摘  要： 航空旅行的某些獨到優(yōu)勢是鐵路、公路與水運所不具備的，但如何最大限度地將其發(fā)揮出來往往卻異常艱難。結合民航建?；咎匦院兔媾R難題剖析，比較系統(tǒng)、全面地論述了不同出行方式的模型聯(lián)接、地域廣闊性與信息龐雜性消解、時變與非精確表示，以及機器學習等的求解策略，同時給出了實驗系統(tǒng)建造的若干技術細節(jié)解決思路。
關鍵詞： 環(huán)境建模；民航網(wǎng)建模；航空旅行

    民用航空運輸業(yè)早已發(fā)展成為國民經(jīng)濟與人們社會交往的重要紐帶，它不但同鐵路、公路、水運和城市交通一起構成了缺一不可的有機體，而且還不斷地顯露出自己諸多獨到優(yōu)勢。其擁有的舒適、迅捷與地域覆蓋廣泛等特性，使得一些發(fā)達國家航空客運量長期占據(jù)著總運量的半壁河山，甚至更多[1]。不過，民航在帶給人們便利的同時，也經(jīng)常使出行者產生某些困擾，尤其在對航班、航線、航空公司，以及換乘地點不十分熟悉時，如何依照自身追求最佳安排出行計劃即表現(xiàn)得困難重重。
    民航建模是其他模塊順利展示性能的基礎，也是最終構建系統(tǒng)能否被社會普遍接受的先決條件。欲意滿意化地解決民航出行路線與中轉換乘規(guī)劃問題，首先必須高效、妥善地處理民航環(huán)境中面臨的眾多不同信息、數(shù)據(jù)與參數(shù)建模。其次，怎樣準確、嚴密、恰當?shù)胤从畴S季節(jié)、國際時局動蕩引發(fā)的某些時變、信息非完備，及其頻繁發(fā)生的航班時間波動不確定性給出行帶來的干擾需予以全面顧及[2]。最后，如何將人們求解此類問題所積累的大量經(jīng)驗、常識提煉出來且建成知識庫，并藉此不斷地完善、改進、充實模型亦很重要。所有這些都是民航建模當中必須認真對待的關鍵要素，也是本文對應課題的研究重點。
1 民航網(wǎng)建模面臨難題與消解對策
    民航建模同鐵路、公路、水運、城市交通與機器人環(huán)境建模有許多聯(lián)系和相似之處，但受囿于本身特性限制，又經(jīng)常表現(xiàn)出極其明顯的差異性，于是惟有探尋更加合適的對策方可獲得預期效果。概括起來，航空建模面臨的難題主要集中在下列幾個方面：
    （1）不同出行方式間的緊密聯(lián)系
    民航雖具不少個性化優(yōu)勢，但事實上只有充分采納各種交通方式的強項而達到互補弱勢，才有望真正創(chuàng)建功能齊全、方便的交通體系。現(xiàn)今，機場（特別是大型國際機場）通常并非建在市內，必然面對如何前往或離開機場的問題。對此，一則借助公交、班車，另則依靠自有車輛或其他方式解決。不管實際選取何種途徑，全部需要尋求別類出行模式協(xié)助。于是，如何實現(xiàn)民航同周邊交通模式無縫隙銜接便成為突出問題，關于該難題，課題借用特征、廣義拓撲、空間形態(tài)樣本建模和知識利用等，謀求在模型級別就予以解決。其中，建立于洲際、行政隸屬基礎上的地理編碼，在此就擔負起連接各種交通方式的橋梁與紐帶的作用。
    （2）地域廣闊與信息龐雜
    民航有別于其他交通模式的顯著特征就是地域覆蓋極度廣闊，幾乎能夠抵達世界各個角落，這就對系統(tǒng)建造難度、使用性能指標等形成巨大挑戰(zhàn)。盡管公路、鐵路和水運也多少需面對不同經(jīng)營公司與國內外跨接、出入國境簽證等問題，但畢竟不是十分頻繁，即便發(fā)生也常常限定在很小范圍。民航卻必須重點克服國內外眾多航空公司經(jīng)營模式、計價準則、國際關系、過境、入境簽證要求和簽證便捷度等差異對行程產生的影響，對于此類問題，遵照各自性質分門別類地建立專門模型。
