基于多目标优化的停机位再分配系统开发

2018-06-17怀永成程鹏王奕为梁梓博聂晨乔龙

城市建设理论研究（电子版） 2018年33期

怀永成程鹏王奕为梁梓博聂晨乔龙

中国民航大学 300300

正文：

1 背景

对于机场运行效率来说，合理有效的分配停机位，及在航班延误的情况下在原有方案上进行有效调整，是提高机场运行效率的重要途径。针对延误问题，机场一般进行人工调整，此方法是将延误班机直接分配到远机位，此方法虽然简单可行，但会给机场运行带来诸多问题，机场运行效率降低，旅客满意度下降，因此开发一套停机位再分配系统对机场来说就显得极为重要

1.1 停机位分配的研究现状

关于机位分配问题，国内外很多学者在此方面已经做了很多研究。我们阅读了近四十篇关于停机位分配的文献来了解机场运行相关的一些专业知识，了解停机位初次分配的机理，并考虑能否再机位再分配的过程中加以运用。在模型的最终目标方面：航班延误成本、机场运行的安全性、航班间晚点传播、航班延误和停机位空闲时间、跑道头滑行到停机位的时间与停机位到达航站楼的时间、机跑道行驶路程及时间、飞机油耗量、机场系统运行扰动大机位利用率、航班的分配次序及机场的收益都曾被专家学者纳入考虑范畴加以研究；模型的约束条件需要考虑的因素颇为相近，航班与机位的独占性、机型与机位的匹配要求及航班运行的缓冲时间是研究重点

1.2 停机再位分配的研究现状

在航班再分配问题中大多数作者都基于航班延误，根据提高机场运行效率和顾客满意度的优化原则，进行优化设计求解。刘长有，曹强考虑了停机坪的航班数最少和停机位分配扰动最少及占用时间均衡的目标函数，其创新于在其模型中引入了安全性的约束条件避免潜在的航班双推冲突，利用粒子群遗传算法求解。卫东选，也考虑了分配到远机位的航班数最少及扰动性最小为优化目标，采用混合算法求解。

2.模型建立

为了全面地分析掌握机场停机位再分配模型的目标和约束条件，满足机场的真正需求。我们小组特意开展了实地调研活动，派出代表分别以天津滨海国际机场、南京禄口国际机场和深圳宝安机场为对象深入调研。聂晨在天津滨海国际机场为期一周的实习过程中，在天津机场的应急救援指挥中心进行见习，旁观了每日的例行民航总局会议，并参观了停机坪及停机位，认真地参加了机场工作人员的讲座。怀永成通过与深圳宝安机场的宋兆康学长的多次交流，吸取了很多宝贵的一线经验。梁梓博、乔龙去到南京禄口国际机场开展了为期三天的调研活动，深入到南京机场的运行指挥中心，同运行指挥中心的学长认真地探讨了停机位的分配问题。通过与这三个机场的一线人员的交流以及小组成员之间的讨论，我们最终确定了停机位再分配模型的最为迫切需要改进的两个目标（变动机位最少、近机位使用最多）和一个约束条件（缓冲时间约束）。

同时，为了使我们的分配模型更有科学依据和说服力，我们查阅了大量相关资料和与指导老师深入探讨和推敲，最终确定了停机位再分配模型的另外一个目标（旅客行走距离最短）和两个约束条件（独立性约束条件，每个航班必须分配到一个机位；机位匹配约束）。至此，停机位分配模型的目标和约束条件基本确立。

3.算法实现

针对机场机位分配问题的特性，直接求解多目标优化问题的优化较为困难，本文采用YALMIP工具箱进行求解。

3.1 目标函数

目标函数是YALMIP工具箱中求解最优解问题的关键。本文以旅客行走距离最短，表示为，Ni为航班fi进港或离港的旅客总人数，Lkl为停机位fk到fl的距离；变动机位最少，表示为，当机位改变时Si=1，机位不变时Si=0；近机位使用最多，表示为，Zi表示航班fi分到近机位为1，否则为0；以上三个条件为目标构建目标函数。

3.2 约束条件

YALMIP工具箱求解多目标线性优化需要设立求解的约束条件。此处为作机位的独立性约束、机位匹配约束和机位缓冲时间约束。独立性约束即每个航班必须分配到一个机位，表示为，yik表示航班i分配到k机位时值为1，否则为0；机位匹配约束主要体现为机位大小对停靠飞机限制的约束。表示为bi＞ai，成立时为1，不成立时为0。

确定了目标函数和约束条件后，调用YALMIP工具箱函数。使用binvar命令生成初始机型分配矩阵，在约束条件下计算目标函数的最小值，此时最小值对应的机位分配矩阵就是最优的分配方案。

4.结果分析

我们从北京首都机场的某一天航班信息中筛选了40个在T3航站楼运行的航班，航班号、计划到达时间、预计分配机位，我们假设这些航班一共使用20个机位，其中5-15机位是近机位，其他机位为远机位，并按相对情况假设各个机位间的距离。

由于天气或其他原因，一部分航班有不同程度的延误，导致初次分配的机位不再适用，我们设置航班延误时间超过15分钟要进行机位的再次分配，通过我们的模型的到的再分配机位如表4-1

表4 -1

5.软件整合

5.1 开发环境：

Python 3.7

Spyder

Matlab

5.2 开发架构：

Tkinter：应用tkinter库所带控件和函数，在维持主界面不断刷新的同时，将航班再分配信息读入，分条显示在屏幕左右两个区域。左区按条显示初始航班信息，包含序号，航班号，航班计划时间，航班使用机型以及计划分配机位。再点击更新按钮后，逐条显示再分配信息在右侧区域，包含航班实际时间和实际分配机位，并适当滚动，与左侧同步显示。