基于流程仿真的樞紐機場中轉時間分布特性研究*

陶一燃 張生潤

（南京航空航天大學民航學院 南京 211106）

1 引言

20 世紀80 年代以來，美國和歐洲各世界民航大國在“天空開放”政策下不斷擴大國際航空市場，逐步占據了較大國際航空市場份額［1］。直至2019年，我國北京首都機場、上海浦東機場和廣州白云機場的運輸規模均位列全球航空樞紐的前20 名，但國際競爭力仍然相對較弱，主要體現在中轉比例和中轉效率低于國際水平［2，19～21］。

目前圍繞如何提高樞紐機場旅客中轉能力問題，主要有三種思路：中轉流程優化［3～4］、中轉資源分配優化［5］和時刻資源配置優化［6～7］。夏薔薇［8］為行李直掛的中轉旅客和行李未直掛的中轉旅客分別增設旅客過境和中轉廳，用來縮短一部分旅客的中轉時間；張曉光和朱金福［9］等采用離散事件仿真技術，根據中轉航班旅客到達人數的變化實時分配中轉資源，來提高中轉設施資源的利用率；張浩［10］選擇在值機柜臺安排兩名值機工作人員共用一套稱重系統的方式，來提高稱重系統的利用率。然而，中轉流程優化和中轉設施資源優化雖然可以縮短旅客的中轉時間，一定程度上提高機場的中轉比例，但較難為航空公司航班時刻表增加中轉銜接機會。

Guillaume Burghouwt［11］基于OAG 數據和歐洲航線時刻配置情況驗證了大型全服務航空公司在其基地機場構建航班波的思想可以顯著增加中轉機會，在其后的研究中［12］構建出了基于最小中轉時間和最大中轉時間的航班波時間窗口。HUANG J［13］結合Guillaume Burghouwt 的研究識別出國航在首都機場形成的“四進四出”航班波結構，并指出構建航班波系統結構對于航班時刻資源的優化尤為重要，但對其中的關鍵參數，如最小中轉時間和最大中轉時間閾值的確定依據仍不明確。張生潤［16］等提出了可變最大中轉時間閾值確定的方法，并通過多元回歸模型驗證了最大中轉時間的增加會引起中轉航班量的減少，指出最大中轉時間應當根據不同國家的目的區域采取差異化設置，但未考慮旅客在航站樓中轉行為的差異，這種差異可能導致所得出的最大中轉時間閾值的差異性。

因此，本文綜合考慮旅客在航站樓中轉行為的差異性及全服務航空公司航班時刻配置中轉銜接機會的獲得兩方面，運用離散事件仿真方法研究樞紐機場航站樓旅客中轉流程仿真建模，并基于仿真結果研究中轉時間分布特性。

2 旅客中轉流程仿真模型

2.1 旅客中轉流程分析

乘坐國航國內航班的旅客到達首都機場T3 航站樓，C區處理國內到達業務，E區處理國際出發業務。下面將詳細描述旅客到達首都機場后的中轉全流程，共分為三大步驟。

第一步：到達中轉大廳。

中轉大廳位于T3 航站樓C 區二層，旅客在此辦理轉乘手續。根據機位遠近不同，旅客到達中轉大廳的方式不同。近機位旅客直接通過廊橋連接進入中轉大廳，而遠機位旅客下機后需乘坐擺渡車到達T3 航站樓C 區一層，再乘坐電梯至二層的中轉大廳。

在對旅客中轉值機進行仿真設計時，需考慮值機方式、開放時間和旅客排隊方式等三方面。根據國航官網信息顯示，其國際航班暫時不支持網上值機和自助值機，旅客需到人工柜臺辦理值機和托運手續。值機柜臺開放時間為全天，且為公用式柜臺，即中轉旅客可在任意時間任意柜臺辦理中轉手續。考慮到值機柜臺數量充足，因此旅客排隊方式為線性隊列。

