第一章 绪论。
1.1 选题背景及意义。
在经济快速发展的今天，航空旅行以其独特的快速便捷的优势，越来越多的为大众所接受，成为人们出行的重要选择。随着航空运输业高速发展，运营中延误逐渐增多，影响了航空运输的便捷性。以登机为例，根据波音公司的调研，旅客登机时间在过去的数十年里翻了一倍。现在 140 人的国内航班登机用时为 30 分钟至 40 分钟，而上世纪 70年代最多才花费 15 分钟[1].旅客登机的实际速度降低了 50%以上，降至每分钟 9 名乘客。空客也以 A321 机型为例做了相关研究[3],正常航班过站时间如图 1-1 所示，登机过程由于受到登机门、机舱门、机舱通道等约束条件和旅客个体移动能力、旅客间冲突等诸多不确定因素影响，在航班过站时间上占据了最大的比重。对于大型枢纽机场而言，机场本身时刻紧张，设施资源饱和甚至超负荷运行，一个航班的延误会波及到其它航班，减少每个航班的登机时间更为必要。因此，登机效率的提升对于机场提高资源利用率和减少延误等方面具有非常重要的作用。
登机效率的下降不仅降低了机场运营效率，影响了旅客的出行感受，同时也增加了航空公司的运营成本。因登机效率下降产生的成本是巨大的，据 Funk 研究，每分钟的登机成本为 22.38 美元，到了 2008 年每分钟登机成本为 30 美元[5].根据 2014 年中国国际航空股份有限公司年报显示，该年度航班数目为 57.23 万，如果每个航班可以节约一分钟的登机成本（即 30 美元），按此计算，国航每年节省的成本约 1717 万美元。因此，采用适当的登机策略减少旅客登机时间，进而提升飞机运营效率，对于航空公司节约成本和提升顾客满意度等方面具有非常重要的意义。
一直以来，航空公司根据其不同服务水平采取了不同的登机方式，试图缩短旅客登机时间，如美国航空主要采用传统的分组登机方式，美国西北航空公司采用随机登机方式，美国联合航空采用从外到内的登机方式等等[5].近几年来，随着空客 A380 以及波音 B747-8 等大型宽体客机的使用，由于单个航班旅客人数的增加，登机过程要耗费更多的时间。因此很有必要对宽体机的登机问题进行研究，发掘更有效的登机策略，缩短登机时间，进而缩短飞机过站时间。目前对登机问题的研究，多数都是以空客 A320 和波音 B737 等窄体客机作为研究对象，只有文献 [6-10]对于宽体客机的登机策略做了初步的探索。
随着我国民航业的逐步发展，旅客运输量呈上升趋势，因此各航空公司从开始更为广泛地使用宽体客机，同时我国过去十年航空市场迅猛增长，也在很大程度上得益于宽体客机的高使用率。2003 年到 2013 年，北京首都机场至上海虹桥机场这一中国最大规模航线的航班班次增加了 53%.同时，这条航线上宽体客机的航班班次也大幅增长，从2003 年的 47%增加到了 2013 年的 76%[11].民航业的发展不仅促进了宽体飞机的使用率增加，也使得单个飞机搭载旅客的数量不断增加。我国各航空公司不仅引进了波音 B747和空客 A330 等宽体客机，也开始引进空客 A380 等超宽体客机。2011 年中国南方航空引进了中国首架空客 A380 客机，单个飞机搭载旅客数量可达 555 人。单个飞机的旅客搭载数量增加，使得登机时间不断增加，旅客的登机感受也可能下降，因此在宽体客机使用越来越广泛地今天，采取合理的旅客登机策略，对于节省登机时间、节约航空公司运营成本以及提高旅客满意度方面具有更为重要的意义。
本文从分析飞机转场时间的构成着手，阐述了减少登机时间对于航空公司和机场在成本和运营效率方面的重要意义，进而逐步明确了本文的研究背景和意义。试图通过建立元胞自动机模型对宽体客机的登机策略进行深入研究，考虑不同客座率、不同行李分布、不同放行速度等因素的影响，运用仿真模拟，测算不同登机策略的登机时间，寻找不同情境下的最优登机策略。本文还将进行通过对客座率、提前登机旅客数量、行李分布和旅客服从程度等因素的影响分析，阐释不同登机策略的有效性。最后将尝试提出旅客登机实施建议，为航空公司选择有效的登机方式提供有力依据和有价的参考。
