維修機位動態精準調度和飛機安全移動路徑規劃系統開發和應用

彭遠 郭潤夏 申策

摘要：為有效提高維修機位的利用率，減少飛機拖動次數并降低飛機在拖動過程中的剮蹭風險，解決復雜維修場景下維修需求與機位的非線性動態優化匹配問題和移動路徑計算的實時性問題，以廣州飛機維修工程有限公司日常維修作業為應用場景，建設維修機位動態精準調度和飛機安全移動路徑規劃系統，實現維修機位自動化調度，使其能夠在現有硬件條件下增加約10%的產能，同時自動檢測飛機碰撞風險源，降低90%碰撞風險。

關鍵詞：維修機位調度；路徑規劃；安全

Keywords：maintenance stands scheduling； route planning；safety

0引言

2017年，中國民航首次提出了“智慧民航建設”的概念，中國民用航空局在2021年12月發布的“智慧民航建設路線圖（征求意見稿）”中明確指出需要“提高地面保障智能部署與精準掌控水平”，并在2025年“升級和實現飛機調度、機場資源使用、機組人員配置、維修資源部署和場面運行保障質量評估等功能，為航空公司地面運行保障和管理提供數據決策支持”[1]。

維修機位是寶貴的生產要素，航空公司和大型維修企業對提高維修機位利用率有著迫切需求。當前，蓬勃發展的維修需求使航空維修企業的維修機位資源日益緊缺，維修任務的多樣性、維修環境的復雜性、維修工作的高負荷和高風險，都對維修機位資源配置和優化提出了更高的要求[2-4]。目前，維修機位資源大多通過人工配置，由工作人員根據當天的飛機停場情況、當天航班情況、進場航班情況等動態信息對維修機位進行調度分配，在保證安全的前提下規劃飛機的拖動路徑和具體實施情況，由于維修工作現場環境復雜，維修機位分布的多樣且復雜，維修機位調度工作量大、復雜程度高，傳統的機位調度方式分配效率低，核心指標優化難度大，制約全局機位利用效率的提升，無法發揮最大產能。

因此有必要對維修機位動態精準調度和飛機安全移動路徑規劃開展研究，實現對維修機位的優化調度及維修過程中飛機拖動路徑的自動規劃，最大化機位資源的使用效能，提高產能，有力支撐“智慧民航”建設。

1 國內外現狀

國內目前針對維修資源調度普遍采用人工方式，隨著維修飛機及維修任務增多，其工作量呈指數形式增加，資源調度效果差，嚴重制約著維修產能的充分發揮。針對維修資源調度和飛機維修路徑規劃問題，民用航空器制造商和大型航空公司也紛紛開展研究工作，維修過程開始向數字化、平臺化轉變。

空客與大數據公司Palantir Technologies在2017年聯合推出Skywise（智慧天空）計劃，Skywise集成零部件更換、飛行計劃與延誤、維護歷史等相關數據，以使航空公司重新分配各種資源；漢莎技術公司在同年展示了綜合數字化維修平臺AVIATAR，可以將數據用于預測維護方案，狀態監測和故障分析，可實現200架飛機規模的同時在線調度；維修業應用比較廣泛的系統還有波音的AnalytX、法荷航維修工程公司的Prognos以及霍尼韋爾公司的Connected Aircraft。

高級地面活動引導與控制系統（Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems，A-SMGCS）是一種集監視、路由、控制和引導功能于一體的技術，可以為機場區域內的所有飛機、車輛提供精確的引導和控制，以確保機場場面的安全[5]。國際民航組織在2004年發布的高級場面活動引導與控制系統手冊中提出了A-SMGCS的概念。歐美頂尖的實驗室和研究機構，如德國DLR的飛行導航研究所以及美國NASA-Ames實驗室都對A-SMGCS相關技術進行了大量基礎性研究工作。法國的Thales、意大利的Selex以及荷蘭的HITT等公司已經推出了各自的A-SMGCS方案，并且在法國戴高樂機場、德國法蘭克福機場、意大利米蘭馬爾彭薩機場、瑞典斯德哥爾摩機場等大型國際機場得到了初步應用。2008年，首都國際機場安裝了國內第一套A-SMGCS系統，此后上海、廣州、成都等相繼引進了國外場面監視雷達設備以實現對場面活動目標的監視。

遺憾的是，上述方案主要應用于飛機維修計劃安排或機場場面控制，對復雜背景下的維修機位調度和飛機安全移動路徑規劃尚無成熟的技術方案。

2系統方案

以廣州飛機維修工程有限公司日常維修生產作業為應用場景，以維修機位優化調度和飛機安全移動路徑規劃為業務需求，構建由數據采集、優化計算與應用支撐、維修機位動態精準調度和飛機安全移動路徑規劃等模塊構成的自動化系統，其設計方案如圖1所示。

