淺談航空貨物裝載優化問題

李鵬 王飛 李桂遠

摘要：為解決航空貨運裝載優化問題，提高航空貨物運輸效率，本文從介紹航空貨物裝載優化問題角度出發，詳細列舉了解決該問題的算法，并做了分類。最后，針對航空貨物裝載過程中應注意的問題著手進行闡述，以提高航空貨物裝載的高效性和安全性。

關鍵詞：航空裝載；啟發式算法；裝載優化

在航空貨物運輸流程中，貨物裝載始終占據著重要地位。航空貨物裝載是否滿足要求直接關系到飛行安全和航空公司的收益。如何讓貨物裝載空間利用率、載重量利用率達到最大，安全性最佳，是軍事航空貨物裝載運輸不懈追求的目標。

1 航空貨物裝載優化問題

1.1 航空貨物裝載優化問題概念

航空貨物裝載，顧名思義，就是指將一定數量的不同體積、重量、形狀的不同種類貨物按照一定的順序，合理地裝進具有一定載重量和空間限制的飛機機艙的過程。

總的來說，航空貨物裝載優化問題屬于一類具有多個約束條件的復雜組合優化問題，屬于NP-hard問題（即不能用代數的時間估算的問題）。NP-hard問題需要引入啟發式算法，在解空間中隨機生成新解，利用原來搜索過程中得到的信息，不斷改進搜索過程，最終得到最優解。目前，航空貨物裝載優化問題的解決方法主要有模擬退火算法、蟻群算法、粒子群算法以及遺傳算法等。

1.2 航空貨物裝載優化問題分類

航空貨物裝載可以類比于三維裝箱問題。三維裝箱問題的分類，可以按照貨物規格尺寸、所選飛機類型以及飛行路徑，可以分為以下三類。

（1）按照所裝貨物規格尺寸的不同，航空貨物裝載優化問題可分為兩種。第一種是一定量的同規格、同類型、同尺寸的貨物裝載；第二種是一定量的不同規格尺寸貨物混合裝載。其中，第二種類型的貨物裝載處理難度相對較大。

（2）按照所選飛機類型的不同，可分為非寬體飛機和寬體飛機裝載。一般非寬體客機只有散貨艙，寬體飛機使用集裝器裝載貨物。寬體飛機，以波音747-400F型全貨機為例，該機型由上艙、主貨艙、前下貨艙、后下貨艙以及散貨艙等五個貨艙構成，貨艙門分為主貨艙鼻門、主貨艙側門、前下貨艙門、后下貨艙門以及散貨艙門構成。既可采用集裝器裝載集裝貨物，也可對諸如車輛、大型設備等散裝貨物進行系留、固定。非寬體飛機，由于只有散貨艙，因而僅可裝一些郵件、快遞包裹、行李、動物活體等小型貨物，裝載的貨物體積和數量均有較大限制。

（3）按照飛行路徑的不同，可將航空貨物裝載分為兩種類型。第一種是多航段航空運輸貨物裝載，第二種為單航段直達運輸貨物裝載。多航段運輸需要根據中間站的數量及距離選擇優先配送的貨物，同時，還要根據飛機最大貨物吞吐量確定貨物裝載量；在起始地裝載時還要考慮貨物裝載的順序，以便于中間站裝卸載，從而提升航空公司的利潤。單航段直達航空運輸僅需要在始發站根據重心位置、飛機貨艙結構等條件合理調配貨物位置，并依據飛機最大裝載量確定貨物裝載量即可。

2 航空貨物運輸裝載優化問題常用解決方法

航空貨物運輸裝載優化問題可以類比為一種集裝箱裝載布局優化問題。它是一種考慮到所裝貨物的體積、重量、長度、寬度、高度以及貨艙空間等多重因素的三維裝箱問題，屬于NP-hard問題，其解決的主要方法是啟發式算法。

2.1 啟發式算法

啟發式算法是近年來新產生的一類求解復雜組合優化問題最優解的算法，最早可追溯到Simon的有限合理性原理（Bounded Rationality）。面對某些不能用代數的時間來估計的問題，啟發式算法按照一定的策略搜索可行解，并利用搜索過程中獲取的中間信息改進搜索策略，從而避免陷入局部最優解，找到該問題的近似最優解。啟發式算法的缺點在于無法確定所得解與真實最優解的差距，僅能得到近似最優解。

實際生活中的NP-hard問題往往約束條件多、解空間范圍龐大，在有限時間內，這種問題一般不容易求得。啟發式算法的優勢在于可以加快搜索速度。相比于其它數學優化方法，該方法可迅速得到復雜組合優化問題的近似最優解，具有一定的藝術性和技巧性。啟發式算法在解決裝箱問題的實際應用中效果顯著。

2.2 啟發式算法的分類

啟發式算法在搜索最優解的過程中利用到了原來搜索過程中得到的信息，且這個信息會改進我們的搜索過程。這里的“啟發式”是指“自我發現的能力”，即利用原來搜索過程所得信息的手段。根據啟發式起源和搜索特點的不同，可將啟發式算法分為兩類，如表1所示：

