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2024-02-10 21:26:23

空铁联运协同下的跨域航空服务网络优化

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  民航总局的1项调查显示,2018年我国航班正常率为80.13%,平均每5个航班就有1班延误。天气、航空管制(流量控制)以及航空公司自身因素是航班延误的3个主要原因。民航总局统计数据显示,在全部航班不正常原因中,流量控制占比为30.68%,而流量控制主要是由于某时间段内航班数量过多造成的。相关研究多从增加容量的角度,研究缓解航班拥堵的方法。但是,随着我国机场数量的快速增加,各机场都在努力协同航空公司开设更多航班,以增加机场的通达度和客流量,结果是目前我国航班数量的增速远远大于飞行空域资源的增速,空域拥堵和航班延误成为无法避免的问题。随着高速铁路城市圈的形成,位于同一城市圈的居民既可以方便地利用自己城市的机场,也可以利用高速铁路前往其他城市的机场乘坐航班,高速铁路使多机场地区的居民共享多个机场成为可能。基于空铁联运实施高速出行客运需求管理,可以在飞行空域资源无法大幅度增加的情况下,缓解航班延误。因此,以高速铁路城市圈为单元,基于空铁联运网络优化区域间出行的运输服务网络,加强高速铁路有效地向枢纽机场喂给客流研究,提高枢纽机场空域和航线航班的利用率,控制支线机场的航线航班数量,减少航空出行延误。

  由高速铁路和航空客运系统构成多模式综合网络,图中实链接表示高速铁路和航班线路,虚链接表示空铁换乘,A,B,C表示空铁换乘节点,用于实现航空与高铁2种运输方式换乘的枢纽城市。

  在建立由航班、高速铁路和空铁换乘系统构成的复合网络的基础上,以城市圈为区域单元,构建考虑公平性约束和高速铁路对航班喂给条件的上层空铁联运跨域航空服务网络优化模型和下层乘客路径选择模型的双层优化模型,旨在最小化区域间的出行总时间。在上层决策者选择枢纽机场,设计航线网络和空铁联运方案;在下层出行者各自寻找由本区域前往对方区域最佳的航空出行路线。更进一步来说,下层模型在综合运输网络上为乘客指派路径,从而得到各路段上的流量和流向,进而反馈至上层,决定着上层模型的目标函数值,形成闭环。

  (1)节约总运输时间。空铁协同后,缩短了整个联运网络(包括航空、高铁以及换乘系统)的总运输时间。例如,辽宁省和山东省整个联运网络的总运输时间为4 332 460 min,比之前的5 141 310 min节约808 850 min。

  (2)改善区域间航空出行效率。空地协同后,枢纽机场之间的出行时间大幅减少。共减少了1 068 350 min,其中沈阳—济南间的出行时间减少了30 min/客次,下降23.44%。但是,非枢纽机场城市间的通行时间增加了259 500 min,其中变化最大的是大连—临沂的通行时间,空地协同后大连—临沂乘客的出行时间增加了53 min/客次,上升了34.42%。由于非枢纽城市的居民要经枢纽机场中转出行,因此出行时间增加,使得区域内居民享受航空运输服务的不公平性增加,但是这种不公平换来是区域内整体航空出行效率的提高。

  (3)减少枢纽机场数量。空铁协同后,在A区需要有2个枢纽机场,大连和沈阳,客运量分别为排在辽宁4个机场设置城市的第1,2位;在B区需要有4个枢纽机场,分别为青岛、济南、烟台和潍坊机场,目前它们位于B区9个机场的第1,2,3,5位。从客运量看,这些枢纽机场的设置是合理的。受公平性的约束,非枢纽机场城市的乘客应在合理的距离内中转。在上述方案中每个非枢纽机场城市的附近都有对应的枢纽机场,因此从空间位置上看枢纽机场的设置也是合理的。图a显示了辽宁省与山东省航线分布状况,目前辽宁省有4个机场,山东省有13个机场,两区域间有航线架次。图b显示基于高速铁路网络实施空铁协同,两区域间可能的航线分布状况。

  (4)提高航班载客率。空铁协同后,由B区至A区的航班的载客率均在95%以上,说明基于枢纽实施空铁联运是合理的。从可达性看,到枢纽机场最远的城市是丹东市,距大连机场315.4 km。但是,当高速铁路与空港实现无缝衔接时走行时间也只有76 min,在乘客的可接受范围内,公平性得到保证。

  以区域全体航空出行者为对象,优化区域对外航空运输网络时,还需考虑区内居民享受航空出行服务的公平性。基于空铁联运集约化使用空域资源将提高空域资源的有效利用率,降低区域间整体航空出行的延误率。但是,支线机场所在城市居民的航空出行便利性会有所下降。

  用公平性指数β衡量区域居民航空出行的公平性,β越大公平性越差。β1表示所有乘客都收益,β1表示所有乘客都减益。改变运输网络和运营模式,部分乘客必然遭遇时间损失。通过合理设定β取值,可以把受损乘客出行时间的损失限定在合理的范围内。系统运输总时间与公平性指数β关系图显示了不同的β所对应的总出行时间。可以看出,当β≤1.15时总出行时间不变,此时受公平性约束,空铁协同无法实施;当β>1.15时,随β的增加总出行时间持续减少,运输系统效率提升;当β=1.4时,总出行时间出现拐点,之后随β的增加总走行时间不变,说明此时公平性约束为冗余约束。因此,β的取值应在(1.15,1.40)内。

  总体上公平与效率是矛盾的,为提高公平性就要牺牲效率;而提高效率同样也要以牺牲公平为代价。例如,与空铁协同前相比,营口和丹东的乘客到山东的出行时间将有所增加,但营口、丹东至山东航班的取消大大提升了沈阳、大连至B区的航班效率,减少了A区到B区的航班的延误,使得A区前往B区乘客的总出行时间减少。我国大量的航班延误使得乘客对航空客运丧失了信心,在高速铁路时代如果航空客运效率低下,地区内航空出行的公平也就失去了意义,因而效率是公平的基础。

  在高速铁路日益发达,航班延误严重的情况下,从需求管理的角度研究空铁联运空铁联运网络及运输组织优化问题,对出行者基于空铁协同高效实现跨区域的出行具有实际应用价值,也能够为交通部门空铁协同战略的实施和空铁联运系统的建设提供合理的决策依据。由于各个城市高铁站和机场间距不同,需要进一步研究空铁换乘时间上的衔接性。另外,除了以最小化联运网络总出行时间为目标函数外,还可以考虑乘客的出行费用。

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