基于改进遗传算法的长期飞机检修规划编排.pdf
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1、Operations Research and Fuzziology 运筹与模糊学运筹与模糊学,2024,14(1),1084-1092 Published Online February 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/orf https:/doi.org/10.12677/orf.2024.141100 文章引用文章引用:马畅.基于改进遗传算法的长期飞机检修规划编排J.运筹与模糊学,2024,14(1):1084-1092.DOI:10.12677/orf.2024.141100 基于改进遗传算法的长期飞机检修规划编排基于改进遗传算法
2、的长期飞机检修规划编排 马马 畅畅 同济大学经济与管理学院,上海 收稿日期:2024年1月1日;录用日期:2024年1月19日;发布日期:2024年2月29日 摘摘 要要 长期飞机检修计划编排问题根据飞机的检修参数与维修能力,为机队指定长期飞机检修计划编排问题根据飞机的检修参数与维修能力,为机队指定35年内的大型检修计划。大年内的大型检修计划。大型检修计划作为飞机维护运营计划的基础,侧重于满足各类维修资源限制并尽可能减少维修次数,有利型检修计划作为飞机维护运营计划的基础,侧重于满足各类维修资源限制并尽可能减少维修次数,有利于航空公司合理分配飞机检修时间安排,以保障航班正常运行,提高机组利用率,
3、增加运营收入。由于于航空公司合理分配飞机检修时间安排,以保障航班正常运行,提高机组利用率,增加运营收入。由于时间周期较长,约束较为复杂,提出了一种遗传算法结合邻域搜索算子的启发式算法,实验结果表明,时间周期较长,约束较为复杂,提出了一种遗传算法结合邻域搜索算子的启发式算法,实验结果表明,GA-NS算法在解决大规模问题方面表现出了较好的效率和准确性,为航空业提供了更科学的维修计划设算法在解决大规模问题方面表现出了较好的效率和准确性,为航空业提供了更科学的维修计划设计方法,有望提高服务质量,提升运营效率。计方法,有望提高服务质量,提升运营效率。关键词关键词 长期飞机检修,遗传算法,邻域搜索,资源优
4、化配置长期飞机检修,遗传算法,邻域搜索,资源优化配置 Long-Term Aircraft Maintenance Planning and Arrangement Based on Improved Genetic Algorithm Chang Ma School of Economics and Management,Tongji University,Shanghai Received:Jan.1st,2024;accepted:Jan.19th,2024;published:Feb.29th,2024 Abstract The long-term aircraft maintenan
5、ce planning problem involves specifying a comprehensive main-tenance schedule for a fleet over 35 years,considering aircraft maintenance parameters and ca-pabilities.This planning,as the foundation of aircraft maintenance operations,focuses on meeting various maintenance resource constraints while m
6、inimizing the number of maintenance events.It aids airlines in efficiently allocating aircraft maintenance schedules to ensure normal flight oper-马畅 DOI:10.12677/orf.2024.141100 1085 运筹与模糊学 ations,enhance crew utilization,and increase operational revenue.Given the extended planning horizon and compl
7、ex constraints,a heuristic algorithm combining a genetic algorithm with neigh-borhood search operators,GA-NS,is proposed.Experimental results demonstrate that the GA-NS algorithm exhibits high efficiency and accuracy in addressing large-scale problems.It offers the aviation industry a more scientifi
