基于流程仿真的枢纽机场中转时间分布特性研究*

陶一燃 张生润

（南京航空航天大学民航学院 南京 211106）

1 引言

20 世纪80 年代以来，美国和欧洲各世界民航大国在“天空开放”政策下不断扩大国际航空市场，逐步占据了较大国际航空市场份额［1］。直至2019年，我国北京首都机场、上海浦东机场和广州白云机场的运输规模均位列全球航空枢纽的前20 名，但国际竞争力仍然相对较弱，主要体现在中转比例和中转效率低于国际水平［2，19～21］。

目前围绕如何提高枢纽机场旅客中转能力问题，主要有三种思路：中转流程优化［3～4］、中转资源分配优化［5］和时刻资源配置优化［6～7］。夏蔷薇［8］为行李直挂的中转旅客和行李未直挂的中转旅客分别增设旅客过境和中转厅，用来缩短一部分旅客的中转时间；张晓光和朱金福［9］等采用离散事件仿真技术，根据中转航班旅客到达人数的变化实时分配中转资源，来提高中转设施资源的利用率；张浩［10］选择在值机柜台安排两名值机工作人员共用一套称重系统的方式，来提高称重系统的利用率。然而，中转流程优化和中转设施资源优化虽然可以缩短旅客的中转时间，一定程度上提高机场的中转比例，但较难为航空公司航班时刻表增加中转衔接机会。

Guillaume Burghouwt［11］基于OAG 数据和欧洲航线时刻配置情况验证了大型全服务航空公司在其基地机场构建航班波的思想可以显著增加中转机会，在其后的研究中［12］构建出了基于最小中转时间和最大中转时间的航班波时间窗口。HUANG J［13］结合Guillaume Burghouwt 的研究识别出国航在首都机场形成的“四进四出”航班波结构，并指出构建航班波系统结构对于航班时刻资源的优化尤为重要，但对其中的关键参数，如最小中转时间和最大中转时间阈值的确定依据仍不明确。张生润［16］等提出了可变最大中转时间阈值确定的方法，并通过多元回归模型验证了最大中转时间的增加会引起中转航班量的减少，指出最大中转时间应当根据不同国家的目的区域采取差异化设置，但未考虑旅客在航站楼中转行为的差异，这种差异可能导致所得出的最大中转时间阈值的差异性。

因此，本文综合考虑旅客在航站楼中转行为的差异性及全服务航空公司航班时刻配置中转衔接机会的获得两方面，运用离散事件仿真方法研究枢纽机场航站楼旅客中转流程仿真建模，并基于仿真结果研究中转时间分布特性。

2 旅客中转流程仿真模型

2.1 旅客中转流程分析

乘坐国航国内航班的旅客到达首都机场T3 航站楼，C区处理国内到达业务，E区处理国际出发业务。下面将详细描述旅客到达首都机场后的中转全流程，共分为三大步骤。

第一步：到达中转大厅。

中转大厅位于T3 航站楼C 区二层，旅客在此办理转乘手续。根据机位远近不同，旅客到达中转大厅的方式不同。近机位旅客直接通过廊桥连接进入中转大厅，而远机位旅客下机后需乘坐摆渡车到达T3 航站楼C 区一层，再乘坐电梯至二层的中转大厅。

在对旅客中转值机进行仿真设计时，需考虑值机方式、开放时间和旅客排队方式等三方面。根据国航官网信息显示，其国际航班暂时不支持网上值机和自助值机，旅客需到人工柜台办理值机和托运手续。值机柜台开放时间为全天，且为公用式柜台，即中转旅客可在任意时间任意柜台办理中转手续。考虑到值机柜台数量充足，因此旅客排队方式为线性队列。

第二步：到达国际联检区。

旅客办理完转乘手续后，乘坐自动旅客捷运系统（Automated People Mover，APM）从C 区前往E 区的国际联检区办理检疫、边防、安检和海关手续。检验检疫是指对进出口商品、进出口动植物、出入境人员以及可能传播检疫传染病的行李、货物、邮包等进行检验、鉴定和监督管理，防止传染病由国外传入，保护人类健康；边防检查以检查旅客护照为主；安检是指检查旅客及其行李物品中是否携带枪支、弹药、易燃、易爆、腐蚀、有毒放射性等危险物品，以确保航空器及乘客的人身、财产安全。海关检查是指对出入国境的一切商品和物品进行监督、检查并照张征收关税。海关通道分为红色通道和绿色通道，携带需要向海关报备的物品的旅客走红色通道，未携带需要向海关报备的物品的旅客走绿色通道。