1.2 国内外研究现状。
1.2.1 国外研究现状分析。
本文将针对不同情况下的最优登机策略进行研究，因此，我们应对已有文献中对于不同登机方案的比较以及针对某一机型提出的最优登机方式进行全面总结。另外，对于以往学者研究登机策略时所用理论模型、方法和仿真模型的构建以及仿真的实施过程进行全面了解也是十分必要的。
1、用运筹学的方法对于登机问题的研究。
在 2003 年，Menkes H.L.[12]首次提出了干扰的概念，并将干扰分为两类，一种是座位干扰，另一种是过道干扰。干扰最少，登机时间则最短。通过建立一个二元整数规划的模型，对从后先前和从外到内两种登机方式分别按照 3、4、5、6 组四种方式进行计算。
在 2003 年 9 月，美国西部航空亚利桑那州立大学研究人员对于高效的登机策略进行了进一步研究[13].研究人员综合了传统的从后往前（BF）策略以及其它航空公司使用的靠窗-过道（OI）登机模式，提出了一种新的登机模式，称之为倒金字塔（RP）模式。
Menkes H.L.等人[12]运用混合整数非线性规划（MINLP）建模对倒金字塔方式进行研究，运用仿真的方式进行了验证，同时也进行了真人模拟对实验结果进行了校验。
研究中也有一些学者采用了线性规划的方法，对登机策略的优化做了相关的研究。
2006 年，Massoud Bazargan[14]采用线性规划的方式对空客 A320 这一机型登机策略进行研究，将他们提出的线性规划模型与 Menkes H.L.在文献[12]中提出的非线性模型进行比较。线性规划模型计算出相关结果后，又运用仿真进行验证。
2011 年，Majid 等学者[13]用混合整数线性规划的方法对登机问题进行了研究，以总干扰数最小为目标函数，采用遗传算法进行求解，并给出了针对于不同机型的最优登机时间。Eitan 等[16]通过线性规划的方法给出从后先前登机比随机登机节省约 20%的时间。
2015 年，Ching-Chung Kuo[16]建立 0-1 线性规划模型对登机问题进行研究，进而提出了一种更为有效和灵活的登机策略。
2、使用仿真方法对于登机问题的研究。
相对于先提出规划模型再进行仿真验证的研究方式，更多学者选择直接建立仿真模型对最优登机策略进行研究。下面对于主要的国外登机策略仿真研究成果进行介绍。
2001 年，H. Van Landeghem[17]对减少旅客登机时间进行了研究，首先，他在布鲁塞尔机场对登机流程进行实地录像，分析得出旅客登机过程中几个关键因素的参数值，用仿真的方法对随机、全排分组、半排分组、分排、半分排、按字母、以及按照座位登机等 40 余种登机方式进行模拟，从而计算出每一种登机方式下花费的总时间、平均时间以及旅客耗费的平均登机时间。文中给出的旅客登机过程中几个关键因素的参数值为后来多篇文献[5][8][13][14][19][20]等都引用来计算模拟登机的时间。
2008 年，Steffen[20]使用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）最优化算法和计算机仿真的方式提出了一种登机策略。他认为，旅客在登机过程中，主要的时间耗费在摆放行李的过程中。他对两个相邻登机的旅客间隔进行了研究，最终发现每隔 12 个座位，即两排是可以保证同时摆放行李的旅客数量最多的间隔。Steffen 等人又进一步对得出的最优登机方式的鲁棒性进行研究，与其他方法比较后，证明其确实具有时间上的优势，其劣势是由于登机顺序较为复杂，容易坐错座位。2008 年，Steffen[21]又使用统计力学模型对登机问题进行了研究。
2009 年，Ferrari[22]等人针对从后先前、分组、半分组和连续组登机等 10 种登机方式进行仿真，对登机方式的鲁棒性进行分析，认为从后向前的登机方式对于旅客迟到、不遵循分组登机指令这样一些因素的出现有着良好的鲁棒性。
