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))