機場智能無人行李輸送系統的仿真和分析

文/鄒剛 劉志洋 李陽

以首都國際機場T3航站樓國際到港航班的行李輸送為研究對象，基于自動調度與無人輸送車協同的方案構建了調度邏輯，完成了仿真模型建模。通過對仿真結果的統計與分析,獲得了系統性能指標，并定量分析了航班泊位、滑行等因素對行李輸送任務的影響。

引言。

首都國際機場業務繁忙,旅客吞吐量大。在高峰時間，單日到達T3航站樓的國際航班可達140架以上，旅客人數超過4萬行李數量超過3萬件。通過對航班到港時間的數據分析可知，在4點至6點、10點至12點、14點至16點左右會迎來到港航班的高峰。為實現到港、中轉的行李能準時送達，負責行李輸送的工作人員經常需要在深夜、凌晨進行高強度的工作。作為大型樞紐機場，機場還需要培養相當數量的有經驗的調度員，以24小時輪班的方式，完成行李的輸送任務。隨著無人駕駛、智能化技術的發展，可以預見在不久的將來，無人輸送車必將替代現有的行李運送車輛，實現行李輸送的自動化、智能化運行，進而大幅度降低勞動強度，降低人工成本。

1.概述。

現有國內機場，仍采用傳統的人工駕駛行李運送車輛進行行李的運送，調度行李運送車輛的方式通常為：電腦接收行李運送任務，調度員依靠經驗人工派單，人工駕駛輸送車輛完成行李運送。本文采用自動調度、無人輸送車的技術方案，以首都國際機場T3航站樓進港航班行李輸送為研究對象，構建了無人輸送車自動調度邏輯，完成了系統仿真建模。通過仿真分析,計算出行李任務完成時間、首件行李至上包臺時間、輸送車數量等指標，并分析了航班泊位引導、滑行對行李輸送的影響。圖1為機場測試的無人行李輸送車。

圖1在機場測試的無人輸送車

國內外關于機場行李運送仿真方面的論文，主要著眼于對機場現有行李輸送系統的仿真分析。作者陸迅在《機場行李流程仿真建模和分析》中以Petri網為建模工具，應用事件調動仿真策略，完成了浦東國際機場行李流程的仿真。仿真模型得出行李流程的行為特性[1]。作者袁潘峰在《樞紐機場的中轉行李流程仿真分析》中，對浦東機場T1中轉行李流程進行建模仿真,提出系統的瓶頸在行李分揀及普通中轉行李的再托運階段[2]。作者晏曉東在《機場特種車輛調度問題研究》中，分別進行了靜態調度和動態調度的研究。在靜態調度中，選擇節約值算法和改進型最鄰近算法進行路徑優化。在動態調度中，設計了基于規劃時間窗的車輛實時調度算法，將動態問題轉化為多個靜態問題[3]。作者邢志偉在《基于Flexsim的機場場面交通仿真》中，構建了機場場面交通仿真系統，找出機場場面交通運行瓶頸所在[4]。Caterina Malandri在《A Discrete Event Simulation Model for Inbound Baggage Handling》中以意大利Bologna Marconi機場為背景，完成入境行李處理系統的仿真，分析了系統的瓶頸[5]。Juan Pablo Cavada在《A simulation approach to modeling baggage handling systems at international airport》論文中以智利的圣地亞哥機場為研究對象，從旅客行李托運、行李安全檢查、分揀、運送搬運至航班的過程進行了整體的仿真建模與分析，評估了行李處理系統的能力、分析了柜臺行李托運錯誤對系統的影響、提出了行李傳送帶的平衡策略和應對系統故障的策略[6]。

2.行李輸送系統仿真模型設計

2.1 仿真模型假設。仿真模型做出如下假設：1）航班的進港時刻按照指數分布生成。2）由于國際進港航班中散裝行李很少，假設進港航班行李全部為集裝箱行李。3）進港航班按照“飛機由距離跑道近的一側，距離短或轉彎較少的滑行線進入機位”的原則進入機位。4）考慮航班飛機對輸送車的影響及輸送車之間的相互影響，不考慮人員、機場內其它車輛對行李輸送任務的影響。

2.2 仿真模型組成。仿真模型在AutoMod仿真軟件的平臺上搭建。

2.2.1 靜態模型。完成了航站樓、機位、行李上包臺、登機橋、下穿道路等實物的1∶1靜態模型建模，見圖2。

圖2系統仿真模型

2.2.2 線路車輛。無人輸送車行駛路線根據《首都機場航空器活動區道路交通圖》繪制。道路限速依據《北京首都國際機場航空器活動區道路交通規則》設定，分為50km/h、40km/h、25km/h、15km/h、5km/h等5種情況。

2.2.3 調度邏輯。調度邏輯部分主要用于行李輸送任務的分配和輸送車的調度，采用了活動掃描法全局視角進行構建，按照如下原則進行調度邏輯的設計：1）輸送車需提前到達指定機位等待行李，避免出現航班行李等待行李運送車輛的情況；2）用盡量少的輸送車完成行李輸送任務。上述兩條原則相互制約，最終使輸送車的數量在合理的范圍內。

調度邏輯采用AutoMod軟件中集成的最短路徑算法進行路徑選擇。

2.3 仿真模型輸入

2.3.1 進港航班機位。通過對首都國際機場負責國際航班業務的某航空公司，2018年業務最繁忙的10月份數據進行統計，10月11日15∶00至16∶00進港航班數量達到最大值，見圖4。

