飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能優(yōu)化方法

姚明 黃粵 賈寶惠 黃旭

摘要：針對目前國內(nèi)航空公司存在的信息孤島、營銷與運(yùn)行分離、航班編排與其他業(yè)務(wù)脫節(jié)等問題，本文以南航為典型企業(yè)，研究飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能優(yōu)化方法，建立基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，重構(gòu)飛機(jī)排班系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航班精細(xì)化控制，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)、主要功能、實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了分析和論證，提出了具體的實(shí)現(xiàn)方案，可為國內(nèi)航空公司的航班編排等運(yùn)行職能提供實(shí)用的技術(shù)方法，有效提升航空公司的運(yùn)營管理水平。

關(guān)鍵詞：航班編排；精細(xì)化管理；排班系統(tǒng)

Keywords：flight schedule； delicacy management； flight schedule system

0引言

近些年來，隨著我國民航業(yè)的快速發(fā)展，各航空公司的機(jī)隊(duì)規(guī)模迅速增大，但限于當(dāng)前我國民航管理水平相對較低，飛機(jī)排班及維修調(diào)度水平已成為制約航空公司發(fā)展的一個瓶頸問題。飛機(jī)排班調(diào)度是航空公司生產(chǎn)計(jì)劃的一項(xiàng)控制性工作，一直被認(rèn)為是最困難的調(diào)度優(yōu)化問題之一，由于認(rèn)識到飛機(jī)調(diào)度工作在航空運(yùn)輸生產(chǎn)中的重要性和復(fù)雜性，發(fā)達(dá)國家的航空業(yè)早在20世紀(jì)70年代就開始這方面的研究[1-2]，到90年代初期許多大型航空公司已完成了基于計(jì)算機(jī)的飛機(jī)調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)，并隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的調(diào)度功能不斷完善。

相比之下，我國民航業(yè)生產(chǎn)過程的整體調(diào)度水平還落后于航空發(fā)達(dá)國家。在我國的民航企業(yè)中，雖然近年來不少企業(yè)的生產(chǎn)過程管理具有一定的信息化管理水平，但對于飛機(jī)排班調(diào)度這一難題，絕大部分采用人工或半人工為主的方式，生產(chǎn)過程的調(diào)度反應(yīng)滯后，影響生產(chǎn)效率，調(diào)度人員仍無法擺脫繁重的工作，且未達(dá)到排班調(diào)度的動態(tài)優(yōu)化。

從國內(nèi)來看，由于航空公司以前規(guī)模普遍不大，對飛機(jī)排班調(diào)度工作缺乏重視，計(jì)劃方式簡單、粗放，隨著運(yùn)營規(guī)模的擴(kuò)大，航空運(yùn)輸市場的開放，市場競爭不斷加劇，航空公司逐漸意識到加強(qiáng)飛機(jī)排班調(diào)度工作的重要性和急迫性。但總體來說，關(guān)于飛機(jī)排班與調(diào)度管理方面的研究與工程應(yīng)用還處于起步階段[3-6]。通過國外航空發(fā)達(dá)國家航空公司的實(shí)踐可知，在民航企業(yè)中應(yīng)用先進(jìn)的調(diào)度方法，可大大提高企業(yè)的整體生產(chǎn)效益。針對我國民航業(yè)的實(shí)際需求和航空公司發(fā)展迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，深入系統(tǒng)地研究飛機(jī)排班優(yōu)化調(diào)度方法并進(jìn)行應(yīng)用研究，可提高民航企業(yè)運(yùn)營能力和經(jīng)濟(jì)效益，提高民航企業(yè)的國際競爭力。同時，隨著各航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)模的擴(kuò)大，航班量的增長，特別是航線網(wǎng)的日益大型化和復(fù)雜化，人工或半人工排班的方式已難以滿足運(yùn)營管理工作的要求，因此實(shí)現(xiàn)飛機(jī)排班調(diào)度工作的自動化已是大勢所趨。

以國內(nèi)大型航空公司南航為例，2021年9月南航工程技術(shù)分公司（簡稱“技術(shù)分公司”）成立，標(biāo)志著南航機(jī)務(wù)維修改革邁出了實(shí)質(zhì)性步伐，南航生產(chǎn)計(jì)劃與維修調(diào)度開啟了市場化運(yùn)作和自負(fù)盈虧模式。為了在市場中謀生存、求發(fā)展，將維修產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌睦麧櫾鲩L點(diǎn)，技術(shù)分公司以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)排班及維修智能化、機(jī)務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化作為動力引擎，推動機(jī)務(wù)改革發(fā)展，打造具有全球競爭力的機(jī)務(wù)維修品牌。

