維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

彭遠(yuǎn) 郭潤(rùn)夏 申策

摘要：為有效提高維修機(jī)位的利用率，減少飛機(jī)拖動(dòng)次數(shù)并降低飛機(jī)在拖動(dòng)過(guò)程中的剮蹭風(fēng)險(xiǎn)，解決復(fù)雜維修場(chǎng)景下維修需求與機(jī)位的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)優(yōu)化匹配問(wèn)題和移動(dòng)路徑計(jì)算的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，以廣州飛機(jī)維修工程有限公司日常維修作業(yè)為應(yīng)用場(chǎng)景，建設(shè)維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)維修機(jī)位自動(dòng)化調(diào)度，使其能夠在現(xiàn)有硬件條件下增加約10%的產(chǎn)能，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)飛機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)源，降低90%碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：維修機(jī)位調(diào)度；路徑規(guī)劃；安全

Keywords：maintenance stands scheduling； route planning；safety

0引言

2017年，中國(guó)民航首次提出了“智慧民航建設(shè)”的概念，中國(guó)民用航空局在2021年12月發(fā)布的“智慧民航建設(shè)路線(xiàn)圖（征求意見(jiàn)稿）”中明確指出需要“提高地面保障智能部署與精準(zhǔn)掌控水平”，并在2025年“升級(jí)和實(shí)現(xiàn)飛機(jī)調(diào)度、機(jī)場(chǎng)資源使用、機(jī)組人員配置、維修資源部署和場(chǎng)面運(yùn)行保障質(zhì)量評(píng)估等功能，為航空公司地面運(yùn)行保障和管理提供數(shù)據(jù)決策支持”[1]。

維修機(jī)位是寶貴的生產(chǎn)要素，航空公司和大型維修企業(yè)對(duì)提高維修機(jī)位利用率有著迫切需求。當(dāng)前，蓬勃發(fā)展的維修需求使航空維修企業(yè)的維修機(jī)位資源日益緊缺，維修任務(wù)的多樣性、維修環(huán)境的復(fù)雜性、維修工作的高負(fù)荷和高風(fēng)險(xiǎn)，都對(duì)維修機(jī)位資源配置和優(yōu)化提出了更高的要求[2-4]。目前，維修機(jī)位資源大多通過(guò)人工配置，由工作人員根據(jù)當(dāng)天的飛機(jī)停場(chǎng)情況、當(dāng)天航班情況、進(jìn)場(chǎng)航班情況等動(dòng)態(tài)信息對(duì)維修機(jī)位進(jìn)行調(diào)度分配，在保證安全的前提下規(guī)劃飛機(jī)的拖動(dòng)路徑和具體實(shí)施情況，由于維修工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，維修機(jī)位分布的多樣且復(fù)雜，維修機(jī)位調(diào)度工作量大、復(fù)雜程度高，傳統(tǒng)的機(jī)位調(diào)度方式分配效率低，核心指標(biāo)優(yōu)化難度大，制約全局機(jī)位利用效率的提升，無(wú)法發(fā)揮最大產(chǎn)能。

因此有必要對(duì)維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)維修機(jī)位的優(yōu)化調(diào)度及維修過(guò)程中飛機(jī)拖動(dòng)路徑的自動(dòng)規(guī)劃，最大化機(jī)位資源的使用效能，提高產(chǎn)能，有力支撐“智慧民航”建設(shè)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)目前針對(duì)維修資源調(diào)度普遍采用人工方式，隨著維修飛機(jī)及維修任務(wù)增多，其工作量呈指數(shù)形式增加，資源調(diào)度效果差，嚴(yán)重制約著維修產(chǎn)能的充分發(fā)揮。針對(duì)維修資源調(diào)度和飛機(jī)維修路徑規(guī)劃問(wèn)題，民用航空器制造商和大型航空公司也紛紛開(kāi)展研究工作，維修過(guò)程開(kāi)始向數(shù)字化、平臺(tái)化轉(zhuǎn)變。

空客與大數(shù)據(jù)公司Palantir Technologies在2017年聯(lián)合推出Skywise（智慧天空）計(jì)劃，Skywise集成零部件更換、飛行計(jì)劃與延誤、維護(hù)歷史等相關(guān)數(shù)據(jù)，以使航空公司重新分配各種資源；漢莎技術(shù)公司在同年展示了綜合數(shù)字化維修平臺(tái)AVIATAR，可以將數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)維護(hù)方案，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析，可實(shí)現(xiàn)200架飛機(jī)規(guī)模的同時(shí)在線(xiàn)調(diào)度；維修業(yè)應(yīng)用比較廣泛的系統(tǒng)還有波音的AnalytX、法荷航維修工程公司的Prognos以及霍尼韋爾公司的Connected Aircraft。

