进行测 试 ;而航班动态数据则无法实现与生产环境的实时同 步,用户缺乏一个真实有效的沙盘测试环境,间接导致 规则库未能开展有效的更新测试。

　　2.5 多源数据无法高效汇总同步

　　航班信息获取的及时性及流程化仍有优化空间,如飞 行区布局、滑行程序设计、航站楼商业等信息无法与机位 分配系统进行数据交互等 [3]。由于机位分配流程中的航司、 地服保障、空管等不同来源的数据不能高效汇集和同步, 因此无法对机位调配相关的数据进行深度挖掘和综合分析。

　　3 机位分配业务需求分析

　　3.1 机位分配一般性原则

　　3.1.1 航班流程

　　根据航班号确定航空公司所在航站楼, 根据航班性质确认国内和国际(地区)航班在航站楼分布的不同区域。

　　3.1.2 安全生产

　　根据飞机机型、停机位大小及位置, 不能把大机型 放在小机位上。两个设计为同等级的机位,如其中一个 停放了设计最大机型的飞机,为防止飞机地面剐蹭,其 相邻机位要降低停放的机型等级。

　　3.1.3 运行效率

　　航班有东线、西线之分,机位分配决定了该航班与 跑道头之间的滑行距离。因航路管制或目的站天气等原 因,飞机不宜在近机位长时间停场等待,应拖拽至远机位。

　　3.1.4 经济效益

　　飞机从滑行道出入口到机位的地面滑行距离最短, 可以节约航空燃油。近机位使用登机桥设备对比远机位 使用摆渡车有运行成本差异,摆渡车行驶距离产生的燃 油费是经济性因素。

　　3.1.5 服务质量

　　需考虑远机位航班与登机口间的距离,通过减少距 离来缩短旅客乘坐摆渡车的时长。需考虑行李拖车从机 位到行李提取区运行距离最短,提升旅客行李提取效率。 3.2 机位分配独特性原则

　　3.2.1 公共卫生事件

　　根据卫生事件的要求,指定航司分配到指定机位或 机位组 ;指定始发地航班分配到指定的机位组或机坪区 域。机场制定机位风险等级,包括国际地区中高风险、 国内低风险等 ;严格执行分配原则,国际、国内分离, 客班、货班分离。

　　3.2.2 航班大面积延误

　　若发生恶劣天气、流量控制等突发情况导致大面积 航班延误,间接打乱原有机位分配方案,需要用户根据 动态情况尽快重新分配机位。

　　3.2.3 季节性天气

　　每年夏季为广深地区的雷雨季,期间浦东机场往返 于该方向的航班受影响概率较大,因此用户可以针对雷 雨季、广深航班单独配置短期的资源使用规则。

　　3.2.4 应急处置

　　发生紧急情况或急救等特殊任务时,航空器的机位 分配优先级高于其他普通航班,同时浦东机场针对此类 突发场景已制定对应的业务应急预案及操作流程,如预 留 418 机位为反劫机处置区等。

　　4 机位分配优化方案设计

　　4.1 优化目标

　　系统优化目标为机位规则库重建度 100%, 次日机 位分配操作时间降低 80%,一次性批量分配率提升至85%,实现对冲突航班自动推荐 2 个机位功能。

　　4.2 优化方案

　　4.2.1 扩展系统数据集

　　新建集成消息中间件(IMB)与企业服务总线接口, 获取空管、地服、航司等外部系统数据。IMB 增加 XFDS (Extensive Flight Distribution Service 可扩展航班分发 服务) 和 XFUS(Extensive Flight Update Service 可扩 展航班更新服务)等两项数据服务,增强集成系统与子 系统的数据交互能力 ;升级集成系统数据库及客户端软 件, 增加 20 余个空管类字段, 增加 20 余个地面服务保 障类字段。

　　4.2.2 重设罚分体系

　　将机位分配规则明确划分为三类规则体系,优先级 由高到低分别为“安全运行类”“效率提升类”及“服 务品质类”,三类规则体系利用不同的罚分跨度来区分不 同规则的重要性和自由度。同时将机位罚分区间从原先 的 0 ~ 499 分扩展为 0 ~ 999 分,增加罚分维度,提升 规则设置灵活性。罚分具体数值会标记在机位分配甘特 图上,并以颜色区分,甘特图条颜色分为灰色(0 ~ 499. 优先分配)、黄色(500 ~ 999.可以分配)、红色(1000 分以上,禁止分配),当鼠标悬停于某个航班图条上时, 还能显示该航班对该机位的详细罚分构成。