本文以構(gòu)建飛機(jī)排班系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)航班精細(xì)化編排作為機(jī)務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的著力點(diǎn)，通過分析國內(nèi)航空公司（以南航為例）飛機(jī)航班編排業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀與問題，對維修工作與航班運(yùn)行深度融合開展探討研究，并提出優(yōu)化方案。

1我國民航飛機(jī)排班現(xiàn)狀分析

2020年之前，中國民航業(yè)快速發(fā)展，機(jī)隊(duì)規(guī)模迅速增大，航空市場的競爭非常激烈。然而自疫情以來，航空業(yè)遭受重創(chuàng)，客運(yùn)市場嚴(yán)重萎縮，而此消彼長的局部疫情，又使得為數(shù)不多的客運(yùn)航班穩(wěn)定性極差。為了適應(yīng)市場變化，航空公司間打破了原有的“勢力范圍”，投入了大量人力、物力去分析市場、發(fā)掘市場。因此市場的競爭并沒有因?yàn)橐咔榈挠绊懚鴾p弱，反而更加考驗(yàn)運(yùn)營人對運(yùn)行管控規(guī)律的理解、對市場規(guī)律的掌握以及對市場變化的響應(yīng)速度。

在目前的形勢下，對于航空公司的運(yùn)營來說，飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度的重要性愈加凸顯。外部運(yùn)行環(huán)境的變化導(dǎo)致航班結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，也促使運(yùn)力調(diào)配和航班機(jī)型變更頻繁發(fā)生，飛機(jī)長期異地運(yùn)行成為了常態(tài)。同時，像南航等大型航空公司機(jī)隊(duì)機(jī)型多、發(fā)動機(jī)型號多、客艙布局繁雜，也導(dǎo)致機(jī)型之間的航班兼容性差。這些情況都對飛機(jī)航班編排和維修計(jì)劃的制定有著極大的影響。另外，現(xiàn)有的“排班系統(tǒng)”因功能不完善，使得計(jì)劃員在評估處理航班調(diào)配和制定航班計(jì)劃時效率低下。

綜合以上情況，當(dāng)前包括南航在內(nèi)的國內(nèi)大型航空公司飛機(jī)航班編排業(yè)務(wù)面臨的主要問題如下：

1）維修計(jì)劃與航班計(jì)劃脫節(jié)

生產(chǎn)計(jì)劃人員因?yàn)槿鄙賹桨噙\(yùn)行的了解，導(dǎo)致制定的維修計(jì)劃脫離實(shí)際。而航班編排人員則因?yàn)閷S修工作信息掌握不全面，制定航班計(jì)劃時無法準(zhǔn)確評估維修工作對運(yùn)力的影響，導(dǎo)致航班計(jì)劃臨時變更的情況頻發(fā)，影響航班運(yùn)行。

2）各系統(tǒng)之間存在信息孤島

隨著航空公司的發(fā)展壯大，信息系統(tǒng)建設(shè)呈現(xiàn)出局部區(qū)塊化的特征。業(yè)務(wù)系統(tǒng)各自獨(dú)立，很多與飛機(jī)航班編排相關(guān)的信息是存儲在各業(yè)務(wù)單元的源頭產(chǎn)品中，產(chǎn)品與產(chǎn)品之間沒有做到數(shù)據(jù)互通，如飛機(jī)限制信息、注冊區(qū)域、飛行時間/循環(huán)數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仍需要手工重復(fù)維護(hù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的及時性、準(zhǔn)確性、完整性都不能得到有效的保障。信息孤島導(dǎo)致現(xiàn)有排班系統(tǒng)的部分業(yè)務(wù)功能受到信息獲取的影響而無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3）營銷與運(yùn)行分離

因?yàn)槿鄙訇P(guān)鍵技術(shù)和信息系統(tǒng)支撐，目前的決策機(jī)制仍處于業(yè)務(wù)單位之間通過不斷地人工溝通協(xié)商形成共識，溝通成本高、工作效率低。因此重構(gòu)的排班系統(tǒng)除了考慮維修工作之外，也需要能夠結(jié)合收益、成本、安全等因素，實(shí)現(xiàn)對航班調(diào)配和航班編排的評估與決策。

