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货运航空联盟中货机航班的优化探讨

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[摘要] 一、航班起飞间隔问题,航班起飞间隔主要是为了控制货物在需求时限的要求内,能够以最短的时间通过航班和联盟伙伴的航班运输,起飞间隔越短,货物中转的效 率就会越高;二、保证每条航线上至少有两个航班;三、在单独运营的航线上,保证高时效性货物的运输,其他低时效的货物可以进行迂回运输。

一、前言

随着中国逐渐成为世界航空空运业的关注焦点,各航空公司都将中国作为其业务发展的重心,纷纷采取不同的方式增加在中国的市场投入,合作方式也从早期的代 码共享、舱位互换等发展到如今的形成货运航空联盟。在这种环境下,如何在联盟中通过用最少的成本去提供最好的服务来获得竞争优势,获得联盟其他公司的信任 和依赖,是我们必须面对的问题。

二、货运与客运的航班结构特点

货机航班的航线和时刻,是货机运营中的两个关键因素, 他直接关系到公司的营运利润、服务水平和竞争能力。事实上,航空公司在制定航班表的时候通常都有两个过程,一个是规划航班结构,一个是评估航班结构,这两 个过程形成一个闭环,直到形成最优的航班时刻表。但这种方式应用最成熟的是在单一承运人的客运航班上,与货机航班还存在很大的差异性。客运在选择目的机场 的时候,是从长期的计划去考虑,而货运则更趋于短期计划。为了满足市场上对航空货运的需求,货运航空公司必须全面考虑短期计划中目的机场的选择、货机的航 线和货机飞行时刻,以获得公司的最大利润。由于旅客比货物在时间上更具敏感性,转机次数的增多,就意味着市场的丢失,然而货物只要能准时到达,转机并不会 影响到货源。

随着航空市场的竞争加剧,世界上很多航空公司特别是在客运方面,都加入了航空联盟,与其他承运人一起,构建了一个全球性的 网络,并以此增加运作效率。实际上,联盟的形式是多种多样的,从简单的代码共享到完全合并。良好的联盟,不但能提高联盟航空公司的操作效率和服务水平,还 可以通过相互协调,充分利用资源。比如,某航空公司在临时新增OD(点对点)航班或想增加OD航班密度上受到了制约,就可以通过和联盟航空公司进行舱位互 换。在这个过程中,就必须要考虑自己的货机航班结构,是否能和其他联盟公司的货机航班时刻形成一个有机的整体,来达到货物在转运过程中的时效性。目前,航 空货运公司在确定航线结构的时候,往往是采取这样一种思路:由于航班结构的规划和航班结构的评估是两个独立的过程,之间的互动和沟通相对较少,一旦航班结 构确定后,就很少去过问他,缺乏系统上的优化,只有在问题出现之后,才会改变现有的航班结构。在加入联盟后,就必须经常对航班结构进行优化,以随时和联盟 公司的变化相一致。

然而,要想让自己的航班结构去满足联盟中的每家公司的航线结构,显然是非常困难的。但是,我们可以通过运筹学来优 化、协调机场选择、航线选择、时刻选择来帮助公司确定高效的货机航班结构,形成与联盟航空公司的紧密合作。我们假设有两家货运航空公司A和B,都选用的是 747-F型货机经营。在实际运行中,飞机的维修和机组资源都必须考虑在内,在这里,为了简化,对其影响忽略不计。

三、利用运筹学的模型进行决策

在解决这个问题的过程中,我们应用时空网络技术来协调以上货机航班结构需要协调的机场、航线、时刻等几个方面的问题,因为航班结构归根到底就是涉及到时 间和空间的问题,用简单的话来说,就是我们的飞机在合适的时候飞到了合适的地方,为公司获得了最大的效益。我们通常会有两种思路去考虑问题,一种是航班时 空网络,即以航班流作为基础;另一种是物流时空网络,即以货物流向作为基础。

(一)航班流时空网络

每个航空公司都会 依据自己的机队规模建立自己的航班网络。我们可以用网络图显示出来。图1中,我们用节点表示机场、用直线表示运行过程。一个航班,其整个运行过程包括飞 行,过站和过夜停场,在网络图中我们用直线束表示出来,因此,直线束被分为两个部分,阴影部分的代表飞机在地面的停留时间。