2.1 數據采集

數據采集模塊對公司現有業務數據庫進行數據處理，形成維修工程數據庫，主要內容如下：

1）數據處理

支持與公司現有業務數據進行數據遷移和數據聯合，完成維修工程數據的自動抽取、數據預處理和數據轉換等功能，并提供基于用戶、角色和數據源的用戶訪問控制及監控。

①數據抽取功能：研究公司現有業務數據庫的對接規則，通過直接訪問或數據抓取的形式抽取公司相關業務系統的結構化數據；

②數據預處理功能：研究公司相關業務數據庫的數據表達形式，對自動抽取的數據進行數據類別及內容分析檢測；

③數據轉換功能：設計維修工程數據庫的數據表和數據視圖，將預處理后的數據內容填充到維修工程數據庫；

④數據訪問控制功能：設計基于用戶、角色和數據源的用戶訪問控制，監控數據對象的用戶使用情況。

2）維修工程數據庫：用于存放經過數據處理后的結構化維修工程數據，如維修任務數據、滑行道數據、維修機位數據等，并提供接口進行數據的導入和數據庫抽取。

2.2 優化計算與應用支撐

優化計算與應用支撐模塊為維修機位動態精準調度模塊和飛機安全移動路徑規劃模塊提供計算能力和顯示資源，主要內容如下：

1）求解器：為維修機位動態精準調度與飛機移動路徑的計算等業務模型提供模型求解和計算能力， 通過Gurobi求解器解決線性規劃 （Linear Programming）、二次方程規劃 （Quadratic Programming）、二次方程約束規劃（Quadratically Constrained Programming）和混合整型規劃 （Mixed Integer Programming） 等問題的有效優化模型和快速求解方法[6]。

2）典型飛機維修工作場景模型：開發典型飛機維修工作場景3D模型，包括但不限于機庫、滑行道、試車位、附屬停機坪等。

3）典型飛機3D模型：開發典型飛機的3D模型，包括但不限于波音737-300、737-700、737-800、737MAX、747-400、777-200、777-300、787-800、787-900、空客A319、A320、A321、A320neo、A330-200、A330-300、A350-900、A380-800、中國商飛ARJ21等。

2.3 維修機位動態精準調度

維修機位動態精準調度模塊完成維修機位動態精準調度功能，依據飛機維修任務自動匹配維修機位，給出維修機位調度計劃圖，根據調度時間跨度分為長期計劃和短期計劃。

1）維修機位調度長期計劃：針對當前已經在場開始維修工作的飛機和待入場的飛機進行機位調度，從全局角度出發，制定未來15天以上的機位調度計劃。

2）維修機位調度短期計劃：針對長期計劃發布后，新的機位需求要求將飛機從目前機位移動到滿足功能要求的目標機位，在此移動路徑上存在需要配合讓位的飛機，為配合讓位飛機自動分配機位并給出其配合讓位時間，并在移動過程中滿足就近移動且時空上不碰撞的安全要求，制定24小時內的飛機移動和配合讓位調度方案。

2.4 飛機安全移動路徑規劃

在維修機位動態精準調度模塊給出飛機的某項維修任務所在的目標機位后，即啟動飛機移動路徑規劃，根據現場飛機停放狀態給出最優移動路徑[7-8]，并通過可視化3D動畫顯示飛機拖行路線。

3系統設計

維修機位動態精準調度和飛機安全移動路徑規劃系統總體業務處理流程如圖2所示。

3.1 機位調度過程設計

1）長期計劃

調度目標：在滿足飛機對維修機位需求的前提下，使飛機的總拖動次數最少。

輸入信息：在場維修飛機的基本信息（如飛機所在機位、飛機機型、飛機維修任務），以及待入場飛機的基本信息（如飛機機型、飛機維修任務）、機位的基本信息（如機位坐標、機位維修能力、接入點坐標等）。

約束條件：一架飛機的每個維修需求只能由一個維修機位完成一次；一個維修機位同時只能處理一個維修需求；只有維修機位具備相應維修能力才能承擔這項維修需求；每個維修需求持續時間大于零；一個維修需求開始處理后不能中斷；只有在前一個需求完成后才能處理下一個維修需求。

輸出信息：每架飛機每個維修需求的機位安排。通過可視化3D界面顯示維修機位安排計劃，給出維修機位調度計劃圖；提供維修機位人工操控界面，方便計劃員制定、修改和發布飛機拖行和停放的位置和時間；提供信息自動提示功能，當鼠標指向任何一架飛機，顯示該飛機后續安排航班信息、當前工作內容及后續的機位安排計劃等信息。

