基于经济损失的航班延误恢复模型研究.pdf

第2 9 卷第1 期 2 0 1 1 年2 月 中国民航大学学报 J O U R N A LO FC I LA V I A T I O NU N I V E R S I T YO FC H I N A V 0 1 2 9N o 1 F e b r u a r y2 0 1I 基于经济损失的航班延误恢复模型研究 刘艳红，高林，李耀华 ( 中国民航大学航空工程学院，天津3 0 0 3 0 0 ) 摘要：分析了航班延误的恢复调度问题并针对问题提出了一种机场大面积航班延误恢复模型，模型考虑了航班 延误的延误时间。还考虑了不同机型对航班延误经济损失造成的影响。构造了基于免疫机制的免疫遗传算 法来求解模型。此算法保留了标准遗传算法随机全局并行搜索的特点。又在相当大的程度上避免了未成熟 收敛。用实际的航班信息进行仿真研究结果表明。文中的模型和算法切实可行。 关键词：航班延误经济损失；免疫机制：免疫遗传算法 中围分类号：T P 2 9文献标识码：A文章编号：1 6 7 4 5 5 9 0 2 0 1 0 0 2 删埘 S t u d yo nR e c o v e r yM o d e lo fF l i g h tD e l a y sB a s e do nE c o n o m i cL o s s L I UY a n - h o n g ，G A0L i n ，L IY a o - h 抛 ( A e r o n a u t i cE n g i n e e r i n g C o l l e g e ，C A U C ，T i a n j i n3 0 0 3 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h er e c o v e r ys c h e d u l i n go ff l i g h td e l a y si sa n a l y z e d ，ar a p i dr e c o v e r ym o d e lo fl a r g e - s c a l ea i r p o r tf l i g h td e l a y s i sp r e e n e d ，t h em o d e lc o n s i d e r sn o to n l yt i m eo ff l i g h td e l a y s ，b u ta l s oe c o n o m i cl o s so ff l i g h td e l a y so f d i f f e r e n ta i r c r a f tt y p e s A n da ni m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h mi ss u g g e s t e dt os o l v et h em o d e l ，w h i c hi si m p r o v e d i m m u n es y s t e mb a s e do ni m m u n es y s t e m 陀s e r v e st h ef e a t u r eo fs t o c h a s t i cg l o b a lp a r a l l e ls e a r c ho fg e n e t i c a l g o r i t h m 。a n da v o i d si m m a t u r ec o n v e r g e n c ec o n s i d e r a b l y T h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t hf l i g h td a t as h o w st h a tt h e m o d e la n da l g o r i t h ms u g g e s t e da r ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e K e yw o r d s ：e c o n o m i cl o s so ff l i g h td e l a y s ；i m m u n es y s t e m ；i m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h m 改革开放以来，随着航空运输业的迅速发展，空 中交通网络的拥塞现象日益严重。拥塞导致起飞航班 的延迟，影响到达航班的顺序，给用户带来不便，造成 航空公司的巨大损失，甚至影响了飞行的安全性。据 统计，美国在2 0 世纪9 0 年代初，每年因航班延误造 成的延误损失就高达2 5 亿美元。近几年美国每年的 延误损失甚至高达了3 0 亿美元。本世纪初，M a r k H a n s e n 研究了延误后如何尽快恢复的理论和模型，他 以洛杉矶机场为例，使用线性和非线性回归模型的方 法分析了美国几大机场的航班延误及飞行时间正常 化程序，但对国内大多数航空公司的航班恢复调度并 不太适用 2 1 。 目前，中国在进行航班延误恢复时的航班调度上 基本采用先到先服务算法( F C F S ) ，虽然对于管制员比 较容易实施和操作，但是调度的效率低，因此建立合 理的恢复模型已大势所趋。徐肖豪等学者也对延误恢 复问题进行了全面研究，提出了各种地面等待模型， 但这些模型多以延误时间作为衡量地面等待策略的 标准，没考虑不同机型对航班延误经济损失造成的影 响1 3 1 。文献 4 】针对延误航班恢复模型定义了航班影响 因子，考虑航班延误的经济效益，但没有考虑机场容 量的限制。本文提出了一种机场大面积航班延误恢复 模型，该模型可以提供航班延误恢复时机场出发航班 的最优分配方案，使延误损失最小，大幅提高航空运 输的经济效益，并构造了一种基于免疫机制的遗传算 法来求解此模型。 