1、飞行直线束

飞行直线束表示航班在空中飞行的过程。在两个机场之间运行的过程中,飞机除了飞行还会有些必须的停留时间为该航班飞行所做的必要的准备工作的时间,如加油,装卸货物。而且,任何一个航班都会有起飞时刻、起飞机场、目的地机场、到达时刻和航班成本等基本信息都是可知的。

2、地面停留直线束

地面停留直线束表示飞机在地面停留或过夜的过程。这个过程的成本包括机场停场费、机位费等相关费用。在图1中,用阴影部分的直线表示出来。

3、舱位交换协议

依据协议,两个航空公司在不同的航线上进行舱位的交换,通常双方会提供相同数量的舱位作为交换。实线表示A公司的航线从0点飞到1点,虚线表示B公司的航线从1点费飞到2点。从0点到2点就表示,A、B两家公司在1点进行了舱位互换。

4、完全联盟

完全联盟是指在一个机场,两家联盟伙伴把自己的航线网络进行有机的整合,形成一个更加完善的网络。在完全联盟的背景下,两家航空公司都能经营同一个航 班、开发同一个市场。由于航空货物运输的特点是不关心运输过程,只关注时效,完全联盟后的网络整合,可以实现高时效。如图1中所示,从0点到3点的运输过 程中,A公司承运了两个航段,B公司承运了中间的航段,这样就构成了一个完整的有两个经停点的航班。

图1:航班流时空网络图

 

(二)物流时空网络

物流时空网络是模拟货物在一定时间内的空间移动。物流时空网络表示一个OD城市对。每一个OD城市对有三种不同的运输方式与之对应,分别是单独运输、舱 位交换运输和完全联盟运输。如图2,在单独运输过程中,A航空公司的0-1城市对,使用的A公司自己的航班和飞机;而在1-3的城市对运输中,由于A公司 没有航班,采取的舱位互换的方式进行运输,由B公司进行承运;在3-6城市对中,A、B公司采取的完全联盟的方式。

1、流动直线束

流动直线束就是货物的动态运输过程,这个时间可以等同于航班流时空网络中的飞行直线束所代表的时间。

2、停留直线束

停留直线束表示货物在机场等待处理的时间,这段时间可以不计成本,因为不论是否发生转机,物流所关心的只是始发地和目的地,而且这段成本不易计算。

图2:货流时空网络图

 

图2中的曲线为需求曲线,表示货物运输的最低时限要求。

(三)利用模型解决问题

1、模型中的代码说明

r, q          表示联盟中的两家航空公司,一家为r,一家为q;

R           表示联盟中的所有航空公司

n 表示第n条OD城市对;

Nr r航空公司的所有OD城市对;

m           第m条可以互相形成整体的OD城市对;

CCN        联盟中所有航空公司依据货流时空网络构成的有机网络;

Ar, NFr r航空公司的航班流时空网络中的所有节点和运行直线束;

CFr r航空公司的航班流时空网络中的调整直线;

BFnr r航空公司的货流时空网络中所有需求曲线;

Bnr, NPnr r航空公司的货流时空网络中所有节点和直线束;

AFr r航空公司的飞机数量;

FFr r航空公司的航班流时空网络中的飞行直线束;

IFFr r航空公司的航班流时空网络中的飞行直线束中,独飞的直线束;

Srg r航空公司的航班流时空网络中到达g机场的飞行直线束;

Sr gh r航空公司的航班流时空网络中,连接g和h两个机场的飞行直线束;

Qrg r航空公司在g机场的航班限额;

Qrgh r航空公司在g机场与h机场之间的航班限额;

Kr r航空公司货机的可用业载;

SAr r航空公司的所有通航机场;

SABr r航空公司的最大航班数量;

FUrij r航空公司的航班流时空网络中,从i到j点飞行直线的运行上限;

CUnrij r航空公司的货流时空网络中,从i到j点货物流动直线的运行上限;

