機(jī)場早到行李存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

沈 偉，徐小波，何 迅，楊慧榮，闞細(xì)武，唐 青，張 寬

（1.中國民航局第二研究所，四川成都 610041；2.民航成都物流技術(shù)有限公司，四川成都 611430）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，航空運(yùn)輸作為現(xiàn)代交通體系中較為快捷的運(yùn)輸方式，得到了快速發(fā)展。2019 年，我國的機(jī)場旅客年吞吐量達(dá)12.6 億人次，北京首都國際機(jī)場的年旅客吞吐量更是突破1 億人次，旅客吞吐量達(dá)1 000 萬人次的運(yùn)輸機(jī)場有37 個(gè)[1]。機(jī)場行李處理系統(tǒng)承載旅客托運(yùn)行李業(yè)務(wù)——航站樓兩大核心功能“人流、物流”之一，是機(jī)場體量最大、構(gòu)成最復(fù)雜的關(guān)鍵運(yùn)營系統(tǒng)，直接影響航空安全、航班正點(diǎn)率及旅客體驗(yàn)，已成為機(jī)場運(yùn)營愈發(fā)倚重的核心系統(tǒng)，是航站樓內(nèi)唯一一項(xiàng)納入行業(yè)許可管理的系統(tǒng)[2]。

EBS 是整個(gè)行李處理系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)早到行李的存儲(chǔ)與釋放。由于機(jī)場托運(yùn)行李具有多樣性和不規(guī)則性，在采用翻盤分揀機(jī)（Tilt Tray Sorter，TTS）作為行李處理系統(tǒng)分揀模式的機(jī)場一直應(yīng)用輸送機(jī)存儲(chǔ)早到行李，此模式下EBS 占用航站樓面積大，且不同存儲(chǔ)策略下，EBS 存儲(chǔ)線有效利用率也大不相同，造成資源的浪費(fèi)[3-4]。因此，對(duì)EBS 的設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析對(duì)提高整個(gè)行李處理系統(tǒng)的有效利用率具有重要的實(shí)際意義。

1 EBS概述

按照國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（International Air Transport Association，IATA）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)機(jī)場吞吐量不同，主要有人工EBS和自動(dòng)EBS兩種模式。一般情況下，早到行李流量小于或等于250件/小時(shí)且在任何時(shí)候EBS行李中存儲(chǔ)量都小于或等于1 000件的情況下采用人工存儲(chǔ)模式；早到行李流量大于250件/小時(shí)或在任何時(shí)間早到行李中存儲(chǔ)量大于1 000 件的情況下采用自動(dòng)存儲(chǔ)模式。該文主要針對(duì)中大型樞紐機(jī)場，研究自動(dòng)EBS 的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

現(xiàn)階段，機(jī)場通常能接受距計(jì)劃起飛時(shí)間240 min 以內(nèi)航班的中轉(zhuǎn)行李和始發(fā)離港行李，將距航班計(jì)劃起飛時(shí)間150 min 之前到達(dá)的行李定義為早到行李，EBS 即存儲(chǔ)距航班起飛240 min 至150 min 之間到達(dá)機(jī)場值機(jī)柜臺(tái)的行李。EBS 模型如圖1 所示。

圖1 EBS模型

如圖1 所示，EBS 由一條條并列的輸送機(jī)構(gòu)成，該系統(tǒng)共有18 條輸送線用于存儲(chǔ)早到行李。存儲(chǔ)早到行李時(shí)，行李從入口進(jìn)入EBS，按照“步進(jìn)”方式進(jìn)行存儲(chǔ)，行李完全離開上游輸送機(jī)光眼時(shí)，下游輸送機(jī)電機(jī)停機(jī)，直到上游有行李到來時(shí)繼續(xù)前進(jìn)，達(dá)到在輸送機(jī)上存行李的目的[5]。釋放早到行李時(shí)，按照“先放先走”的原則順序釋放行李，當(dāng)一條輸送機(jī)行李釋放完成后，另一等待釋放的存儲(chǔ)線開始釋放行李，釋放完成的輸送機(jī)可以開放給其他航班進(jìn)行存儲(chǔ)[6]。