第三步：到达候机大厅。

旅客办理完国际联检手续后，前往候机大厅等待登机。

2.2 模型假设

旅客中转流程仿真模型模拟了国航国内经首都机场T3 航站楼中转至东南亚、东北亚、西欧和北美的中转航班的运行情况，模拟的流程涉及多个中转设施的运行和工作人员的时间安排，所以本文对模型做了如下假设：

1）设定系统仿真开始时间为2018 年7 月16 日零点，结束时间为2018年7月17日零点；

2）在系统仿真开始时间前，系统内没有任何旅客，在系统仿真开始时间后，中转设施和工作人员不休息；

3）模型中只涉及中转航班，中转航班和中转旅客的相关参数均基于中转航班时刻表产生；

4）旅客队列服务遵循先到先服务原则（FIFO），且旅客能够自行选择最短队列排队（最有利原则）；

5）没有临时航班和延误航班。

2.3 样本和数据

本文数据来源于全球航班计划数据供应商OAG 提供的“中转衔接（Connections Analyser）”模块。基于张生润［16］等的研究，选取国航在典型日（2018 年7 月16 日）由东北、华北、华南、华中、华东、西北和西南经首都机场中转至东南亚（AS3）、东北亚（AS4）、西欧（EU1）和北美（NA1）的所有一次中转航班进行分析。

“中转衔接”模块只能提供两类数据，分别为A类数据和B 类数据。A 类数据包含航空公司某天或者某月的中转航班信息，具体有运营天数、始发机场、终到机场、出发时刻、到达时刻等，但不包含中转旅客量；B 类数据包含航空公司某月的中转航班信息，具体有始发机场、终到机场、中转旅客量、订单量等，但不包含中转航班的出发时刻和到达时刻。所以为了获取典型日所有中转航班上的出发时刻、到达时刻、始发机场、终到机场和中转旅客量，本文提出的计算方法步骤如下：

第一步：以“始发机场-枢纽机场-终到机场”作为中转航班类别的识别项；

第二步：统计2018年7月A 类数据的中转航班类别及其数量；

第三步：统计2018 年7 月B 类数据的中转航班类别及其中转旅客量；

第四步：当中转航班类别相同时，将B 类数据中转航班上的中转旅客量与A 类数据的中转航班量的比值确定为该类中转航班的中转旅客量，如果计算的结果为小数，采用四舍五入的计数保留法来保证精确度。

3 最大中转时间确定

Dr.Philipp Goedeking 对航班波时间窗口、中转机会和中转时间做了一个详细的解释［14］。假设在一个小时内有100 个航班从国内的不同机场到达枢纽机场，把这一个小时定义为进港航班的时间窗口，简称为进港时间窗；另外100 个航班在另一个小时内从枢纽机场出发前往国外的机场，把这一个小时定义为出港航班的时间窗口，简称为出港时间窗，如果进港时间窗里的所有航班都可以与出港时间窗里的所有航班相连，就可以产生1002个中转机会（中转航班），这清楚地表明了航空中转市场的巨大收益。

中转时间表示旅客进入进港时间窗与离开出港时间窗的时间差，在机场通常表示乘坐中转航班的旅客在枢纽机场等待转机的时间。每个中转旅客都对应着不同的中转时间，在数值上可分为最小中转时间和最大中转时间。

最小中转时间在枢纽机场通常是指能够保证旅客和行李换乘、以及飞机过站的最小安全保障时间，通常定为60min［15］。最大中转时间在机场通常是指旅客所能接受的最大等待时间［16］，国内学者在研究枢纽机场时通常将最大中转时间定为120min［13，15］。

已有研究表明，最小中转时间取值通常都为固定值，而最大中转时间受终到机场区域、航班中转类型和O&D 对的地理距离的影响，取值应当是可变的［13，16～17］。但上述研究仍未考虑旅客因素。在实际机场旅客中转中，即使是同一条中转航班的旅客，他们的中转时间和能忍受的等待时间也具有一定的差异性。因此，基于张生润［16］、Seredyński Adam［17］和Burghouwt G［18］等学者的研究，在综合考虑地理区域对、航班中转类型和旅客因素的基础上，本文提出基于地理区域对和中转旅客量的最大中转时间阈值计算方法如式（1）所示：