高級(jí)地面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems，A-SMGCS）是一種集監(jiān)視、路由、控制和引導(dǎo)功能于一體的技術(shù)，可以為機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的所有飛機(jī)、車(chē)輛提供精確的引導(dǎo)和控制，以確保機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的安全[5]。國(guó)際民航組織在2004年發(fā)布的高級(jí)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)手冊(cè)中提出了A-SMGCS的概念。歐美頂尖的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)，如德國(guó)DLR的飛行導(dǎo)航研究所以及美國(guó)NASA-Ames實(shí)驗(yàn)室都對(duì)A-SMGCS相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究工作。法國(guó)的Thales、意大利的Selex以及荷蘭的HITT等公司已經(jīng)推出了各自的A-SMGCS方案，并且在法國(guó)戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)、德國(guó)法蘭克福機(jī)場(chǎng)、意大利米蘭馬爾彭薩機(jī)場(chǎng)、瑞典斯德哥爾摩機(jī)場(chǎng)等大型國(guó)際機(jī)場(chǎng)得到了初步應(yīng)用。2008年，首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)安裝了國(guó)內(nèi)第一套A-SMGCS系統(tǒng)，此后上海、廣州、成都等相繼引進(jìn)了國(guó)外場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)視。

遺憾的是，上述方案主要應(yīng)用于飛機(jī)維修計(jì)劃安排或機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面控制，對(duì)復(fù)雜背景下的維修機(jī)位調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃尚無(wú)成熟的技術(shù)方案。

2系統(tǒng)方案

以廣州飛機(jī)維修工程有限公司日常維修生產(chǎn)作業(yè)為應(yīng)用場(chǎng)景，以維修機(jī)位優(yōu)化調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃為業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建由數(shù)據(jù)采集、優(yōu)化計(jì)算與應(yīng)用支撐、維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃等模塊構(gòu)成的自動(dòng)化系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)公司現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成維修工程數(shù)據(jù)庫(kù)，主要內(nèi)容如下：

1）數(shù)據(jù)處理

支持與公司現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移和數(shù)據(jù)聯(lián)合，完成維修工程數(shù)據(jù)的自動(dòng)抽取、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，并提供基于用戶(hù)、角色和數(shù)據(jù)源的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)控制及監(jiān)控。

①數(shù)據(jù)抽取功能：研究公司現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接規(guī)則，通過(guò)直接訪(fǎng)問(wèn)或數(shù)據(jù)抓取的形式抽取公司相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；

②數(shù)據(jù)預(yù)處理功能：研究公司相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表達(dá)形式，對(duì)自動(dòng)抽取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)別及內(nèi)容分析檢測(cè)；

③數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能：設(shè)計(jì)維修工程數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)視圖，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)內(nèi)容填充到維修工程數(shù)據(jù)庫(kù)；

④數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)控制功能：設(shè)計(jì)基于用戶(hù)、角色和數(shù)據(jù)源的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)控制，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)象的用戶(hù)使用情況。

2）維修工程數(shù)據(jù)庫(kù)：用于存放經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的結(jié)構(gòu)化維修工程數(shù)據(jù)，如維修任務(wù)數(shù)據(jù)、滑行道數(shù)據(jù)、維修機(jī)位數(shù)據(jù)等，并提供接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和數(shù)據(jù)庫(kù)抽取。

2.2 優(yōu)化計(jì)算與應(yīng)用支撐

優(yōu)化計(jì)算與應(yīng)用支撐模塊為維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度模塊和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃模塊提供計(jì)算能力和顯示資源，主要內(nèi)容如下：

1）求解器：為維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度與飛機(jī)移動(dòng)路徑的計(jì)算等業(yè)務(wù)模型提供模型求解和計(jì)算能力， 通過(guò)Gurobi求解器解決線(xiàn)性規(guī)劃 （Linear Programming）、二次方程規(guī)劃 （Quadratic Programming）、二次方程約束規(guī)劃（Quadratically Constrained Programming）和混合整型規(guī)劃 （Mixed Integer Programming） 等問(wèn)題的有效優(yōu)化模型和快速求解方法[6]。

2）典型飛機(jī)維修工作場(chǎng)景模型：開(kāi)發(fā)典型飛機(jī)維修工作場(chǎng)景3D模型，包括但不限于機(jī)庫(kù)、滑行道、試車(chē)位、附屬停機(jī)坪等。

3）典型飛機(jī)3D模型：開(kāi)發(fā)典型飛機(jī)的3D模型，包括但不限于波音737-300、737-700、737-800、737MAX、747-400、777-200、777-300、787-800、787-900、空客A319、A320、A321、A320neo、A330-200、A330-300、A350-900、A380-800、中國(guó)商飛ARJ21等。

