航班延誤預(yù)測(cè)研究概述

付振宇，徐海文，傅 強(qiáng)

（1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢618307；2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 廣漢618307）

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速平穩(wěn)發(fā)展，民航業(yè)也得到了較好的發(fā)展。客運(yùn)量從2005 年的13 827 萬(wàn)人次增長(zhǎng)到2018 年的61 000 萬(wàn)人次，增長(zhǎng)超過(guò)4 倍。但隨著航班量的增加，航班延誤問(wèn)題也越來(lái)越突出，航班延誤問(wèn)題已然成為民航關(guān)注的重點(diǎn)。造成航班延誤的原因有多方面，目前是無(wú)法消除的，但是對(duì)航班延誤的提前預(yù)測(cè)，并及時(shí)通知旅客和相關(guān)部門(mén)，讓各方根據(jù)航班延誤預(yù)測(cè)結(jié)果做好相關(guān)應(yīng)對(duì)工作，具有重要的實(shí)際意義，因此如何高效和準(zhǔn)確地對(duì)航班延誤情況進(jìn)行預(yù)測(cè)具有較高的研究?jī)r(jià)值。

航班延誤預(yù)測(cè)旨在航班延誤發(fā)生前對(duì)航班發(fā)生延誤的可能進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果提供給航空公司、機(jī)場(chǎng)和空管單位，以便其提前采取措施將航班延誤經(jīng)濟(jì)損失降低到最低，同時(shí)將預(yù)測(cè)結(jié)果提供給旅客，以便旅客做好行程安排。

雖然許多研究學(xué)者就航班延誤預(yù)測(cè)問(wèn)題展開(kāi)了深入的研究，但國(guó)內(nèi)對(duì)于航班延誤研究的概述較少，整理和歸納航班延誤預(yù)測(cè)研究的現(xiàn)狀對(duì)于航班延誤預(yù)測(cè)研究有較為實(shí)際的意義。本文對(duì)航班延誤預(yù)測(cè)問(wèn)題的研究進(jìn)行梳理和概述。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外航班延誤的的定義進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)航班延誤預(yù)測(cè)的內(nèi)涵進(jìn)行分析，隨后對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于航班延誤預(yù)測(cè)的研究進(jìn)行分類和總結(jié)，最后提出一種航班延誤預(yù)測(cè)的一般性流程，并對(duì)航班延誤預(yù)測(cè)研究的方向進(jìn)行展望。

2 航班延誤及航班延誤預(yù)測(cè)

2.1 航班延誤定義對(duì)比分析

“航班延誤”這一說(shuō)法最早出現(xiàn)在1929 年國(guó)際第一部航空航空運(yùn)輸公約即《華沙公約》中，其第19 條規(guī)定航空承運(yùn)人應(yīng)為航空運(yùn)輸途中發(fā)生的旅客、貨物未按時(shí)到達(dá)的產(chǎn)生的損失提供賠償，但是其并沒(méi)有給出航班延誤的明確定義[1]。1955 年的《海牙議定書(shū)》和1999 年的《蒙特利爾公約》對(duì)航班延誤也沒(méi)有給出明確的定義。由于世界各國(guó)的民航運(yùn)輸體系不同，所以各國(guó)對(duì)于航班延誤的定義也不盡相同。中、美、歐以及世界航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)關(guān)于航班延誤的相關(guān)定義如表1 所示。

表1 航班延誤相關(guān)定義

通過(guò)表1 不難發(fā)現(xiàn)，各國(guó)民航管理部門(mén)對(duì)于航班延誤的定義往往是通過(guò)比較實(shí)際進(jìn)（離）港時(shí)間與計(jì)劃進(jìn)（離）港時(shí)間加上一定閾值后是否一致，作為評(píng)判航班是否延誤的標(biāo)準(zhǔn)。但從旅客角度而言航班延誤往往是指實(shí)際起飛時(shí)間晚于計(jì)劃起飛時(shí)間（機(jī)票上時(shí)間）[2]。

