机位容量因其数量影响的仿真运行及量化关系研究

(中国民用航空飞行学院 机场工程与运输管理学院 四川 广汉 618307)

引言

近年来我国航空运输量一直处于稳定增长的趋势，截至2019年底，在239个境内机场中，年旅客吞吐量超过1000万人次以上的机场就有39个，距上年增长7个[1]。同时，据欧洲空客公司发布的2013-2032全球民用航空市场的预测显示，未来20年新增客机需求和货机需求将达到29220架，全球航空运输量年均增长率为4.7%。民航运输量的增长势必会造成机场的机位资源紧缺，机位特别是近机位容量问题也将成为继跑道容量问题之后又一限制机场容量的瓶颈。目前解决机位资源紧缺的手段有以下两种：一是合理分配使用停机位；二是扩建机位或新建机场[2]。与较为成熟的机位分配问题的相关研究和机场计算机辅助人工机位分配手段相比，我国目前却尚无完善的机场机位设置的相关规范和建议。因此本文将通过分析不同类型近机位数量变化对近机位容量的影响，探讨机位容量优化下的机位数量，为我国机场机位的改扩建计划提供丰富思路和建设依据。

一、机位容量影响因素分析

机场机位容量是指在实际航班生产过程中，在一定的服务水平和机场运营时间下，某机位能服务并容纳的最大航班数量，机位总容量为各类型可以由各个机位容量乘以该机场相关机位数得之[3]。而机位容量的影响因素复杂繁多，且不同影响因素与机位容量联系密切程度又有所不同。本节将基于机场实际运行情况，总结归纳机位容量的相关影响因素，分析各影响因素与机位容量的内在关联。

(1)机位与航班匹配关系。机位与保障航班的匹配主要包括数量和类型上的匹配。一方面，由于特定停机位只能停放其允许最大机型及其以下机型的容量约束问题，当机位类型与运行航班匹配不当时，非匹配机位将处于空闲状态，该机位单一容量将大大减少；另一方面，由于同一机位资源在任何时刻只允许一架航空器的占用独占制约问题，当机位数量与高峰小时航班数量匹配不当时，过站航班的保障工作需排队等待至机位资源的占用结束，过站地面保障工作或将成为影响该机场航班正常运行的短板。因此，为避免机位资源的闲置浪费和机位容量的必要保障，应根据机场主要运行航班类型和高峰小时航班数量共同决定机位数量和类型设置。

(2)机位占用时间要素。机位占用时间要素主要包括机位过站保障时间、机位最小安全间隔时间、机位缓冲时间。机位过站保障主要包括廊桥及客梯车对接、电源空调和气源设备提供、摆渡车到位、客舱清洁、污水操作、餐食及机供品配送、航油加注、机组及乘务组保障、货邮行李装载等流程[4]，过站保障时间主要与机位保障的机型类别有关；机位的最小间隔时间与前后行航班的飞机类型、机位类型、飞机在机位上的停放关系有关；机位缓冲时间则根据各机场的实际运行水平自行决定。

(3)机位分配使用策略。机位分配需严格按照民航局发布的相关标准和原则进行操作。此外，根据机场与航空公司的机位签订协议，现机位分配使用策略可分为独占策略、偏好使用策略、联合使用策略和共用策略[5]。航空公司独占策略是指机场与某航司签订特定区域机位独占的租赁合同。这种策略往往会面临其它航空公司航班急需机位却得不到空闲机位的尴尬局面；而偏好使用策略为机场与航司签订允许机场调度空闲机位的相关协议，但这种协调将会让签订合同的航司陷入自身机位需求难以完全满足的困境；联合使用策略是指机场与多家航空公司共同签订特定机位租赁合同，在该策略下，机场能更加科学合理得分配机位资源，将机位利用最大化；公用策略是指有机场方作为机位分配权力的决定者，该策略一般适用于机位能满足所有航班需求的流量较小的机场。

(4)航站楼构型及机位分区。航站楼构型主要分为指廊型、T型、卫星型、前线型、转站车型五中基础类型。不同构型的航站楼直接影响了机位的空间布局，这将会发生航班进出机位限制条件和影响附近区域机位范围的不同，导致保障工作受到影响；此外，机场对客货机坪、专机/公务机坪、维修机坪等机位分区的细化程度也会影响保障工作的安排。

结合以上分析和前人研究，与机场的容量联系最为密切的因素为机位与航班的匹配关系和机位占用时间要素[6]。结合本文研究重点，本文将以各类型机位平均保障时间作为机位占用时间要素，简化仿真模型构建的同时着重探讨航班与机位匹配性对机位容量的内在关联。

二、机位过站保障流程仿真建模

机位过站保障服务可以看做是一个排队系统，不同类型的机位作为服务台，同时根据机位和航班的类型匹配关系有条件地对航班进行保障服务，Arena仿真软件可视化的流程建模功能符合本文仿真要求，因此本节将基于该仿真工具，对机位过站保障工作的相关逻辑流程进行搭建，运行调试后记录并输出运行相关数据。