2.3 維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度

維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度模塊完成維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度功能，依據(jù)飛機(jī)維修任務(wù)自動(dòng)匹配維修機(jī)位，給出維修機(jī)位調(diào)度計(jì)劃圖，根據(jù)調(diào)度時(shí)間跨度分為長(zhǎng)期計(jì)劃和短期計(jì)劃。

1）維修機(jī)位調(diào)度長(zhǎng)期計(jì)劃：針對(duì)當(dāng)前已經(jīng)在場(chǎng)開(kāi)始維修工作的飛機(jī)和待入場(chǎng)的飛機(jī)進(jìn)行機(jī)位調(diào)度，從全局角度出發(fā)，制定未來(lái)15天以上的機(jī)位調(diào)度計(jì)劃。

2）維修機(jī)位調(diào)度短期計(jì)劃：針對(duì)長(zhǎng)期計(jì)劃發(fā)布后，新的機(jī)位需求要求將飛機(jī)從目前機(jī)位移動(dòng)到滿(mǎn)足功能要求的目標(biāo)機(jī)位，在此移動(dòng)路徑上存在需要配合讓位的飛機(jī)，為配合讓位飛機(jī)自動(dòng)分配機(jī)位并給出其配合讓位時(shí)間，并在移動(dòng)過(guò)程中滿(mǎn)足就近移動(dòng)且時(shí)空上不碰撞的安全要求，制定24小時(shí)內(nèi)的飛機(jī)移動(dòng)和配合讓位調(diào)度方案。

2.4 飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃

在維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度模塊給出飛機(jī)的某項(xiàng)維修任務(wù)所在的目標(biāo)機(jī)位后，即啟動(dòng)飛機(jī)移動(dòng)路徑規(guī)劃，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)飛機(jī)停放狀態(tài)給出最優(yōu)移動(dòng)路徑[7-8]，并通過(guò)可視化3D動(dòng)畫(huà)顯示飛機(jī)拖行路線(xiàn)。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)處理流程如圖2所示。

3.1 機(jī)位調(diào)度過(guò)程設(shè)計(jì)

1）長(zhǎng)期計(jì)劃

調(diào)度目標(biāo)：在滿(mǎn)足飛機(jī)對(duì)維修機(jī)位需求的前提下，使飛機(jī)的總拖動(dòng)次數(shù)最少。

輸入信息：在場(chǎng)維修飛機(jī)的基本信息（如飛機(jī)所在機(jī)位、飛機(jī)機(jī)型、飛機(jī)維修任務(wù)），以及待入場(chǎng)飛機(jī)的基本信息（如飛機(jī)機(jī)型、飛機(jī)維修任務(wù)）、機(jī)位的基本信息（如機(jī)位坐標(biāo)、機(jī)位維修能力、接入點(diǎn)坐標(biāo)等）。

約束條件：一架飛機(jī)的每個(gè)維修需求只能由一個(gè)維修機(jī)位完成一次；一個(gè)維修機(jī)位同時(shí)只能處理一個(gè)維修需求；只有維修機(jī)位具備相應(yīng)維修能力才能承擔(dān)這項(xiàng)維修需求；每個(gè)維修需求持續(xù)時(shí)間大于零；一個(gè)維修需求開(kāi)始處理后不能中斷；只有在前一個(gè)需求完成后才能處理下一個(gè)維修需求。

輸出信息：每架飛機(jī)每個(gè)維修需求的機(jī)位安排。通過(guò)可視化3D界面顯示維修機(jī)位安排計(jì)劃，給出維修機(jī)位調(diào)度計(jì)劃圖；提供維修機(jī)位人工操控界面，方便計(jì)劃員制定、修改和發(fā)布飛機(jī)拖行和停放的位置和時(shí)間；提供信息自動(dòng)提示功能，當(dāng)鼠標(biāo)指向任何一架飛機(jī)，顯示該飛機(jī)后續(xù)安排航班信息、當(dāng)前工作內(nèi)容及后續(xù)的機(jī)位安排計(jì)劃等信息。

長(zhǎng)期計(jì)劃操作頁(yè)面如圖3所示。

2）短期計(jì)劃

調(diào)度目標(biāo)：飛機(jī)移動(dòng)過(guò)程不發(fā)生剮蹭的同時(shí)盡可能多地占用滑行道進(jìn)行飛機(jī)移動(dòng)，使飛機(jī)移動(dòng)路徑最短且所有讓位飛機(jī)移動(dòng)距離之和最小。

