史衛(wèi)國 曹 陽 李清紅

(1.上海交通大學，上海 200240; 2.中國東方航空公司，上海 201100)

0 引言

民用航空運行中，“運行控制”是組織日常生產(chǎn)運行的核心。航空公司運行控制中心除了簽派放行、運行監(jiān)控席位之外，還設(shè)置航班調(diào)配、航務(wù)、性能、情報、氣象等工作崗位。運行控制的核心是控制風險，而航班調(diào)配則是保證日常運行持續(xù)高效的重要環(huán)節(jié)。保持一個航班運行計劃動態(tài)順暢，對于簽派放行監(jiān)控直至整個公司運行平穩(wěn)、旅客出行、航班正點、公司效益都有直接的影響。眾所周知，航空公司的運行會受到惡劣天氣、其他空域用戶活動、飛機故障、機場設(shè)施、旅客原因等各種因素的影響和干擾，這些因素都會造成航班不正常、運行困難、甚至大面積航班延誤。大面積航班延誤、備降或取消，不僅會對公司的經(jīng)濟效益、運行順暢造成極大的影響，更會對旅客出行造成極大的不便，甚至會引發(fā)群體性事件，造成巨大的負面社會影響。

大型航空公司**遇到大面積航班不正常時，在批量取消航班、大量航班調(diào)整以及后續(xù)航班恢復(fù)方面，普遍存在著效率和優(yōu)化度都比較低的情況。因此各公司都在致力于航班智能調(diào)配和恢復(fù)系統(tǒng)的研究。行業(yè)內(nèi)已有部分航司開始研發(fā)航班智能恢復(fù)系統(tǒng)。2019年，某地方航空聯(lián)合阿里云、同濟大學共同研發(fā)了航班智能恢復(fù)系統(tǒng)，運用回旋時空網(wǎng)絡(luò)模型、列生成等人工智能技術(shù)，從航空運行實際出發(fā)，引入旅客、機場、維修計劃、運行限制等變量，提供航班恢復(fù)方案。

本文介紹了某國內(nèi)大型航空公司在不正常航班恢復(fù)系統(tǒng)方面的建設(shè)和應(yīng)用的情況。該航司通過引進美國世博公司(Sabre Solution)的航班恢復(fù)系統(tǒng)(recovery manager system，簡稱RM)，建立客戶化數(shù)據(jù)模型，形成系統(tǒng)自動化航班調(diào)配和恢復(fù)，提高航空公司航班調(diào)配的品質(zhì)和效率，通過實際案例場景的應(yīng)用，驗證大型航空運輸企業(yè)自動調(diào)配系統(tǒng)和航班恢復(fù)系統(tǒng)的實用性。

1 航班恢復(fù)亟需解決的關(guān)鍵問題

面對日益突出的不正常航班問題，社會各方面呼吁航空公司盡快采取有效解決措施，盡量彌補惡劣天氣等因素對航班運行造成的干擾，盡快制定有效的航班調(diào)整優(yōu)化方案和航班快速恢復(fù)方案，確保旅客權(quán)益受到保障，同時也有利于航空公司運行秩序的快速恢復(fù)。

在日常航班運行不正常期間，航空公司運控中心調(diào)配部門負責3個日歷日內(nèi)航班的調(diào)配工作，根據(jù)運行情況及時合理調(diào)整運力，盡可能地縮小不正常航班對整體運行計劃的影響，保證重點航班正常。不正常航班的處置方法包括：推遲起飛時間、更換飛機、合并航班、取消航班、次日補班等。該航司目前使用Sabre公司MM系統(tǒng)，對公司航班進行動態(tài)調(diào)配。尋找航班調(diào)配方案的過程類似于“搭積木”的方式，如圖1所示。

圖1 Sabre公司MM系統(tǒng)界面

在航空公司實際運行中，航班臨時調(diào)配時涉及機組資源(飛行機組、乘務(wù)、空保)、飛機資源、地面服務(wù)等多家單位，靠人工操作擬定調(diào)配方案，工作負荷加大，調(diào)配效率不高。

經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2018年(1月-10月)該航司總部調(diào)配席位工作負荷最大值發(fā)生在旺季生產(chǎn)的7月-8月，日均取消航班32班，日均調(diào)整航班預(yù)飛時間248班次，日均調(diào)整航班機型機號327班次；工作最低值發(fā)生在10月份，日均取消航班3班，日均調(diào)整航班預(yù)飛時間85班次，日均調(diào)整航班機型機號241班次，如圖2～圖4所示。

圖2 總部調(diào)配席位日均取消數(shù)

圖3 總部調(diào)配席位日均調(diào)整預(yù)飛數(shù)