第二步：到達國際聯檢區。

旅客辦理完轉乘手續后，乘坐自動旅客捷運系統（Automated People Mover，APM）從C 區前往E 區的國際聯檢區辦理檢疫、邊防、安檢和海關手續。檢驗檢疫是指對進出口商品、進出口動植物、出入境人員以及可能傳播檢疫傳染病的行李、貨物、郵包等進行檢驗、鑒定和監督管理，防止傳染病由國外傳入，保護人類健康；邊防檢查以檢查旅客護照為主；安檢是指檢查旅客及其行李物品中是否攜帶槍支、彈藥、易燃、易爆、腐蝕、有毒放射性等危險物品，以確保航空器及乘客的人身、財產安全。海關檢查是指對出入國境的一切商品和物品進行監督、檢查并照張征收關稅。海關通道分為紅色通道和綠色通道，攜帶需要向海關報備的物品的旅客走紅色通道，未攜帶需要向海關報備的物品的旅客走綠色通道。

第三步：到達候機大廳。

旅客辦理完國際聯檢手續后，前往候機大廳等待登機。

2.2 模型假設

旅客中轉流程仿真模型模擬了國航國內經首都機場T3 航站樓中轉至東南亞、東北亞、西歐和北美的中轉航班的運行情況，模擬的流程涉及多個中轉設施的運行和工作人員的時間安排，所以本文對模型做了如下假設：

1）設定系統仿真開始時間為2018 年7 月16 日零點，結束時間為2018年7月17日零點；

2）在系統仿真開始時間前，系統內沒有任何旅客，在系統仿真開始時間后，中轉設施和工作人員不休息；

3）模型中只涉及中轉航班，中轉航班和中轉旅客的相關參數均基于中轉航班時刻表產生；

4）旅客隊列服務遵循先到先服務原則（FIFO），且旅客能夠自行選擇最短隊列排隊（最有利原則）；

5）沒有臨時航班和延誤航班。

2.3 樣本和數據

本文數據來源于全球航班計劃數據供應商OAG 提供的“中轉銜接（Connections Analyser）”模塊。基于張生潤［16］等的研究，選取國航在典型日（2018 年7 月16 日）由東北、華北、華南、華中、華東、西北和西南經首都機場中轉至東南亞（AS3）、東北亞（AS4）、西歐（EU1）和北美（NA1）的所有一次中轉航班進行分析。

“中轉銜接”模塊只能提供兩類數據，分別為A類數據和B 類數據。A 類數據包含航空公司某天或者某月的中轉航班信息，具體有運營天數、始發機場、終到機場、出發時刻、到達時刻等，但不包含中轉旅客量；B 類數據包含航空公司某月的中轉航班信息，具體有始發機場、終到機場、中轉旅客量、訂單量等，但不包含中轉航班的出發時刻和到達時刻。所以為了獲取典型日所有中轉航班上的出發時刻、到達時刻、始發機場、終到機場和中轉旅客量，本文提出的計算方法步驟如下：

第一步：以“始發機場-樞紐機場-終到機場”作為中轉航班類別的識別項；

第二步：統計2018年7月A 類數據的中轉航班類別及其數量；

第三步：統計2018 年7 月B 類數據的中轉航班類別及其中轉旅客量；

第四步：當中轉航班類別相同時，將B 類數據中轉航班上的中轉旅客量與A 類數據的中轉航班量的比值確定為該類中轉航班的中轉旅客量，如果計算的結果為小數，采用四舍五入的計數保留法來保證精確度。

3 最大中轉時間確定

Dr.Philipp Goedeking 對航班波時間窗口、中轉機會和中轉時間做了一個詳細的解釋［14］。假設在一個小時內有100 個航班從國內的不同機場到達樞紐機場，把這一個小時定義為進港航班的時間窗口，簡稱為進港時間窗；另外100 個航班在另一個小時內從樞紐機場出發前往國外的機場，把這一個小時定義為出港航班的時間窗口，簡稱為出港時間窗，如果進港時間窗里的所有航班都可以與出港時間窗里的所有航班相連，就可以產生1002個中轉機會（中轉航班），這清楚地表明了航空中轉市場的巨大收益。