其中，i表示始发区域，包括东北、华北、华南、华中、华东、西北和西南；j表示终到区域，包括东南亚（AS3）、东北亚（AS4）、西欧（EU1）和北美（NA1）；Pij表示区域对ij上的所有中转旅客量；表示区域对ij上的第K类中转时间；表示区域对ij上第K类中转时间对应的中转旅客量；MaxCTij表示区域对ij的最大中转时间阈值。

4 旅客中转流程仿真系统设计、校验及应用分析

4.1 系统设计

根据3.1 节对旅客中转流程的分析，采用Pro-Model仿真软件开发旅客中转仿真系统需设置实体（Entity）、到达（Arrival）、位置（Locations）、流程（Processing）和属性（Attributes）等建模元素。下面将详细介绍系统关键参数的定义及设置方法。

1）实体

实体是指仿真系统要服务的对象。本文指乘坐国航国内经首都机场转国际航班的旅客，设置旅客在首都机场T3 航站楼C 区和E 区行走的平均速度为1.5m/s（表1）。

表1 实体参数设置

2）位置

位置是指实体在系统中花费一定时间或资源进行某些特定活动的固定地点或场所。仿真系统位置包括首都机场T3 航站楼C 区的中转大厅、中转柜台、APM 站台及E 区的检验检疫通道、边防通道、安检通道、海关红色通道、海关绿色通道和候机大厅。相关参数设置如表2 所示，数据来源于首都机场工作人员提供的CAD图。

表2 位置参数设置

3）到达

到达是指实体进入仿真系统的位置、数量、时间、批次和频率。此处位置指旅客到达系统的第一个位置，即中转大厅（Tran_Hall）；数量指每个中转航班的旅客量；时间指每个中转航班的进港时刻，为方便描述，以系统仿真开始时刻为统一参考，将所有中转航班的进港时刻转化为以分钟为单位的时间差；批次指旅客进入仿真系统的批量次数，由于旅客需按照计划的中转航班统一到达，每个中转航班的组合航班号为其唯一标识，因此，将旅客批次设置为1；频率表示前后两个批次之间的间隔时间，因为仅有1个旅客批次，所以频率设置为0。数量、时间、批次和频率所需的数据皆来自OAG 提供的中转航班时刻表。

4）流程

流程是指仿真系统按照真实情况设置实体的运动逻辑、运动方式、到达行程位置进行的活动及花费的时间，此处是指国航国内转国际旅客在首都机场T3航站楼的中转流程。

5）属性（Attributes）

属性是指与实体或者位置相关联的信息，一般为整数或实数。为了方便分析仿真结果，本仿真系统设置TYPE 作为中转航班的组合航班号的属性，属性值表示为1，2，3……n。

4.2 旅客中转流程仿真系统验证

系统校验日定于2018 年7 月16 日，采用OAG提供的国航在首都机场的国内转国际航班数据对仿真模型进行核实和校正，选取指标为中转航班量和中转旅客量。当仿真系统输出的结果与OAG 数据平台统计结果吻合时，证明所设计的系统具有可靠性。经验证：当日全天国内转国际中转航班共1187 架次，旅客中转人数为3622。仿真系统输出的中转航班量和中转旅客量与基于OAG 数据平台统计的数据吻合。因此，本文所建立的仿真系统能够一定程度上模拟旅客在首都机场中转流程动线，为枢纽机场中转时间分布特性研究提供系统仿真平台。

4.3 仿真结果分析

本节对首都机场T3 航站楼旅客中转流程仿真结果进行分析，以IATA服务标准为参考，分析各中转环节资源服务水平，识别瓶颈环节并分析瓶颈产生的原因。通过连续一整天的仿真运行获得仿真结果，表3 所示为关键中转资源的服务水平。可看出，除中转值机柜台外，首都机场T3 航站楼提供的检验检疫、边检、安检、海关服务水平基本达到IATA 的C 级服务标准。中转值机柜台排队队列的最小排队人数为7 人，最大排队人数高达17 人，远远超过IATA 的C 级服务标准。因此，中转值机环节是影响国航旅客在首都机场中转的关键瓶颈环节。

表3 各中转服务资源的仿真输出结果（2018/7/16）

经向首都机场工作人员调查，本文认为在该典型日，T3航站楼E区国际中转值机排队队列过长的主要原因可能是中转旅客批量到达中转设施的速率超过了工作人员的服务速率。尽管通过强化培训可提高值机人员服务效率，但会产生一定的成本［6］。因此，本文提出可通过调整中转旅客的进港时间分布平衡旅客到达速率和工作人员服务速率不匹配的矛盾。下节将重点从时间区间和区域对两个维度分析旅客中转时间分布特性。

