淺談航空貨物裝載優(yōu)化問題

李鵬 王飛 李桂遠(yuǎn)

摘要：為解決航空貨運(yùn)裝載優(yōu)化問題，提高航空貨物運(yùn)輸效率，本文從介紹航空貨物裝載優(yōu)化問題角度出發(fā)，詳細(xì)列舉了解決該問題的算法，并做了分類。最后，針對航空貨物裝載過程中應(yīng)注意的問題著手進(jìn)行闡述，以提高航空貨物裝載的高效性和安全性。

關(guān)鍵詞：航空裝載；啟發(fā)式算法；裝載優(yōu)化

在航空貨物運(yùn)輸流程中，貨物裝載始終占據(jù)著重要地位。航空貨物裝載是否滿足要求直接關(guān)系到飛行安全和航空公司的收益。如何讓貨物裝載空間利用率、載重量利用率達(dá)到最大，安全性最佳，是軍事航空貨物裝載運(yùn)輸不懈追求的目標(biāo)。

1 航空貨物裝載優(yōu)化問題

1.1 航空貨物裝載優(yōu)化問題概念

航空貨物裝載，顧名思義，就是指將一定數(shù)量的不同體積、重量、形狀的不同種類貨物按照一定的順序，合理地裝進(jìn)具有一定載重量和空間限制的飛機(jī)機(jī)艙的過程。

總的來說，航空貨物裝載優(yōu)化問題屬于一類具有多個(gè)約束條件的復(fù)雜組合優(yōu)化問題，屬于NP-hard問題（即不能用代數(shù)的時(shí)間估算的問題）。NP-hard問題需要引入啟發(fā)式算法，在解空間中隨機(jī)生成新解，利用原來搜索過程中得到的信息，不斷改進(jìn)搜索過程，最終得到最優(yōu)解。目前，航空貨物裝載優(yōu)化問題的解決方法主要有模擬退火算法、蟻群算法、粒子群算法以及遺傳算法等。

1.2 航空貨物裝載優(yōu)化問題分類

航空貨物裝載可以類比于三維裝箱問題。三維裝箱問題的分類，可以按照貨物規(guī)格尺寸、所選飛機(jī)類型以及飛行路徑，可以分為以下三類。

（1）按照所裝貨物規(guī)格尺寸的不同，航空貨物裝載優(yōu)化問題可分為兩種。第一種是一定量的同規(guī)格、同類型、同尺寸的貨物裝載；第二種是一定量的不同規(guī)格尺寸貨物混合裝載。其中，第二種類型的貨物裝載處理難度相對較大。

（2）按照所選飛機(jī)類型的不同，可分為非寬體飛機(jī)和寬體飛機(jī)裝載。一般非寬體客機(jī)只有散貨艙，寬體飛機(jī)使用集裝器裝載貨物。寬體飛機(jī)，以波音747-400F型全貨機(jī)為例，該機(jī)型由上艙、主貨艙、前下貨艙、后下貨艙以及散貨艙等五個(gè)貨艙構(gòu)成，貨艙門分為主貨艙鼻門、主貨艙側(cè)門、前下貨艙門、后下貨艙門以及散貨艙門構(gòu)成。既可采用集裝器裝載集裝貨物，也可對諸如車輛、大型設(shè)備等散裝貨物進(jìn)行系留、固定。非寬體飛機(jī)，由于只有散貨艙，因而僅可裝一些郵件、快遞包裹、行李、動(dòng)物活體等小型貨物，裝載的貨物體積和數(shù)量均有較大限制。

（3）按照飛行路徑的不同，可將航空貨物裝載分為兩種類型。第一種是多航段航空運(yùn)輸貨物裝載，第二種為單航段直達(dá)運(yùn)輸貨物裝載。多航段運(yùn)輸需要根據(jù)中間站的數(shù)量及距離選擇優(yōu)先配送的貨物，同時(shí)，還要根據(jù)飛機(jī)最大貨物吞吐量確定貨物裝載量；在起始地裝載時(shí)還要考慮貨物裝載的順序，以便于中間站裝卸載，從而提升航空公司的利潤。單航段直達(dá)航空運(yùn)輸僅需要在始發(fā)站根據(jù)重心位置、飛機(jī)貨艙結(jié)構(gòu)等條件合理調(diào)配貨物位置，并依據(jù)飛機(jī)最大裝載量確定貨物裝載量即可。

