基于實體流程圖和Witness仿真的航空貨運離港系統仿真分析與優化研究

崔華春 尹純建 賈焜 石學剛

摘 要：航空貨運離港作業是航空公司地面作業中最重要的環節，航空公司貨運離港系統的優化對提高航空貨運系統的運作效率至關重要。以國內某典型樞紐機場航空貨站為例，根據航空貨運離港流程，利用實體流程圖對航空貨運離港系統流程進行建模，直觀地展現貨物離港的作業流程。在此基礎上，運用Witness軟件進行仿真，得到離港系統流程中的瓶頸環節，并對其進行優化，從而提高了航空貨運離港系統的效率。以期對其他新興的樞紐機場以及中小型機場的航空貨運離港作業有些許借鑒意義。

關鍵詞：航空貨運離港系統；實體流程圖；仿真軟件；仿真優化

中圖分類號：F560 文獻標識碼：A

Abstract： The air cargo export handling operation is the most important system of the airport ground operations to airlines. And the optimization of the air cargo export handling system is crucial to improve the operation efficiency of air cargo system. Taking a typical domestic airline hub's air cargo as an example， establishes physical flow diagram based on the work flow of air cargo export handling system， which intuitively exhibits the flow of air cargo export handling. On this basis， the bottleneck segment resulting in the low efficiency of air cargo export handling system was obtained by simulation using the Witness software， followed by an optimization to enhance the efficiency of air cargo export handling system. This study plays a significant role to improve the overall operational efficiency of the air cargo export handling system. There is a great reference to many other emerging hub airport and small and medium sized airports to optimize their air cargo export handling system.

Key words： air cargo export handling system； physical flow diagram； simulation software； simulation and optimization

0 引 言

近年來，我國航空貨運業務迅速增長，國內各大航空公司、門戶機場對航空貨運業務的重視程度顯著提升。大力發展航空貨運是我國民航“十二五”期間的重要任務，民航“十三五”規劃中也把航空貨運提升到了非常重要的地位。

在航空貨運流程中，地面作業起著銜接空中航線的作用，如果沒有地面作業的有效銜接，空中運輸的優勢將逐漸減弱。因此，航空貨運中心地面作業的優化對提高航空貨運的效率至關重要。航空貨運離港作業是地面作業中最重要的內容，航空貨運作業中離港作業的有效銜接是縮短地面作業時間、發揮空中運輸優勢、促進高效航空物流服務的必要前提。

目前，國外針對航空貨運系統的研究主要采用運籌學、系統工程的方法，對貨運中心的操作流程進行數學建模、設計算法并利用優化軟件提出改進。Khan（2000）應用流程再造的方法對某一航空公司的航空貨運速度、質量、服務和成本等關鍵標準進行改進[1]。Paul與Joseph（1992）運用Siman/Cinema4.0和Fortran仿真軟件對美國航空貨運中心的操作流程進行仿真，評價分析了其操作流程和資源配置的效率，并對不同的配置方案進行對比[2]。Minnie H. Patel（2006）等對航空貨運配送的p中位問題進行數學建模并利用仿真技術進行求解[3]。Nsakanda與Turcotte（2004）應用仿真建模的方法對航空貨站新設施的引進進行預先評價和分析，對不同的策略和流程量化做對比分析[4]。國內，周泓（2007）等通過eM-Plant7.0仿真平臺找出航空貨運操作流程中的瓶頸，通過對不同資源配置方案的仿真評價提出改進的建議[5]。周卓丹（2006）運用隨機Petri網對國際航空貨運流程進行分析研究并提出了改進意見[6]。白楊與朱金福（2012）根據航空貨運離港流程建立了隨機Petri網模型和同構的馬爾柯夫鏈，分析了系統的運作效率并提出了建議[7]。

但是，上述研究選取的模型大多對航空貨運流程做了大量的簡化。部分研究運用數學模型，難以理解，計算過程繁瑣；部分研究借助仿真平臺，但卻不能直觀的再現復雜的貨運作業流程。雖然有部分研究采用了隨機Petri網建模再現流程，但模型會變得十分復雜[8]。

基于此，本文采用將實體流程圖和Witness相結合的方法對航空貨運系統進行研究。實體流程圖具有界面簡單直觀、易理解以及流程清晰的特點，但卻無法滿足數據量的要求[8]。Witness軟件具有模型單元豐富、交互式面向對象建模、提供軟件間的數據接口以及統計性能的優點[9]。且相對其他仿真軟件更容易學習掌握。但是界面直觀度和易理解程度較實體流程圖差。將二者結合對航空貨運系統進行研究則綜合了二者的優點，更好地實現系統的仿真建模。目前，此二者結合的方法大多用于生產型物流系統的仿真研究，有關于其用于航空貨運系統研究的文獻較少。

本文以國內航空貨運離港系統為研究對象，首先，利用實體流程圖對航空貨運離港系統流程進行建模，直觀地展現貨物離港的作業流程。然后，運用Witness軟件進行仿真，得到離港系統流程中的瓶頸環節，最后對其進行優化，從而提高了航空貨運離港系統的效率。

1 航空貨運離港流程描述

航空貨運離港主要包括兩個部分（由于某些類型的航空貨物處理流程較復雜，本文只選擇將普通貨物作為研究對象），如下所示。

（1）貨運單證與信息處理，其步驟可總結如下：

①貨主根據托運貨物情況向航空公司訂艙，填寫托運書，若危險品則需提供專業的檢測報告。

②根據中國民航貨物國內運輸規則，航空貨運單應由托運人填寫，連同貨物交給承運人。如承運人依據托運人提供的托運書填寫貨運單并經托運人簽字，則該貨運單應當視為代托運人填寫。