5 中转时间分布特性分析

5.1 基于时间区间的旅客中转时间分布特性

分析仿真系统输出的旅客中转时间，研究基于时间区间的旅客中转时间分布特性。在仿真系统中，中转旅客到达中转大厅后，办理完一系列中转手续，到达候机大厅准备登机，因此旅客中转时间指旅客到达中转大厅至办完登机手续的时间。

国航经首都机场的国内转国际的仿真中转时间整体分布范围为［19，439］，考虑到国内学者将大型枢纽机场的国内转国际航班最小中转时间定为60min［6］，故以60min 为间隔划分时间区间，得到各时间区间内的一次中转航班旅客量分布如表4 所示，占比最多的区间为（60，120］，大约有30%，而约有18% 的旅客的中转时间介于120min～180min。国际航空协会制定的航班中转衔接时间标准为60min，国外学者给出的欧洲全服务航空公司在其枢纽机场的所有类型的中转衔接时间为90min～180min［14］，国内学者给出的国航在其首都机场的国际中转航班的最小中转时间和最大中转时间分别为90min 和210min，与这三类时间相比，国航仍有22.5% 的国内转国际旅客的中转时间超过240min，因此，国航在其枢纽机场的中转能力有待提高。

表4 不同时间区间的一次中转旅客量分布（2018/07/16）

5.2 基于地理区域对的旅客中转时间分布特性

乘客能接受的最大转机时间随着O&D 距离的增加而增加［10］，即最大中转时间也与中转航班的始发区域和终到区域相关。以“东北-东南亚”为例，表示旅客从东北出发，前往东南亚，把这样的地理区域上的连接称之为地理区域对。以仿真系统输出的国航从东北、华北、华南、华中、华东、西北和西南经首都机场中转至东南亚（AS3）、东北亚（AS4）、西欧（EU1）和北美（NA1）的所有一次中转航班为例，分析基于地理区域对的旅客中转时间分布特性，如图1所示。

图1 基于区域对和时间区间的一次中转旅客量分布（2018/07/16）

比较同一个区域对的时间区间发现，旅客中转时间分布和中转旅客量分布有较大的差异，以区域对“东北-东南亚”为例。数值最小的中转时间为29min，位在时间区间（0，60］，数值最大的中转时间为434min，位于时间区间（420，480］，相差约405min；数值最小的中转旅客量为4 人，其对应的时间区间为（0，60］和（60，120］，数值最大的中转旅客量为31 人，其对应的时间区间为（240，300］，相差约27 人。国航在安排同一个区域对的旅客地中转时间时，并没有一个统一的标准，导致中转时间差距大，产生不必要的时间资源浪费。所以在确定一个区域对的最大中转时间阈值时，不能粗略地选择中转时间的平均值作为最大中转时间阈值，这样不仅会导致一部分旅客等待时间过长，也会导致另一部分旅客赶不上登机，这两个结果都会降低旅客对机场的好感度。

同时，根据第2 节的研究，区域对上的中转时间和它对应的中转旅客量占比是确定区域对的最大中转时间阈值的关键指标，若两个指标在各区域对取值有异，意味着各区域对的最大中转时间阈值存在差异性。以区域对“东北-东南亚”和区域对“华北-东南亚”为例，在时间区间（60，120］内，前者的旅客中转时间有64min 和119min，对应的中转旅客量占比分别为2.27%和0.76%，后者的旅客中转时间有69min、74min、79min 和114min，对应的中转旅客量占比分别为2.34%、4.65%、2.34%和2.34%，中转旅客量占比最大相差在3.89%，中转时间和中转旅客量占比均不相同，所以国航在各区域对的最大中转时间阈值存在差异性。

5.3 最大中转时间计算及结果分析

基于以上分析，表3 计算得到不同始发区域和终到区域的最大中转时间阈值。由于国航在2018年7 月16 日并没有提供从华南或者西南区域出发到达东南亚区域的航班，故最大中转时间阈值为0。从华中出发前往东南亚的旅客的最大中转时间时间最长，为275.47min，从西北出发前往西欧的旅客的最大中转时间最短，为68.56min，其余的地理区域对上的最大中转时间分布在100min～250min之间。

