淺析民航中斷原因及影響與后備機(jī)組模型的建立

摘 要:經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的社會(huì)對(duì)交通系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，從地面交通到空中交通無(wú)一不面臨著運(yùn)量承載能力與實(shí)際運(yùn)量需求的矛盾。而航班延誤由于其高成本的特性往往要求其反應(yīng)時(shí)間更快，運(yùn)營(yíng)效率更高，同時(shí)又要保證航空公司的利潤(rùn)，因此近年來(lái)，越來(lái)越多的目光投向了如何及時(shí)應(yīng)對(duì)航班延誤這一問(wèn)題上。本文通過(guò)研究引起航班中斷的因素和航班中斷產(chǎn)生的蝴蝶效應(yīng)，展現(xiàn)了民航中斷因素產(chǎn)生的不確定性、難預(yù)測(cè)性及其影響的易擴(kuò)大性，試圖用增添“備用機(jī)組”的方法完善民航應(yīng)對(duì)中斷的反應(yīng)機(jī)制，意在提高民航運(yùn)營(yíng)效率，降低中斷影響的基礎(chǔ)上，壓低航空公司的運(yùn)營(yíng)成本。

關(guān)鍵詞:航班延誤民航中斷蝴蝶效應(yīng)后備機(jī)組

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(b)-0102-03

“民航延誤”已成為關(guān)鍵詞。據(jù)中國(guó)民用航空局的統(tǒng)計(jì)匯總顯示，2005年中國(guó)民航航班延誤率為18.01%，2006年為18.52%，2007年為16.81%，2008年為17.35%，2009年為18.1%，延誤率基本保持在18%上下。另組數(shù)據(jù)還顯示，在所有旅客投訴中航班延誤居高不下。延誤造成的旅客滿意度不高和巨大的經(jīng)濟(jì)損失(包括本應(yīng)取得的收益，員工加班費(fèi)，旅客食宿[1])，致使航空公司不得不調(diào)整時(shí)刻表以及相應(yīng)的資源分配，例如采取相對(duì)更優(yōu)化的處理決策，如空中改航(我國(guó)大部分空域?yàn)榭哲姽苤疲窈捷^少采用)、地面等待、啟用后備資源、取消航班(2010.11的中國(guó)民用航局通報(bào)數(shù)[2]據(jù)顯示此措施引起的旅客投訴率最高，一般不宜采用)等來(lái)應(yīng)對(duì)中斷(會(huì)引起延誤的事件)。這對(duì)提高我國(guó)的航空服務(wù)水平，航空運(yùn)營(yíng)效率以及航空公司利潤(rùn)都有極大的意義。如何降低中斷產(chǎn)生的影響，牽動(dòng)著民航運(yùn)營(yíng)中各個(gè)部分的神經(jīng)，其中既有航空公司各種賠償政策的出臺(tái)，也有諸如延誤賠償保險(xiǎn)等服務(wù)創(chuàng)新的實(shí)踐，更有民航局重拳出擊整治航班延誤的舉措，而筆者認(rèn)為如何在中斷產(chǎn)生之時(shí)用最科學(xué)的決策方案在最短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生出一個(gè)高效低成本的資源分配策略是尤為重要的。誠(chéng)然，在這之前，我們要先對(duì)民航延誤的產(chǎn)生原因及其影響有一個(gè)較為深入的研究。

1 引起中斷的因素

大多數(shù)的商業(yè)航空公司都是根據(jù)一個(gè)公布的時(shí)間表運(yùn)行的。這個(gè)時(shí)間表能使運(yùn)營(yíng)效率和運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)都達(dá)到最大可能狀態(tài)。然而，各種突發(fā)事件都時(shí)刻考驗(yàn)著這張時(shí)間表的魯棒性，從而影響到民航的運(yùn)營(yíng)效率及航空公司的利潤(rùn)收入。最常見(jiàn)的有非適航天氣，機(jī)場(chǎng)擁塞，飛機(jī)的機(jī)械故障以及過(guò)長(zhǎng)的登機(jī)及中轉(zhuǎn)時(shí)間。這里可以系統(tǒng)的將中斷的影響因素分為以下6類。

