摘  要： 航空旅行的某些獨到優勢是鐵路、公路與水運所不具備的，但如何最大限度地將其發揮出來往往卻異常艱難。結合民航建模基本特性和面臨難題剖析，比較系統、全面地論述了不同出行方式的模型聯接、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建造的若干技術細節解決思路。
關鍵詞： 環境建模；民航網建模；航空旅行

    民用航空運輸業早已發展成為國民經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勢。其擁有的舒適、迅捷與地域覆蓋廣泛等特性，使得一些發達國家航空客運量長期占據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劃問題，首先必須高效、妥善地處理民航環境中面臨的眾多不同信息、數據與參數建模。其次，怎樣準確、嚴密、恰當地反映隨季節、國際時局動蕩引發的某些時變、信息非完備，及其頻繁發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境建模有許多聯系和相似之處，但受囿于本身特性限制，又經常表現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系
    民航雖具不少個性化優勢，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，才有望真正創建功能齊全、方便的交通體系。現今，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助。于是，如何實現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，這就對系統建造難度、使用性能指標等形成巨大挑戰。盡管公路、鐵路和水運也多少需面對不同經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量可能會不時發生變化，進而導致航線消失或開辟，但通常處于相對穩定或微小變動之中，不過航班時刻卻經常隨季節、天氣和臨時突發事件等有規律或無規律地發生變化[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，課題經統計、規律分析，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）常識與經驗利用
    常識與經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計值上下波動，發現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 航線網模型結構研究
    民航網建模不可以單單停留在機場、航線、航班上，為了給后續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、恰當的維護與管理手段。在此，出于更加高效地建造民航網模型，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系與依從關系。
    在圖1中，絕大多數單元具有功能、目標自揭示特性，但惟獨系統基準參數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、恰當地界定其在整個網絡中所處的層次，而機場層次能夠區分成許多，例如國際樞紐、國際核心、國內骨干、國內重要和國內普通。機場層次劃分既經常表現出必然性，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，這些就組成了系統基準參數庫的主要內容。

3 民航網建模實用化技術研究
3.1 航線網廣義拓撲建模

    民航網絡不同于鐵路、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，這樣一來航線網絡就表現出某種相對的穩定性與可遵循色彩。鑒于此，有必要建立起全面、準確的網絡模型。
    基于民航網絡的特有性質，在全部現有建模方法中，能夠比較好地擔負起此責者恐怕非拓撲莫屬。不過，僅僅依靠傳統的拓撲數學理論是難以完全勝任的，因為后續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，以便規劃期間施行嚴謹、準確評價與給出行者收集更多參考依據[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。
3.2 不同地區航空公司間經營與票價計費差距刻畫
    民航區別于鐵路、公路的顯著標志就是票價計費標準隨地區、航空公司與季節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作色彩，不可能由一家航空公司將一切業務皆予以壟斷。這樣，在不同的地區，航空公司間勢必出現因經營、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絡的經營模式[6]，因其上客流量容易達到規模化與集中化，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則。其具體實現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計特性，同時又在一定范圍內呈現出無明顯規律的隨機性特征，當前建模采用了比較簡單的逐內容記錄。
3.4 面向航班接續與時間非準確性的時序時區表示
    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需要的。在此，應該引入時序時區邏輯概念[8]。
    時序時區邏輯表示有多種具體實現方式，在這里，更加恰當者興許莫過于隱含與明顯彼此協同。所謂隱含表示就是航班離抵港時間按序排布，當不發生晚點，此方法足以應付常規性應用，不過若晚點不時或頻繁出現，就不得不建立面向具體機場與航班的最大、典型時長、發生概率、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，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，發生幾率為0.2，置信度為0.5；起飛極限晚點范圍30 min，發生幾率為0.1，置信度為0.7。
    民航屬于公共交通領域的支柱產業，其發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濟協調性。基本建設固然重要，不過全面利用現代技術尋求管理、服務跨越式突破則更顯行業特色。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、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，以及航班接續與時間非準確性等的難題消解對策。從當前實驗系統建造初步成效看，該項工作的價值和意義還是令人滿意的。
參考文獻
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