綜上，可以看出航班延誤指航班實(shí)際到港或離港時(shí)間晚于計(jì)劃到港時(shí)間和離港時(shí)間的情況。

2.2 航班延誤預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)是指在一定的理論指導(dǎo)前提下以事物的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀為出發(fā)點(diǎn)，以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和調(diào)查研究資料為依據(jù)對(duì)事物的發(fā)展規(guī)律過(guò)程進(jìn)行深刻原理分析和嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在計(jì)算的基礎(chǔ)之上研究并認(rèn)識(shí)事物的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而對(duì)事物發(fā)展的未來(lái)變化預(yù)先做出科學(xué)的推測(cè)[3]。簡(jiǎn)而言之，預(yù)測(cè)是在一定前提下對(duì)未來(lái)發(fā)生的事物的一種提前推測(cè)和估計(jì)。航班延誤預(yù)測(cè)指分析與研究和航班延誤相關(guān)的各種因素尋找航班延誤與其中的關(guān)系，進(jìn)而利用已知數(shù)據(jù)和信息對(duì)航班未來(lái)是否會(huì)發(fā)生延誤或者延誤發(fā)生的程度進(jìn)行推測(cè)和估計(jì)。

3 航班延誤預(yù)測(cè)研究

許多學(xué)者對(duì)航班延誤預(yù)測(cè)進(jìn)行了深入研究，對(duì)其進(jìn)行歸納、總結(jié)和分類具有一定的必要性。從航班延誤預(yù)測(cè)研究的機(jī)理出發(fā)，可以將國(guó)內(nèi)外關(guān)于航班延誤的預(yù)測(cè)研究分為基于航班延誤傳播的航班延誤預(yù)測(cè)和基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)兩類。

3.1 基于航班延誤傳播的航班延誤預(yù)測(cè)研究

為了充分利用飛機(jī)這一資源，航空公司往往會(huì)安排同一架飛機(jī)在一天中連續(xù)執(zhí)飛多個(gè)航班，稱之為航班串（鏈），如圖1 所示。當(dāng)航班串某一航班發(fā)生延誤時(shí)，將會(huì)可能導(dǎo)致后續(xù)航班發(fā)生延誤，這種航班延誤傳播的現(xiàn)象被稱為航班延誤波及。

圖1 航班串（鏈）

基于航班延誤波及的航班延誤預(yù)測(cè)研究如表2 所示。從表2 可以看出，基于航班延誤傳播的航班延誤預(yù)測(cè)研究的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用廣泛。經(jīng)典的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型由兩部分組成[15]，一部分是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖G=（V，E），V={v1，v2，…，vn}為節(jié)點(diǎn)的集合，E={e1，e2，…，em}為有向邊的集合，節(jié)點(diǎn)Vi代表要解決問(wèn)題的變量，有向邊ej代表節(jié)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系；另一部分是一個(gè)概率分布表，用于表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率分布，根節(jié)點(diǎn)是它的邊緣分布P（Vroot），非根節(jié)點(diǎn)Vi為條件概率分布為節(jié)點(diǎn)Vi的父節(jié)點(diǎn)。根據(jù)條件獨(dú)立性，節(jié)點(diǎn)V 的聯(lián)合概率分布為：

表2 基于航班延誤波及的航班延誤預(yù)測(cè)研究

利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行航班延誤預(yù)測(cè)，是利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來(lái)表征各種與航班延誤相關(guān)因素與航班延誤之間的關(guān)系，進(jìn)而得到航班延誤概率，實(shí)現(xiàn)航班延誤預(yù)測(cè)。由于基于航班延誤傳播的航班延誤預(yù)測(cè)研究在有前序航班的延誤數(shù)據(jù)后才對(duì)后續(xù)航班進(jìn)行預(yù)測(cè)，這使得航班延誤預(yù)測(cè)的時(shí)效性不佳。另外，可以看出利用航班延誤傳播對(duì)航班延誤進(jìn)行預(yù)測(cè)的對(duì)象并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)指標(biāo)有預(yù)測(cè)精度、預(yù)測(cè)誤差等。