从表5 可看出，与张生润等［16］采用时间区间和中转航班量确定MaxCT相比较，采用离散事件仿真方法模拟旅客中转流程得到的MaxCT 值更精确。当仿真值小于仅考虑时空间特征的MaxCT值时，表示国航未充分考虑旅客可接受的中转时间，以“牺牲”旅客中转服务水平换取较多的中转航班量，在该情况下，航司需考虑设置较小的MaxCT 值，以吸引更多的中转旅客，增加该区域对单位航班的中转旅客量。当仿真值大于仅考虑时空间特征的Max-CT 值时，并不代表旅客可接受的中转时间更长，而反映的是OAG 数据平台设计枢纽机场中转航班时刻表时，仅以是否存在直达航班作为构建中转连接的依据，未考虑其能否转化为可行中转产品，实际中，产品转化需考虑绕行和空域容量限制等现实因素。在该情况下，航司可考虑减小或取消该区域对的中转航班，将旅客吸引到直达航班或者可行的中转航班。

表5 不同国内转国际区域对下的最大中转时间确定（单位：min）

在国内转东南亚市场，旅客从国内任何区域出发经PEK 中转到达东南亚的MaxCT 仿真值均低于330min，西北始发旅客的MaxCT 值最小，华中和东北始发旅客的MaxCT 值最大，二者相差约60min，即西北始发旅客可接受的中转时间值远远低于华中和东北始发旅客，这可能与前序航班飞行时间较长相关。从中转旅客量分布看（图1），西北始发中转旅客人数较少，国航可考虑在国内转东南亚市场上，在不增加航班的情况下提高西北经PEK至东南亚旅客的中转服务水平，再利用价格、营销等市场手段吸引更多的西北始发旅客在PEK 中转。整体来看，张生润等［16］方法确定的国内转东南亚市场的MaxCT值过大，与考虑旅客可接受程度计算得出的MaxCT平均差值高达约84min。

在国内转东北亚市场，华南、西南和西北始发旅客的MaxCT 仿真值低于150min，而其他国内始发高于150min。前者意味着国航为了在PEK 产生更多的中转航班量而设置了更长的中转时间，但超过了旅客可接受的中转时间，因此降低了旅客服务水平，未来在优化中转航班时刻表时，应重点考虑华南、西南和西北始发旅客的中转需求，缩短中转时间。其他国内始发区域中转航线在地理空间上存在绕行距离相对大的劣势，华中和华北始发旅客的MaxCT值超出150min约60min，未来在优化中转航班时刻表时，可考虑减少这些国内始发区域的中转航班量，将旅客吸引到直达航班。针对国内转东北亚市场，本文方法得出的MaxCT值与张生润等得出的值的平均偏差约37min。

在国内转西欧市场，各国内始发区域旅客的MaxCT 仿真值均小于未考虑旅客中转行为的Max-CT 值205min，即经PEK 前往西欧市场的旅客可接受的中转时间阈值较短，此外，其大多数仿真值也低于其他国际终到区域值，说明国航对中转至西欧市场旅客的重视，其中商务旅客可能占据较大比例。因此，张生润等［16］方法确定的国内转西欧市场的MaxCT值过大，与考虑旅客可接受程度计算得出的MaxCT平均差值高达约78min。

在国内转北美市场，华中和西南始发旅客的MaxCT 仿真值低于145min，而其他国内始发高于145min，但最大的差值控制在40min 左右。在北美市场，国航需考虑缩短西南始发旅客的中转时间，满足其中转需求，否则可能流失该始发区域旅客。针对国内转东北亚市场，本文方法得出的MaxCT值与张生润等［16］得出的值的平均偏差约26min。

综上，在国内经PEK 中转东南亚和欧洲市场上，不考虑旅客中转行为所产生的MaxCT值平均偏差值较大，而在国内转东北亚和北美市场上，平均偏差值不大。因此，最大中转时间阈值的确定不仅要考虑始发区域和终到区域、时间区间和中转航班量等时空间因素，还需考虑旅客在完成航站楼中转流程中的复杂行为。

6 结语

本文运用离散事件仿真方法研究考虑基地航空公司中转航班时刻表情况下的枢纽机场航站楼旅客中转流程仿真，并基于仿真结果研究中转时间分布特性。所设计的仿真系统涵盖旅客值机、检验检疫、边防检查、安全检查和海关检查等中转全流程，仿真结果可用于分析旅客中转时间分布特性及识别中转瓶颈环节。基于时间区间和地理区域两个角度对仿真得出的旅客中转时间进行分析，并测算单个始发终到区域对的最大中转时间。结果表明，采用流程仿真计算得到的基于区域对的最大中转时间更为精确，考虑了旅客在航站楼中转的复杂行为。结果可为大型全服务航空公司在其枢纽机场构建航班波系统结构提供参考。