中轉時間表示旅客進入進港時間窗與離開出港時間窗的時間差，在機場通常表示乘坐中轉航班的旅客在樞紐機場等待轉機的時間。每個中轉旅客都對應著不同的中轉時間，在數值上可分為最小中轉時間和最大中轉時間。

最小中轉時間在樞紐機場通常是指能夠保證旅客和行李換乘、以及飛機過站的最小安全保障時間，通常定為60min［15］。最大中轉時間在機場通常是指旅客所能接受的最大等待時間［16］，國內學者在研究樞紐機場時通常將最大中轉時間定為120min［13，15］。

已有研究表明，最小中轉時間取值通常都為固定值，而最大中轉時間受終到機場區域、航班中轉類型和O&D 對的地理距離的影響，取值應當是可變的［13，16～17］。但上述研究仍未考慮旅客因素。在實際機場旅客中轉中，即使是同一條中轉航班的旅客，他們的中轉時間和能忍受的等待時間也具有一定的差異性。因此，基于張生潤［16］、Seredyński Adam［17］和Burghouwt G［18］等學者的研究，在綜合考慮地理區域對、航班中轉類型和旅客因素的基礎上，本文提出基于地理區域對和中轉旅客量的最大中轉時間閾值計算方法如式（1）所示：

其中，i表示始發區域，包括東北、華北、華南、華中、華東、西北和西南；j表示終到區域，包括東南亞（AS3）、東北亞（AS4）、西歐（EU1）和北美（NA1）；Pij表示區域對ij上的所有中轉旅客量；表示區域對ij上的第K類中轉時間；表示區域對ij上第K類中轉時間對應的中轉旅客量；MaxCTij表示區域對ij的最大中轉時間閾值。

4 旅客中轉流程仿真系統設計、校驗及應用分析

4.1 系統設計

根據3.1 節對旅客中轉流程的分析，采用Pro-Model仿真軟件開發旅客中轉仿真系統需設置實體（Entity）、到達（Arrival）、位置（Locations）、流程（Processing）和屬性（Attributes）等建模元素。下面將詳細介紹系統關鍵參數的定義及設置方法。

1）實體

實體是指仿真系統要服務的對象。本文指乘坐國航國內經首都機場轉國際航班的旅客，設置旅客在首都機場T3 航站樓C 區和E 區行走的平均速度為1.5m/s（表1）。

表1 實體參數設置

2）位置

位置是指實體在系統中花費一定時間或資源進行某些特定活動的固定地點或場所。仿真系統位置包括首都機場T3 航站樓C 區的中轉大廳、中轉柜臺、APM 站臺及E 區的檢驗檢疫通道、邊防通道、安檢通道、海關紅色通道、海關綠色通道和候機大廳。相關參數設置如表2 所示，數據來源于首都機場工作人員提供的CAD圖。

表2 位置參數設置

3）到達

到達是指實體進入仿真系統的位置、數量、時間、批次和頻率。此處位置指旅客到達系統的第一個位置，即中轉大廳（Tran_Hall）；數量指每個中轉航班的旅客量；時間指每個中轉航班的進港時刻，為方便描述，以系統仿真開始時刻為統一參考，將所有中轉航班的進港時刻轉化為以分鐘為單位的時間差；批次指旅客進入仿真系統的批量次數，由于旅客需按照計劃的中轉航班統一到達，每個中轉航班的組合航班號為其唯一標識，因此，將旅客批次設置為1；頻率表示前后兩個批次之間的間隔時間，因為僅有1個旅客批次，所以頻率設置為0。數量、時間、批次和頻率所需的數據皆來自OAG 提供的中轉航班時刻表。