各机场机位的设置主要根据该机场主要运行机型占比决定，目前我国绝大多数机场主要运行机型为C类机，D、E类机占比相对较少。经过多机场调研发现，各机场的机位类型和航班性质特别是高峰时段的航班类型能够基本匹配，未来机场扩建机位难点主要还是在于对机位数量的把控，因此本文设置C、D、E类型航班数量和机位数量占比分别为65%，17.5%，17.5%；同时设置各类型的机位平均保障时间分别为52分钟、68分钟和79分钟。

Arena仿真流程搭建步骤如下：

(1)首先在source模块中创建实体，本文以进港飞机作为移动实体，飞机到达服从泊松分布。每次到达飞机数量一架次，初始值为0，同时在Assign模块中创建仿真时钟；

(2)在Decide模块中设置多个分流口表示单个实体通过对应机位的选择进入机位过站保障，其中输入C、D、E类型航班数量占比；

(3)当进港飞机滑入机位时，需保证该机位资源无其他飞机占用，且保障期间不允许其他飞机抢占该资源，因此，在Process资源池设置每个机位容量为1，即表示某时段该机位有且只能保障一架飞机，同时输入各类型机位平均服务时间；

(4)同时设定用于保障服务的机位数量，具体数量由机位总数和类型占比共同决定；

(5)待保障服务完成后，实体完成系统流程，进入Dispose模块代表实体完成系统流同时机位资源得以释放，最后以Record模块中记录实体在系统中的逗留时间。

输入调试航班占比和对应机位数量相关数据，设置仿真时间起始时刻为11：00，时间长度设定9小时，经过系统调试后，运行仿真界面系统如图1所示：

图1 仿真系统界面

由图1可知，运行结束后接受完飞机过站保障作业的飞机总数为324架次，正在机位上接受保障作业服务的飞机数量是39架次，在机场运行的高峰持续时段进港飞机的总数为363架次，可以得出初步结论机位容量区间是(324,363)。

仿真系统中三种机位的等待服务时间和等待队列信息如上表所示，包括平均等待时间，最小等待时间，最大等待时间，平均等待队列数量，最小等待队列数量和最大等待队列数量，可由等待时间和等待队列对应的最大最小差值作为反映机位系统容量鲁棒性的指标，其差值越大，容量鲁棒性越差，反之，差值越小，机位容量鲁棒性越好。

图2 队列分析

三、机位与容量量化关系分析

考虑到量化关系研究中需要机位数量的数据是连续性的，跟据统计我国1000万级机场以上的39个机场机位数量分布，确定一定范围的仿真输入机位数量数据。根据资料显示，千万级机场最少的机位总数为烟台蓬莱机场39个，最多为北京首都机场314个，从最低机位数量范围，以按上述机位类型比例，以10作为机位递增梯度，递增至最高范围机位总数作为输入数据，保证后续仿真结果分析的科学性。

首先分析机位数量改变对机位容量的影响，将每组仿真数据结束后分析并整理机位容量区间数据，并分析机位数量改变对机位容量区间的影响情况。具体数据整理如图3所示。

由图3可知，随着机位数量的递增，机位容量区间的总体变化趋势为逐渐上升至平稳状态，其中当机位数量处于(39,79)区间范围时，机位容量区间由(324,363)逐渐增大至(460,526)，当机位数量处于(89,314)区间范围内时，机位容量区间则保持稳定在(463,526)。

其次分析机位数量的改变对机位容量鲁棒性的影响，本文以各类型机位最大最小等待队列长度差值的平均值和平均等待队列长度作为评估机场整体机位容量鲁棒性的指标，统计计算得各机位数量变化下的等待队列相关数据结果如图4所示。

图3 机位容量区间变化趋势图

图4 机位系统鲁棒性变化趋势图

由图4可知，随着机位总数的递增，等待队列长度最大最小差值呈下降趋势，即机位系统的鲁棒性逐渐变好。其中，当机位数量区间为(39，69)时，鲁棒性提升水平呈线性增加；当机位数量区间为(79,109)时，鲁棒性向好趋势逐渐放缓；当机位数量区间为(109,314)时，此时平均等待队列长度为0，即表示此时机位保障能力将达到持续稳定且最优的状态。

四、总结

根据仿真运行结果分析得出结论：机位容量会随着机位数量的增大而增大的同时机位系统的鲁棒性也会越好，抗干扰的能力越强，其中，当机位数量达到89个及以上时，机位容量区间将保持稳定较大状态，当机位数量达到109个及以上时，机位系统的鲁棒性呈最佳效果；当机场机位数量处于(89,109)时，机位容量能达到最大但机位系统未处于最健壮状态，因此，机场在进行扩改建机位时可根据机场场地和工程预算等情况，并结合机场机位保障水平要求制定适用于各机场的改扩建计划。