機位容量因其數量影響的仿真運行及量化關系研究

(中國民用航空飛行學院 機場工程與運輸管理學院 四川 廣漢 618307)

引言

近年來我國航空運輸量一直處于穩定增長的趨勢，截至2019年底，在239個境內機場中，年旅客吞吐量超過1000萬人次以上的機場就有39個，距上年增長7個[1]。同時，據歐洲空客公司發布的2013-2032全球民用航空市場的預測顯示，未來20年新增客機需求和貨機需求將達到29220架，全球航空運輸量年均增長率為4.7%。民航運輸量的增長勢必會造成機場的機位資源緊缺，機位特別是近機位容量問題也將成為繼跑道容量問題之后又一限制機場容量的瓶頸。目前解決機位資源緊缺的手段有以下兩種：一是合理分配使用停機位；二是擴建機位或新建機場[2]。與較為成熟的機位分配問題的相關研究和機場計算機輔助人工機位分配手段相比，我國目前卻尚無完善的機場機位設置的相關規范和建議。因此本文將通過分析不同類型近機位數量變化對近機位容量的影響，探討機位容量優化下的機位數量，為我國機場機位的改擴建計劃提供豐富思路和建設依據。

一、機位容量影響因素分析

機場機位容量是指在實際航班生產過程中，在一定的服務水平和機場運營時間下，某機位能服務并容納的最大航班數量，機位總容量為各類型可以由各個機位容量乘以該機場相關機位數得之[3]。而機位容量的影響因素復雜繁多，且不同影響因素與機位容量聯系密切程度又有所不同。本節將基于機場實際運行情況，總結歸納機位容量的相關影響因素，分析各影響因素與機位容量的內在關聯。

(1)機位與航班匹配關系。機位與保障航班的匹配主要包括數量和類型上的匹配。一方面，由于特定停機位只能停放其允許最大機型及其以下機型的容量約束問題，當機位類型與運行航班匹配不當時，非匹配機位將處于空閑狀態，該機位單一容量將大大減少；另一方面，由于同一機位資源在任何時刻只允許一架航空器的占用獨占制約問題，當機位數量與高峰小時航班數量匹配不當時，過站航班的保障工作需排隊等待至機位資源的占用結束，過站地面保障工作或將成為影響該機場航班正常運行的短板。因此，為避免機位資源的閑置浪費和機位容量的必要保障，應根據機場主要運行航班類型和高峰小時航班數量共同決定機位數量和類型設置。

(2)機位占用時間要素。機位占用時間要素主要包括機位過站保障時間、機位最小安全間隔時間、機位緩沖時間。機位過站保障主要包括廊橋及客梯車對接、電源空調和氣源設備提供、擺渡車到位、客艙清潔、污水操作、餐食及機供品配送、航油加注、機組及乘務組保障、貨郵行李裝載等流程[4]，過站保障時間主要與機位保障的機型類別有關；機位的最小間隔時間與前后行航班的飛機類型、機位類型、飛機在機位上的停放關系有關；機位緩沖時間則根據各機場的實際運行水平自行決定。

(3)機位分配使用策略。機位分配需嚴格按照民航局發布的相關標準和原則進行操作。此外，根據機場與航空公司的機位簽訂協議，現機位分配使用策略可分為獨占策略、偏好使用策略、聯合使用策略和共用策略[5]。航空公司獨占策略是指機場與某航司簽訂特定區域機位獨占的租賃合同。這種策略往往會面臨其它航空公司航班急需機位卻得不到空閑機位的尷尬局面；而偏好使用策略為機場與航司簽訂允許機場調度空閑機位的相關協議，但這種協調將會讓簽訂合同的航司陷入自身機位需求難以完全滿足的困境；聯合使用策略是指機場與多家航空公司共同簽訂特定機位租賃合同，在該策略下，機場能更加科學合理得分配機位資源，將機位利用最大化；公用策略是指有機場方作為機位分配權力的決定者，該策略一般適用于機位能滿足所有航班需求的流量較小的機場。

(4)航站樓構型及機位分區。航站樓構型主要分為指廊型、T型、衛星型、前線型、轉站車型五中基礎類型。不同構型的航站樓直接影響了機位的空間布局，這將會發生航班進出機位限制條件和影響附近區域機位范圍的不同，導致保障工作受到影響；此外，機場對客貨機坪、專機/公務機坪、維修機坪等機位分區的細化程度也會影響保障工作的安排。

結合以上分析和前人研究，與機場的容量聯系最為密切的因素為機位與航班的匹配關系和機位占用時間要素[6]。結合本文研究重點，本文將以各類型機位平均保障時間作為機位占用時間要素，簡化仿真模型構建的同時著重探討航班與機位匹配性對機位容量的內在關聯。

二、機位過站保障流程仿真建模

機位過站保障服務可以看做是一個排隊系統，不同類型的機位作為服務臺，同時根據機位和航班的類型匹配關系有條件地對航班進行保障服務，Arena仿真軟件可視化的流程建模功能符合本文仿真要求，因此本節將基于該仿真工具，對機位過站保障工作的相關邏輯流程進行搭建，運行調試后記錄并輸出運行相關數據。