考慮到仍有其它航空公司負責少量的國際進港航班，仿真模型以20架/h進港國際航班為仿真模型的輸入。

2.3.2 進港航班集裝箱及行李數量。圖4中17架進港航班旅客數量為4460人。參考《機場行李流程仿真建模和分析》（陸迅）中“浦東機場一號航站樓現場調查的結果表明：國際旅客平均77%交運一件及以上行李，其中一件行李的占56.7%，2件行李的占19%，三件及以上的占1.3%”[1]。可以認為：國際航班中每個旅客托運一件行李。依據數據等比放大，20架進港航班攜帶的托運行李為5250件行李。采用三角分布生成每個航班搭載的集裝箱數量，參數為：低限為10、上限為25、眾數為15。航班考慮容積、配重等因素，通常按一定比例將集裝箱分置在飛機的前后艙。根據調研情況，模型中飛機后艙存放AKE的數量為AKE總數量的70%的取整值。

圖3自動調度總流程圖

圖4進港國際航班數量分布

2.3.3 設備輸入數據

2.3.3.1輸送車。仿真模型中，輸送車的輸入數據如下：1）每個輸送車一次運載1個集裝箱；2）輸送車載重時最大速度20km/h，空載時最大速度25km/h。

2.3.3.2集裝箱卸載設備。集裝箱卸載設備負責將集裝箱從航班上卸載。在仿真模型中，設置如下參數：1）集裝箱卸載設備從航班后艙轉移至前艙的時間服從（8min，12min）區間上的均勻分布。2）兩個集裝箱一組，第一個集裝箱從航班貨艙滑出至準備平移至輸送車的時間服從三角分布（45s，50s，55s）；兩個集裝箱間隔時間服從三角分布（15s，20s，25s）。3）集裝箱水平滑至無人輸送車上并固定的時間服從三角分布（12s，15s，20s）。4）輸送車上解除集裝箱的固定并卸載的時間服從三角分布（12s，15s，20s）。

2.3.4 航班泊引影響。進港航班泊引進入部分機位時，將在輸送車行駛路線上產生禁行。模型中設定，航班泊引進入機位產生的禁行時間服從（3min，5min）區間上的均勻分布。

2.3.5 航班滑行影響。《北京首都國際機場航空器活動區道路交通規則》中規定：“遇有航空器滑行或拖行時，必須在航空器一側50米外避讓，不得在滑行的航空器前200米內穿行或50米內尾隨；”。仿真模型中，對20架進港航班進入機位，對輸送車行駛路線產生的道路禁行進行了分析。通過分析，20個航班中有11個航班會在輸送車行駛路線上產生禁行，共涉及6個路段。仿真模型中加入了上述影響。

4.試驗設計及結果分析

4.1 試驗設計。試驗設計如下：1）考慮航班泊引、飛機滑行影響，在任務不變的情況下，采用隨機輸入，運行仿真模型10次，分析輸送車使用數量、行駛里程、任務時間等系統指標；2）分別屏蔽航班滑行、泊引的影響，分析兩者對系統指標的影響。

4.2 結果分析

4.2.1 系統指標分析。運行仿真模型10次，輸送車數據見表1。

表1無人輸送車數據統計

采用自由度為9的t分布，99%的置信區間，系統使用輸送車的數量為（142.7，149.3）輛，輸送車平均行駛里程為（13.4，14）km。仿真結果顯示：輸送車最大行駛里程為23.1km，無人輸送車的承載行駛里程與總行駛里程的比值在（43.2%～51.9%）之間，平均值為47%。表2中為航班對應的首件行李完成時間、行李任務完成時間。

表2航班行李輸送任務時間

通過分析可知：1）首件行李至上包臺最短時間為（11.9min，12.1min）（95%置信區間），對應A36機位；最長時間為（18.9min，19.3min）（95%置信區間），對應B52機位；2）需傳送集裝箱的數量和航班停靠的機位，基本決定了輸送車總的行駛里程和總的帶載行駛里程，但航班泊引、滑行的影響，會造成航班行李運送任務完成時間的波動。

4.2.2 航班泊引影響分析。圖5為在任務量不變，加入航班泊引影響與無航班泊引、滑行影響的任務完成時間對比圖。

圖5泊引影響分析任務甘特圖

分析圖5，在有航班泊引影響下20個航班中有7個航班行駛運送任務延遲（3.3%～9.3%，平均6.4%）,有1個航班行李運送任務提前（3.3%）。

4.2.3 航班滑行影響分析。圖6為在任務量不變，加入航班滑行影響的模型與無航班泊引、滑行影響的任務完成時間對比圖。

圖6航班滑行影響分析任務甘特圖

分析圖6，在有航班滑行的影響下20個航班中有3個航班任務延遲（5.1%、5.1%、6.7%），有2個航班任務提前（3.8%、4.7%）。與圖5比較可以看出，航班滑行對行李運送任務的影響小于航班泊引造成的影響。

5.總結。

以首都國際機場T3國際進港航班行李運送任務為需求，基于自動調度、無拖掛無人輸送車的技術方案，通過分析機場在高峰時段的進港航班、旅客和行李等數據，明確了模型的輸入，并在模型中加入了航班泊引、航班滑行的影響。通過仿真結果分析，獲得了系統的總體性能指標,及航班泊引、航班滑行對進港航班行李運送任務影響的定量分析結果。