1.1 航空公司飛行時(shí)間表上的資源安排

對(duì)于最初的飛行時(shí)間設(shè)計(jì)即是為每個(gè)航線航段分配飛行器資源、機(jī)組服務(wù)人員、安排保養(yǎng)路線，規(guī)定起降時(shí)間。這時(shí)，考慮到閑置的地面資源代價(jià)昂貴，并且適宜的飛行器服務(wù)間隔可吸收短暫延誤，所以綜合兩種矛盾，對(duì)飛行時(shí)間表中的松弛時(shí)間安排應(yīng)合理化。其中，對(duì)于機(jī)組服務(wù)人員的安排即是找到分配到航班的最小駕駛艙和客艙組員。保養(yǎng)安排問(wèn)題是要為每架飛機(jī)找到在同一個(gè)地方維修可行的周轉(zhuǎn)，或者開(kāi)始和結(jié)束位置的路線設(shè)置，并滿足政府和航空公司授權(quán)的維修要求。總之，最初的飛行時(shí)間表要找到最優(yōu)的資源配置，同時(shí)用合理的松弛時(shí)間來(lái)吸收可能的延誤。由于這個(gè)所謂的飛行時(shí)間表常常會(huì)因中斷而很少被完全執(zhí)行，所以這里不做過(guò)多贅述，在Barnhart et al.中有詳細(xì)的規(guī)劃講解③或者參考朱星輝的《航空公司航班計(jì)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)研究》④。

1.2 資源連接

一個(gè)航班可利用的資源包括航空器、機(jī)組成員、乘客。資源并不是只工作一次，一個(gè)航班完成任務(wù)，航班利用的資源會(huì)接下來(lái)服務(wù)時(shí)間稍后的航班，這樣便產(chǎn)生了資源的連接。一般來(lái)說(shuō)，一架飛機(jī)一天要執(zhí)行6到10個(gè)國(guó)內(nèi)航班，要在天上飛10個(gè)小時(shí)左右，再加上飛機(jī)在地面上下客、清潔、裝卸貨、例行檢查等過(guò)站時(shí)間，一般每天運(yùn)行16小時(shí)左右。每架飛機(jī)的航班計(jì)劃都預(yù)先排好，周旋余地不是太大。前一航班出現(xiàn)任何疏漏都可能引發(fā)后續(xù)航班的連鎖反應(yīng)，往往越到后面延誤時(shí)間越長(zhǎng)。而機(jī)組成員服務(wù)完一個(gè)航班經(jīng)過(guò)一定必要時(shí)間的休息就要服務(wù)于另一個(gè)航班，對(duì)于人力資源的安排民航法則中有明確的要求規(guī)定。正常情況下，資源的連接在一定的松弛時(shí)間下可以吸收延遲，但若例如飛機(jī)的機(jī)械故障、機(jī)組成員未能預(yù)計(jì)待命、超長(zhǎng)的旅客登機(jī)時(shí)間等都會(huì)加大引起上游航班的預(yù)計(jì)延遲，蝴蝶效應(yīng)的影響便導(dǎo)致了大量后繼航班的延誤。

圖1用圖表的方式表述了正常和中斷情況下航班與航班間的資源連接:

正常情況下，資源服務(wù)完前一個(gè)航班，經(jīng)過(guò)足夠的準(zhǔn)備時(shí)間，繼續(xù)服務(wù)于下一個(gè)航班，航空公司可以正常有效的運(yùn)作資源。