2 EBS配置

2.1 機(jī)場規(guī)模預(yù)測

機(jī)場EBS 的配置與機(jī)場類型、飛行區(qū)等級(jí)、適航天數(shù)、年旅客吞吐量、行李系數(shù)、行李處理系統(tǒng)處理模式、機(jī)場周邊軌道交通情況、機(jī)場運(yùn)營管理策略等息息相關(guān)。該文以華東片區(qū)長三角地區(qū)某省會(huì)干線機(jī)場為例，以下簡稱A 機(jī)場，進(jìn)行EBS 優(yōu)化分析[7]。

根據(jù)A 機(jī)場總體規(guī)劃、初步設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)說明等權(quán)威文件，該機(jī)場2030 年航空參數(shù)預(yù)測如表1 所示，后文將參照該指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行推算及詳述[8]。

表1 機(jī)場2030年航空參數(shù)預(yù)測

A 機(jī)場現(xiàn)有三座航站樓滿足4 000 萬人次的國內(nèi)旅客，新建的航站樓服務(wù)于3 600 萬人次國內(nèi)旅客和全部的1 400 萬人次國際旅客。

2.2 行李處理系統(tǒng)規(guī)劃

行李處理系統(tǒng)作為航站樓最復(fù)雜的機(jī)電工程，由始發(fā)系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、到港系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)系統(tǒng)、EBS、大件行李系統(tǒng)、空框回收系統(tǒng)、應(yīng)急備份系統(tǒng)、信息與控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)相互配合，共同完成機(jī)場旅客行李的托運(yùn)、安檢、輸送、存儲(chǔ)、分揀等過程[9]。

根據(jù)新建航站樓規(guī)劃，設(shè)計(jì)從北至南為A-G 值機(jī)島，每個(gè)值機(jī)島有兩條輸送線，再編號(hào)為A1、A2、……以此類推，其中，C 島為遠(yuǎn)期預(yù)留，本期不建設(shè)。本期建成后，A、B、D、E 島服務(wù)于國際及港澳臺(tái)旅客，F(xiàn)、G 島服務(wù)于國內(nèi)旅客，國內(nèi)、國際早到行李分別存儲(chǔ)在國內(nèi)EBS 和國際EBS 區(qū)，整個(gè)行李處理系統(tǒng)模型如圖2 所示。由于國內(nèi)、國際旅客行李分開處理，該文對(duì)國際EBS 進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化。

如圖2 所示，A 機(jī)場離港行李處理系統(tǒng)主要包括始發(fā)系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、GTC、國內(nèi)EBS、國際EBS 系統(tǒng)等，配合信息管理及控制系統(tǒng)共同完成行李的托運(yùn)、安檢、輸送、早到存儲(chǔ)、分揀等功能。

圖2 A機(jī)場離港行李處理系統(tǒng)

2.3 EBS配置

EBS 存儲(chǔ)線配置需根據(jù)航空預(yù)測參數(shù)、機(jī)場運(yùn)營相關(guān)系數(shù)等計(jì)算而得，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 機(jī)場運(yùn)行相關(guān)系數(shù)

相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下：

日平均離港旅客量（萬人次）：

高峰日離港旅客量（萬人次）：

高峰日離港旅客行李量（件）：

高峰日早到行李件數(shù)（件）：

理論早到存儲(chǔ)位數(shù)：

基于相關(guān)參數(shù)和以上計(jì)算公式，計(jì)算可得理論早到存儲(chǔ)位的需求為548，由于該EBS 采用“步進(jìn)”方式存儲(chǔ)行李，且各航班離開EBS 時(shí)間也不盡相同，則EBS 位有效利用率有限，再結(jié)合該航站樓土建預(yù)留情況，本航站樓共設(shè)計(jì)18 條EBS 線，其中，上層14 條存儲(chǔ)線，下層4 條存儲(chǔ)線，每條存儲(chǔ)線長度34.5 m。每條存儲(chǔ)線的容量不低于34 件行李，總?cè)萘坎坏陀?12 件，可滿足EBS 最大存儲(chǔ)需求。同時(shí)，增設(shè)一條棄包線，用于回流未被分配存儲(chǔ)線或跟蹤丟失的行李，以處理異常情況。EBS 設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

