浅谈航空货物装载优化问题

李鹏 王飞 李桂远

摘要：为解决航空货运装载优化问题，提高航空货物运输效率，本文从介绍航空货物装载优化问题角度出发，详细列举了解决该问题的算法，并做了分类。最后，针对航空货物装载过程中应注意的问题着手进行阐述，以提高航空货物装载的高效性和安全性。

关键词：航空装载；启发式算法；装载优化

在航空货物运输流程中，货物装载始终占据着重要地位。航空货物装载是否满足要求直接关系到飞行安全和航空公司的收益。如何让货物装载空间利用率、载重量利用率达到最大，安全性最佳，是军事航空货物装载运输不懈追求的目标。

1 航空货物装载优化问题

1.1 航空货物装载优化问题概念

航空货物装载，顾名思义，就是指将一定数量的不同体积、重量、形状的不同种类货物按照一定的顺序，合理地装进具有一定载重量和空间限制的飞机机舱的过程。

总的来说，航空货物装载优化问题属于一类具有多个约束条件的复杂组合优化问题，属于NP-hard问题（即不能用代数的时间估算的问题）。NP-hard问题需要引入启发式算法，在解空间中随机生成新解，利用原来搜索过程中得到的信息，不断改进搜索过程，最终得到最优解。目前，航空货物装载优化问题的解决方法主要有模拟退火算法、蚁群算法、粒子群算法以及遗传算法等。

1.2 航空货物装载优化问题分类

航空货物装载可以类比于三维装箱问题。三维装箱问题的分类，可以按照货物规格尺寸、所选飞机类型以及飞行路径，可以分为以下三类。

（1）按照所装货物规格尺寸的不同，航空货物装载优化问题可分为两种。第一种是一定量的同规格、同类型、同尺寸的货物装载；第二种是一定量的不同规格尺寸货物混合装载。其中，第二种类型的货物装载处理难度相对较大。

（2）按照所选飞机类型的不同，可分为非宽体飞机和宽体飞机装载。一般非宽体客机只有散货舱，宽体飞机使用集装器装载货物。宽体飞机，以波音747-400F型全货机为例，该机型由上舱、主货舱、前下货舱、后下货艙以及散货舱等五个货舱构成，货舱门分为主货舱鼻门、主货舱侧门、前下货舱门、后下货舱门以及散货舱门构成。既可采用集装器装载集装货物，也可对诸如车辆、大型设备等散装货物进行系留、固定。非宽体飞机，由于只有散货舱，因而仅可装一些邮件、快递包裹、行李、动物活体等小型货物，装载的货物体积和数量均有较大限制。

（3）按照飞行路径的不同，可将航空货物装载分为两种类型。第一种是多航段航空运输货物装载，第二种为单航段直达运输货物装载。多航段运输需要根据中间站的数量及距离选择优先配送的货物，同时，还要根据飞机最大货物吞吐量确定货物装载量；在起始地装载时还要考虑货物装载的顺序，以便于中间站装卸载，从而提升航空公司的利润。单航段直达航空运输仅需要在始发站根据重心位置、飞机货舱结构等条件合理调配货物位置，并依据飞机最大装载量确定货物装载量即可。

2 航空货物运输装载优化问题常用解决方法

航空货物运输装载优化问题可以类比为一种集装箱装载布局优化问题。它是一种考虑到所装货物的体积、重量、长度、宽度、高度以及货舱空间等多重因素的三维装箱问题，属于NP-hard问题，其解决的主要方法是启发式算法。

2.1 启发式算法

启发式算法是近年来新产生的一类求解复杂组合优化问题最优解的算法，最早可追溯到Simon的有限合理性原理（Bounded Rationality）。面对某些不能用代数的时间来估计的问题，启发式算法按照一定的策略搜索可行解，并利用搜索过程中获取的中间信息改进搜索策略，从而避免陷入局部最优解，找到该问题的近似最优解。启发式算法的缺点在于无法确定所得解与真实最优解的差距，仅能得到近似最优解。

实际生活中的NP-hard问题往往约束条件多、解空间范围庞大，在有限时间内，这种问题一般不容易求得。启发式算法的优势在于可以加快搜索速度。相比于其它数学优化方法，该方法可迅速得到复杂组合优化问题的近似最优解，具有一定的艺术性和技巧性。启发式算法在解决装箱问题的实际应用中效果显著。

2.2 启发式算法的分类

启发式算法在搜索最优解的过程中利用到了原来搜索过程中得到的信息，且这个信息会改进我们的搜索过程。这里的“启发式”是指“自我发现的能力”，即利用原来搜索过程所得信息的手段。根据启发式起源和搜索特点的不同，可将启发式算法分为两类，如表1所示：