圖2展示了正常情況下資源的連接，圖中共F1-F7七個(gè)航班，僅做部分分析:航班F1和F3共享資源R13，資源R13服務(wù)完航班F1后，經(jīng)過(guò)一段準(zhǔn)備時(shí)間，與其他資源一同在D3時(shí)刻服務(wù)于航班F3，資源R13準(zhǔn)備好時(shí)刻早于航班F3起飛時(shí)刻D3共S13，表示資源R13與航班F3之間有共S3的松弛時(shí)間。航班F4與航班F6的共享資源R46的松弛時(shí)間S46為0，表示資源R46沒(méi)有松弛時(shí)間，其服務(wù)完航班F4后，經(jīng)過(guò)必要的準(zhǔn)備時(shí)間后就要馬上服務(wù)航班F6。

如圖2，航班F2延誤導(dǎo)致資源R24、R25的延誤，延誤時(shí)間沒(méi)有超過(guò)資源R25的松弛時(shí)間S25，所以沒(méi)有影響到航班F5;但資源R24的松弛時(shí)間為0，故資源R24的延誤導(dǎo)致了航班F4的延誤，而航班F4的延誤又導(dǎo)致資源R46及資源R47的延誤，最終導(dǎo)致航班F6的延誤。

圖2在一個(gè)只有7個(gè)航班的小系統(tǒng)中，僅航班F2短時(shí)間的延誤便造成的其后續(xù)2個(gè)航班的延誤，可想，每天調(diào)度成百上千個(gè)航班的航空公司在遇到中斷時(shí)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

1.3 流量控制

流量控制是指通過(guò)限制單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入某空中交通管制節(jié)點(diǎn)的航空器的數(shù)量，來(lái)維持安全的空中交通流。我國(guó)引發(fā)流量控制的根本原因在于快速增長(zhǎng)的需求與有限的空域資源間的矛盾。2009年民航旅客運(yùn)輸量高達(dá)2.3億人次，較2008年增長(zhǎng)了19.7%。2010上半年民航旅客量突破了1.26億人次，同比增長(zhǎng)10%以上。我國(guó)航空公司年航班總量已經(jīng)從2003年的81.6萬(wàn)班上升至2009年的175萬(wàn)班，年增幅高達(dá)13.5%。僅2010上半年，我國(guó)的航班飛行總量增長(zhǎng)就超過(guò)10%。與此形成鮮明對(duì)比的是，民航空管部門(mén)使用的空域資源擴(kuò)展卻有限，僅有已批準(zhǔn)的一些高度層可以用來(lái)營(yíng)運(yùn)。若遇到突如起來(lái)的空中管制，更會(huì)加大這有限資源的緊張程度，引起大面積延誤。

1.4 非適航天氣

民航方面目前對(duì)于因天氣惡劣造成延誤的解釋是：天氣原因，不夠飛行標(biāo)準(zhǔn)，不能按時(shí)起飛。影響的關(guān)鍵氣象因素是能見(jiàn)度、機(jī)場(chǎng)起飛降落航道附近的低云、雷雨區(qū)，強(qiáng)側(cè)風(fēng)。航班進(jìn)近時(shí)，能見(jiàn)度低導(dǎo)致必須實(shí)行儀表氣象條件下的執(zhí)行進(jìn)近即要與空域中的前機(jī)保持較大的間隔，大大降低了機(jī)場(chǎng)跑道的容量⑤。強(qiáng)側(cè)風(fēng)在飛機(jī)起飛降落時(shí)候有較大影響，雖然各機(jī)型會(huì)有不同，但會(huì)導(dǎo)致某些走向的跑道關(guān)閉（例如美國(guó)的波士頓洛根機(jī)場(chǎng)），降低機(jī)場(chǎng)的起飛降落容量，導(dǎo)致延誤。例如2011年2月1日，成都機(jī)場(chǎng)大霧，造成90班出港航班延誤，40入港航班延誤，3班返航備降，造成大量航班擠壓和延誤。不論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，天氣因素始終是影響因素中最主要的。