圖4 總部調(diào)配席位日均調(diào)整航班量

通過以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，大型航空公司每天航班調(diào)配量十分大。人工調(diào)配存在以下缺點：

1)大量人力資源的投入。根據(jù)每天2 600個航班、700架飛機的運行，目前部分航空公司采取分機型、分區(qū)域進行調(diào)配，每塊區(qū)域、機型配備一整套航班調(diào)配人員。這大大增加了人力成本，并且增加了調(diào)配難度，跨機隊之間的調(diào)配變得復(fù)雜或者容易忽略；

2)費時、費力、效率低。Sabre MM系統(tǒng)尚不具備自動告警航班延誤并尋找調(diào)配方案的功能，需要人工實時瀏覽系統(tǒng)。有時找到一架飛機可以臨時使用，但進一步會簽評估時會發(fā)現(xiàn)沒有注冊或者不滿足所飛航線的一些限制要求，又要重新尋找調(diào)配方案，降低工作效率；

3)調(diào)配方案合理性、優(yōu)化程度不高。在日常運行中，航空公司首先考慮運行安全，在此基礎(chǔ)上面臨航班正常性和收益兩個方面的選擇。目前的調(diào)配方案沒有數(shù)據(jù)支持進行多維度的最優(yōu)方案的選擇。

對于機隊規(guī)模龐大的航空公司，在有效恢復(fù)航班方面存在許多的困難和問題，具體表現(xiàn)在三個方面。一是飛機資源緊缺，雖說機隊規(guī)模龐大，絕對資源充足，但是受到飛機利用率指標和市場的影響，航空公司的航班計劃編排十分緊湊，很少保留備份飛機閑置；二是機組調(diào)配復(fù)雜，大型航空公司大多有很多分公司，機型多樣，運行的特點也大不相同，大大增加了航班調(diào)配的復(fù)雜性；三是系統(tǒng)支撐不足，目前國內(nèi)大型航空公司對于航班調(diào)配都建立了相應(yīng)的系統(tǒng)支撐，但需要人工進行組合排序?qū)ふ曳桨?，對于航班智能恢?fù)，尚未有較為成熟的系統(tǒng)支撐。

2 典型場景下的航班恢復(fù)算法研究

2.1 航班恢復(fù)模型建立

2.1.1 航班恢復(fù)場景

場景1：實時監(jiān)控航班運行動態(tài)，對于預(yù)計造成延誤的航班，根據(jù)不同的要求，自動讀取航班調(diào)配各要素數(shù)據(jù)庫，計算航班優(yōu)化結(jié)果，輸出相應(yīng)的航班調(diào)配方案，供調(diào)配人員最終確認。如圖5所示，方案A至H是針對不同機隊范圍和運行方式，采取分別計算預(yù)計的盈利和延誤時間，根據(jù)需求目標，最終運行調(diào)配人員評估輸出的各個不同的方案，確認選擇一個符合公司運行實際的方案執(zhí)行。

圖5 航班恢復(fù)場景1邏輯示意圖

方案ACE：航班利潤-賠償費用*旅客人數(shù)(優(yōu)先選取延誤時間較短方案)

方案BD：航班利潤(優(yōu)先選取方案B)

方案F：航班利潤-賠償費用*旅客數(shù)-(調(diào)機起降費+調(diào)機油耗)

方案G：0

方案H：航班利潤-賠償費用*旅客數(shù)-住宿費。

場景2：根據(jù)預(yù)報的天氣情況、空管流量限制情況，提前主動調(diào)減航班總量，計算成本損失最小的航班結(jié)構(gòu)，輸出相應(yīng)的航班調(diào)配方案，供調(diào)配人員最終確認，如圖6所示。