長期計劃操作頁面如圖3所示。

2）短期計劃

調度目標：飛機移動過程不發生剮蹭的同時盡可能多地占用滑行道進行飛機移動，使飛機移動路徑最短且所有讓位飛機移動距離之和最小。

輸入信息：飛機的當前機位與目標機位（來自長期計劃）、當前機位狀態。

約束條件：讓位飛機目標機位應該滿足讓位飛機當前維修需求；一架讓位飛機只能選擇一個目標機位；多架讓位飛機讓位后不發生碰撞；讓位飛機讓位過程中無其他飛機阻擋；每架讓位飛機讓位持續時間30分鐘；所有讓位飛機需要在指定時刻前完成讓位；出庫過程中靠近滑行道的飛機先讓位；入庫過程中遠離滑行道的飛機先讓位。

輸出信息：配合讓位飛機目標機位及讓位時刻。提供短期計劃人工操控界面，方便計劃員制定、修改和發布飛機拖行和停放的位置和時間；可以突出顯示單機機位變化路線，并提供拖飛機目的和飛機進場工作等信息；機位計劃圖有時間軸，拖動時間軸滑塊，可以3D動畫形式直觀地模擬顯示任意時間點的飛機擺放及拖動狀況。

短期計劃操作頁面如圖4所示。

3.2 飛機移動路徑規劃過程設計

規劃目標：飛機由起始機位至滑行道的距離與滑行道至目標機位的距離之和最短。

約束條件：機庫內的飛機移動至機庫外時，必須經過機庫出口；飛機移出起始機位時，必須沿最短路徑到達滑行道；飛機移入目標機位時，必須沿最短路徑從滑行道駛出；飛機移動過程中，不能與場面上現有飛機產生碰撞。

輸出信息：飛機的移動路徑，并提前在飛機沿規劃路徑移動時可能產生碰撞的風險點之前發出預警。

飛機安全移動路徑規劃效果如圖5所示。

4結束語

維修機位動態精準調度和飛機安全移動路徑規劃系統的建設，在實現維修機位資源精準調度的同時，保證飛機移動過程中的安全，能夠充分發揮現有維修產能，增加潛在收益，取得效益和安全的“雙贏”。

以兩個維修機庫（共包含3個寬體機位和5個窄體機位）的標準作業空間為例進行推演，通過機位動態精準調度，可以確保滿足3架寬體機和6架窄體機同時進行C檢（相當于增加了一條窄體機的C檢線），按照一架寬體機約等于兩架窄體機估算，在不增加硬件投資（如擴建廠房、購置設備等）的前提下，等同于增加了約10%的產能，經濟效益非常可觀；如果進一步考慮到通過機位實時調度可以臨時插入一些A檢、航前/航后檢查等低級別、短時間的維修任務，經濟效益還會進一步增加；將安全預警距離引入飛機移動路徑規劃算法的約束條件，形成的安全移動路徑具有5米以上的保護區，并對維修區域95%以上的風險源進行自動標注，依據APS理論的安全風險識別原理，即可減少95%的飛機碰撞風險，從而有效降低人為因素導致的等級事件，提升我國民航維修安全保障能力。

參考文獻

[1] 中國民用航空局. 智慧民航建設路線圖（征求意見稿）[R].2021.

[2] 柴英. 國內公共航空運輸機坪風險管控研究[D].中國勞動關系學院，2019.

[3] 郭亞惜. 南寧機場國內航班保障流程優化研究[D].廣西大學，2021.

[4] 趙征，胡莉，錢媛媛，金輝，賈愛萍.基于多Agent的航空器拖曳規則優化配置方法研究[J/OL].系統仿真學報：1-12[2021-12-31].http：//kns.cnki.net/ kcms/detail/11.3092.v.20210630.1015.003. html.

[5] 干浩亮，吳世桂，陳龍，宋凱，王盈君遙，韓澤宇.A-SMGCS在機場的應用研究[J].現代導航，2021，12（05）：349-353.

[6] 王新，王征，徐偉.面向多個無人機站點的車輛與無人機聯合配送路徑問題研究[J].運籌與管理，2021，30（05）：31-37.

[7] 吳靳，戴明強，王俊杰，余珊珊，余明暉.基于學徒制算法的航母艦載機保障作業調度[J/OL].中國艦船研究：1-10[2021-12-31].DOI：10.19693/ j.issn.1673-3185.02198.

[8] 萬兵，韓維，梁勇，郭放.艦載機出動離場調度優化算法[J].系統工程與電子技術，2021，43（12）：3624-3634.