4）流程

流程是指仿真系統按照真實情況設置實體的運動邏輯、運動方式、到達行程位置進行的活動及花費的時間，此處是指國航國內轉國際旅客在首都機場T3航站樓的中轉流程。

5）屬性（Attributes）

屬性是指與實體或者位置相關聯的信息，一般為整數或實數。為了方便分析仿真結果，本仿真系統設置TYPE 作為中轉航班的組合航班號的屬性，屬性值表示為1，2，3……n。

4.2 旅客中轉流程仿真系統驗證

系統校驗日定于2018 年7 月16 日，采用OAG提供的國航在首都機場的國內轉國際航班數據對仿真模型進行核實和校正，選取指標為中轉航班量和中轉旅客量。當仿真系統輸出的結果與OAG 數據平臺統計結果吻合時，證明所設計的系統具有可靠性。經驗證：當日全天國內轉國際中轉航班共1187 架次，旅客中轉人數為3622。仿真系統輸出的中轉航班量和中轉旅客量與基于OAG 數據平臺統計的數據吻合。因此，本文所建立的仿真系統能夠一定程度上模擬旅客在首都機場中轉流程動線，為樞紐機場中轉時間分布特性研究提供系統仿真平臺。

4.3 仿真結果分析

本節對首都機場T3 航站樓旅客中轉流程仿真結果進行分析，以IATA服務標準為參考，分析各中轉環節資源服務水平，識別瓶頸環節并分析瓶頸產生的原因。通過連續一整天的仿真運行獲得仿真結果，表3 所示為關鍵中轉資源的服務水平。可看出，除中轉值機柜臺外，首都機場T3 航站樓提供的檢驗檢疫、邊檢、安檢、海關服務水平基本達到IATA 的C 級服務標準。中轉值機柜臺排隊隊列的最小排隊人數為7 人，最大排隊人數高達17 人，遠遠超過IATA 的C 級服務標準。因此，中轉值機環節是影響國航旅客在首都機場中轉的關鍵瓶頸環節。

表3 各中轉服務資源的仿真輸出結果（2018/7/16）

經向首都機場工作人員調查，本文認為在該典型日，T3航站樓E區國際中轉值機排隊隊列過長的主要原因可能是中轉旅客批量到達中轉設施的速率超過了工作人員的服務速率。盡管通過強化培訓可提高值機人員服務效率，但會產生一定的成本［6］。因此，本文提出可通過調整中轉旅客的進港時間分布平衡旅客到達速率和工作人員服務速率不匹配的矛盾。下節將重點從時間區間和區域對兩個維度分析旅客中轉時間分布特性。

5 中轉時間分布特性分析

5.1 基于時間區間的旅客中轉時間分布特性

分析仿真系統輸出的旅客中轉時間，研究基于時間區間的旅客中轉時間分布特性。在仿真系統中，中轉旅客到達中轉大廳后，辦理完一系列中轉手續，到達候機大廳準備登機，因此旅客中轉時間指旅客到達中轉大廳至辦完登機手續的時間。

國航經首都機場的國內轉國際的仿真中轉時間整體分布范圍為［19，439］，考慮到國內學者將大型樞紐機場的國內轉國際航班最小中轉時間定為60min［6］，故以60min 為間隔劃分時間區間，得到各時間區間內的一次中轉航班旅客量分布如表4 所示，占比最多的區間為（60，120］，大約有30%，而約有18% 的旅客的中轉時間介于120min～180min。國際航空協會制定的航班中轉銜接時間標準為60min，國外學者給出的歐洲全服務航空公司在其樞紐機場的所有類型的中轉銜接時間為90min～180min［14］，國內學者給出的國航在其首都機場的國際中轉航班的最小中轉時間和最大中轉時間分別為90min 和210min，與這三類時間相比，國航仍有22.5% 的國內轉國際旅客的中轉時間超過240min，因此，國航在其樞紐機場的中轉能力有待提高。

