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硕士论文飞机排班算法的研究与实现
硕士论文-飞机排班算法的研究与实现
南京航空航天大学
硕士学位论文
飞机排班算法的研究与实现
姓名：
于海波
申请学位级别：
硕士
专业：
交通信息工程及控制
指导教师：
夏洪山
20070101
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
民航飞机排班问题是航空公司生产运营过程中的一项重要工作，其解决的好坏直
接影响到航空公司的安全和效益。
因此，在目前民航信息化的大背景下，如何使用合
适的算法实现飞机排班的计算机化，并合理有效的进行飞机排班，是国内航空公司提
高竞争力和成本控制的重要内容。
本文将进化算法引入飞机排班问题，研究并实现了基于离散型粒子群算法的飞机
排班系统。
论文首先分析了飞机排班的基本过程，给出了飞机排班的基本数学模型以
及在多种因素限制下的数学模型。
在分析目前几种典型飞机排班算法特点的基础上，
对其性能进行了分析对比。
考虑到各种算法的优缺点和飞机排班问题本身的各种特点，
本文选择了在解决组合优化问题方面具有较好效果的离散型粒子群算法对排班过程进
行优化，并着重研究了飞机排班（FleetAssignment）算法的实现技术。
根据目标函数
建立飞机排班的算法数学模型，利用离散型粒子群算法对其进行优化。
首先，根据飞
机排班问题的属性以及各种限制和约束，定义了离散型粒子群算法中对应的各个参数
和进化过程中的运算规则，通过航班节交换操作来产生运动过程中粒子在各个维度上
的速度，同时通过引入排斥算子增加粒子的多样性，以保持个体的进化能力。
然后建
立了基于离散型粒子群算法的飞机排班模型，并讨论了基于离散型粒子群算法的飞机
排班的流程、系统基本构成和各个功能模块的设计与实现。
本文最后对系统性能进行
了分析和评估，并提出了进一步改进建议。
关键词：
飞机排班，组合优化，离散型粒子群算法
i
飞机排班算法的研究与实现
ABSTRACT
FleetAssignmentisoneofthemostimportantpartsofthemanagementofAirline
Company.Theresultoftheassignmentdirectlyaffectstheprofitofthecompany.Therefore,
howtoautomatethefleetassignmentusingappropriatealgorithmandsolvingthefleet
assignmentproblemmorereasonableandeffectivelycomestobeanimportantjobof
domesticairlinetoenhancecompetitionandtocontrolcost.
ThisthesisintroducesDiscreteParticleSwarmOptimizerDPSOAlgorithmtosolve
thefleetassignmentproblem.Firstly,thecharacterizationofthefleetassignmentis
analyzed.Thenitpresentsthebasicmathematicalmodelofthefleetassignmentproblem
andsomeothermathematicalmodelswithdifferentconstraints,andespeciallythe
realizationtechnologyoffleetassignment.Thenthethesisanalyzesseveraltypical
algorithmswhichhavebeenusedtosolvethefleetassignmentproblemandcontrastthem
witheachother.Inconsiderationofthedatasizeandtheconstraintsoffleetassignment
problem,wechoosetheDPSOalgorithmwhichhasbeenusedtosolvemanyCombinatorial
Optimizationproblemsandwasprovedtobeeffectively.Firstly,wedefinetheparameters
andtheoperatingprinciplesofDPSOalgorithminviewoftheattributesandconstraintsof
thefleetassignmentproblem.Thenwemakeuseoftheflight-swappingoperationto
generatethespeedofparticleineverydimension,andintroducetherepulsionoperatorto
maketheparticlemorevariousandkeeptheevolutionaryabilityoftheparticle.Afterthese
definitions,webuildthemathematicalmodelofthefleetassignmentsystemusingDPSO
algorithmandrealizethesystem.Thenwepresentthemainframeofthesystemand
introducetherealizationanddesignofeverymodule.
Intheendofthedissertation,weanalyzeandassesstheperformanceofthesystemand
givesomefurthersuggestionstoimprovingthesystem.
