基于航班延误的航班运行控制流程的构建

褚双磊，魏志强，焦　健，战　文

(1.中国民航大学 空中交通管理学院，天津 300300； 2.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院,北京 100191)



基于航班延误的航班运行控制流程的构建

褚双磊1，魏志强1，焦健2，战文2

(1.中国民航大学 空中交通管理学院，天津 300300； 2.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院,北京 100191)

摘要：航班延误一直是航空公司关注的热点问题之一，但是导致航班延误不仅仅是由于航空公司本身的业务因素，与天气条件、保障水平密不可分，同时航班运行保障是基于航空公司-机场-空管协同工作的。为了分析航班延误原因，结合签派放行顺序，细化了各个延误因素，对航班运行控制流程进行了模拟，构建了航班运行流程框图，将航空公司运行生产实践情况作为输入条件，并利用广义随机Petri网对航班的运行控制流程进行仿真计算，得出航班正常率为64%，分析结果表明运行控制流程框图符合航空公司实际运行环境，航班正常率仿真结果可靠。

关键词：航班延误；运行控制；流程框图；协同运行

航班延误是影响航空公司航班正常率的主要因素[1]，在航班延误研究方面，集中在延误等级评价和延误预测上，国内一部分学者利用层次分析法[2]对于航班延误等级进行了模糊评价，并对评价指标进行了预测[3]。有的研究者分析航班延误对民航安全的影响，对航班延误进行预测[4]，构建基于航班延误的安全管理指标体系[5]，另一部分研究者则集中在航班延误前的预警机制[6]，航班延误发生后的快速恢复响应机制研究[7]，通过建立航班恢复调度模型，以最优的方案使航班快速恢复正常运营[8]。

由于在航班运行控制过程中造成航班延误的因素很多，同时存在很多不确定的偶然因素，所以对于基于航班延误的航班运行控制流程的研究很少，大多集中在不正常航班的恢复模型和恢复算法方面[9]。所以基于航班延误的航班运行控制流程研究迫在眉睫，对于降低导致航班延误的可控原因或者人为因素的有重大意义。

为了提高航空运输的正常性、减少航班延误，分析航班延误因素。本研究基于航班延误,从航空公司、机场、空管和旅客多个角度对航班延误进行分析[10]，通过细化飞行运行控制流程，并结合民航局统一界定的影响航班延误的原因，围绕航班运行的整个过程，对航空公司运行控制流程进行设计，建立流程框图，基于随机Petri网对航班的运行控制流程进行仿真计算，得出航班正常率为64%，基本符合航班正常率的统计结果。

1构建原则和假设

为了便于对航班运行控制流程进行模拟仿真，对流程的构建进行了假设和简化，构建原则和仿真假设如下。

1.1理想化、简单化

航班放行仿真流程不可能将所有航班延误因素全部列为输入条件，只能将发生概率多、集中发生的航班延误因素列为输入条件。在符合实际运营条件的前提下，把有关运行环节理想化，简单化，排除了小概率或者突发事件[11]，例如劫机、飞行员身体不舒服等不可控因素。具体理想化的仿真条件见表1。将航班延误因素独立化、单一化，不考虑实际运行过程中的复合影响因素，每个环节都是独立的，不是联合作用的，某个单一环节没有按时完成就会导致航班延误。也就是说，某个独立的航班延误因素成立或者形成，将会导致最终的延误结果。

表1　理想化的仿真条件

1.2综合化、精细化

全面重点分析影响航班延误的因素，航班是否延误与航班是否正常放行息息相关，其中航班放行主要涉及3个方面：航空公司放行、机场放行、空管放行。航空公司放行又分为机务放行和签派放行，航班放行的因素与所涉及的航班延误因素一一对应，保留航班常见延误原因，全面梳理运行控制流程框图。表2是参照2013年88号文件关于印发《民航航班正常统计办法》的通知[12]，对新版航班正常性统计方法中附件1航班延误原因分类的具体说明。

表2　常见的航班延误原因说明

1.3实践化、专业化

航班放行的仿真流程遵照航空公司实际航班放行原则和流程[13]，符合运行实践，以一个比较理想化的航班放行顺序为主[14]，主要集中于起飞前各个主要业务部门需要做的保障工作，大体放行顺序为情报放行——气象放行——机务航前维护——机组放行——MEL放行、性能放行——签派放行——旅客正常登机——机场放行——管制放行。

表3　航班放行的三大组成部分

2航空公司运行控制流程建模

2.1仿真流程图建立

构建以航班延误为中心的航空公司运行控制仿真流程图的目的是为了对某个航班延误率进行仿真[15]，输入各个影响因素(航班延误原因)发生的概率或者时间来仿真得出该航班的延误率。

2.2仿真分析和结果

基于GSPN的航班正常率仿真采用的是以蒙特卡罗方法为核心的仿真方法，该方法能够对运行控制流程这样的离散系统进行仿真。该仿真的主要输入包括2大类：(1)所有时延变迁延迟时间的分布；(2)各个状态选择开关分布；所有延误时间均认为服从正态分布，飞机本身部件，包括MEL项所列部件与非MEL项所列部件，均认为服从指数分布，模型中各个状态选择开关均认为服从二项分布。仿真输入数据均根据航空公司每日运行生产情况汇总表统计获得，具体输入参数的取值情况如表4所示。