CCDAmr r航空公司的货流时空网络中,需求曲线的集合,第m个;

Cr ij r航空公司的航班流时空网络中,从i到j点飞行直线的成本;

Tnr ij r航空公司的货流时空网络中,从i到j点货物流动直线的成本;

Fr i r航空公司选择i机场的固定成本;

Vr i r航空公司选择i机场的可变成本;

Dm ij 共同经营航班的需求曲线;

M          设定的无穷大的值;

Xr ij r航空公司的航班流时空网络中,从i到j点直线;

Ynrij r航空公司的货流时空网络中,从i到j点货物流动直线;

Wri r航空公司选择i机场的决策变量,1表示同意,0表示放弃。

2、模型的建立

3、模型中限制条件的说明:

条件(2) 和(3)表示在网络中没有滞留;条件(4)表示对飞机数量的限制;条件(5)是表示航班数量不会超过机场的限额;条件(6)是所有连接g和h机场的航班数 量不会超过机场限额;条件(7)是货物的运量不超过联盟航空公司的运输能力;条件(8)是货物的运量不超过联盟航空公司和自己航空公司的运输能力;条件 (9)是货物的时效性(需求曲线)的要求;条件(10)用来决定是否选择目标机场;条件(11)和条件(12)是对直线束的限制;条件(13)是确认直线 数量;条件(14)表示机场的选择性的,选择为1,不选为0。

4、使用软件

使用该模型的主要目的是使Z值达到最大 化,并由其他2-14个条件进行限制。一般使用运筹学的数学软件进行建模和求解。在实际的建模过程中,所涉及到的变量越多,限制条件越多,求解的过程就越 复杂。对于复杂的网络规划问题,一般使用CPLEX软件进行求解。在使用该模型的时候,需要获得比较多的基础数据,如A公司的使用4架747-400全 货,运营点有8个城市,B公司使用6架MD-11,运营点有10个城市,每个航线的运营成本、费率、飞行时间,机场的限额、地面操作时间。下面以一个例子 来对联盟进行说明,具体的数据和求解过程由于比较复杂,不做说明,只对应用CPLEX软件的结果进行说明,下表为结果

运营方式 单独运营 舱位互换 完全联盟 混合方式
A B A B A B A B
机队 3 5 4 6 4 6 4 6
班次 28 34 29 36 30 37 33 40
载运率(%) 67.86 68.12 67.89 68.29 67.97 68.34 68.02 68.95

可见,单独运营的时候,两家航空公司的飞机利用率和班次密度都不高,同时载运率也不能出现双赢的局面。单独的使用舱位互换方式或完全联盟方式,虽然在飞 机利用率和班次密度上都有提高,但对提升联盟的整体效益没有多大用处。只有充分利用舱位互换和完全联盟的两种方式混合应用,才能达到联盟中的联盟伙伴收益 最大。

四、意义

该模型提供了航空公司在进行货运联盟的时候,如何通过优化航班结构来获得联盟的最大效益。在实际的运 行过程中,航空公司可以采取较多的方式去和联盟伙伴进行合作,从单枪匹马到组建联合公司,所获得的效益是不同的,一般来说,如果在联盟中只采用单一方式和 联盟伙伴进行合作,往往是弊大于利。如果采取舱位互换和完全联盟相互结合的方式,与联盟伙伴进行合作,就可以使双方的利益都达到最大化。因此在优化航班结 构的时候,可以将航班计划分成三个部分,即单独运营部分、舱位互换运营部分和完全联盟运营部分。在将航班计划划分为以上三个部分之后,还需要考虑以下几个 问题。一、航班起飞间隔问题,航班起飞间隔主要是为了控制货物在需求时限的要求内,能够以最短的时间通过航班和联盟伙伴的航班运输,起飞间隔越短,货物中 转的效率就会越高;二、保证每条航线上至少有两个航班;三、在单独运营的航线上,保证高时效性货物的运输,其他低时效的货物可以进行迂回运输。可见,要想 保证联盟的高效,就必须随时关注联盟伙伴的航班结构,动态的航班结构,就会带来联盟的高效率。

 

民航 李衡

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