1 航班延误恢复模型 1 1 问题描述 航班延误是指航班由于某种原因没有按照公布 的时刻出发或到达，即属于不正常航班。正常航班符 收稿日期：2 0 1 0 - 0 6 - 1 0 ；修回日期：2 0 1 0 - 0 7 1 6基金项目：中国民航大学青年骨干教师基金项目( 0 6 2 0 “) 作者简介：刘艳红( 1 9 r 7 0 一) ，女，河南确山人，副教授，硕士，研究方向为飞机结构设计与修理技术，智能结构设计与控制技术 万方数据 第2 9 卷第l 期刘艳红，高林，李耀华：基于经济损失的航班延误恢复模型研究 4 7 合以下条件： 1 ) 在班期时刻表公布的离站时间后1 5m i n ( 北 京、上海、广州、深圳2 5r a i n ) 之内正常起飞的航班； 2 ) 在班期时刻公布的到达时间开舱门的航班。 不正常航班：不符合正常航班全部条件的航班。 造成航班延误的因素很多，一是天气等自然因素 造成的延误；二是航空公司自身的原因造成的延误， 如飞机出现机械故障、飞机调配、发行计划安排出现 问题等；三是空中流量饱和，空管对飞机起飞进行控 制造成的延误。其中天气原因是主要原因。 航班延误不仅给旅客带来诸多不便，也使航空公 司蒙受经济损失，而且严重威胁到机场及空域的安 全。航空延误所带来的问题I ，包括：导致运行成本上 升0 9 2 3 ( 因航空公司规模不同而不同) ；导致 高价值商务旅客流失；使航空公司在旅客面前失去 诚信；增加地面和客舱服务难度；引发旅客投诉 和法律纠纷；飞机利用率下降、机组利用率下降； 对飞行安全不利。 1 2 航班延误经济损失的构成 航班延误经济损失通常包括显性损失和隐性损 失两部分。显性损失包括航空公司经济损失和旅客经 济损失，航空公司经济损失由延误航班运营成本和延 误航班盈利损失两部分组成。隐性损失主要指航空公 司的形象和名誉的损失，由于这些隐性损失的不确定 性，因此，本文在计算航班延误经济损失的时候并没 有考虑这些隐性损失。 1 2 1 航空公司经济损失 1 ) 延误航班的运营成本 延误航班的运营成本与延误航班的机型有着直 接联系，起飞质量越大的飞机，其停场费、起降费、旅 客服务费等就越高，相应的地面等待成本也就越高。 本文根据国际民航组织( I C A O ) 的标准，按照飞机的 尾流强弱将飞机分3 类分别讨论运营成本，如表l 所 示。以中型飞机B 7 3 7 3 0 0 为例，据计算，l 架飞机每年 花费的租赁费、税金、停场费、飞机维护费用和相应的 航材费用等固定性费用为25 0 0 万元，按1 年有3 6 5 天计算，1 天的成本约为7 万元。为了方便分析，本文 假设重型机、中型机和轻型机延误的运营成本分别为 1 0 万元天、7 万元天和50 0 0 元，天，各机型每小时延 误运营成本a o 的值如表l 所示。 对于不同的机型，其延误运营成本c o ( t ) 为 C o ( t ) = a o t ( 1 ) 式中：t 为延误时间。 2 ) 延误航班的盈利损失 表l 各类飞机每小时延误运营成本 T a b 1 O p e r a t i n gC O H O So fd i f f e r e n ta i r c r a f tp e rh o u r 机型代表符号最大起飞质量t尾流类型匈元h 1 重机型H 1 3 6重型尾流41 6 7 中机型 M 7 1 3 6 ( 含)中型尾流 29 1 6 轻机型 L7 轻型尾流 2 0 8 航空器作为航空公司的主要生产工具，其目的除 了要为旅客提供优质的服务外还要为航空公司创造 利润，因此，当航班发生延误时，航空公司的盈利也会 受到直接影响，造成航空公司的经济损失。延误航班 的盈利损失与航班最大载客人数、航班客座率和航空 公司的净利润率密切相关。根据2 0 0 4 年英国商业航 空1 2 】的统计可得出中国航空公司的平均净利润率r 约 为2 9 8 。从中国实际情况出发，假设航班客座率s 为 7 5 ，平均票价口为7 5 0 元，平均飞行时间厂为2h ，因 此，令m 表示航班最大载客人数，则各航空器每小时 可为航空公司赚取的利润为 = r o s ar f( 2 ) 延误航班的盈利损失为 c 。( t ) = a n t ( 3 ) 1 2 2 旅客经济损失 航班延误造成的旅客经济损失与飞行的等级相 关。国外相关机构就航班延误对旅客造成的经济损失 做过较为系统的分析( 如表2 所示) ，得到旅客的平均 时间价值为2 8 6 $ h ，其中最低时间价值为2 3 8 $ h ， 最高时间价值为3 5 6 $ h 一。 衰2 国外旅客延误时间价值 T a b 2D e l a yt i m ev a l u e so ff o r e i g np a s s e n g e r s 旅客类型 平间价h - l 值最低时间$ - h - i 价值最繁婀价h - 值 休闲旅客2 3 3 2 0 03 0 0 商务旅客加1 3 2 1鸽1 根据国外旅客延误时间价值并结合中国飞行的 分类，中国民航运输中对于普通国内航班飞行每名旅 客平均延误经济损失约为5 0 元h 一，对于国际航班和 重要客人的飞行每名旅客平均延误经济损失约为1 0 0 元h 。航班延误造成的旅客经济损失c 。( t ) 为 c p ( # ) = a p s m t ( 4 ) 式中：为航班单位每名旅客的平均延误经济损失。 1 3 航班延误恢复模型建立 航班延误恢复调度( r e c o v e r ys c h e d u l i n go ff l i g h t d e l a y s ，R S F D ) 是指由于某些原因造成了大面积的航 班不能正常起飞，当延误恢复时，要重新调度这些延 误了的航班。调度的任务是给出一种航班调度方案， 万方数据 中国民航大学学报 2 0 1 1 年2 月 使所有延误的航班在尽可能短的时间内起飞，并使得 延误造成的经济损失尽可能小。在文献【4 】的研究成果 基础上。进行了深入研究，并对模型进行了改进，这 样。建立了如下航班延误的恢复模型 m i n 艺【c o ( 巧) + C n ( 白)