3 EBS仿真與優(yōu)化

EBS 仿真優(yōu)化的基本思想是根據(jù)機(jī)場實(shí)際安裝設(shè)備的尺寸及參數(shù)在仿真平臺(tái)Emulate 3D 中進(jìn)行1∶1 建模，按照機(jī)場實(shí)際運(yùn)營管理方式及控制策略對(duì)行李處理全系統(tǒng)進(jìn)行全天候仿真模擬，采集并記錄EBS 運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析EBS 占用情況，提出優(yōu)化方案，再次仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)EBS 的最大化利用[10-11]。

3.1 EBS仿真分析

行李處理系統(tǒng)的仿真模擬就是將靜態(tài)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案以動(dòng)態(tài)的運(yùn)行系統(tǒng)呈現(xiàn)，從而評(píng)估運(yùn)行指標(biāo)和參數(shù)。對(duì)于系統(tǒng)而言，由“靜”至“動(dòng)”的驅(qū)動(dòng)依據(jù)就是航班時(shí)刻表。該文所應(yīng)用的A 機(jī)場航班時(shí)刻滿足設(shè)計(jì)年吞吐量、高峰小時(shí)吞吐量、航班架次、機(jī)型比等設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)場航班波與機(jī)場現(xiàn)有航班波波形相同且能實(shí)現(xiàn)完全覆蓋，以此航班時(shí)刻表作為該文研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有較高的可信度[12-13]。

旅客通常在距航班計(jì)劃起飛時(shí)間前240 min 以內(nèi)到達(dá)機(jī)場辦理值機(jī)手續(xù)，基于排隊(duì)理論、IATA 機(jī)場開發(fā)指導(dǎo)手冊(cè)、支持向量機(jī)回歸算法預(yù)測分析[14]，可得機(jī)場托運(yùn)行李旅客到達(dá)機(jī)場時(shí)間分布規(guī)律，即國際離港行李到達(dá)機(jī)場分布規(guī)律，如圖3 所示。

圖3 國際離港行李到達(dá)機(jī)場時(shí)間分布規(guī)律

如圖3 所示，根據(jù)航班時(shí)刻表、行李系數(shù)、離港行李到達(dá)機(jī)場時(shí)間分布規(guī)律，定義距航班起飛150 min 以前的行李為早到行李，可計(jì)算出A 機(jī)場國際離港行李分布情況如圖4 所示。

圖4 國際離港行李分布情況

現(xiàn)階段，EBS 通常采用按航班號(hào)存儲(chǔ)早到行李，即一條存儲(chǔ)線同時(shí)段只能被一個(gè)航班占用。若某航班早到行李量大于該條存儲(chǔ)線的容量，則可占用第二條存儲(chǔ)線；若EBS 的18 條存儲(chǔ)線均被占用，則該時(shí)段未被分配資源的早到行李經(jīng)棄包線輸送至TTS分揀，距離航班起飛前150 min 時(shí)，則航班對(duì)應(yīng)滑槽開放，早到行李可被釋放并輸送至對(duì)應(yīng)滑槽，距航班起飛前30 min，該滑槽關(guān)閉回收[15-16]。基于此存儲(chǔ)策略，按照機(jī)場實(shí)際運(yùn)營管理模式，所有行李按標(biāo)記的值機(jī)柜臺(tái)和時(shí)間離散出現(xiàn)在值機(jī)柜臺(tái)，在行李處理系統(tǒng)中進(jìn)行安檢、輸送、早到存儲(chǔ)、分揀，經(jīng)過全天候24 h 仿真模擬運(yùn)行，實(shí)時(shí)記錄EBS 占用情況，EBS 存儲(chǔ)線占用率如圖5 所示。