2 航空貨物運(yùn)輸裝載優(yōu)化問題常用解決方法

航空貨物運(yùn)輸裝載優(yōu)化問題可以類比為一種集裝箱裝載布局優(yōu)化問題。它是一種考慮到所裝貨物的體積、重量、長度、寬度、高度以及貨艙空間等多重因素的三維裝箱問題，屬于NP-hard問題，其解決的主要方法是啟發(fā)式算法。

2.1 啟發(fā)式算法

啟發(fā)式算法是近年來新產(chǎn)生的一類求解復(fù)雜組合優(yōu)化問題最優(yōu)解的算法，最早可追溯到Simon的有限合理性原理（Bounded Rationality）。面對某些不能用代數(shù)的時(shí)間來估計(jì)的問題，啟發(fā)式算法按照一定的策略搜索可行解，并利用搜索過程中獲取的中間信息改進(jìn)搜索策略，從而避免陷入局部最優(yōu)解，找到該問題的近似最優(yōu)解。啟發(fā)式算法的缺點(diǎn)在于無法確定所得解與真實(shí)最優(yōu)解的差距，僅能得到近似最優(yōu)解。

實(shí)際生活中的NP-hard問題往往約束條件多、解空間范圍龐大，在有限時(shí)間內(nèi)，這種問題一般不容易求得。啟發(fā)式算法的優(yōu)勢在于可以加快搜索速度。相比于其它數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，該方法可迅速得到復(fù)雜組合優(yōu)化問題的近似最優(yōu)解，具有一定的藝術(shù)性和技巧性。啟發(fā)式算法在解決裝箱問題的實(shí)際應(yīng)用中效果顯著。

2.2 啟發(fā)式算法的分類

啟發(fā)式算法在搜索最優(yōu)解的過程中利用到了原來搜索過程中得到的信息，且這個(gè)信息會(huì)改進(jìn)我們的搜索過程。這里的“啟發(fā)式”是指“自我發(fā)現(xiàn)的能力”，即利用原來搜索過程所得信息的手段。根據(jù)啟發(fā)式起源和搜索特點(diǎn)的不同，可將啟發(fā)式算法分為兩類，如表1所示：

在實(shí)際運(yùn)用啟發(fā)式算法求解復(fù)雜NP-hard問題中，通常使用多種啟發(fā)式算法相結(jié)合的方法，利用各具體方法的優(yōu)點(diǎn)，有利于更快解決組合優(yōu)化問題。

3 航空貨物運(yùn)輸裝載需要注意的幾點(diǎn)問題

航空投送以其速度快、航程遠(yuǎn)、靈活性強(qiáng)、受地理?xiàng)l件限制小等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭部隊(duì)遠(yuǎn)距離機(jī)動(dòng)和物資運(yùn)送的優(yōu)先選擇。航空投送物資裝載需要同時(shí)滿足裝卸速度快、裝載物資多等方面的條件。長距離航空貨物運(yùn)輸中，還要考慮裝載貨物的安全性和牢固性的問題。

3.1 航空貨運(yùn)物資裝配要求

為保證航空運(yùn)輸安全，軍用運(yùn)輸機(jī)在裝載物資時(shí)，通常對貨運(yùn)物資的包裝、裝載的重量與尺寸以及不同物資的混裝具有一定的規(guī)定要求。

3.1.1 航空貨運(yùn)物資包裝要求

組織航空貨運(yùn)物資裝載前，需對貨物進(jìn)行二次包裝，以提高其運(yùn)輸安全性。包裝材料要堅(jiān)固、完好、輕便，防止包裝破裂、內(nèi)件漏出散失，防止碼垛、摩擦、震蕩或氣壓、氣溫變化而引起物資損壞或變質(zhì)，防止傷害人員或污損飛機(jī)、設(shè)備及其它物品。同時(shí)，包裝材料的重量及型號(hào)要符合搬運(yùn)和裝卸的條件，以免因超重或難以固定而影響裝卸安全，造成事故。

3.1.2 裝載的重量與尺寸限制

貨物裝載應(yīng)當(dāng)滿足飛機(jī)最大載重能力和貨艙尺寸限制。超過貨艙地板承受力的貨物，裝機(jī)時(shí)必須加上墊板，以免局部壓強(qiáng)過大對飛行造成安全隱患。同時(shí)，貨物尺寸應(yīng)當(dāng)小于貨艙門最大允許裝載尺寸，要確保貨物可順暢進(jìn)出貨艙，以免在裝載時(shí)造成不必要的麻煩。