圖6 航班恢復(fù)場景2邏輯示意圖

2.1.2 自動調(diào)配示意圖

常用調(diào)配模塊：

1)換飛機；

2)換機組；

3)換機型；

4)調(diào)機；

5)延誤改時；

6)取消合并(含聯(lián)程改直飛)；

7)取消補班。

每次調(diào)配都要滿足：

1)飛機銜接最低過站時間；

2)飛機符合運行規(guī)范C0039；

3)飛機滿足航線要求(ETOPS、PBN、無障礙設(shè)施)；

4)飛機已在當?shù)刈裕?/p>

5)機組銜接最低過站時間；

6)機組滿足飛行、值勤時間要求；

7)機組滿足航線要求(二類)；

8)機場滿足宵禁限制；

9)機務(wù)代理能力(若無，則需安排跟班機務(wù))；

10)滿足旅客訂座情況。

航班恢復(fù)校驗邏輯如圖7所示。

圖7 航班恢復(fù)校驗示意圖

2.1.3 調(diào)配限制要素庫

調(diào)配限制的要素包括飛機屬性、機場基礎(chǔ)信息、機組資質(zhì)和時間要求、航線運行要求、航班批復(fù)、航班訂座與成本收益等。

CCAR121R5[1]中相關(guān)機組時間規(guī)定：

1)飛行機組

CCAR121R5第121.487條[1]對飛行機組的累積飛行時間、值勤時間限制做了明確規(guī)定，如表1～表4所示。

表1 飛行機組累計飛行/值勤時間限制

表2 飛行機組執(zhí)行任務(wù)時規(guī)定的飛行時間限制

表3 非擴編飛行機組運行最大飛行值勤期限制

表4 擴編飛行機組運行最大飛行值勤期限制

2)客艙機組

CCAR121R5第121.491條[1]對客艙乘務(wù)員的飛行值勤期限制做了明確規(guī)定，如表5和表6所示。

表5 客艙乘務(wù)員的飛行值勤期限制

表6 客艙乘務(wù)員的累計飛行值勤期限制

航線運行要求包括飛機MEL限制航線要求、延伸跨水運行要求機上配備救生筏，高高原、ETOPS和極地運行要求，釋壓航線供氧要求，部分航線強制要求ADSB、衛(wèi)星通訊、PBN、二類運行資質(zhì)、WIFI配備等。此外，還有部分地區(qū)無障礙設(shè)施要求，如北美地區(qū)運行規(guī)定：《無差別對待殘疾旅客航空服務(wù)規(guī)則》中《客艙內(nèi)輪椅存放規(guī)則》，要求航空公司飛機客艙進行相應(yīng)改造以滿足要求。

2.2 引進系統(tǒng)對接應(yīng)用

該航司積極推進智能恢復(fù)系統(tǒng)研發(fā)的進程，與Sabre公司合作，啟動了航班恢復(fù)系統(tǒng)(RM系統(tǒng))的開發(fā)項目。2019年9月該項目啟動，2020年2月，確定關(guān)鍵場景和參數(shù)，4月完成參數(shù)設(shè)置和模型驗證；6月15日-18日，完成全員第一次培訓(xùn)；6月19日，Sabre公司完成RM上線準備；6月29日，該航司完成RM上線準備；7月1日開始試運行。

同時MM系統(tǒng)的如期升級，為RM系統(tǒng)上線打好基礎(chǔ)，2020年3月5日，MM系統(tǒng)從9.6版本升級到9.8.1版本，2020年6月10日，MM系統(tǒng)從9.8.1版本升級到9.9.0版本。

通過系統(tǒng)的升級完善，該航司的RM系統(tǒng)具備了對大批量航班恢復(fù)的應(yīng)用能力，可以實現(xiàn)機場關(guān)閉(臺風場景)、飛機故障、機場流量限制等條件導(dǎo)致飛機銜接不順暢時的快速恢復(fù)。

3 臺風場景應(yīng)用實踐

當遇到臺風影響，機場不適航時(等同于機場關(guān)閉)，公司就需要大批量地取消航班，后續(xù)還要對飛機、機組重新銜接，機場恢復(fù)后的補班作大量優(yōu)化調(diào)整工作。本文以2020年4號臺風應(yīng)對場景為例，分析探討RM系統(tǒng)在應(yīng)對機場關(guān)閉(臺風場景)時的實際效果。

2020年的4號臺風“黑格比”于8月1日20時獲得命名，隨后一路向西北方向移動，強度逐漸加強，于8月3日14時許被中央氣象臺升格為臺風，并于8月4日凌晨3時30分前后以近巔峰強度在浙江省樂清市沿海登陸，登陸時中心附近最大風力有13級(38 m/s)，隨后其縱穿浙江、江蘇兩省，于8月5日6時許由江蘇鹽城移入黃海海面并再度增強，8月6日早上5點，中央氣象臺對其停止編號，如圖8所示。

圖8 “黑格比”路徑圖

4號臺風黑格比登陸后，強度未迅速減弱，于8月4日傍晚開始影響上海虹橋機場和浦東機場的運行，直至5日清晨，影響逐步結(jié)束。該航司積極應(yīng)對此次臺風，先后召開了五次決策會，最終判斷8月4日19時-8月5日06時，上海兩大機場天氣不適航，決定所有航班不運行，原則上均取消，對于飛機在外站的，安排補班或調(diào)機返回上海。

RM系統(tǒng)在此次場景的應(yīng)對中，核心目標是根據(jù)公司《臺風應(yīng)急處置預(yù)案》，按照《臺風場景分組航班恢復(fù)處置檢查單》要求操作，提供量化數(shù)據(jù)，支撐公司預(yù)先決策。按照以下步驟實施：