在实际运用启发式算法求解复杂NP-hard问题中，通常使用多种启发式算法相结合的方法，利用各具体方法的优点，有利于更快解决组合优化问题。

3 航空货物运输装载需要注意的几点问题

航空投送以其速度快、航程远、灵活性强、受地理条件限制小等特点，成为现代战争部队远距离机动和物资运送的优先选择。航空投送物资装载需要同时满足装卸速度快、装载物资多等方面的条件。长距离航空货物运输中，还要考虑装载货物的安全性和牢固性的问题。

3.1 航空货运物资装配要求

为保证航空运输安全，军用运输机在装载物资时，通常对货运物资的包装、装载的重量与尺寸以及不同物资的混装具有一定的规定要求。

3.1.1 航空货运物资包装要求

组织航空货运物资装载前，需对货物进行二次包装，以提高其运输安全性。包装材料要坚固、完好、轻便，防止包装破裂、内件漏出散失，防止码垛、摩擦、震荡或气压、气温变化而引起物资损坏或变质，防止伤害人员或污损飞机、设备及其它物品。同时，包装材料的重量及型号要符合搬运和装卸的条件，以免因超重或难以固定而影响装卸安全，造成事故。

3.1.2 装载的重量与尺寸限制

貨物装载应当满足飞机最大载重能力和货舱尺寸限制。超过货舱地板承受力的货物，装机时必须加上垫板，以免局部压强过大对飞行造成安全隐患。同时，货物尺寸应当小于货舱门最大允许装载尺寸，要确保货物可顺畅进出货舱，以免在装载时造成不必要的麻烦。

3.1.3 航空货运物资混装要求及货物装载原则

多种不同类型货物进行航空装载时，要注意根据单件货物的重量、体积进行合理搭配，并根据飞机重心位置、货舱地板强度、货舱空间结构等条件合理确定货物装机位置，进行配载平衡。执行装载时要避免大件压小件，重件压轻件，木箱压纸箱，固体包装件压液体包装件，不以货物棱角抵触机壁。对于性质互斥、运输要求不同的货物，比如油料和弹药，不能混装。

3.2 航空货运物资装载方法的选择

军用运输机装载物资时，一般采用人力搬运、传输装载、举升等装载方式。这些方法均存在其优缺点，在实际装载时应当结合具体情况灵活使用。

3.2.1 人力搬运

人力搬运目前在很多军用机场采用。该装载方式主要用于散装货物运输，其优点主要在于：

（1）使用人力搬运散装物资，不必使用大型传送设备，可提高物资装载的经济性，节约装载成本；

（2）人力搬运方式的环境适应性较好。对于没有运输机散装物资装卸车等装卸载保障装备等情况，人力搬运可以有效进行装载；对于装卸载保障装备不足，难以应付突发情况，人力搬运可发挥其快速装载的作用。

作为一种相对较为原始的装载方式，人力搬运装卸载方法存在诸多弊端。比如造成人力资源的浪费、缺乏机械化装载的高效性、浪费了装载时间等问题。

3.2.2 传输装载

传输装载方式主要集中在民航机场。飞机在装卸行李、包裹、邮件等小型散装物资以及军用运输机在民航机场起飞或着陆时，多采用散装物资装卸车（行李传输车）。该装备一般由汽车底盘、驾驶室、传送机架装置、液压系统和电气系统组成。其优点在于：

（1）使用传送带进行物资运输，可有效节约人力，避免了资源浪费，有效缩小配置范围；

（2）该方法可有效提高装载速度，使物资能够更快装载，更适应现代军事行动中快节奏的运输模式；

使用散装物资装卸车受机场条件制约较大，我国目前使用散装物资装卸车的军用机场较少，使用该方法需依托民航机场，对我军航空运输军事行动造成了一定的不便。

3.2.3 举升装载

举升装载方式一般用于民用机场，主要使用升降平台车（集装箱装载机）进行。升降平台车是一种专用装卸载装备，主要适用于宽体货机上的装卸载作业，具有自动行走功能，其优点主要在于有效节约人力。货运人员只需将集装化的物资推送至主平台，并系留固定即可。升降平台车可自动将货物运送至飞机货仓内部，省工、省力。

该装载方式的不足之处在于受机型影响较大。不同型号的升降平台车，其允许的最大举升能力和最大举升高度各不相同。因此，在面对多机型物资装载时，举升装载方式会受到较大限制，需灵活使用各装载方法，做大限度提高装载效率。

综上，通过从航空运输装载优化问题的概念和分类入手，分析了航空货物运输装载优化问题常用解决方法，并提出航空货物运输装载需要注意的几点问题，在保证货物装载安全合理的前提下，为实现更加高效的航空货物运输提供了借鉴参考。

（作者简介：李鹏，陆军军事交通学院学员五大队研究生队；王飞，68003部队上尉，陆军军事交通学院学员五大队研究生队；李桂远，陆军军事交通学院学员五大队研究生队）