8、cally informed approach to maintenance planning,with the po-tential to enhance service quality and operational efficiency.Keywords Long-Term Aircraft Maintenance,Genetic Algorithm,Neighborhood Search,Resource Optimization and Allocation Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is
9、 licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 民航业具有运营成本高、利润率低、竞争性强等特征,其运营管理问题无论从理论还是实践角度都得到了广泛关注。孙宏等的研究1显示,航空公司的总成本包括燃油/滑油成本、机场服务成本、航路成本、机组成本和飞机维修成本等。值得关注的是,飞机维修费用是航空公司的主要运营成本之一,在资产负债表中扮演着重要的角色。根据国际航空运输协会(Internatio
10、nal Air Transport Association,简称 IATA)的航空公司维护成本官方报告2,2020 年全球飞机检修维护费用支出约为 500 亿美元,占据航空公司总运营成本的 10.5%。此外,根据 Oliverwyman 的报告3,预计全球飞机维修需求将持续增长,预计到 2030年将超过 1100 亿美元。因此,对于航空公司来说,不断优化关于飞机维护的时间安排、降低维护运营成本可以为航空公司节省大量开支,起到增加利润的作用。随着越来越多廉价航空公司的出现,航空业价格竞争的压力日益增加,航空公司降低机组成本的重要性更是日益显著。当前许多航空公司仍在依赖人工编制飞机维修计划。随着飞
11、机规模和航线网络的迅猛扩张,人工排程显然已经无法满足航空公司的需求。低质量的解决方案可能导致飞机在服役期间的维修频率明显超出实际需求,从而减少飞机的可用时间。与此同时,不合理的维修间隔也可能导致维修资源得不到充分利用。飞机利用率的下降和维修成本的增加可能对航空公司的收益产生负面影响。高昂的维修成本使得航空公司迫切希望以更为高效的方式制定飞机的维修计划,以提高飞机的可用性。除了定期维护之外,更多的维修工作具有不确定性,如飞机故障难以预测,这会干扰维修工作的内容和时间安排4。根据Remnyi 在 2014 年的研究5,近 50%的维修公司表示,维修工作的内容存在 40%到 59%的不确定性。因此,
12、运用计算机技术和数学方法对飞机维修计划进行自动排程具有重要的研究价值和实际意义。根据维修计划编排提前期长短,维修计划可分为长期编排、中期编排以及短期编排种类型。不同维修计划在优化目标和所受限制上有所不同。由于 C 检的间隔约为 18 到 24 个月,而 D 检通常每 5 至 6 年安排一次6,长期计划编排基本不会考虑具体的航班,侧重于在满足各类维修资源限制(人员、设备和场地容量)和维修间隔的情况下,尽可能减少维修次数以最小化成本。由于长期维修计划编排的频率低,且对制定计划的时间没有实时性要求,目前的研究主要集中于短期维护路径规划。然而,对于短期维护计划的优化会导致贪婪的策略,尽可能地将小型定检
13、推迟到到期日。这种推迟的检查可能在接下来的一两个月内不会导致任何维护能力问题。但是随着时间的推移,后续的检查可能会堆积起来,导致未来维护Open AccessOpen Access马畅 DOI:10.12677/orf.2024.141100 1086 运筹与模糊学 需求激增。1977 年,加拿大航空公司率先开发了一种决策支持系统,用于长期飞机维修计划,将其机队未来 5年内的 C 检计划时间从三周缩减到数小时7。Steiner 提出了一种多目标的启发式算法,该算法根据不同的机型和限制,在 5 到 15 分钟内生成可行的维修计划8。Li 将维修任务的最优组合问题转化为一个聚类问题,并应用单纯形法
14、进行求解9。Yan 等人于 2008 年针对长期维修计划建立了一个 01 整数规划模型,综合多个优化目标使用加权法,并通过商业求解器 CPLEX 进行了实证研究10。Deng 等人在 2020年提出了一种基于动态规划的方法来解决长期飞机维修计划编排问题,该方法考虑了飞机检修约束以及特定日期的维护能力差异,其目标是最小化检查之间的飞行时间浪费,以提高飞机长期运营能力,增加收入11。在 2022 年,van der Weide 等人提出了一种 min-max 场景优化模型,旨在最小化飞机大修期间尚未使用的飞行时间总和12。同年,Deng 等人考虑了检修持续时间以及飞机日常使用率的不确定性,首次提出
15、了一种混合前瞻调度策略的近似动态规划方法13。本研究聚焦于长期飞机维修计划问题,研究在飞机检修标准中,对于各级检修之间的飞时、工作日、飞行循环具有明确限制、检修机库具有容量限制与资源限制等前提条件下,旨在研究如何妥善制定长期大型飞机维修计划,以合理分配飞机检修时间,以确保航班正常运行的同时,最大程度地减少飞机定期检查的数量,以提高机组利用率并增加运营收入。2.飞机维修计划编排问题飞机维修计划编排问题 2.1.问题描述问题描述 基于对实际业务的调研结果,本研究在长期鲁棒飞机检修计划问题中考虑了多个关键因素,包括各机型的检修参数规则、不同时间段的检修能力设定、飞机的日常运行情况,以及使用额外可用检