1)提前12 h～24 h，分析出整體預(yù)案，供公司決策

8月3日晚間，根據(jù)公司氣象席位預(yù)報：浦東機場4日20時-5日06時，間歇性中雨，短時大雨，期間最大陣風9級～10級；虹橋機場4日19時-5日05時，間歇性中雨，短時大雨，最大陣風10級～11級。因此設(shè)定RM系統(tǒng)的關(guān)鍵條件如下：浦東機場4日20時-5日06時關(guān)閉，虹橋機場4日19時-5日05時關(guān)閉。使用RM模塊，在8月3日制定預(yù)案，預(yù)案報告如圖9所示。

圖9 黑格比臺風第1次總體調(diào)整預(yù)案報告

2)提前 6 h～12 h，發(fā)布整體預(yù)案

8月4日上午，根據(jù)最新的臺風走向趨勢和天氣預(yù)報，公司維持3日晚間的預(yù)策略，結(jié)合RM系統(tǒng)生成的第1次總體調(diào)整預(yù)案報告，決定按既定策略進行航班的調(diào)整和恢復(fù)。8月4日上午11時，根據(jù)公司要求和決策，調(diào)配員再次使用RM，按照檢查單要求制定好方案，將公司所有航班數(shù)據(jù)校對完畢后實施發(fā)布。具體調(diào)整方案如圖10所示。

圖10 黑格比臺風最終調(diào)整方案報告

3)根據(jù)實際情況，持續(xù)微調(diào)預(yù)案

總體方案發(fā)布后，運行調(diào)配部門根據(jù)機組、機務(wù)等相關(guān)部門實施方案后的銜接不順暢情況，持續(xù)調(diào)整，直到所有航班銜接順暢。

此次該航司應(yīng)對4號臺風黑格比，通過RM系統(tǒng)制定總體調(diào)整和恢復(fù)方案，整體用時35 min，共批量取消上海兩大機場航班164班，安排補班60班，產(chǎn)生調(diào)機3班，更換機型35班，更換機號132班，產(chǎn)生延誤航班21班(其中2 h以內(nèi)延誤20班，2 h～4 h延誤1班)。

對比2019年相似臺風9號利奇馬的應(yīng)對，當時對上海兩大機場影響時間為20 h，較黑格比影響時間長9 h，同時考慮疫情對航班量的影響，根據(jù)同期航班總量的加權(quán)平均計算，推算出工作量的比例為1∶1.25。2019年該航司在應(yīng)對9號臺風利奇馬時，共批量取消上海兩大機場航班402班，安排補班92班，產(chǎn)生調(diào)機6班，更換機型60班，更換機號380班，共耗費時間4 h 50 min。

由此可見，RM系統(tǒng)在大批量的航班調(diào)減和恢復(fù)方面，效率遠高于傳統(tǒng)的航班調(diào)配系統(tǒng)，符合大型航空運輸企業(yè)的運行需求。

4 結(jié)論

在航班智能恢復(fù)方面，該航司此次應(yīng)對4號臺風時，Sabre公司的RM系統(tǒng)的應(yīng)用體現(xiàn)出以下優(yōu)點：1)可快速對公司整個機隊進行取消、延誤、換飛機/機型操作，較以往手工方式縮短2 h；2)實現(xiàn)較少的人力投入；3)方案更優(yōu)化，兼顧航班延誤、取消成本等，較以往平均每個受影響航班減少延誤30 min，減少相應(yīng)的成本2萬元，提升整體航班正常率3%～5%。同時，在運行實踐中也發(fā)現(xiàn)目前RM系統(tǒng)應(yīng)用的一些運行風險和短板，譬如：1)受限于系統(tǒng)算法，如果進行全機隊所有飛機同時進行調(diào)配，系統(tǒng)運算速度急劇減慢，效率降低。因此要區(qū)分機隊、執(zhí)管單位進行驗算；2)機組、旅客保護、機務(wù)等下游系統(tǒng)接口的自動功能缺失，需要人工完成航班調(diào)整后的大量工作；3)系統(tǒng)可以進行批量航班取消、調(diào)整，但是一旦發(fā)布后，基本上不可逆轉(zhuǎn)，只能微調(diào)。因此對操作人員能力要求高，熟練掌握需要一定時間。隨著人工智能算法的發(fā)展，筆者嘗試結(jié)合優(yōu)化的航班恢復(fù)理論，使用蒙特卡洛樹搜索算法，通過建立航班結(jié)構(gòu)樹進行搜索、擴展、模擬、回溯，快速尋找最優(yōu)方案，努力朝著實現(xiàn)RM系統(tǒng)國產(chǎn)化、自主化的方向邁進。

隨著民航整體機隊規(guī)模擴大、航線增多，系統(tǒng)智能化的運行控制，可提高安全裕度、提升運行品質(zhì)、提高運行效率、降低人力成本，促進民航高質(zhì)量發(fā)展。