分析圖5，按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線模式下，EBS 存儲(chǔ)線出現(xiàn)了三個(gè)占用率較高的時(shí)段，在5:00-6:00 達(dá)到了88.89%，平均占用率為39.93%，設(shè)計(jì)過程中EBS 線已考慮了冗余情況，可仍然出現(xiàn)了資源相對(duì)緊張情況，若在春運(yùn)、暑運(yùn)或其他航班增多的情況下，仍采用按航班分配EBS 線模式可能出現(xiàn)資源不夠的情況。

圖5 EBS存儲(chǔ)線占用率

3.2 EBS優(yōu)化仿真分析

仿真模擬運(yùn)行過程中，部分小機(jī)型僅有幾件或十幾件早到行李，卻仍被分配一條存儲(chǔ)線，說明EBS線有效利用率較低。

該文采用按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式進(jìn)行仿真分析，即把存儲(chǔ)線按每30 min 的時(shí)間段標(biāo)記，進(jìn)入EBS的行李再根據(jù)存儲(chǔ)線的釋放時(shí)間是否滿足本航班對(duì)應(yīng)滑槽的開放時(shí)間選擇EBS 線存儲(chǔ)，到達(dá)存儲(chǔ)線標(biāo)記的釋放時(shí)間后，再統(tǒng)一釋放該存儲(chǔ)線的行李；若同一時(shí)段需釋放的早到行李較多，則該時(shí)段可標(biāo)記多條存儲(chǔ)線，以滿足行李在對(duì)應(yīng)滑槽開放后可盡快釋放的需求。在輸入數(shù)據(jù)及分配方案不變的情況下，基于此存儲(chǔ)策略進(jìn)行全天候24 h 仿真模擬，EBS 存儲(chǔ)線占用率如圖6 所示。

圖6 EBS存儲(chǔ)線占用率

如圖6 所示，按時(shí)間段存儲(chǔ)早到行李策略下，各時(shí)段存儲(chǔ)線占用率均較低，即使在早到行李最高峰時(shí)間存儲(chǔ)線占用率也僅為61.11%，EBS 資源緊張狀況得到較為明顯改善。按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線和按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線占用率對(duì)比情況如圖7 所示。

由圖7，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線存儲(chǔ)早到行李可明顯提升存儲(chǔ)線的有效利用率，平均占用率由39.93%降低為26.7%，最高占用率由88.89%降低為61.11%，明顯緩解EBS 線資源緊張的局面。

圖7 EBS存儲(chǔ)線占用率對(duì)比

仿真模擬運(yùn)行過程中，記錄了EBS 各時(shí)段行李數(shù)量，按航班號(hào)和按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線兩種模式下早到行李在EBS 中實(shí)時(shí)行李數(shù)量對(duì)比如圖8 所示。

圖8 EBS實(shí)時(shí)行李數(shù)量對(duì)比

分析圖8，采用按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線存儲(chǔ)早到行李模式下，EBS 的實(shí)時(shí)行李數(shù)量更多，EBS 壓力更大，每件早到行李在系統(tǒng)中的平均存儲(chǔ)時(shí)間增加了322 s，基于按時(shí)間段的釋放機(jī)制，在高峰時(shí)段多條存儲(chǔ)線同時(shí)釋放早到行李，EBS 行李再次進(jìn)入TTS，可能出現(xiàn)系統(tǒng)瓶頸點(diǎn)，增加整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行壓力。

3.3 改進(jìn)的EBS優(yōu)化仿真分析

基于按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線和按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線的優(yōu)化方案存儲(chǔ)早到行李方式均存在一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。EBS 均設(shè)計(jì)較長的存儲(chǔ)線存儲(chǔ)早到行李，由于輸送線較長，就會(huì)造成存儲(chǔ)線利用率低或早到行李回流線壓力增大情況。