　　以 S1 卫星厅纯国内近机位为例,罚分规则设置为 ： T1/S1 航司罚分为“0”;航班属性为国内罚分为“0”; 航班性质为客班 / 客包机罚分为“0”;只要航班相关属 性相加满足机位运行要求,即可被优先分配至相应机位。

　　4.2.3 重设机位、机位组

　　根据最新的机位要素图、近期机位变化及其他信息 的集合,补充有机位的翼展和机长数据 ;根据公共卫生 事件期间区域管理的划分对机位描述信息进行补充和修正。修订后的机位基础数据表如表 1 所示。

　　4.2.4 重设机型、机型组

　　根据机位分配系统历史数据,删除已被航司淘汰的 旧机型,删除浦东机场长期计划中没有飞行计划的机 型,删除定义不清无法明确翼展、长度的机型,删除备 注信息模糊无法溯源的机型数据,综上共计删除 140 条 机型数据。补充录入剩余全部机型的详细翼展、长度参 数及详细备注。同时根据机型尺寸等特性重新归纳整理 了机型组的基础数据,调整前的机型组对机型覆盖率仅 为 60%,本次重新建立了 69 个机型组,确保机型组对 机型的覆盖率达到 100%。相关调整如表 2 所示。

　　4.2.5 重设航司、航司组

　　系统原有 12 个航空公司组,对航空公司的覆盖率仅为 42%。升级删除无效航司组并重新建立 9 个航司 组,确保对航空公司的覆盖率达到 100%。

　　4.2.6 设置机位封锁规则

　　优化机位封锁规则,用户可根据不同业务场景需求 分别设置不同规则。泊位封锁规则 ：相邻机位无法同时 停泊飞机。如图 1 所示, 347 号机位被飞机占用期间, 相邻的 346 号机位将显示红色图条,无法分配其他航 班。入离位封锁规则 ：相邻机位无法同进同出,需错开 入离位时刻。如图 2 所示, 346 号机位被飞机占用,在 该飞机滑行入位期间(图条的前 45min),相邻的 347 号机位将显示红色图条,无法被其他飞机占用,待该飞 机入位完成后相邻机位可分配其他航班。

　　4.2.7 设置航班滑行距离规则

　　为提升使用异侧航站楼和跑道的航班正常率, AOC 采取“彩虹”停机方案,将异侧航班优先安排在主楼中 端、南端,使航班滑行距离缩短。设定每个机位到每个 跑道头的滑行距离表,形成 1 对 N 的关系,作为分配的参 考条件 [4]。目前根据每个机位与 4 个跑道头的滑行距离区 间划分为 5 组,其中Ⅰ组为滑行距离较短的机位(小于 1500m), 罚分设置为 0.系统将优先把航班分配在该组的 机位;而Ⅴ组为滑行距离较长的机位(大于 6001m), 罚分 设置为 300.系统将尽量避免把航班分配在该组的机位。 以浦东机场 001 ~ 098 号机位(T1、T2 近机位) 为例, “跑道—滑行距离”对应关系如表 3 所示。在此规则下,50 号机位将被优先分配给计划于 16R 跑道起飞的航班。

　　4.2.8 设置灵活规则库条件

　　新增的自定义规则能让用户使用更多与航班和飞行 器相关的字段参与规则设置,例如,增加旅客量、起降 跑道、预测上下轮挡时间等更多维度的规则参数 ;同时 规则条件的设置也更加灵活丰富,例如,用户可将“广 州、深圳方向航班”“历史平均延误时长 >30min”等 航班属性或业务指标设为规则条件,从而将季节性天 气、航线质量等抽象的业务场景在罚分规则中具象体 现。新规则配置更贴近业务场景,避免原先任何一种新 字段条件设置修改均需提交后台开发人员频繁修改代码 的窘境。