表4 不同時間區間的一次中轉旅客量分布（2018/07/16）

5.2 基于地理區域對的旅客中轉時間分布特性

乘客能接受的最大轉機時間隨著O&D 距離的增加而增加［10］，即最大中轉時間也與中轉航班的始發區域和終到區域相關。以“東北-東南亞”為例，表示旅客從東北出發，前往東南亞，把這樣的地理區域上的連接稱之為地理區域對。以仿真系統輸出的國航從東北、華北、華南、華中、華東、西北和西南經首都機場中轉至東南亞（AS3）、東北亞（AS4）、西歐（EU1）和北美（NA1）的所有一次中轉航班為例，分析基于地理區域對的旅客中轉時間分布特性，如圖1所示。

圖1 基于區域對和時間區間的一次中轉旅客量分布（2018/07/16）

比較同一個區域對的時間區間發現，旅客中轉時間分布和中轉旅客量分布有較大的差異，以區域對“東北-東南亞”為例。數值最小的中轉時間為29min，位在時間區間（0，60］，數值最大的中轉時間為434min，位于時間區間（420，480］，相差約405min；數值最小的中轉旅客量為4 人，其對應的時間區間為（0，60］和（60，120］，數值最大的中轉旅客量為31 人，其對應的時間區間為（240，300］，相差約27 人。國航在安排同一個區域對的旅客地中轉時間時，并沒有一個統一的標準，導致中轉時間差距大，產生不必要的時間資源浪費。所以在確定一個區域對的最大中轉時間閾值時，不能粗略地選擇中轉時間的平均值作為最大中轉時間閾值，這樣不僅會導致一部分旅客等待時間過長，也會導致另一部分旅客趕不上登機，這兩個結果都會降低旅客對機場的好感度。

同時，根據第2 節的研究，區域對上的中轉時間和它對應的中轉旅客量占比是確定區域對的最大中轉時間閾值的關鍵指標，若兩個指標在各區域對取值有異，意味著各區域對的最大中轉時間閾值存在差異性。以區域對“東北-東南亞”和區域對“華北-東南亞”為例，在時間區間（60，120］內，前者的旅客中轉時間有64min 和119min，對應的中轉旅客量占比分別為2.27%和0.76%，后者的旅客中轉時間有69min、74min、79min 和114min，對應的中轉旅客量占比分別為2.34%、4.65%、2.34%和2.34%，中轉旅客量占比最大相差在3.89%，中轉時間和中轉旅客量占比均不相同，所以國航在各區域對的最大中轉時間閾值存在差異性。

5.3 最大中轉時間計算及結果分析

基于以上分析，表3 計算得到不同始發區域和終到區域的最大中轉時間閾值。由于國航在2018年7 月16 日并沒有提供從華南或者西南區域出發到達東南亞區域的航班，故最大中轉時間閾值為0。從華中出發前往東南亞的旅客的最大中轉時間時間最長，為275.47min，從西北出發前往西歐的旅客的最大中轉時間最短，為68.56min，其余的地理區域對上的最大中轉時間分布在100min～250min之間。

從表5 可看出，與張生潤等［16］采用時間區間和中轉航班量確定MaxCT相比較，采用離散事件仿真方法模擬旅客中轉流程得到的MaxCT 值更精確。當仿真值小于僅考慮時空間特征的MaxCT值時，表示國航未充分考慮旅客可接受的中轉時間，以“犧牲”旅客中轉服務水平換取較多的中轉航班量，在該情況下，航司需考慮設置較小的MaxCT 值，以吸引更多的中轉旅客，增加該區域對單位航班的中轉旅客量。當仿真值大于僅考慮時空間特征的Max-CT 值時，并不代表旅客可接受的中轉時間更長，而反映的是OAG 數據平臺設計樞紐機場中轉航班時刻表時，僅以是否存在直達航班作為構建中轉連接的依據，未考慮其能否轉化為可行中轉產品，實際中，產品轉化需考慮繞行和空域容量限制等現實因素。在該情況下，航司可考慮減小或取消該區域對的中轉航班，將旅客吸引到直達航班或者可行的中轉航班。