2013 年，Silvia Mas[23]通过建立仿真模型对不同的登机策略进行了比较。尤其是对于中小型客机（空客 A320）、中型客机（波音 B757-200）和大中型客机（Tu-214）三种型号的飞机进行从前向后、从后向前以及随机登机三种模式进行仿真，明确不同登机策略之间存在的时间差异。随后，Silvia Mas 等[23]又针对三种不同大小的飞机，分别对从后向前、从外向内、轮换分组登机、随机登机方式进行了研究。
2013 年，R. John[18]在 Steffen 提出的登机方式[20]的基础上根据旅客随身携带行李数量安排座位，并进行仿真验证，结果登机时间比单纯用 Steffen 登机方法[20]需要的时间要短。
由于近些年来，大型宽体机在民航运输领域越来越广泛的运用，所以学者也开始对于大型宽体机的登机问题做了更为深入的研究。Massoud 等学者[6]运用仿真的方法研究了空客 A380 客机的登机策略问题。文中对于登机门的个数对登机方式的影响进行了深入研究，得出使用两个登机门和使用三个登机门相比不存在显著差异，但是使用一个登机门和使用两个登机门之间存在显著差异。
3、登机方式其他方面的研究。
多数研究都是以机舱门为起点，研究机舱内的登机时间优化，但是 2009 年，第九届瑞士运输研究会议上，Albert[24]提出了预登机区的使用可以加快登机流程。另外多个登机口也可以加快登机速度，登机时间可以缩短 19%左右。
也有学者从机舱设计的角度研究登机方式的优化问题，探索飞机内部设计参数对于登机过程的影响。2007 年，Jorg[7]对于机舱设计进行了研究，来寻求能够最小化登机时间的内部座位设计方案。针对 140-240 座单通道飞机进行设计方面的改进，用小型的双通道客机替代单通道客机，从而达到节约登机时间的目的。通过仿真对比，发现相同座位数的前提下，相比于现有的单通道客机，小型双通道客机确实可以减少登机时间。但是，这样的改变需要飞机的设计和制造方面有更大的突破。2012 年，Christopher[25]研究了飞机座位设计对于登机时间的影响，但是与 Jorg[7]不同，Christopher 针对每排 6 座，共 20 排的机舱提出了四种布局，试图寻求登机时间最短的座舱布局，但是这样的布局往往需要更大的宽度，可能影响飞机的空气动力性能。
还有的学者，如 TieQiao Tang[26],基于对旅客行为特征的考虑提出了登机模型，并将其与随机登机方式、根据旅客座位系列号的登机方式进行对比分析。数值结果表明基于旅客行为的登机方式较优；2012 年，该学者又提出行人跟随模型[27]来解决登机问题，文中计算出了干扰数和由于干扰浪费的时间。2014 年，Budesca[28]等对结伴而行的旅客对登机时间的影响进行了研究，并基于旅客的这一行为，提出一种既可以节省登机时间又可以保持高质量服务的登机方式。
此外，在研究方法上，Steffen 于 2011 年组织真人进行模拟登机[29].试验中 72 名不同年龄的乘客按照 Steffen 提出的登机方式[20],进入 B757 的模拟舱并落座。模拟结果验证了其提出的登机方式确实能有效减少登机时间，但是真人仿真得出的登机时间并没有理论模型计算出来的时间短，Steffen 给出的原因是这可能和旅客在机舱中的行进速度有关。
综上所述，国外对于登机策略的优化研究较多，主要是对空客 A320 和波音 B737等中小机型进行研究，对于大型宽体客机的研究不甚全面。通过建立数学或者仿真模型比较少数几个登机策略的区别，比较范围并不全面。而且，对于优先登机、旅客服从程度等因素对登机时间的影响的研究较少，建立的登机模型只考虑机舱内部的情况，对客座率和舱门口的放行速度等对登机时间的研究甚少。因此，建模和仿真得出的结果可能同现实中的登机时间存在较大的差别。
1.2.2 国内研究现状分析。
相比于国外对于登机流程优化的研究，国内对于这个问题进行研究的学者相对较少，下面对已有的国内对于登机流程优化的成果进行简要介绍。