該文提出一種改進(jìn)的EBS 設(shè)計(jì)方法，基于A 機(jī)場新建航站樓，在預(yù)留空間不變的情況下，對(duì)EBS 進(jìn)行工藝流程改進(jìn)，減少每條輸送線的長度，形成更多的存儲(chǔ)單元。如圖9 所示。

如圖9所示，將原有超過30 m 的輸送線更改為兩條更短的輸送線，新增兩個(gè)早到行李出口，則改進(jìn)的EBS 有36 條存儲(chǔ)線，每條存儲(chǔ)線的容量不低于16 件行李，總?cè)萘坎坏陀?76 件。

圖9 改進(jìn)的EBS工藝流程布局

基于改進(jìn)的EBS 工藝流程布局，在輸入數(shù)據(jù)及運(yùn)營策略不變的情況下，采用按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線模式進(jìn)行全天候24 h 仿真模擬，按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線和改進(jìn)設(shè)計(jì)后的按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線占用率對(duì)比如圖10 所示。

圖10 按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線占用率對(duì)比

由圖10 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，均采用按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線模式下，改進(jìn)后的EBS 存儲(chǔ)線占用率大幅度降低，平均占用率由39.93%降低為25.93%，最高占用率由88.89%降低為61.11%，優(yōu)化效果明顯。

基于改進(jìn)的EBS 的工藝流程布局，在輸入數(shù)據(jù)及運(yùn)營策略不變的情況下，采用按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式進(jìn)行全天候24 h 仿真模擬，按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線和改進(jìn)設(shè)計(jì)后的按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線占用率對(duì)比如圖11 所示。

圖11 按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線占用率對(duì)比

由圖11 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，均采用按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式下，改進(jìn)設(shè)計(jì)后EBS 存儲(chǔ)線占用率仍能繼續(xù)降低，平均占用率由26.7%降低為最低的24.1%，最高占用率仍為61.11%，具有優(yōu)化效果。

EBS 在按航班號(hào)和按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式早到行李在EBS 平均存儲(chǔ)時(shí)間如表3 所示。

表3 早到行李在EBS中平均存儲(chǔ)時(shí)間

如表3 所示，按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線模式下早到行李在EBS 中存儲(chǔ)的時(shí)間更短；早到行李在改進(jìn)的EBS 中存儲(chǔ)的時(shí)間更短；在改進(jìn)的EBS 中按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式下，EBS 線平均占用率達(dá)到最低值24.1%，所有早到行李的平均占用時(shí)間也降低至3 293 s，存儲(chǔ)線有效利用率具有明顯的增大效果。

4 結(jié)論

1）通過模擬機(jī)場行李處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)營，EBS采用按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線模式下，進(jìn)行全系統(tǒng)仿真分析，EBS 能滿足機(jī)場未來對(duì)其處理能力的要求，但存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，在春運(yùn)、暑運(yùn)或航班增加的情況下可能出現(xiàn)資源不夠用的情況。

2）輸入條件及運(yùn)營策略不變，EBS 采用按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式下，進(jìn)行全系統(tǒng)仿真優(yōu)化分析，存儲(chǔ)線平均占用率較按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線模式降低了13.23%。

3）通過對(duì)EBS 工藝流程優(yōu)化后，在改進(jìn)的EBS采用按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式下，進(jìn)行全系統(tǒng)仿真分析，早到行李在EBS 中平均存儲(chǔ)時(shí)間較改進(jìn)前按時(shí)間段分配存儲(chǔ)線模式降低了39 s，存儲(chǔ)線平均占用率較改進(jìn)前按航班號(hào)分配存儲(chǔ)線模式降低了15.83%，達(dá)到最低值24.1%，實(shí)現(xiàn)了EBS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為機(jī)場實(shí)際運(yùn)營提供了數(shù)據(jù)支撐。