    （3）時變與非精確
    雖然民航模型里的航班數(shù)量可能會不時發(fā)生變化，進而導致航線消失或開辟，但通常處于相對穩(wěn)定或微小變動之中，不過航班時刻卻經(jīng)常隨季節(jié)、天氣和臨時突發(fā)事件等有規(guī)律或無規(guī)律地發(fā)生變化[3]。此外，晚點屬于一切交通運營皆不可絕對避免的現(xiàn)象，它一方面帶有隨機色彩，另一方面又因管理、交通密度和各制約因素影響而難以精確描述。對于這些，課題經(jīng)統(tǒng)計、規(guī)律分析，在人機互助與機器學習之上逐步求精。
    （4）不完備與學習改進
    民航模型中包含許多內容，其中有不少不可避免是難以或不可能及時收集、獲得的，例如國外多數(shù)機場的地理位置、航線里程、票價折扣幅度與航班臨時調整等。信息不完備是公共交通普遍面臨的問題，對于民航則更加突出。針對本狀況本文采用經(jīng)驗輔助下的類比信息演繹臨時設定，比如已知某機型在某等級航線上的平均航速為800 km/h，那么當出現(xiàn)類似且僅可獲航行時間而缺少里程時，借類比參照便可非準確導出。不完備信息非準確分量，一則寄托于人工后期填充，二則求助于反復驗證減弱。
    （5）常識與經(jīng)驗利用
    常識與經(jīng)驗往往可以幫助人們有效地解決問題，但它們又難以做到放之四海而皆準。在民航建模中，模型庫一致性、完備性檢驗屬于異常關鍵部分，有時卻無法嚴密地設立評判標準。對該難題或許常識、經(jīng)驗就能派上特別用場。假設某航線上同類型飛機航行速度在既定統(tǒng)計值上下波動，發(fā)現(xiàn)類似航班顯著地超出本范圍，雖無法絕對排除確實如此，但更多可能由于進出港時間錯誤造成。
2 航線網(wǎng)模型結構研究
    民航網(wǎng)建模不可以單單停留在機場、航線、航班上，為了給后續(xù)功能模塊提供足夠的信息支持，必須全方位地囊括盡可能多的不同類型資料，同時探尋并設計靈活、恰當?shù)木S護與管理手段。在此，出于更加高效地建造民航網(wǎng)模型，本文特將其人為地劃分成相對不變和比較頻繁變化的兩個類。在它們各自內部又包括了許多細分成份，概括起來至少將包含圖1所示單元，它們彼此間存在圖示聯(lián)系與依從關系。
    在圖1中，絕大多數(shù)單元具有功能、目標自揭示特性，但惟獨系統(tǒng)基準參數(shù)庫容易引起疑惑與誤解。其實，機場模型構建期間至關重要的任務便是準確、恰當?shù)亟缍ㄆ湓谡麄€網(wǎng)絡中所處的層次，而機場層次能夠區(qū)分成許多，例如國際樞紐、國際核心、國內骨干、國內重要和國內普通。機場層次劃分既經(jīng)常表現(xiàn)出必然性，同時又多少附帶有某些模糊與不確定成份。為防止出現(xiàn)過分隨意，于是有必要制定嚴格的分層標準，這些就組成了系統(tǒng)基準參數(shù)庫的主要內容。

3 民航網(wǎng)建模實用化技術研究
3.1 航線網(wǎng)廣義拓撲建模