表4　仿真输入项

图1　基于航班延误的运行控制仿真流程框图

该仿真流程采用Matlab Stateflow编写，通过表4所列仿真输入条件，得到航班正常率随时间变化曲线如图2所示。

图2　仿真所得航班正常率

由图2可以发现，当飞行时间较短时受各种偶然因素影响，航班正常率的波动较大，随着总飞行时间的增加，该航班的航班正常率维持在0.65左右，与2014年的航班正常率数据很接近，与航空公司运行实际环境相吻合。

3结论

由于影响航班延误的因素、种类和所涵盖的部门很多，所以航空公司运行控制仿真流程以航班延误为中心，以运行控制部为主要参与部门，维修工程部、机场地面服务和现场指挥单位、空中交通管理单位为辅助参与部门，全面地分析影响航班延误的原因。本文针对航班延误因素的构成,对某个航班的运行过程进行流程仿真，建立详细的流程框图，通过该流程框图，从航空公司、机场和空管3个方面入手，综合不同运行部门的不同保障情况，将延误因素作为输入条件，以航班延误或者正常作为输出结果，可以仿真得出航班正常率数据，为航空公司实施航班延误分析和研究提供了理论与方法支持。

但是由于该仿真流程做了一定的假设，例如对所有故障部件均在一天飞行任务结束后完成修

复，且修理过程认为部件故障率达到新品程度，同时航空公司航班运行控制仿真流程框图本质上是起飞放行仿真流程，只是着眼于起飞前的放行，更确切地说是滑行前的放行，仿真的起点是当日航班放行的开始，终点就是撤轮挡结束，所以模型应用具有一定局限性，需要在下一步的研究中继续完善。

参考文献(References)：

[1]张亮.航班延误统计指标体系及延误等级评估研究[D].中国民航大学,2008.

[2]赵嶷飞,张亮.航班延误统计指标体系及延误等级评估研究[J].交通运输工程与信息学报,2009(2):9-15.

[3]石丽娜.多等级模糊评价方法在航班延误中的应用[J].上海工程技术大学学报,2006(3):276-279.

[4]刘玉洁.基于贝叶斯网络的航班延误与波及预测[D].天津大学,2009.

[5]刘晨.基于航班延误的民航安全风险管理研究[D].南京航空航天大学,2012.

[6]王红,刘金兰,曹卫东，等.航空公司航班延误预警管理模型与分析[J].计算机仿真,2009(4):292-296.

[7]丁建立,王新茹,徐涛.航班延误恢复调度的混合粒子群算法[J].交通运输工程学报,2008(2):90-95.

[8]徐涛,丁建立,顾彬,等.基于增量式排列支持向量机的机场航班延误预警[J].航空学报,2009(7):1256-1263.

[9]吕宗平,胡欣,丁建立.航班延误预警指标体系与预警量级构建[J].航空计算技术,2010(1):1-4.

[10]计金玲.免疫算法在航班延误快速恢复中应用研究[D].天津：中国民航大学,2008.

[11]梁叶.基于一体化的航班正常性统计系统的研究与应用[J].中国民用航空,2013(12):101-102.

[12]民航航班正常统计办法[Z].中国民用航空局,2013.

[13]武丁杰,孙宏.基于航班延误水平的机场航班时刻管理评价方法[J].交通运输工程与信息学报,2014(1):17-21,27.

[14]高自亮,张世平.民航航班正常性数据的统计[J].中国民用航空,2008(4):48-50.

[15]丁建立,陈坦坦,徐涛.基于时间Petri网的航班延误链式反应模型构建[J].系统仿真学报,2008(14):3888-3891,3895.

(责任编辑：宋丽萍英文审校：隋华)

The construction of flight operation control process based on flight delay

CHU Shuang-lei1，WEI Zhi-qiang1，JIAO Jian2，ZHAN Wen2

(1.College of Air Traffic Management,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;2.School of Reliability & Systems Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Abstract：Flight delay is always one of the hot issues of the airlines,but flight delay is not only caused by business factors of airline itself,but also closely related to weather conditions and security level.At the same time,flight operation security is based on collaborative work between airlines,airport and ATC.In this paper,in order to analyze the causes of flight delay,various factors of delay，combined with the dispatch release sequence,were refined.Flight operation control process was simulated and flight operation flow chart was constructed.Taking the production practice of the airline operation as the input conditions,simulation of flight control flow is carried out by using the generalized stochastic Petri net.Flight punctuality rate was 64%.Results show that flight operation control flow diagram accords with the actual operation of airlines,and the simulation results of punctuality rate are reliable.

Key words：flight delay;operation control;flow chart;coordinated operation

doi:10.3969/j.issn.2095-1248.2016.01.013

中图分类号：V328.3

文献标志码：A

文章编号：2095-1248(2016)01-0065-05

作者简介：褚双磊(1982-)，男，天津人，讲师，博士，主要研究方向：民用飞机飞行性能，飞行运行控制，E-mail:chushuanglei@163.com。

基金项目：国家自然科学基金(项目编号：21407174)；航空科学基金(项目编号：20140267002)；工业和信息化部民用飞机专项科研项目(项目编号：MJ-J-2012-4);中央高校基本科研业务费项目(项目编号：3122014C021、3122014B005)

收稿日期：2015-03-10

民用航空与安全工程