3.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)研究

基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)是指利用一定的數(shù)據(jù)挖掘方法，對(duì)收集到的與航班延誤相關(guān)的數(shù)據(jù)包括航班數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、流量控制數(shù)據(jù)等，挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)系以便實(shí)現(xiàn)對(duì)航班延誤的預(yù)測(cè)，如圖2 所示。

基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)表示如下：

式（1）中：yp為航班延誤預(yù)測(cè)對(duì)象；P 為數(shù)據(jù)挖掘方法；F，W 為與航班延誤相關(guān)的數(shù)據(jù)。

圖2 基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)研究

基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)研究如表3 所示。通過(guò)表3 可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者利用數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行航班延誤預(yù)測(cè)的主要方法有決策樹(shù)、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)方法。同時(shí)發(fā)現(xiàn)利用數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行航班延誤預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)對(duì)象中航班延誤判別較為常見(jiàn)。另外，利用數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)航班延誤預(yù)測(cè)的研究其模型評(píng)價(jià)指標(biāo)中最為常用的是模型的預(yù)測(cè)精度。利用數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)航班延誤進(jìn)行預(yù)測(cè)常用的數(shù)據(jù)集主要是航班數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。

表3 基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)研究

4 航班延誤預(yù)測(cè)的一般性流程

通過(guò)總結(jié)歸納國(guó)內(nèi)外關(guān)于航班延誤的預(yù)測(cè)研究的成果和技術(shù)，得到航班延誤預(yù)測(cè)的一般性流程，如圖3 所示。

圖3 航班延誤預(yù)測(cè)的一般性流程

確定航班延誤預(yù)測(cè)對(duì)象：航班延誤預(yù)測(cè)主要目的是給航空公司、機(jī)場(chǎng)和旅客以及其他相關(guān)單位提供一定的預(yù)警以便其做好應(yīng)對(duì)航班延誤的準(zhǔn)備。但服務(wù)于不同的對(duì)象，航班預(yù)測(cè)對(duì)象往往也不相同，所以根據(jù)客戶需求確定航班延誤預(yù)測(cè)對(duì)象至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)的收集與預(yù)處理：根據(jù)航班延誤預(yù)測(cè)對(duì)象，分析預(yù)測(cè)對(duì)象，確定預(yù)測(cè)的角度，收集相關(guān)數(shù)據(jù)并預(yù)處理。

選擇預(yù)測(cè)方法，建立預(yù)測(cè)模型：根據(jù)預(yù)測(cè)對(duì)象和收集到的數(shù)據(jù)，選擇預(yù)測(cè)方法，建立初始預(yù)測(cè)模型，需要根據(jù)模型評(píng)價(jià)對(duì)模型進(jìn)行修改。

預(yù)測(cè)模型的評(píng)價(jià)：選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)以便改進(jìn)模型，提高預(yù)測(cè)精度。

航班延誤預(yù)測(cè)模型的保存：對(duì)最終模型進(jìn)行保存，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的復(fù)用。

5 總結(jié)及展望

航班延誤預(yù)測(cè)對(duì)于減緩航班延誤有著重要意義，本文從航班延誤定義出發(fā)，對(duì)航班延誤預(yù)測(cè)的內(nèi)涵進(jìn)行分析，將航班延誤預(yù)測(cè)研究根據(jù)研究機(jī)理分為基于航班延誤傳播的航班延誤研究和基于數(shù)據(jù)挖掘的航班延誤預(yù)測(cè)研究?jī)深悾瑢?duì)兩類研究的現(xiàn)狀進(jìn)行概述，并提出了一種航班延誤預(yù)測(cè)的一般性流程。通過(guò)研究航班延誤預(yù)測(cè)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于航班延誤預(yù)測(cè)研究的方法主要是機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的相關(guān)方法。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于航班延誤預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)對(duì)象還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外發(fā)現(xiàn)目前航班延誤預(yù)測(cè)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。最后，目前關(guān)于航班延誤預(yù)測(cè)的研究大多針對(duì)單一機(jī)場(chǎng)或單一航線，沒(méi)有考慮全局性航班網(wǎng)絡(luò)下的航班延誤預(yù)測(cè)。