16、修机库所涉及的成本等。由于长期飞机检修计划的主要目标是在最小化检修成本的同时最大化盈利,因此,本文制定了以下目标函数评价指标:1)最小化未使用的飞行小时:这一目标的优化有助于更有效地规划检修间隔,从而间接减少长期维护检查的次数,减少计划期间的停飞时间。这有助于最大程度地利用所有飞机,使其投入商业运营,从而提高盈利。2)最小化飞机违反维修约束引发停飞时间:由于飞机停飞会导致显著的商业损失,因此,重要的是确保飞机能够满足维修约束条件,以避免停飞。3)最小化额外机库使用数量:降低额外的检修工作分配给第三方外包企业或支付技工额外加班费用所带来的高额成本,本文的基本假设如下:一次 C 检连续占用同一个机
17、库。最小步长为 1 个日历日。不考虑机库位置影响。飞行寿命到期时不允许继续飞行,增加额外机库进行检修。仅考虑C 检(D 检可化为更高等级的 C 检进行规划)。2.2.模型符号模型符号 基于上述问题描述,本文提出了长期飞机检修计划的 MILP(混合整数规划)模型。数学模型的符号说明如下:集合说明:I:飞机集合,下标为 i;iJ:飞机 i 的预计 C 检集合,下标为 j;T:时间步长集合,下标为 t;P:飞机运行参数集合,取值为,FH FC DY,分别代表飞行时间,起落循环以及日历日。马畅 DOI:10.12677/orf.2024.141100 1087 运筹与模糊学 参数说明:PiI:飞机 i
18、 的 P 类参数最大可允许积累阈值;,Pi tU:飞机 i 的 P 类参数在时间点 t 的积累量(其中PDY=时固定为 1);(),i jdt:飞机 i 在 t 时刻进行 j 次 C 检时,考虑节假日休息后总共需要的天数;tL:t 时刻可用机库数量;EC:使用额外机库的单位惩罚;CC:C 检一次的固定成本;M:足够大的常数。决策变量:,i j tx:01 变量,飞机 i 在时间 t 开始第 j 次 C 检则取 1,否则为 0;,Pi ty:连续变量,飞机 i 在时间 t 的参数 P 的值;,FHi j tZ:连续变量,若飞机 i 在时间 t 开始第 j 次 C 检则为,FHi ty,否则为 0
19、;,i tm:01 变量,飞机 i 在时间 t 正在进行检修取 1,否则为 0;tE:整数变量,时间 t 使用的额外机库数量。2.3.数学模型数学模型 本文的数学模型如下:(),minFHFHii j ti j tCi j ttEi I j J t Tt TIxZCxE C+(1)Subject to:,FHFHi j ti j tiiZxIiI jJ tT (2),FHFHi j ti tiZyiI jJ tT (3)(),1,FHFHFHi j ti j tii tiZxIyiI jJ tT+(4),PPi tiyIiI tT PFH FC DY (5),1,1,1,PPPi ti ti
20、ti tyyUM miI tTPFH FC DY+(6),1,1,1,PPPi ti ti tyyUiI tTPFH FC DY+(7)(),1,1 ,1,1,Pi ti tyMmiI tTPFH FC DY+(8)()(),i ji ti ji j titt t dtmdtxiI jJ tT+(9)()(),maxmax,i ji j t i j ti ti j tj JttdttmxiI tT (10),i ttti ImLEtT+(11)()()(),1,1,1i jti j tit Tt TxtMxtMiI jJ+(12),1,1,1i j ti jtit Tt TxxiI jJ+(1
21、3)马畅 DOI:10.12677/orf.2024.141100 1088 运筹与模糊学 ,1 ,i j tit TxiI jJ (14)目标函数(1)最小化所有场景下惩罚函数。目标函数分三部分,由未使用的飞时、飞机总维修次数的成本以及额外机库使用成本组成。约束(2)至(4)引入辅助变量,FHi j tZ,约束若飞机 i 在时间 t 开始第 j 次 C检则其取值为,FHi ty,否则为 0,方便计算目标函数中未使用的飞时部分。约束(5)为检修参数约束,同一飞机两次检修之间的飞时、飞行周期与工作日均不能超过规定值。约束(6)至(8)为参数更新约束,若当日进行本次检修,则飞时、飞行周期与工作日清
22、零,若正在进行检修则当日不增加飞时、飞行周期与工作日计数。约束(9)至(11)为检修机库的占用约束,飞机在检修过程中停飞,且占用一个机库。约束(12)至(13)确定了检修应按次序进行规划。约束(14)限制每次检修仅安排一次。3.求解算法求解算法 本文提出了一种结合邻域搜索的遗传算法(GA-NS),用来快速高效地解决长期飞机检修规划问题。该方法结合了遗传算法的多种群搜索特性以及邻域搜索的针对性设计算子的优点,可以做到准确高效地进行求解。3.1.编码方式编码方式 本文采用了二维数组编码方式,其中每个飞机的开始检修时间直接表示为数组元素的值。如果在求解期限内不计划安排特定次数的检修,相关位置则用1
23、表示。举例来说,如果飞机 1 的编码为15,656,1008,1,那么这代表飞机 1 将在第 15 天、第 656 天和第 1008 天分别进行 3 次 C 检修,而在求解过程中不会安排第四次检修。3.2.适应值计算适应值计算 适应值即为(1)式。在算法运行过程中,需要编写仿真程序来计算适应值。仿真程序通过逐日模拟飞机的使用情况和检修情况,对飞机使用参数进行实时更新。如果飞机的参数超出了事先设定的阈值,或者解中安排了该飞机的检修,那么在仿真中会对这架飞机进行检修,并记录浪费的飞行时间情况。仿真过程结束后,我们对各项统计数据进行汇总和求和,从而获得适应值。3.3.初始解生成初始解生成 使用随机-
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