KeyWords:
FleetAssignment,CombinatorialOptimization,DiscreteParticleSwarm
OptimizerAlgorithm
ii
南京航空航天大学硕士学位论文
图清单
图2.1航空运输生产计划生成流程图..........................................................................4
图3.1蚂蚁算法求解飞机排班问题流程图................................................................15
图3.2航班节网络模型示意图....................................................................................18
图3.3模拟退火算法流程图........................................................................................22
图3.4粒子群算法求解飞机排班问题流程图............................................................25
图3.5遗传算法基本原理图........................................................................................26
图3.6遗传算法求解飞机排班问题流程图................................................................29
图4.1航班节交换示意图............................................................................................39
图4.2航班节交换流程图............................................................................................40
图4.3基于离散型粒子群算法的飞机排班系统流程图............................................44
图5.1飞机排班在FOR系统中的作用.............................................................45
图5.2机队信息设置界面............................................................................................47
图5.3飞机基本参数设置界面....................................................................................47
图5.4航班信息管理界面............................................................................................48
图5.5飞机排班主界面................................................................................................49
图5.6GANNT图管理飞机排班计划.........................................................................49
v
承诺书
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进
行研究工作所取得的成果。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，
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作者签名：
日期：
南京航空航天大学硕士学位论文
第一章绪论
随着我国经济快速稳定的发展和人民生活水平的提高，中国民用航空业高速发展，
在国民经济建设中的地位也越来越重要。
中国民航也从2002年国务院进行的民航体制改
革后迎来了历史上发展最快的时期。
然而近年来，民航业不断出现新的趋势，民航运输业行政性垄断的打破，低成本航
空的兴起，国家开放程度的提高，市场竞争也日趋激烈。
特别是中国加入WTO后，根据
WTO有关规定，中国需要逐步开放国际航权，多年来一直对中国航空市场虎视眈眈的国
际航空的巨头们将全面加入中国航空市场的竞争，而这些大牌的航空公司在资源、技术、
管理、人才等许多方面的实力远超过中国航空公司。
要想在未来的市场中赢得竞争趋势，就需要对民用航空运输业有一个清晰的把握。
知识经济的迅速发展和市场体系的逐渐开放带来了各个行业的市场一体化、竞争国际化。