2基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能系統(tǒng)解決方案

為了解決上述問題，本文以飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度為核心設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能系統(tǒng)，通過信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)排班工作的一體化運(yùn)行，其設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，采取三層架構(gòu)設(shè)計(jì)。

1）信息層：作為整個體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，信息層包含了運(yùn)行、維修、航班網(wǎng)絡(luò)、航線航路信息等航班編排基礎(chǔ)信息，并與運(yùn)控系統(tǒng)、機(jī)務(wù)維修平臺、營銷系統(tǒng)等其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接，獲取維修調(diào)度所需的相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)所有信息的一體化管理和分析。同時，信息層包含大數(shù)據(jù)分析技術(shù)工具包、航班編排及維修調(diào)度的知識信息倉庫，為智能系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)劃編制、智能決策提供信息和技術(shù)支持。

2）功能層：作為實(shí)現(xiàn)航班編排與維修智能調(diào)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，功能層基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航班編排、維修計(jì)劃編制與優(yōu)化、維修調(diào)度、資源優(yōu)化配置、航班一鍵恢復(fù)、航班編排經(jīng)濟(jì)性分析、防鳥擊模式、疫情模式等各項(xiàng)功能，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能化功能。

3）服務(wù)層：服務(wù)層作為用戶與軟件系統(tǒng)平臺之間的接口，提供基于B/S結(jié)構(gòu)的用戶使用服務(wù)功能，并有效管理用戶的應(yīng)用設(shè)置以及功能使用，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。

為了解決航班編排信息孤島問題，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)排班調(diào)度一體化運(yùn)行，系統(tǒng)解決方案以南航為例，采用系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)信息一體化管理和應(yīng)用，主要包括：

1）對接NPS及漢莎信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與營銷業(yè)務(wù)的整合

將重構(gòu)的排班系統(tǒng)與南航NPS營銷系統(tǒng)和漢莎系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，提取歷史收益數(shù)據(jù)及歷史成本數(shù)據(jù)，綜合評估不同因素對飛機(jī)排班以及維修計(jì)劃的影響，為計(jì)劃員在評估航班調(diào)整方案及制定航班編排計(jì)劃時提供多種組合方式以供決策。

2）對接FOMS，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)控業(yè)務(wù)的整合

將智能排班系統(tǒng)與南航航班運(yùn)營管理系統(tǒng)（FOMS）的數(shù)據(jù)對接，使兩個系統(tǒng)間能夠?qū)崟r傳遞航班計(jì)劃動態(tài)、維修計(jì)劃安排、航班調(diào)整草案等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)便捷、高效的信息共享，提高決策效率。

3）對接南航云機(jī)務(wù)平臺（leAPS），實(shí)現(xiàn)機(jī)務(wù)維修業(yè)務(wù)的整合

通過對接云機(jī)務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了包括生產(chǎn)計(jì)劃、維修資源、工程技術(shù)等維修相關(guān)信息共享，消除了以往需要同時在RCP客戶端、網(wǎng)頁版等多個不同業(yè)務(wù)平臺間來回切換的煩瑣操作。同時，內(nèi)嵌的共同數(shù)據(jù)庫，可使信息得到最大限度的實(shí)時同步與處理，避免了重復(fù)性的數(shù)據(jù)維護(hù)，使大量原本受數(shù)據(jù)同步影響難而以實(shí)現(xiàn)的功能獲得開發(fā)的可行性。

3飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

飛機(jī)排班調(diào)度作為航空公司生產(chǎn)計(jì)劃中的一項(xiàng)控制性工作，其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)航空公司擁有的航班計(jì)劃、航線網(wǎng)絡(luò)、每架飛機(jī)的技術(shù)狀況以及飛機(jī)調(diào)度指令等，為每個航班指定一架具體執(zhí)行的飛機(jī)。在排班計(jì)劃編制中，理論模型方法主要包括飛機(jī)維修計(jì)劃編制、機(jī)型指派、航班串編制、飛機(jī)指派等優(yōu)化問題，每一個優(yōu)化問題都要考慮多種約束，而且這些優(yōu)化問題之間互有聯(lián)系和制約，形成了一個大規(guī)模多約束的復(fù)雜組合優(yōu)化問題。為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)排班調(diào)度的全局優(yōu)化，需要綜合考慮所有條件，建立相應(yīng)的飛機(jī)排班調(diào)度模型方法，以此為核心建立飛機(jī)排班調(diào)度流程方法，并實(shí)施應(yīng)用。具體研究方案如圖2所示。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1）應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析

