基于Demo 3D的機場行李處理系統仿真與優化

文/王若敏 李霖 楊慧榮 沈偉 何迅 闞細武 任科冀 李俊 陳洋 周穎

一、引言

近年來，隨著我國經濟水平的不斷提高，航空運輸作為現代交通體系中較為快捷的運輸方式，得到了快速發展。2019年，我國的機場旅客年吞吐量達12.6億人次，北京首都國際機場的年旅客吞吐量更是突破1億人次，旅客吞吐量達1000萬人次的運輸機場達37個[1]。隨著機場建設規模越來越大，行李處理系統作為機場建設最復雜的系統，在其設計規模、處理流程、技術難度、集成水平、系統功能等方面也越來越復雜，如何規避在規劃設計階段有可能存在的設計風險、資源配置不合理以及系統的處理瓶頸，是規劃設計人員以及機場建設方所關心的問題。近年來，仿真技術逐漸得到廣泛的應用，如何讓仿真更加接近于真實運行環境，提高仿真成果的可信度，避免因仿真成果的不準確而導致的決策失誤或建設成本增加，成為目前我們需要思考的問題。行李處理系統的仿真研究，重點是解決行李處理的時間與數量分布關系，真實模擬行李處理的運行流程，采集并分析仿真過程中的運行數據，找出存在的問題并加以解決和驗證，從而提升行李處理系統的設計準確性，提高機場的運行效率，降低機場建設風險和運營成本，對我國民航事業的發展有著重要的意義[2]。

二、仿真輸入建模

1. 離港航班及旅客分析

機場建設在規劃階段就會根據機場類型、飛行區等級、適航天數等因素對未來機場的年旅客吞吐量進行預估，并根據吞吐量情況預設未來的航班時刻表，進行機場運行分析[3]。本文以A市某機場規劃的預設航班時刻表進行離港航班行李分布情況進行分析[4]，該航班分布是機場建設運營單位委托權威機構基于當地現階段航班情況進行預測，能滿足機場未來旅客吞吐量要求，還能符合高峰小時吞吐量、高峰小時航班架次、機型比等設計要求，航班分布如圖1所示。

圖1中，A市某機場一天離港航班總數為380架次，高峰時間為早上6∶00至8∶00，8∶00以后處于均衡階段，每小時離港20架次左右，到19∶00以后航班數開始逐漸下降，23∶00基本結束。

圖1 A市某機場離港航班情況

旅客通常會相對乘坐航班的計劃起飛時間提前到達機場，所以計劃起飛時間接近的航班旅客會在相近的時間內到達機場，但各航班的旅客到達時間又是相互獨立。任意時刻的旅客到達總數是各航班該時刻到達人數的總和。某一時刻t，某一值機排隊系統的旅客到達率是該系統同時辦理各航班旅客到達率之和，即

旅客平均排隊隊長：

對于正常值機柜臺，盡管利用率小于1時值機排隊系統的輸出率等于它的輸入率，但是滯后一段時間，平均滯后時間為旅客在排隊系統的逗留時間，即等于：

基于以上理論，以及IATA相關分析，得出如圖2所示的不同時段出發的國內航班值機旅客累計到達分布情況[7]。

圖2中，距航班計劃起飛時間4小時已有旅客到達航站樓值機，距起飛30分鐘時，旅客全部到齊，距航班計劃起飛時間150分鐘之前到達的行李定義為早到行李。

圖2 國內離港旅客行李到達時間分布

2. 離港航班旅客行李分析

基于A市某機場離港航班情況、國內航班值機旅客量累計到達分布情況，綜合考慮各航班機型、滿載率等因素，定義需托運行李的旅客與旅客總數比為0.5[8]。以B1航空公司為例，可得如圖3所示的旅客行李分布情況。

圖3 B1航空公司旅客行李分布情況

依次類推，得出A市某機場旅客行李總數量，如表1所示。

表1中，A市某機場行李總數28589件，早到行李2281件，早到比例為：7.98%。其中，B1、B2、B3為航班量較多的航空公司，B4為機場地服代管的航空公司聯合組成。酒店托運行李和后場直接中轉行李，可不區分航空公司，分別在酒店內和后場直接辦理行李托運。

三、仿真流程建模

在Demo 3D軟件中，1∶1建立行李處理系統的三維模型，包括：設備空間尺寸、空間位置、運行速度、處理邏輯等與真實處理流程一致，如圖4所示。本系統采用集中安檢、集中開包的安檢模式，行李分揀預先經過由ICS輸送機組成的預分揀環路，最終將行李分揀至分揀轉盤后人工裝車。

模型在運行過程當中，需要辦理值機托運的行李按照仿真輸入數據模型分批到達對應值機柜臺，排隊等待辦理托運手續后，進入行李系統按照既定流程進行處理，從而模擬行李處理系統全天運行情況并記錄運行數據。

通過仿真結果分析，系統中收集輸送機、各處分合流點、行李裝載點、開包間、分揀設備等關鍵環節行李流量均小于設計流量，系統內部分合流點未出現大量擁堵情況，行李進入系統后處理時間滿足機場運行要求，說明系統能滿足未來吞吐量對行李處理系統的要求。

同時，也發現部分航司值機柜臺存在大量行李排隊情況，如圖5所示，在值機排隊等待環節，B1普通值機柜臺旅客行李在高峰期最大排隊行李數量達34件，最長排隊等待時間32.1分鐘，明顯高于其他值機柜臺，超出預期水平。

圖5 B1航空公司旅客行李排隊情況

四、值機方案優化

B1航空公司普通柜臺高峰時期行李排隊數量較大，且排隊時間較長，不符合人文機場建設要求。仿真執行中也發現，B1航空公司與B2航空公司值機柜臺位置相鄰， B2航空公司柜臺卻未出現大量行李排隊情況，說明值機柜臺資源配置存在不合理的情況，無疑造成資源的浪費。

現階段，中國民航局發布的《仿真模擬技術在民用機場規劃設計領域應用研究》明確提及，仿真模擬技術可實現機場建設方案的科學評估與精細化比選。所以，本文提出將B1航空公司早高峰時期的部分航班移至B2航空公司的值機柜臺值機，再次基于Demo 3D對系統進行全流程全天候仿真模擬實驗，可得出B1航空公司的旅客行李排隊情況如圖6所示。

圖6 優化后B1航空公司旅客行李排隊情況

圖6中，得到優化后B1航空公司旅客行李最大排隊數量為19件，相比優化前減少了44.1%，優化后最長等待時間為18.5分鐘，相比優化前減少了42.4%，優化后排隊時間過長問題得到改善；而此方案下B2航空公司旅客行李最大排隊數量為9件，最長等待時間為7.9分鐘，最大排隊數量較優化前只增加了2件，不會明顯影響B2航空公司旅客的值機體驗，說明此優化方案具有可實施性。

五、結論

仿真過程及仿真成果的真實可信度取決于仿真的輸入數據是否更貼近實際效果，通過模擬離港航班計劃和旅客行李到達的時間分布，為行李處理系統的仿真驗證提供數據支撐。

基于機場全天旅客行李分布情況，利用Demo 3D仿真軟件模擬機場行李處理系統的真實運行情況，能夠對未來機場的運行情況進行預判，從而驗證行李處理系統是否達到設計要求，是否存在系統瓶頸，仿真軟件已成為機場建設和工程設計人員的有力工具。

仿真工具的應用能夠對大數量、離散性較強的數據進行分析模擬，通過仿真分析能夠得到系統運行狀況的近似解或滿意解，對機場行李系統的設計及應用管理具有較強的參考意義。