中国民航要想在国际竞争中占有一定优势，必须从提高自身的竞争力开始。
除了提高优
质的服务，还需要通过降低成本，提高民航管理的信息化程度。
对于航空公司运营而言，
飞机运行的费用占据总营运成本相当大比例，因此如何有效运用机队资源是各家航空公
司急需解决的问题。
具体的说，就是在飞机排班过程中，既要符合民航总局相关飞行规
定以及飞机排班诸多限制条件，又要考虑尽量减低成本，编排可执行的飞行计划。
1.1国内外研究现状及趋势
飞机排班一直是航空公司在生产计划方面的重要课题，是航空公司运行控制中的重
要内容之一。
飞机飞行计划的制定涉及到飞行安全和航空公司机队资源的有效利用，同
时必须遵循中国民航和航空公司为飞机运行所制定的规章制度。
鉴于飞机排班数据量大、
规则限制多等特点，将飞机排班操作计算机化，使用计算机进行飞机排班，可以显著提
高排班效率和正确率，降低飞行成本，从而提高整个航空公司的航班运行效益和飞行管
理水平。
国外自70年代起，就开始有研究机构和团体对机组运行控制问题进行研究。
目前
[1]
从事与机组控制有关的研究团体主要有三类：
1国际性研究团体，主要包括国际航空运输协会（IATA,InternationalAirline
TransportAssociation）、国际运筹学联合会的航空公司工作组（AGIFORS,AirlineGroup
forInternationalFederationofOperationResearch）等。
2科研机构和院校，如美国的麻省理工学院的交通运输研究中心（Centerfor
TransportationStudies），乔治亚工学院，瑞典的应用数学研究所（ITM,TheSwedish
InstituteofAppliedMathematics）等等。
他们的研究范围包括从航空公司座位控制、收益
1
飞机排班算法的研究与实现
管理、运行控制和资源优化等有关航空公司的各个方面，而对飞机运行控制，他们的研
[2]
究内容主要集中在其在飞机排班算法这一核心问题的研究上，并取得了许多成果。
3航空公司中的研究及开发群体以及一些面向航空公司的专业IT及咨询公司。
如
Saber，MercurySystems，Lufthansa航空公司等。
这些公司在应用方面有丰富的经验，
他们的工作更加注重系统实用性，提出了一套面向航空公司的完整的、集成的解决方案，
并且开发出较为成熟的产品，如MercurySystem的NovaCrewPlanning以及Lufthansa
的Lisline等。
在国内，1997年南方航空公司与美利坚航空公司AmericanAirlines及美国世博公司
SABRE合作，引进了国外先进的“航空公司运行控制系统”SystemOperationsControl,
SOC。
飞机排班系统是SOC系统中功能最强大的软件系统，也是整个SOC中业务模式
最复杂、受制约因素最多的应用。
目前几乎所有的航空公司都正在组建或者已经使用引
进的管理系统，如中国国际航空公司飞行总队航班生产综合系统，以及南方航空公司和
东方航空公司的飞行队信息管理系统。
1.2研究目的及意义
飞机排班是航空公司生产运营过程中十分重要和关键的步骤，对航空公司的正常运
作和整体效益有着决定性影响。
合理、科学的安排飞机的飞行计划，有利于充分利用航
空公司机队资源，降低营运成本。
研究飞机排班的最终目的是为航空公司取得最大的经济效益。
本课题将重点讨论在
各个因素制约情况下选择出合理的并能达到最佳的经济效益的飞机排班算法。
目前国内各航空公司业务迅速增长，机队日益扩大，特别是航线网络日益大型化和
复杂化，人工设计航线网络耗时长、准确性差，无法使经济效益最大化。
飞机排班算法
将实现飞机调度工作的自动化，降低排班的难度，最大程度的保证了航空公司的经济效
益。
以飞机排班算法为理论依据的飞机排班管理系统即将成为航空公司规范运行管理、
提高飞行安全、节约运营成本、增加运营效益的一项重要措施。
一个好的航班飞行计划牵涉到中国民航和航空公司内部诸多章法制度，是一个十分
复杂繁重的任务集合。
目前，大多数航空公司主要依靠手工排班。
航空公司排班部门人
员在接到航班时刻表之后，根据经验，将航班时刻表中某些不可分割的航班，如使用同
一架飞机，同一组人员，连接成同一任务。
再按照飞机的运行规定，组成一个以基地为
起始点的航班任务环。
由于飞机与航班的组合数目众多，若要以人工方式执行，要求排
班人员必须有相当丰富的经验，在航班量很大的情况下，难以对排班计划作出快速准确
的安排和调整，更难保证排班结果的经济型、正确性和合理性，这种方式已经不能满足
快速发展的现代化航空运输需要；有的航空公司引进了国外计算机排班系统，但是国内
2
南京航空航天大学硕士学位论文
外的国情不同，国外的排班系统不能针对国内具体情况进行安排。
针对这个问题，我们开展了飞机排班系统研究，旨在利用先进的计算机技术，解决
航空公司飞机排班问题，以提高航班运营效率，降低成本。
本课题主要内容包括对飞机
与航班进行配对和使用进化算法对飞机排班结果进行优化以帮助航空公司获得收益的最
大化。
本课题是南京航空航天大学“十五211”项目“航班优化与航线经济分析系统”