1.5 ATFM系統(tǒng)功能

空中交通流量管理(ATFM)是空中交通管理(ATM)的一個(gè)重要組成部分⑥，它是為空中交通安全、有序和快速流通提供服務(wù)，以保證最大限度地利用空中交通服務(wù)的容量，并確保交通量與空中交通服務(wù)機(jī)構(gòu)所認(rèn)同的容量一致。同時(shí)，為航空器運(yùn)營(yíng)者提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息以在儀表氣象條件下能夠高精度進(jìn)近，減少延誤。

1.6 人為因素

常見(jiàn)的有:旅客晚到，即在航班辦理登機(jī)手續(xù)截止時(shí)間之后才趕到;直達(dá)旅客在飛機(jī)經(jīng)停機(jī)場(chǎng)的不辭而別，因?yàn)楹娇展颈仨毚_認(rèn)該旅客沒(méi)有遺留任何物品在飛機(jī)上，對(duì)客艙、所有托運(yùn)行李進(jìn)行全面檢查。即使該旅客沒(méi)有托運(yùn)行李，同時(shí)為了對(duì)旅客負(fù)責(zé)，航空公司須將該旅客所交運(yùn)的行李從飛機(jī)上卸下，以免發(fā)生旅客、行李不在同一地點(diǎn)的情況;國(guó)際中轉(zhuǎn)航班在辦理出入境手續(xù)時(shí)由于旅客證件等問(wèn)題，耽誤時(shí)間;旅客因航班延誤等其他服務(wù)問(wèn)題霸占飛機(jī)或拒絕登機(jī)等過(guò)激行為;旅客攜帶上飛機(jī)的行李過(guò)多;旅客突發(fā)疾病等等。

2 中斷的蝴蝶效應(yīng)

下游航班對(duì)上游航班的依賴性，導(dǎo)致了上游極小的初始延遲即會(huì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)依賴性而放大到下游航班。若以初始延遲作為輸入，那么根據(jù)各航班在網(wǎng)絡(luò)中所處位置的不同，則會(huì)在下游產(chǎn)生幾倍甚至幾十倍的延遲，產(chǎn)生全局影響。如上述圖1。同樣，發(fā)生在不同時(shí)刻的初始延遲，會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的繁忙程度而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不同的擴(kuò)大延遲，越長(zhǎng)的初始延遲也有更大的延遲乘數(shù)來(lái)放大系統(tǒng)延遲。如圖2⑦(如圖3）。

X軸表示一天的24小時(shí)，Y軸表示初始延遲的時(shí)間值。X-Y坐標(biāo)平面內(nèi)每個(gè)方塊的顏色對(duì)應(yīng)相應(yīng)的延遲乘數(shù)。例如，在早上8:00的1.5小時(shí)的初始延遲為深綠色方塊，表示延遲乘數(shù)為2.5.這意味著特定航班1.5小時(shí)的延遲會(huì)導(dǎo)致3.75小時(shí)的系統(tǒng)總延遲。注意到延遲乘數(shù)隨著初始延遲的大小而增大，并且在早高峰時(shí)候達(dá)到最大。

3 后備機(jī)組模型

由前所述，我們看到中斷恢復(fù)問(wèn)題是一個(gè)受多方面因素影響的問(wèn)題，且各個(gè)問(wèn)題具有突發(fā)性和不可預(yù)知性，針對(duì)這些廣泛存在的因素所引起的各種不同種類延誤，我們可以有效的組織一個(gè)后備機(jī)組人員，這一組機(jī)動(dòng)的機(jī)組人員能以動(dòng)態(tài)環(huán)境為背景并對(duì)原始排班影響較小，可以大大提高運(yùn)營(yíng)效率，減小對(duì)乘客的影響。但同時(shí)我們也應(yīng)考慮到資源再分配的花費(fèi)問(wèn)題，機(jī)組人員的花費(fèi)作為民航運(yùn)營(yíng)中除燃油費(fèi)外最大的花費(fèi)，其縮減空間是提高利潤(rùn)的一個(gè)至關(guān)重要的出發(fā)點(diǎn)。后備機(jī)組人員是一組隨時(shí)待命的機(jī)組人員，后備機(jī)組人員應(yīng)該依照最低工作時(shí)間享有有最低保障工資，即使他們沒(méi)有履行任何職務(wù)，這是一筆很大的花費(fèi)。以下即針對(duì)后備機(jī)組人員的花費(fèi)問(wèn)題建立了一個(gè)后備機(jī)組模型。