通過與營銷、運(yùn)控、機(jī)務(wù)各業(yè)務(wù)的對接，相關(guān)信息數(shù)據(jù)的獲取變得十分便捷。借助NPS系統(tǒng)獲取結(jié)構(gòu)化的收益數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)的理念，引入XGBoost、GBDT、時間序列等機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行歷史大數(shù)據(jù)分析，計(jì)算未來每個航班對應(yīng)機(jī)型的邊際貢獻(xiàn)效益，作為飛機(jī)航班編排的輔助決策信息。

在運(yùn)控方面，借助FOMS系統(tǒng)，在實(shí)時共享航班動態(tài)及飛機(jī)地面準(zhǔn)備進(jìn)度的同時，引入運(yùn)控的航延、機(jī)場、情報等數(shù)據(jù)，使用PCA法建立回歸模型，通過歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)航班延誤成本，作為飛機(jī)航班編排的另一項(xiàng)輔助決策信息，實(shí)現(xiàn)快速尋找運(yùn)力，及時將航班計(jì)劃和維修計(jì)劃從失常狀態(tài)下恢復(fù)。通過與機(jī)務(wù)云平臺的整合，可以充分調(diào)動平臺的所有資源進(jìn)行共享，打通數(shù)據(jù)間的壁壘。通過上述項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累，后續(xù)還可以根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際需要，在更廣的范圍內(nèi)引入新技術(shù)解決業(yè)務(wù)問題。

2）引入數(shù)字孿生技術(shù)，打造多方案對比決策優(yōu)勢

引入數(shù)字孿生技術(shù)，通過實(shí)際與虛擬并行的雙通道甚至多通道智能算法，打造了多方案對比決策功能。通過該功能，可以在不改變現(xiàn)有實(shí)際運(yùn)行方案的基礎(chǔ)上，對未來的飛機(jī)編排方案可能性進(jìn)行探索，根據(jù)不同的條件（如收益最大化、航班及維修計(jì)劃變更最小化等）觀測不同目標(biāo)下的方案可行性，并對多個方案進(jìn)行橫向比對，以便各業(yè)務(wù)單位進(jìn)行參考，迅速做出最優(yōu)決策。同時，該功能還可作為歷史回顧與問題分析的工具，在任意歷史時刻點(diǎn)，通過設(shè)定不同目標(biāo)，觀測可能存在的方案，進(jìn)行總結(jié)歸納，制定后續(xù)同類事件發(fā)生時的處理方案。

3）“云+邊”計(jì)算技術(shù)，根據(jù)需求動態(tài)分配算力

使用了云計(jì)算與邊計(jì)算結(jié)合，打造了強(qiáng)大的綜合優(yōu)化算法。將云計(jì)算與邊計(jì)算技術(shù)結(jié)合，在面對并發(fā)要求高的場景下，充分利用云平臺計(jì)算的優(yōu)勢；而在面對算力要求高（尤其是智能優(yōu)化算法方面）時，則主要使用邊計(jì)算技術(shù)，利用單體運(yùn)算能力強(qiáng)大的算法服務(wù)集中優(yōu)勢力量，快速給出解決方案。將兩種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，讓所有的業(yè)務(wù)場景都能在最優(yōu)的性能下得到處理，揚(yáng)長避短。

4飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能系統(tǒng)核心功能

1）航班一鍵恢復(fù)

本方案提供航班一鍵恢復(fù)功能，當(dāng)飛機(jī)出現(xiàn)故障時，可以一鍵對飛機(jī)的航班編排及維修計(jì)劃方案進(jìn)行調(diào)整，通過換機(jī)/調(diào)機(jī)、延誤/取消等手段，利用KSP、SPPRC、遺傳算法等智能優(yōu)化算法快速生成綜合考慮政策、效益、旅客服務(wù)等各方面因素的調(diào)整方案。同時，系統(tǒng)生成的方案能推送給各個相關(guān)業(yè)務(wù)部門進(jìn)行協(xié)同決策，能起到節(jié)約運(yùn)營成本、提高工作效率的效果。