輸入信息：飛機(jī)的當(dāng)前機(jī)位與目標(biāo)機(jī)位（來(lái)自長(zhǎng)期計(jì)劃）、當(dāng)前機(jī)位狀態(tài)。

約束條件：讓位飛機(jī)目標(biāo)機(jī)位應(yīng)該滿(mǎn)足讓位飛機(jī)當(dāng)前維修需求；一架讓位飛機(jī)只能選擇一個(gè)目標(biāo)機(jī)位；多架讓位飛機(jī)讓位后不發(fā)生碰撞；讓位飛機(jī)讓位過(guò)程中無(wú)其他飛機(jī)阻擋；每架讓位飛機(jī)讓位持續(xù)時(shí)間30分鐘；所有讓位飛機(jī)需要在指定時(shí)刻前完成讓位；出庫(kù)過(guò)程中靠近滑行道的飛機(jī)先讓位；入庫(kù)過(guò)程中遠(yuǎn)離滑行道的飛機(jī)先讓位。

輸出信息：配合讓位飛機(jī)目標(biāo)機(jī)位及讓位時(shí)刻。提供短期計(jì)劃人工操控界面，方便計(jì)劃員制定、修改和發(fā)布飛機(jī)拖行和停放的位置和時(shí)間；可以突出顯示單機(jī)機(jī)位變化路線(xiàn)，并提供拖飛機(jī)目的和飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)工作等信息；機(jī)位計(jì)劃圖有時(shí)間軸，拖動(dòng)時(shí)間軸滑塊，可以3D動(dòng)畫(huà)形式直觀地模擬顯示任意時(shí)間點(diǎn)的飛機(jī)擺放及拖動(dòng)狀況。

短期計(jì)劃操作頁(yè)面如圖4所示。

3.2 飛機(jī)移動(dòng)路徑規(guī)劃過(guò)程設(shè)計(jì)

規(guī)劃目標(biāo)：飛機(jī)由起始機(jī)位至滑行道的距離與滑行道至目標(biāo)機(jī)位的距離之和最短。

約束條件：機(jī)庫(kù)內(nèi)的飛機(jī)移動(dòng)至機(jī)庫(kù)外時(shí)，必須經(jīng)過(guò)機(jī)庫(kù)出口；飛機(jī)移出起始機(jī)位時(shí)，必須沿最短路徑到達(dá)滑行道；飛機(jī)移入目標(biāo)機(jī)位時(shí)，必須沿最短路徑從滑行道駛出；飛機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，不能與場(chǎng)面上現(xiàn)有飛機(jī)產(chǎn)生碰撞。

輸出信息：飛機(jī)的移動(dòng)路徑，并提前在飛機(jī)沿規(guī)劃路徑移動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之前發(fā)出預(yù)警。

飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃效果如圖5所示。

4結(jié)束語(yǔ)

維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度和飛機(jī)安全移動(dòng)路徑規(guī)劃系統(tǒng)的建設(shè)，在實(shí)現(xiàn)維修機(jī)位資源精準(zhǔn)調(diào)度的同時(shí)，保證飛機(jī)移動(dòng)過(guò)程中的安全，能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有維修產(chǎn)能，增加潛在收益，取得效益和安全的“雙贏”。

以?xún)蓚€(gè)維修機(jī)庫(kù)（共包含3個(gè)寬體機(jī)位和5個(gè)窄體機(jī)位）的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)空間為例進(jìn)行推演，通過(guò)機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度，可以確保滿(mǎn)足3架寬體機(jī)和6架窄體機(jī)同時(shí)進(jìn)行C檢（相當(dāng)于增加了一條窄體機(jī)的C檢線(xiàn)），按照一架寬體機(jī)約等于兩架窄體機(jī)估算，在不增加硬件投資（如擴(kuò)建廠(chǎng)房、購(gòu)置設(shè)備等）的前提下，等同于增加了約10%的產(chǎn)能，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀；如果進(jìn)一步考慮到通過(guò)機(jī)位實(shí)時(shí)調(diào)度可以臨時(shí)插入一些A檢、航前/航后檢查等低級(jí)別、短時(shí)間的維修任務(wù)，經(jīng)濟(jì)效益還會(huì)進(jìn)一步增加；將安全預(yù)警距離引入飛機(jī)移動(dòng)路徑規(guī)劃算法的約束條件，形成的安全移動(dòng)路徑具有5米以上的保護(hù)區(qū)，并對(duì)維修區(qū)域95%以上的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)注，依據(jù)APS理論的安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別原理，即可減少95%的飛機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，從而有效降低人為因素導(dǎo)致的等級(jí)事件，提升我國(guó)民航維修安全保障能力。

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