為抽象和簡(jiǎn)化模型，我們對(duì)模型做如下處理與假設(shè)。

(1)后備機(jī)組可以認(rèn)為是還未有任何航班分配的機(jī)組，因?yàn)橐逊峙淙蝿?wù)的機(jī)組人員的剩余飛行時(shí)間是不同的，這樣的話時(shí)間安排就要根據(jù)剩余時(shí)間最短的人員分配，這這復(fù)雜化了模型，同時(shí)也沒(méi)有科學(xué)的安排機(jī)組人員的工作時(shí)間。

(2)每組機(jī)組人員的服務(wù)航班要開(kāi)始和結(jié)束于同一個(gè)機(jī)場(chǎng)，筆者這里把這個(gè)相同的機(jī)場(chǎng)稱為“機(jī)組大本營(yíng)”，這個(gè)大本營(yíng)也可分布于相距較近的幾個(gè)機(jī)場(chǎng)(在大本營(yíng)時(shí)間可以地面運(yùn)輸機(jī)組人員)。

(3)“免費(fèi)乘客”:有些情況下，一組搭配包含一些航班，這些航班的機(jī)組人員是作為乘客的，而非服務(wù)人員，這些機(jī)組人員叫做“免費(fèi)乘客”，這是為了把這些免費(fèi)乘客運(yùn)送到他們將要工作的下一個(gè)航班，或者是使一組機(jī)組人員返回他們的“機(jī)組大本營(yíng)”。

基于以上處理，有如下模型:

為了表達(dá)方便，我們把模型字符化如下:

:同一類方案的機(jī)組人員分配，表示為類型

:類型的機(jī)組人員服務(wù)的航線的集合

:類型的可用機(jī)組人員的集合

:由機(jī)組人員∈組成的一組搭配

:安排搭配的花費(fèi)

Α:“免費(fèi)乘客”在航線上的花費(fèi)

:預(yù)計(jì)取消航線的費(fèi)用

:航線上的“免費(fèi)乘客”數(shù)量

目標(biāo)函數(shù)為:

約束條件:

(1)

(2)

約束條件(1)保證所有航班至少被覆蓋一次

約束條件(2)保證機(jī)組人員k必須被分在一組搭配之中或者被作為“免費(fèi)乘客”送回“機(jī)組大本營(yíng)”

由于“免費(fèi)乘客”的存在，在約束條件(1)中加入松弛變量，則約束條件變?yōu)?/p>

(3)

(4)

(5)

是航線所允許容納的“免費(fèi)乘客”最大量，以上便是一個(gè)后備機(jī)組模型的建立，在這些約束下可以解得一個(gè)花費(fèi)最小的模型。以此模型來(lái)運(yùn)作后備機(jī)組，在保證運(yùn)營(yíng)效率的前提下，減低運(yùn)營(yíng)成本，最優(yōu)化航空公司利潤(rùn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了引起航班中斷的因素和其產(chǎn)生的蝴蝶效應(yīng)，并建立了一個(gè)增加后備機(jī)組的模型，以提高機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率，減小對(duì)乘客的影響，同時(shí)盡量降低航空公司成本。當(dāng)民航中斷，機(jī)場(chǎng)滯留頻繁叩響民航應(yīng)急管理的警鐘之時(shí)，如何應(yīng)對(duì)這些突如其來(lái)的中斷，已成為航空業(yè)發(fā)展的瓶頸。

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