各機場機位的設置主要根據該機場主要運行機型占比決定，目前我國絕大多數機場主要運行機型為C類機，D、E類機占比相對較少。經過多機場調研發現，各機場的機位類型和航班性質特別是高峰時段的航班類型能夠基本匹配，未來機場擴建機位難點主要還是在于對機位數量的把控，因此本文設置C、D、E類型航班數量和機位數量占比分別為65%，17.5%，17.5%；同時設置各類型的機位平均保障時間分別為52分鐘、68分鐘和79分鐘。

Arena仿真流程搭建步驟如下：

(1)首先在source模塊中創建實體，本文以進港飛機作為移動實體，飛機到達服從泊松分布。每次到達飛機數量一架次，初始值為0，同時在Assign模塊中創建仿真時鐘；

(2)在Decide模塊中設置多個分流口表示單個實體通過對應機位的選擇進入機位過站保障，其中輸入C、D、E類型航班數量占比；

(3)當進港飛機滑入機位時，需保證該機位資源無其他飛機占用，且保障期間不允許其他飛機搶占該資源，因此，在Process資源池設置每個機位容量為1，即表示某時段該機位有且只能保障一架飛機，同時輸入各類型機位平均服務時間；

(4)同時設定用于保障服務的機位數量，具體數量由機位總數和類型占比共同決定；

(5)待保障服務完成后，實體完成系統流程，進入Dispose模塊代表實體完成系統流同時機位資源得以釋放，最后以Record模塊中記錄實體在系統中的逗留時間。

輸入調試航班占比和對應機位數量相關數據，設置仿真時間起始時刻為11：00，時間長度設定9小時，經過系統調試后，運行仿真界面系統如圖1所示：

圖1 仿真系統界面

由圖1可知，運行結束后接受完飛機過站保障作業的飛機總數為324架次，正在機位上接受保障作業服務的飛機數量是39架次，在機場運行的高峰持續時段進港飛機的總數為363架次，可以得出初步結論機位容量區間是(324,363)。

仿真系統中三種機位的等待服務時間和等待隊列信息如上表所示，包括平均等待時間，最小等待時間，最大等待時間，平均等待隊列數量，最小等待隊列數量和最大等待隊列數量，可由等待時間和等待隊列對應的最大最小差值作為反映機位系統容量魯棒性的指標，其差值越大，容量魯棒性越差，反之，差值越小，機位容量魯棒性越好。

圖2 隊列分析

三、機位與容量量化關系分析

考慮到量化關系研究中需要機位數量的數據是連續性的，跟據統計我國1000萬級機場以上的39個機場機位數量分布，確定一定范圍的仿真輸入機位數量數據。根據資料顯示，千萬級機場最少的機位總數為煙臺蓬萊機場39個，最多為北京首都機場314個，從最低機位數量范圍，以按上述機位類型比例，以10作為機位遞增梯度，遞增至最高范圍機位總數作為輸入數據，保證后續仿真結果分析的科學性。

首先分析機位數量改變對機位容量的影響，將每組仿真數據結束后分析并整理機位容量區間數據，并分析機位數量改變對機位容量區間的影響情況。具體數據整理如圖3所示。

由圖3可知，隨著機位數量的遞增，機位容量區間的總體變化趨勢為逐漸上升至平穩狀態，其中當機位數量處于(39,79)區間范圍時，機位容量區間由(324,363)逐漸增大至(460,526)，當機位數量處于(89,314)區間范圍內時，機位容量區間則保持穩定在(463,526)。

其次分析機位數量的改變對機位容量魯棒性的影響，本文以各類型機位最大最小等待隊列長度差值的平均值和平均等待隊列長度作為評估機場整體機位容量魯棒性的指標，統計計算得各機位數量變化下的等待隊列相關數據結果如圖4所示。

圖3 機位容量區間變化趨勢圖

圖4 機位系統魯棒性變化趨勢圖

由圖4可知，隨著機位總數的遞增，等待隊列長度最大最小差值呈下降趨勢，即機位系統的魯棒性逐漸變好。其中，當機位數量區間為(39，69)時，魯棒性提升水平呈線性增加；當機位數量區間為(79,109)時，魯棒性向好趨勢逐漸放緩；當機位數量區間為(109,314)時，此時平均等待隊列長度為0，即表示此時機位保障能力將達到持續穩定且最優的狀態。

四、總結

根據仿真運行結果分析得出結論：機位容量會隨著機位數量的增大而增大的同時機位系統的魯棒性也會越好，抗干擾的能力越強，其中，當機位數量達到89個及以上時，機位容量區間將保持穩定較大狀態，當機位數量達到109個及以上時，機位系統的魯棒性呈最佳效果；當機場機位數量處于(89,109)時，機位容量能達到最大但機位系統未處于最健壯狀態，因此，機場在進行擴改建機位時可根據機場場地和工程預算等情況，并結合機場機位保障水平要求制定適用于各機場的改擴建計劃。