2007 年，柯源[30]对于登机策略问题进行了分析，首先他运用离散事件模拟登机模型进行研究。他从 47 种登机策略中选取了 8 种具有代表性的，通过模拟，作者提出混合登机方式，将几种方式组合后的登机的平均登机时间较短，但不易于操作。同年，他再次提出利用微分几何模拟的方式[31]对登机问题进行研究。通过对于阻碍旅客行进各因素因果关系的分析，并将登机方案函数分成了三种类型，并求出相应的登机时间解。
2008 年，刘山等[32]提出了双栈并行缓冲模型。这一模型是从后向前和从外向内登机的结合，有效地减少了座位干扰时间，从而减少登机时间。
2008 年，台湾学者韩复华[9]运用双元整数规划的方法对登机问题进行分析。他对波音 B747-400 和空客 A320 两种机型进行研究分析，通过仿真得出结果，对于广体机波音B747-400,非对称性倒金字塔是最佳登机策略；对于窄体机空客 A320,由于组数不同，对应的最优登机方式不同。最后作者对在登机过程中主要的参数值做了敏感性分析，分析干扰参数对于登机策略造成的影响程度。
2009 年，张宇翔等[33]对登机过程进行了建模和仿真优化。通过对模型的分析和仿真，提出了一种新的登机策略，将后向前和从外向内相结合、并与倒金字塔登机策略组合，可以有效地缩短了登机时间。
2009 年，王康等[34]通过遗传算法进行混合整数非线性规划，对登机时间进行最小化的计算。通过仿真，对几个策略进行模拟，分析其中的差异。
2014 年，任新惠等[35][36]补充了登机过程中不同的干扰情形，考虑到了过道干扰的波及现象以及座位干扰的弱化现象，建立模型分别模拟了22种和 34种典型的登机序列。
通过研究发现有组织的登机可以有效减少登机时间，提高登机效率；随着旅客间登机间隔时间的增长，有效座位干扰会逐渐转变为无效座位干扰，过道干扰也会逐渐减少；控制行李数量同样可以提高登机效率。
元胞自动机这一方法在登机问题的研究中运用不多，尚华艳等[37]基于元胞自动机对登机策略进行了研究。文章利用双曲线模型描述乘客放置行李时的过道冲突，提出了过道冲突模型和座位冲突模型。根据元胞自动机仿真原理，建立了乘客登机模拟流程。对7 类 21 种登机策略的模拟结果表明：有序的策略不一定比无序的策略更能提高登机效率。这也是为数不多的采取元胞自动机的方法进行登机过程仿真的文献。
综上，登机问题的研究开始于本世纪初，国外的研究数量多于国内，目前国内外对于登机的研究并不是很多。总体来看，登机策略研究主要集中在对于单通道客机的研究，而且模型中并未考虑实际登机中可能遇到的诸多问题，但是已有研究中提出的各种单通道客机的登机策略为宽体客机登机策略的研究打下了坚实的基础。对于已有登机策略的分析大多数文献只研究登机策略中某几种登机策略，不够全面；而且对于宽体客机的研究非常少。因此，本文对宽体客机的登机策略进行全面的分析研究，并建设性地提出合理的登机策略或是优化原有的登机方式，从而减少登机时间、提升登机效率。
1.3 论文的研究内容。
鉴于旅客登机时间十分有助于缩短转场时间，并且可以在降低航空公司成本和提升机场设备设施运营效率方面具有重要作用。本文通过对宽体客机旅客登机过程的分析，结合元胞自动机的理论特点和应用研究，建立了基于元胞自动机的宽体旅客登机策略模型，并设计了与之对应的仿真系统，并通过 Matlab 仿真软件对其进行实现。
本论文拟从以下四个方面研究宽体客机登机策略问题：
第一，通过对登机过程的分析，结合对已有登机策略进行研究，并归纳总结目前研究登机问题的方法。
第二，对元胞自动机方法的运用深入分析，结合实际登机过程，构建宽体客机登机模型，确定模型中参数，并求出对应参数下的各策略的登机时间。
第三，分析旅客放行速度和机舱门使用情况不同对登机时间造成的影响，并就客座率、提前登机旅客对登机策略进行敏感性分析，并就随身行李数量以及旅客的服从程度进行登机策略的鲁棒性分析。
第四，结合各策略在现实登机过程中的可行性为航空公司提出新的登机策略及其实施的建议。
1.4 论文的主要技术路线。
本文采用的主要技术路线。