    民航網(wǎng)絡不同于鐵路、公路與水運，它既具備所有公共交通的承擔在各地點間輸送旅客的職責，但卻不必嚴格依附于鐵軌、道路或河流之上。也就是說，空中航線是看不見摸不著的抽象思維概念，對其不可能像鐵路、公路那樣建立起嚴密的幾何形態(tài)模型[4]。然而，民航為了維持空中交通有序性，空中航線也并非能夠隨意被更改，這樣一來航線網(wǎng)絡就表現(xiàn)出某種相對的穩(wěn)定性與可遵循色彩。鑒于此，有必要建立起全面、準確的網(wǎng)絡模型。
    基于民航網(wǎng)絡的特有性質，在全部現(xiàn)有建模方法中，能夠比較好地擔負起此責者恐怕非拓撲莫屬。不過，僅僅依靠傳統(tǒng)的拓撲數(shù)學理論是難以完全勝任的，因為后續(xù)模塊不但期望提供機場航線連接關系，而且要求擁有里程、航行時間、機型、航空公司和安全性等眾多附帶信息，以便規(guī)劃期間施行嚴謹、準確評價與給出行者收集更多參考依據(jù)[5]。事實上，這里對于拓撲的廣義化拓展只是略微簡單地增充了若干航線參數(shù)。
3.2 不同地區(qū)航空公司間經(jīng)營與票價計費差距刻畫
    民航區(qū)別于鐵路、公路的顯著標志就是票價計費標準隨地區(qū)、航空公司與季節(jié)等的不同而差距甚大。首先，在所有公共交通中，惟有民航最具全球緊密協(xié)作色彩，不可能由一家航空公司將一切業(yè)務皆予以壟斷。這樣，在不同的地區(qū)，航空公司間勢必出現(xiàn)因經(jīng)營、管理水平等導致的票價計費多樣化。其次，由于各個公司的屬性、資金雄厚程度、經(jīng)營理念與服務對象群落定位等互不相同，票價計費準則和優(yōu)惠幅度可能在很大范圍內浮動。再次，民航交通票價計費原則受熱線、熱季與冷僻線路影響異常突出，鐵路、公路雖同樣面臨此類問題，但沒有如此明顯。此外，民航票價計費不可避免地要受公司覆蓋范圍、滿座率、機型、油價和管理成本等因素約束。最后，近年來國外推行了一種稱之為樞紐輻射式航線網(wǎng)絡的經(jīng)營模式[6]，因其上客流量容易達到規(guī)?；c集中化，于是不管票價還是服務質量均富有競爭性。
    票價標準最簡單表示當屬對照表集，但它卻因過于死板而缺乏靈活性與普遍依從價值，如若尋求滿足各種情況的通用算法又苦于短期內無法取得理想結果。針對此種現(xiàn)實，課題采用了一種折中策略，即建立于對照表之上的不同情況下依既定要素修正規(guī)則。其具體實現(xiàn)方式能夠視諸類因素予以集中或分散。
3.3 相同航線上航班間里程、時間顯著差異表征
    民航航線并非全部表現(xiàn)為兩機場間的直線飛行，因地理特性（如高山峻嶺）、氣象復雜性、國防敏感性、時間、可見性與地面導航站點設置等成份制約，航線往往有意地設計成了繞道而行。由此即可能產生相同航線上不同航班的飛行里程存在差異。另外，機型、飛行高度、離抵港時間計算基準互異也直接引發(fā)了相同航線航班時間不盡一致[7]。航線里程、時間也許影響票價，也許作用甚微以致能夠給予忽略，但不管怎樣卻必須對其進行盡可能詳細、準確表征，因為它們全部屬于規(guī)劃期間不得不予以高度關注的重要評價指標。
    考慮到相同航線航班間里程、時間既具有某些普遍統(tǒng)計特性，同時又在一定范圍內呈現(xiàn)出無明顯規(guī)律的隨機性特征，當前建模采用了比較簡單的逐內容記錄。
3.4 面向航班接續(xù)與時間非準確性的時序時區(qū)表示
    民航旅行問題求解說到底便是途徑地域、航線、航班最佳化確定，而實現(xiàn)此目標的基本前提則是航線模型中必須包含航班離、抵港時刻與時間波動范圍、波動幾率和確定性。盡管各種因素導致的晚點難以準確刻畫，但建立于長期統(tǒng)計與針對不同情況下的分類處置，在一定精度等級上還是能夠滿足大多數(shù)需要的。在此，應該引入時序時區(qū)邏輯概念[8]。