③根據運價類別，貨主或托運人（代理人）進行繳費。

（2）貨物的裝運作業，其步驟可總結如下：

①確定艙位后，交貨。根據離港貨物的數量多少分為集裝型飛機所載貨物（以下簡稱批量貨物）和散貨，兩種貨物需進入不同的收貨口。

②貨物經過收貨口進行安檢、稱重環節。

③安檢、稱重后，核對托運貨物的重量、尺寸、數量等相關信息并入庫（貨物貼有標注其質量以及需要運達的目的地信息的運貨標簽）。

④批量貨物進入倉庫后，暫存在預組裝的緩存區內。該區的員工按運單將批量貨物組裝進集裝箱或集裝板上，然后通過自動導軌將集裝器存在集裝貨物立體貨架上。散貨進入離港倉庫后，根據外形規則、體積大小的不同將部分貨物存放在散貨緩存區，然后該區員工將其存放在散貨立體貨架上。其他散貨被放在異型貨架上。

⑤航班組裝的員工根據配載室下達的艙單進行貨物的配載出倉。從集裝貨物立體貨架上將集裝貨物卸載下來，其中滿箱貨物直接貼上其航班信息（掛吊牌）運往離港裝運區。沒有裝滿的拼箱貨被運到配載區，該區員工將放在散貨立體貨架或異型貨架上的散貨卸下，并將其與拼裝貨放在一起裝進集裝箱或者集裝板上，亦或者直接將散貨放進一個散貨拖斗里。然后，貼上其航班信息后運到離港裝運區（研究期間，研究的機場復重環節正在調整，且根據實際情況了解，此環節不會對離港流程的整體效率產生大的影響。因此本文中暫時不涉及該環節）。

⑥機坪駁運人員負責將離港貨物運至機下。

⑦裝機，起飛。

2 航空貨運離港系統的實體流程圖模型

2.1 實體流程圖

對系統進行仿真研究，首先要建立系統的模型。離散事件系統的時間是連續變化的，但系統的狀態僅發生在一些離散的時刻，由隨機事件的驅動而發生。因此，離散事件系統的模型很難用數學方程來描述。所以，逐漸形成一些與連續系統不同的建模方法。實體流程圖方法就是其中之一。該方法可以描述臨時實體產生、流動、消亡及其被永久實體加工、處理的過程和邏輯關系，應用比較廣泛。

2.2 實體流程圖方法

采用與計算機程序流程圖類似的圖示符號和原理，建立表示臨時實體產生、在系統中流動、接受永久實體服務以及消失等過程的流程圖。其步驟可總結如下：

（1）辨識組成系統的實體和屬性。將隊列作為一種特殊的實體考慮。

（2）分析各種實體的狀態和活動，及其相互間的影響。隊列實體的狀態是隊列的長度。

（3）確定引起實體狀態變化的事件。

（4）分析各種事件發生時，實體狀態的變化規律。

（5）在一定的服務流程下，分析與隊列實體有關的特殊操作。

（6）通過以上分析，以臨時實體為主線，畫實體流程圖。

2.3 某航空貨站離港系統的實體流程模型

航空貨運離港作業具有時間方面的嚴格限制。因此，對該作業的各個環節進行優化和有效地銜接能極大地提升航空貨運的運輸效率。本文只針對航空貨運離港作業流程進行研究，忽略貨主訂艙，航空公司出具貨運單，貨主或代理人繳納運費，貨物的報關、通關以及相關書面材料的準備工作。默認這些工作在貨物送達前已經完成。將要離港的貨物視為臨時實體，各個作業環節中的工作人員以及機器視為永久實體，貨物在每個環節排隊的隊列長度視為特殊實體。根據航空貨運離港流程描述和實體流程圖建模方法，建立航空貨運離港系統的實體流程模型。如圖1所示。

3 基于Witness的航空貨運離港系統的仿真與優化

3.1 仿真目標

由于每天航空貨運離港業務量大，且離港作業環節復雜，大多數環節又主要依靠人工完成，因此就有可能造成機器、人工配置方面的問題，以及各作業環節銜接方面的問題。根據某樞紐機場航空貨站離港的實際情況，現提出以下仿真研究目標：

（1）針對目前研究的航空貨站離港作業的實際情況，通過Witness仿真判斷該離港系統設備、人員配置是否合理，以及各作業環節銜接是否存在問題；

（2）通過仿真結果的分析，找出制約貨站離港系統運作效率的瓶頸，并就瓶頸環節嘗試改變參數進行改進優化；

（3）對優化后的方案進行仿真；

（4）將優化前后的方案進行對比，證明優化方案的有效性。

3.2 仿真模型的基本假設

對于復雜系統的建模分析無法反映全部現實系統，仿真模型也不是全部現實系統的重復和預演，因此必須對模型進行合理的簡化假設。本文對根據某樞紐機場航空貨站離港的實際情況，現對仿真模型做出如下假設：

（1）由于本文研究的是航空貨運站正在辦理離港的整個地面作業流程，不考慮一天中沒有貨物離港的那段時間。因此假設該條工作線上在仿真時間段（離港作業總時間）貨物總數一定。

（2）仿真時間采用全天24小時制，假定系統開始時間為零點。