2）航班編排的經(jīng)濟(jì)性分析

在初期，通過與NPS營銷系統(tǒng)及漢莎系統(tǒng)進(jìn)行了對接，將兩個系統(tǒng)的歷史收益數(shù)據(jù)及歷史成本數(shù)據(jù)利用XGBoost、GBDT、時間序列等機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行模型訓(xùn)練。用訓(xùn)練好的模型對未來航班計(jì)劃中每個航班的收入和成本進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而得到未來航班對應(yīng)不同機(jī)型的邊際貢獻(xiàn)。在后期，將建立更加全面的數(shù)學(xué)模型，將維修工作中各環(huán)節(jié)的成本數(shù)據(jù)融入到邊際貢獻(xiàn)率指標(biāo)中，增強(qiáng)了航班計(jì)劃編排的經(jīng)濟(jì)屬性。系統(tǒng)可以通過成本分析，將優(yōu)化的方案反饋至航班規(guī)劃部門，形成“航班規(guī)劃-航班運(yùn)行反饋-航班規(guī)劃”的信息閉環(huán)，促使航班結(jié)構(gòu)制定和運(yùn)力布局更加符合市場需求。

3）防鳥擊模式

南航機(jī)隊(duì)裝配了12種型號的發(fā)動機(jī)，不同飛機(jī)在遭受發(fā)動機(jī)鳥擊后，需要采取的處理措施也各有不同。為減少鳥擊后導(dǎo)致的航班不正常事件，實(shí)際航班編排排班過程中要盡可能安排鳥擊裕度高的飛機(jī)（如配裝CFM56/LEAP等發(fā)動機(jī)的飛機(jī)）執(zhí)行鳥擊高發(fā)地的航班。在本方案中，算法可針對不同發(fā)動機(jī)型號以及飛行循環(huán)數(shù)等“鳥擊風(fēng)險因子”，將業(yè)務(wù)專家的經(jīng)驗(yàn)整合到算法的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中，通過排班盡可能降低鳥擊事件對航班正常性的影響。

4）航班精細(xì)化編排

航班精細(xì)化編排是系統(tǒng)建立的目標(biāo)之一。通過云機(jī)務(wù)平臺，系統(tǒng)接入維修工作信息，并基于航班結(jié)構(gòu)和航班計(jì)劃制定維修計(jì)劃，將維修工作與航班計(jì)劃深度融合，提升維修工作間隔利用率。對于例行工作，要求執(zhí)行間隔大于90%以上（目標(biāo)值可以自行設(shè)定）。而對于AOG、MEL等排故工作則要求系統(tǒng)盡快尋找合適的地面空擋安排執(zhí)行。以廣州182架飛機(jī)，A檢平均工時170H進(jìn)行測算，如果A檢的維修間隔利用率提高從90%提升至95%，2021年全年可以節(jié)省工時990H，折合人力約8人，折合工時費(fèi)25萬?？梢哉f通過航班精細(xì)化編排不僅降低了維修成本，同時提高了航線的勞動效率。

5）疫情模式

為落實(shí)政府和局方關(guān)于加強(qiáng)機(jī)上防控工作要求，南航制定了國內(nèi)航班和國際航班分開執(zhí)行的運(yùn)行措施，避免國內(nèi)、國際航班混飛。系統(tǒng)可以結(jié)合不同機(jī)型的地面消殺時間，統(tǒng)籌安排固定飛機(jī)執(zhí)行國際航班或是疫情中高風(fēng)險地區(qū)航站航班，在最大限度滿足運(yùn)行要求的同時，有效阻斷新冠疫情的傳播途徑，還可以為后期的疫情溯源流調(diào)工作提供積極幫助。

5結(jié)論

本文針對國內(nèi)民航企業(yè)飛機(jī)航班編排及維修調(diào)度現(xiàn)狀及存在問題，并結(jié)合新冠疫情對運(yùn)營的影響，進(jìn)行了深入分析。以南方航空公司為典型企業(yè)對問題進(jìn)行了剖析，提出了飛機(jī)航班編排與維修調(diào)度智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并針對其中的關(guān)鍵技術(shù)、主要功能、實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了分析，提出具體實(shí)現(xiàn)方法。在本文研究成果進(jìn)一步完善和擴(kuò)展功能后，可以將排班系統(tǒng)打造成航班運(yùn)行保障分析評估的決策系統(tǒng)，并可推廣應(yīng)用于國內(nèi)航空公司，有效提高我國民航維修生產(chǎn)調(diào)度水平，提升我國航空公司的國際競爭力。

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