FlightOptimization&Revenueimization,简称FOR的一部分。
1.3论文主要研究内容及结构
本文从飞机排班理论开始讨论，给出了几种飞机排班数学模型，同时给出了排班过
程中要遵守的规则和约束条件。
然后给出了几种进化算法的原理，通过对这几种智能算
法原理的分析，将对应算法中的参数与飞机排班问题中的一些实际参数相匹配，从而把
将这些进化算法引入到飞机排班问题中。
通过几种算法的比较和分析，选择了离散型粒
子群算法来应用到飞机排班问题的求解中，实现了基于离散型粒子群算法的飞机排班系
统。
最后对该系统进行了总结和分析，分析了优缺点，并提出了修改建议。
本论文的内
容安排如下：
第一章绪论，分析民航飞机排班问题的国内外研究现状及发展趋势，研究目的与意
义。
第二章概述，阐述民航飞机排班理论和方法分析，介绍了飞机排班的基础理论，给
出了排班过程中要遵守的规则和约束条件，并根据不同的规则和约束条件给出了对应的
数学模型。
第三章综合研究了几种进化算法，讨论了将这些算法引入到飞机排班问题中的可行
性及实用性。
最后，给出了这几种算法的优缺点，通过对比选择了离散型粒子群算法来
实现飞机排班问题。
第四章深入研究了离散型粒子群算法在飞机排班系统中的应用，首先论述了算法的
设计，包括各种参数的设置、初始解的产生、航班节交换操作以及排斥算子的引入等。
第五章根据算法实现了基于离散型粒子群算法的飞机排班系统，对系统的结构设计
以及性能评估。
第六章对基于离散型粒子群算法的飞机排班系统进行了总结，并提出了改进建议。
第二章飞机排班理论与方法分析
航空公司的飞机排班问题（FleetAssignment）是为航班安排合适的飞机执行航班飞
行计划，即对于航班计划表中的每个航班，根据其航线和机型，为该航班指派相应的飞
3
飞机排班算法的研究与实现
机以承担该航班的飞行任务。
2.1航空公司航班计划编排过程
为了适应航空运输市场的季节性变化，我国民航企业每年制定两次航空航班计划。
航班计划是航空运输生产计划的具体表现形式，是航空公司组织日常生产活动的主要依
据。
科学地制定航班计划，合理地组织飞行，对于合理地制定和完成整个航空运输生产
计划、组织航空运输生产经营活动，有着非常重要的意义。
图2.1航空运输生产计划生成流程图
航空运输生产计划流程如图2.1所示，在对全国城市经济、居民消费指数以及航线
市场进行充分调研的基础上，根据各航线历史运量对下半年该航线运量进行预测。
在航班计划编排FlightScheduling阶段，将产生后半年的飞行任务计划，即规定
该时期内航空公司正常班次飞行的航线、机型、班次、班期和时刻。
航班计划编排是航
班生产计划的核心，是飞机排班和机组排班的基础。
然后，为航班计划中的各个航班安排具体的飞机，即进入飞机排班Fleet
4
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Assignment阶段，在飞机排班阶段为每个航班分配一架执行的飞机，排班完成后生成飞
行计划表。
最后是机组排班，其主要任务是在航班计划及飞机排班工作完成之后，安排机组人
员主要是飞行机组人员和乘务组人员等的飞行任务。
2.2飞机排班问题
飞机排班FleetAssignment是航班生产计划AirlineOperation工作中的重要环节。
其本质就是根据航空公司制定的航班时刻表、飞机维修计划等为每个航班指定一架具体
执行的飞机[3]，使航空公司利润达到最大或运行成本为最小，属于组合优化问题，同时
也是民航界著名的NP问题。
飞机排班问题的描述
飞机排班问题是一项非常复杂且工作量巨大的工作，其困难在于：
首先，必须确保
飞机安排的合法性，指派给每个航班的飞机必须符合民航总局及航空公司的各项规章条
例；其次，是飞机排班的可行性，即分配给每一架飞机执行的航班任务应符合航站衔接、
过站时间衔接的要求；再次，是飞机使用的均衡性。
由于不同航班所飞的区域、航程、
航班时刻的不同，从而决定了不同航班的工作强度、复杂性、待遇不同，飞机排班应该
考虑到不同航线的均衡性；最后，就是要以最小的成本完成所有的航班任务。
航班执行
过程中发生的飞机飞行成本受很多因素影响燃油费、空载成本以及在外过夜成本等，
怎样以最小的飞行成本完成航行任务是航空公司最关心的问题。
由于冬季和夏季的航班时刻表会有所不同，航空公司对飞机的排班工作会提前进行，
产生下一季度的飞机飞行计划表。
然后再根据航班时刻表的调整如起降时间的变更、
加减班次、航线调整、机型调整等，对飞机飞行计划表做相应的调整，提前产生每月的
飞行任务表，以确定该月份的飞机需求及飞行维修情况，并将任务指派到对应的飞机。
飞机排班规则与限制
飞机排班的过程中要考虑到很多因素的限制，这些因素包括[4]：
1符合航班计划的要求
航班计划中明确规定了每个航班所使用的机型、航班的起飞机场和到达机场、起飞
时刻和到达时刻，这就要求分配给每个航班的飞机应与该航班的机型属性一致，且指派
给同一架飞机的相邻2个航班应符合航站衔接和过站时间衔接要求，即前一航班的到达
机场应与后一航班的起飞机场相同，前一航班的到达时刻应在后一航班的起飞时刻之前，
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