　　5 系统部署与应用

　　5.1 测试环境创建与验证

　　现有集成系统服务器命名为 AODB1/2.新建测试服 务器 AODB3/4.开发数据库同步程序,实现测试服务器 与生产服务器数据完全同步,确保席位用户可以在测试 服务器上开展完整的规则库优化以及机位分配测试工作。 将升级软件包、补丁包安装到 AODB3/4 测试系统,修改 后的规则和基础数据全部输入 AODB3/4.将 AODB3/4 从测试环境变更为新系统的准生产环境,安排用户开展 机位分配测试和调优,确认各项新规则可以正常运行。 5.2 生产系统上线与应用编制系统割接任务计划,压缩生产机停产时间至 30min 以内,做好系统备份方案和故障回退方案,协调 AOC 用户及相关子系统服务商在系统升级期间的航班测 试和功能验证,在预选的日期顺利完成系统割接上线任 务。升级完成后, AODB 生产和测试主机的角色发生互 换,即 AODB3/4 上线成为生产机并重命名为 AODB1/2. 5.3 系统架构图机位分配系统升级配套发生多个系统模块的联动升 级,涉及的机位分配系统、中央数据库、消息中间件以及企业服务总线的整体架构如图 3 所示。


　　5.4 应用成效

　　系统升级上线后持续 2 个月对机位分配的实际效 果跟踪分析,确认次日机位分配手工操作量从原先的 80% 减少至 15% 以内 ;次日机位分配总耗时从 3h 缩 短至 40min 以内 ;机位动态推荐在 1s 内提供所选航班 的机位推荐调整方案(按罚分进行优先级排序)。

　　6 机位分配未来展望

　　6.1 增强多系统联动和态势感知

　　基于企业服务总线的数据交换能力,加快大数据平 台建设,实时处理所有系统数据,形成数仓专题库,以 标准的接口形成一批新的数据服务,既可以推送至集成 系统数据库,也可作为 AI 算法的数据输入源。机位分 配系统加强与机场协同决策系统、空管雷达系统的数据 交互,实现机位冲突预警,实时统计过夜航班数量、备 降机位剩余数量。

　　6.2 人工智能全自动分配

　　基于大数据平台和企业服务总线的数据服务, 开发新 一代智能机位分配系统,系统应包含通用基础算法库及运 筹优化算法库,包含智能规则引擎、智能调度优化引擎以 及仿真引擎等,利用运筹学优化算法建模 [5],对现场靠桥 率、冲突量、旅客体验等多目标综合考虑,输出机位分配 结果集合,实现智能分配目标,提高机场运行效率。

　　6.3 独立外挂的机位分配系统

　　智能机位分配系统在上线初期可与现有机位分配系统并行使用,主要对比机位计划分配、机位冲突调整的 自动化能力、最优解能力,在验证各项技术指标全部超 越现有系统的基础上,将数据反写入集成系统数据库, 新系统既可以作为独立外挂的等效备份系统,也可在时 机成熟时实现对老系统的替代。

　　7 结语

　　机位是机场的核心资源,机位分配效率是枢纽机场 的核心竞争力。面向未来需积极探索业务规则、数据模 型以及人工智能的最佳结合点,扩展算法在资源分配领 域的应用,并延伸至登机口、值机柜台、行李转盘和安 检通道的智能分配,发挥统筹协同效应,实现资源分配 的全局最优,破解浦东机场日益突出的资源保障瓶颈, 助力打造全球领先的数字化机场。

　　参考文献

　　[1] 王璐,刘明,刘荣凡,等.考虑乘客满意度的双目标机位分配问 题[J].计算机应用,2018.38(S1):13-15+43.
　　[2] 王青召.面向繁忙机场多场景的停机位分配优化研究[D].天 津:中国民航大学,2018.
　　[3] 陈丰华.民用机场停机位分配管理能力建设与评价研究[J]. 民航学报,2020.4(4):19-24..
　　[4] 袁媛,翟好鑫.考虑跑道的航班停机位分配研究[J].科技和产 业,2021.21(2):265-268.
　　[5] 孙淑光,张泰荣.遗传与禁忌搜索算法组合的停机位优化分 配[J].中国民航大学学报,2019.37(4):11-14+40.
 
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