3.1.3 航空貨運(yùn)物資混裝要求及貨物裝載原則

多種不同類型貨物進(jìn)行航空裝載時(shí)，要注意根據(jù)單件貨物的重量、體積進(jìn)行合理搭配，并根據(jù)飛機(jī)重心位置、貨艙地板強(qiáng)度、貨艙空間結(jié)構(gòu)等條件合理確定貨物裝機(jī)位置，進(jìn)行配載平衡。執(zhí)行裝載時(shí)要避免大件壓小件，重件壓輕件，木箱壓紙箱，固體包裝件壓液體包裝件，不以貨物棱角抵觸機(jī)壁。對于性質(zhì)互斥、運(yùn)輸要求不同的貨物，比如油料和彈藥，不能混裝。

3.2 航空貨運(yùn)物資裝載方法的選擇

軍用運(yùn)輸機(jī)裝載物資時(shí)，一般采用人力搬運(yùn)、傳輸裝載、舉升等裝載方式。這些方法均存在其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際裝載時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體情況靈活使用。

3.2.1 人力搬運(yùn)

人力搬運(yùn)目前在很多軍用機(jī)場采用。該裝載方式主要用于散裝貨物運(yùn)輸，其優(yōu)點(diǎn)主要在于：

（1）使用人力搬運(yùn)散裝物資，不必使用大型傳送設(shè)備，可提高物資裝載的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約裝載成本；

（2）人力搬運(yùn)方式的環(huán)境適應(yīng)性較好。對于沒有運(yùn)輸機(jī)散裝物資裝卸車等裝卸載保障裝備等情況，人力搬運(yùn)可以有效進(jìn)行裝載；對于裝卸載保障裝備不足，難以應(yīng)付突發(fā)情況，人力搬運(yùn)可發(fā)揮其快速裝載的作用。

作為一種相對較為原始的裝載方式，人力搬運(yùn)裝卸載方法存在諸多弊端。比如造成人力資源的浪費(fèi)、缺乏機(jī)械化裝載的高效性、浪費(fèi)了裝載時(shí)間等問題。

3.2.2 傳輸裝載

傳輸裝載方式主要集中在民航機(jī)場。飛機(jī)在裝卸行李、包裹、郵件等小型散裝物資以及軍用運(yùn)輸機(jī)在民航機(jī)場起飛或著陸時(shí)，多采用散裝物資裝卸車（行李傳輸車）。該裝備一般由汽車底盤、駕駛室、傳送機(jī)架裝置、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）使用傳送帶進(jìn)行物資運(yùn)輸，可有效節(jié)約人力，避免了資源浪費(fèi)，有效縮小配置范圍；

（2）該方法可有效提高裝載速度，使物資能夠更快裝載，更適應(yīng)現(xiàn)代軍事行動(dòng)中快節(jié)奏的運(yùn)輸模式；

使用散裝物資裝卸車受機(jī)場條件制約較大，我國目前使用散裝物資裝卸車的軍用機(jī)場較少，使用該方法需依托民航機(jī)場，對我軍航空運(yùn)輸軍事行動(dòng)造成了一定的不便。

3.2.3 舉升裝載

舉升裝載方式一般用于民用機(jī)場，主要使用升降平臺(tái)車（集裝箱裝載機(jī)）進(jìn)行。升降平臺(tái)車是一種專用裝卸載裝備，主要適用于寬體貨機(jī)上的裝卸載作業(yè)，具有自動(dòng)行走功能，其優(yōu)點(diǎn)主要在于有效節(jié)約人力。貨運(yùn)人員只需將集裝化的物資推送至主平臺(tái)，并系留固定即可。升降平臺(tái)車可自動(dòng)將貨物運(yùn)送至飛機(jī)貨倉內(nèi)部，省工、省力。

該裝載方式的不足之處在于受機(jī)型影響較大。不同型號(hào)的升降平臺(tái)車，其允許的最大舉升能力和最大舉升高度各不相同。因此，在面對多機(jī)型物資裝載時(shí)，舉升裝載方式會(huì)受到較大限制，需靈活使用各裝載方法，做大限度提高裝載效率。

綜上，通過從航空運(yùn)輸裝載優(yōu)化問題的概念和分類入手，分析了航空貨物運(yùn)輸裝載優(yōu)化問題常用解決方法，并提出航空貨物運(yùn)輸裝載需要注意的幾點(diǎn)問題，在保證貨物裝載安全合理的前提下，為實(shí)現(xiàn)更加高效的航空貨物運(yùn)輸提供了借鑒參考。

（作者簡介：李鵬，陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)研究生隊(duì)；王飛，68003部隊(duì)上尉，陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)研究生隊(duì)；李桂遠(yuǎn)，陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)研究生隊(duì)）