    時序時區(qū)邏輯表示有多種具體實現(xiàn)方式，在這里，更加恰當者興許莫過于隱含與明顯彼此協(xié)同。所謂隱含表示就是航班離抵港時間按序排布，當不發(fā)生晚點，此方法足以應付常規(guī)性應用，不過若晚點不時或頻繁出現(xiàn)，就不得不建立面向具體機場與航班的最大、典型時長、發(fā)生概率、置信程度。例如，航班HU7803可隱式描述為：Time(HU7803，KWL，-，12:00)，Time(HU7803，BHY，12:50，
13:15)，Time(HU7803，SYX，13:55，-)。它表示HU7803航班12:00從桂林出發(fā)，12:50到達北海且13:15離開，13:55終到三亞。關于航班晚點的時區(qū)表示能夠設計成Zone(HU7803，BHY，(5,0.2,0.5)，(30,0.1,0.7))，代表航班HU7803到北海的路途最大晚點時間范圍是5 min，發(fā)生幾率為0.2，置信度為0.5；起飛極限晚點范圍30 min，發(fā)生幾率為0.1，置信度為0.7。
    民航屬于公共交通領域的支柱產業(yè)，其發(fā)展狀況不僅直接決定著人們的出行便捷程度，同時也制約著國民經(jīng)濟協(xié)調性?；窘ㄔO固然重要，不過全面利用現(xiàn)代技術尋求管理、服務跨越式突破則更顯行業(yè)特色。本文涉及研究便是面向航空領域難題開展的一次實質性探索。文章在知識利用、特征與航線、航班建模等基礎之上，比較系統(tǒng)、全面地討論了建模期間有關票價計費、航班里程與時間差異，以及航班接續(xù)與時間非準確性等的難題消解對策。從當前實驗系統(tǒng)建造初步成效看，該項工作的價值和意義還是令人滿意的。
參考文獻
[1] 周麗萍.中國民航業(yè)的發(fā)展：問題與對策[J].中國民用航空，2010，112(6)：28-30.
[2] 劉宏鯤，張效莉，曹崀，等.中國城市航空網(wǎng)絡航線連接機制分析[J].中國科學，2009，39(7)：935-942.
[3] 曹衛(wèi)東，賀國光.連續(xù)航班延誤與波及的貝葉斯網(wǎng)絡分析[J].計算機應用，2009，29(2）：606-610.
[4] 張奇，商蕾.面向微觀交通仿真的路網(wǎng)建模模塊實現(xiàn)方法[J].交通信息與安全，2010，28（3）：112-115.
[5] 李福娟，王魯平，劉仲英.航空公司航線決策分析系統(tǒng)的設計與應用研究[J].計算機應用與軟件，2007，24(7)：109-113.
[6] BRUECKNER J K，ZHANG Y．A model of scheduling in airline networks：how a hub-and-spoke system affects flight frequency，fares and welfare[J]．Journal of transport economics and policy，2001,35(4)：195-222.
[7] 王來軍，史忠科.航班調度系統(tǒng)的遺傳算法應用[J].計算機工程，2005，31（2）：225-227.
[8] 楊淮清，李佳.公路長途旅行最佳化中轉接續(xù)規(guī)劃方法研究[J].計算機技術與發(fā)展，2011，1（21）：189-192.