[论文解读] Airport Gate Scheduling for Passengers, Aircraft, and Operation

Sang Hyun Kim, Éric Féron+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2013

Air Traffic Management and Optimization参考文献 10被引用 12

一句话总结

本文提出了一种用于机场登机口调度的平衡目标函数，同时最小化乘客换乘时间、飞机滑行时间以及登机口冲突持续时间。基于美国枢纽机场的真实航班数据，采用禁忌搜索元启发式算法进行实验，结果表明，多目标方法（40%关注乘客，40%关注滑行效率，20%关注鲁棒性）在所有三项指标上均优于单目标方法或当前实践，显著提升了运行效率与韧性。

ABSTRACT

Passengers' experience is becoming a key metric to evaluate the air transportation system's performance. Efficient and robust tools to handle airport operations are needed along with a better understanding of passengers' interests and concerns. Among various airport operations, this paper studies airport gate scheduling for improved passengers' experience. Three objectives accounting for passengers, aircraft, and operation are presented. Trade-offs between these objectives are analyzed, and a balancing objective function is proposed. The results show that the balanced objective can improve the efficiency of traffic flow in passenger terminals and on ramps, as well as the robustness of gate operations.

研究动机与目标

• 通过解决乘客体验、飞机滑行效率和运行鲁棒性问题，提升机场运行的整体表现。
• 识别并量化最小化乘客换乘时间、减少飞机滑行时间以及提升登机口分配鲁棒性之间的权衡关系。
• 开发一种平衡的目标函数，将这三个目标整合进单一优化框架。
• 评估所提出的多目标方法相较于单目标方法和当前实际登机口分配方案的有效性。
• 评估鲁棒登机口调度对登机口保持型离港控制策略及地面交通流的影响。

提出的方法

• 构建一个包含三个独立目标的多目标优化问题：乘客换乘时间、飞机滑行时间以及登机口冲突持续时间。
• 采用禁忌搜索（TS）元启发式算法高效求解组合型登机口分配问题。
• 使用两种邻域移动策略——插入与区间交换，以在搜索过程中平衡局部强化与全局多样化。
• 应用一种启发式准则，若某次移动能改善目标值，则可覆盖禁忌限制，从而提升解的质量。
• 利用2011年5月1日美国主要枢纽机场的真实航班时刻表和实际换乘乘客数据对优化过程进行校准。
• 评估五种情景：三种单目标情景（100%乘客、100%滑行、100%鲁棒性），一种双目标情景（50%-50%），以及一种平衡的多目标情景（40%-40%-20%）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在登机口调度中，三个关键目标——乘客换乘时间、滑行时间与登机口冲突持续时间——之间如何相互作用并产生权衡？
• RQ2 是否可以通过平衡目标函数有效同时提升所有三个目标的表现？
• RQ3 所提出的多目标方法在效率与鲁棒性方面，相较于单目标方法和当前实际登机口分配方案表现如何？
• RQ4 鲁棒登机口分配在多大程度上能增强登机口保持型离港控制策略的有效性？
• RQ5 登机口分配质量对大型枢纽机场整体地面交通流与乘客体验有何影响？

主要发现

• 情景5（即40%关注乘客、40%关注滑行效率、20%关注鲁棒性）在所有三个目标上均实现了最佳整体表现。
• 平衡目标函数相比原始登机口分配方案，将平均乘客换乘时间减少了15–20%，同时显著降低滑行时间与冲突持续时间。
• 情景3（100%鲁棒性）实现了最短的平均登机口冲突持续时间，但代价是乘客换乘时间与滑行时间增加。
• 情景1（100%关注乘客）将换乘时间最小化，但在滑行时间与鲁棒性方面表现较差，凸显了各项目标间的固有权衡。
• 情景4（50%乘客、50%滑行）在前两个目标上表现良好，但在鲁棒性方面排名第二，进一步说明需要采用平衡方法。
• 原始登机口分配方案在所有指标上均表现欠佳，表明通过优化调度存在显著改进空间。