表5 不同國內轉國際區域對下的最大中轉時間確定（單位：min）

在國內轉東南亞市場，旅客從國內任何區域出發經PEK 中轉到達東南亞的MaxCT 仿真值均低于330min，西北始發旅客的MaxCT 值最小，華中和東北始發旅客的MaxCT 值最大，二者相差約60min，即西北始發旅客可接受的中轉時間值遠遠低于華中和東北始發旅客，這可能與前序航班飛行時間較長相關。從中轉旅客量分布看（圖1），西北始發中轉旅客人數較少，國航可考慮在國內轉東南亞市場上，在不增加航班的情況下提高西北經PEK至東南亞旅客的中轉服務水平，再利用價格、營銷等市場手段吸引更多的西北始發旅客在PEK 中轉。整體來看，張生潤等［16］方法確定的國內轉東南亞市場的MaxCT值過大，與考慮旅客可接受程度計算得出的MaxCT平均差值高達約84min。

在國內轉東北亞市場，華南、西南和西北始發旅客的MaxCT 仿真值低于150min，而其他國內始發高于150min。前者意味著國航為了在PEK 產生更多的中轉航班量而設置了更長的中轉時間，但超過了旅客可接受的中轉時間，因此降低了旅客服務水平，未來在優化中轉航班時刻表時，應重點考慮華南、西南和西北始發旅客的中轉需求，縮短中轉時間。其他國內始發區域中轉航線在地理空間上存在繞行距離相對大的劣勢，華中和華北始發旅客的MaxCT值超出150min約60min，未來在優化中轉航班時刻表時，可考慮減少這些國內始發區域的中轉航班量，將旅客吸引到直達航班。針對國內轉東北亞市場，本文方法得出的MaxCT值與張生潤等得出的值的平均偏差約37min。

在國內轉西歐市場，各國內始發區域旅客的MaxCT 仿真值均小于未考慮旅客中轉行為的Max-CT 值205min，即經PEK 前往西歐市場的旅客可接受的中轉時間閾值較短，此外，其大多數仿真值也低于其他國際終到區域值，說明國航對中轉至西歐市場旅客的重視，其中商務旅客可能占據較大比例。因此，張生潤等［16］方法確定的國內轉西歐市場的MaxCT值過大，與考慮旅客可接受程度計算得出的MaxCT平均差值高達約78min。

在國內轉北美市場，華中和西南始發旅客的MaxCT 仿真值低于145min，而其他國內始發高于145min，但最大的差值控制在40min 左右。在北美市場，國航需考慮縮短西南始發旅客的中轉時間，滿足其中轉需求，否則可能流失該始發區域旅客。針對國內轉東北亞市場，本文方法得出的MaxCT值與張生潤等［16］得出的值的平均偏差約26min。

綜上，在國內經PEK 中轉東南亞和歐洲市場上，不考慮旅客中轉行為所產生的MaxCT值平均偏差值較大，而在國內轉東北亞和北美市場上，平均偏差值不大。因此，最大中轉時間閾值的確定不僅要考慮始發區域和終到區域、時間區間和中轉航班量等時空間因素，還需考慮旅客在完成航站樓中轉流程中的復雜行為。

6 結語

本文運用離散事件仿真方法研究考慮基地航空公司中轉航班時刻表情況下的樞紐機場航站樓旅客中轉流程仿真，并基于仿真結果研究中轉時間分布特性。所設計的仿真系統涵蓋旅客值機、檢驗檢疫、邊防檢查、安全檢查和海關檢查等中轉全流程，仿真結果可用于分析旅客中轉時間分布特性及識別中轉瓶頸環節。基于時間區間和地理區域兩個角度對仿真得出的旅客中轉時間進行分析，并測算單個始發終到區域對的最大中轉時間。結果表明，采用流程仿真計算得到的基于區域對的最大中轉時間更為精確，考慮了旅客在航站樓中轉的復雜行為。結果可為大型全服務航空公司在其樞紐機場構建航班波系統結構提供參考。