在實際運用啟發式算法求解復雜NP-hard問題中，通常使用多種啟發式算法相結合的方法，利用各具體方法的優點，有利于更快解決組合優化問題。

3 航空貨物運輸裝載需要注意的幾點問題

航空投送以其速度快、航程遠、靈活性強、受地理條件限制小等特點，成為現代戰爭部隊遠距離機動和物資運送的優先選擇。航空投送物資裝載需要同時滿足裝卸速度快、裝載物資多等方面的條件。長距離航空貨物運輸中，還要考慮裝載貨物的安全性和牢固性的問題。

3.1 航空貨運物資裝配要求

為保證航空運輸安全，軍用運輸機在裝載物資時，通常對貨運物資的包裝、裝載的重量與尺寸以及不同物資的混裝具有一定的規定要求。

3.1.1 航空貨運物資包裝要求

組織航空貨運物資裝載前，需對貨物進行二次包裝，以提高其運輸安全性。包裝材料要堅固、完好、輕便，防止包裝破裂、內件漏出散失，防止碼垛、摩擦、震蕩或氣壓、氣溫變化而引起物資損壞或變質，防止傷害人員或污損飛機、設備及其它物品。同時，包裝材料的重量及型號要符合搬運和裝卸的條件，以免因超重或難以固定而影響裝卸安全，造成事故。

3.1.2 裝載的重量與尺寸限制

貨物裝載應當滿足飛機最大載重能力和貨艙尺寸限制。超過貨艙地板承受力的貨物，裝機時必須加上墊板，以免局部壓強過大對飛行造成安全隱患。同時，貨物尺寸應當小于貨艙門最大允許裝載尺寸，要確保貨物可順暢進出貨艙，以免在裝載時造成不必要的麻煩。

3.1.3 航空貨運物資混裝要求及貨物裝載原則

多種不同類型貨物進行航空裝載時，要注意根據單件貨物的重量、體積進行合理搭配，并根據飛機重心位置、貨艙地板強度、貨艙空間結構等條件合理確定貨物裝機位置，進行配載平衡。執行裝載時要避免大件壓小件，重件壓輕件，木箱壓紙箱，固體包裝件壓液體包裝件，不以貨物棱角抵觸機壁。對于性質互斥、運輸要求不同的貨物，比如油料和彈藥，不能混裝。

3.2 航空貨運物資裝載方法的選擇

軍用運輸機裝載物資時，一般采用人力搬運、傳輸裝載、舉升等裝載方式。這些方法均存在其優缺點，在實際裝載時應當結合具體情況靈活使用。

3.2.1 人力搬運

人力搬運目前在很多軍用機場采用。該裝載方式主要用于散裝貨物運輸，其優點主要在于：

（1）使用人力搬運散裝物資，不必使用大型傳送設備，可提高物資裝載的經濟性，節約裝載成本；

（2）人力搬運方式的環境適應性較好。對于沒有運輸機散裝物資裝卸車等裝卸載保障裝備等情況，人力搬運可以有效進行裝載；對于裝卸載保障裝備不足，難以應付突發情況，人力搬運可發揮其快速裝載的作用。

作為一種相對較為原始的裝載方式，人力搬運裝卸載方法存在諸多弊端。比如造成人力資源的浪費、缺乏機械化裝載的高效性、浪費了裝載時間等問題。

3.2.2 傳輸裝載

傳輸裝載方式主要集中在民航機場。飛機在裝卸行李、包裹、郵件等小型散裝物資以及軍用運輸機在民航機場起飛或著陸時，多采用散裝物資裝卸車（行李傳輸車）。該裝備一般由汽車底盤、駕駛室、傳送機架裝置、液壓系統和電氣系統組成。其優點在于：

（1）使用傳送帶進行物資運輸，可有效節約人力，避免了資源浪費，有效縮小配置范圍；

（2）該方法可有效提高裝載速度，使物資能夠更快裝載，更適應現代軍事行動中快節奏的運輸模式；

使用散裝物資裝卸車受機場條件制約較大，我國目前使用散裝物資裝卸車的軍用機場較少，使用該方法需依托民航機場，對我軍航空運輸軍事行動造成了一定的不便。

3.2.3 舉升裝載

舉升裝載方式一般用于民用機場，主要使用升降平臺車（集裝箱裝載機）進行。升降平臺車是一種專用裝卸載裝備，主要適用于寬體貨機上的裝卸載作業，具有自動行走功能，其優點主要在于有效節約人力。貨運人員只需將集裝化的物資推送至主平臺，并系留固定即可。升降平臺車可自動將貨物運送至飛機貨倉內部，省工、省力。

該裝載方式的不足之處在于受機型影響較大。不同型號的升降平臺車，其允許的最大舉升能力和最大舉升高度各不相同。因此，在面對多機型物資裝載時，舉升裝載方式會受到較大限制，需靈活使用各裝載方法，做大限度提高裝載效率。

綜上，通過從航空運輸裝載優化問題的概念和分類入手，分析了航空貨物運輸裝載優化問題常用解決方法，并提出航空貨物運輸裝載需要注意的幾點問題，在保證貨物裝載安全合理的前提下，為實現更加高效的航空貨物運輸提供了借鑒參考。

（作者簡介：李鵬，陸軍軍事交通學院學員五大隊研究生隊；王飛，68003部隊上尉，陸軍軍事交通學院學員五大隊研究生隊；李桂遠，陸軍軍事交通學院學員五大隊研究生隊）