CN110751358A - 一种机场地面服务人员的排班方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种机场地面服务人员的排班方法、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机场地面服务人员的排班方法，包括以下步骤：根据航班计划和服务标准生成所求排班周期内地面服务原子任务的数量、资质要求及人员需求量；建立地面服务人员排班模型并构造排班模型的初始可行解；基于排班规则枚举所有班次模式以为待排员工生成若干可选列，直至满足迭代终止条件；采用生成的可选列求所述人员排班模型的整数解以得到人员排班计划。本发明还提供了一种电子设备和计算机可读存储介质。本发明的机场地面服务人员的排班方法通过引入班次模式的概念来处理排班规则，大大提高了计算效率，并且本发明可以量化服务质量，优化人力资源利用，实现服务质量、人力成本和员工满意度之间的平衡。

Description

一种机场地面服务人员的排班方法、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及一种民航技术领域，尤其涉及一种机场地面服务人员排班方法、电子设备及存储介质。
背景技术
目前，随着我国民航事业的迅猛发展，航班量与旅客数量持续增长，要求机场地面服务所需的各项资源尤其是人力资源，需要得到更高效的利用，实现服务质量、人力成本和员工满意度的共赢。机场地面服务的需求量具有随时间变化而显著变化的特点，各种各样的任务又要求员工具有相应的资质和技能，同时又必须考虑到各种人性化的排班质量要求，使得地面服务人员排班问题成为一个复杂的技术问题。目前仍有许多机场使用朴素的方法人工排班，不但费时费力，而且难以保证质量，存在较大优化空间。
利用软件系统进行人员排班的问题，在学术界和工业界都有广泛的研究和应用。常用的技术方案可以分为两大类，一是建立整数规划模型进行求解，二是使用遗传算法、模拟退火等智能搜索算法逐步改进，两种方案各有优缺点与适用问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种机场地面服务人员的排班方法，其能提高排班效率，并实现服务质量、人力成本和员工满意度之间的平衡。
本发明的目的之二在于提供一种电子设备，其能提高排班效率，并实现服务质量、人力成本和员工满意度之间的平衡。
本发明的目的之三在于提供一种计算机可读存储介质，其能提高排班效率，并实现服务质量、人力成本和员工满意度之间的平衡。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种机场地面服务人员的排班方法，包括以下步骤：
信息获取步骤：根据航班计划和服务标准生成所求排班周期内地面服务原子任务的数量、资质要求及人员需求量，其中原子任务为在某个确定的时间段内待安排员工完成的不可分的任务需求；
模型构建步骤：建立地面服务人员排班模型并构造排班模型的初始可行解；
第一计算步骤：使用列生成方法迭代求解人员排班模型的线性松弛问题，并基于排班规则枚举所有班次模式以为待排员工生成若干可选列，直至满足迭代终止条件；所述班次模式指根据排班规则预先为排班周期内的每天确定一个班次类型；
结果获取步骤：采用生成的可选列求所述人员排班模型的整数解以得到人员排班计划。
进一步地，在所述模型构建步骤中，所述人员排班模型具体为：
Figure BDA0002185672740000021
Figure BDA0002185672740000022
Figure BDA0002185672740000023
Figure BDA0002185672740000024
所述人员排班模型的决策变量为对每个员工s及其可选的原子任务集合j定义的0-1变量xsj，若变量xsj取1则表示员工s选择了集合j，集合j包含的原子任务t由参数atj定义，若j覆盖t则为1，反之为0；对需求量为dt的原子任务t，其缺员人数由变量ut表示；目标函数包含两个部分：csj表示员工s选择集合j的加权偏好成本，ct表示原子任务t的加权缺员成本。
进一步地，所述第一计算步骤具体包括以下子步骤：
优化步骤：采用优化软件包求解线性松弛问题，得到当前迭代每个原子任务t的对偶值πt以及每个员工s的对偶值ρs；
枚举步骤：根据排班规则枚举每个员工每天可能的班次h，对每个班次h，计算在该班次上对偶值之和最小的原子任务集合Th，得到班次的权重其中csh为员工对班次h的偏好；
第二计算步骤：计算每个员工其缩减成本为负的列，或证明对应员工不存在负列；
判断步骤：判断是否满足迭代终止条件，若否，则所有员工均不存在缩减成本为负的列；若是，则把对应负列加入人员排班模型中。
进一步地，所述第二计算步骤具体包括以下子步骤：
根据排班规则枚举员工的简化班次模式，为每个简化班次模式生成班次图，并分别求解最短路径问题；
若在某个简化班次模式下得到的最短路径为负且满足完全排班规则，则找到对应员工的缩减成本为负的列；
若在所有简化班次模式下不存在负路径，则证明该员工不存在负列；
若在所有简化班次模式的最短路径中，存在负路径，但所有负路径均不合法，则枚举对应员工的完全班次模式，为完全班次模式生成班次图，并分别求解最短路径问题；
若在某个完全班次模式下得到的最短路径为负，则找到对应员工的缩减成本为负的列；
若在所有完全班次模式下均不存在负路径，则证明对应员工不存在负列。
进一步地，所述简化班次模式包括上班模式和休息模式，所述完全班次模式中的班次类型包括正常班、早班、早早班、晚班、晚晚班、休息、通宵、延长班和停休。
进一步地，在信息获取步骤中，所述航班计划从航班计划系统中同步更新航班计划信息得到，所述服务标准用于维护不同类型航班对应的原子任务生成标准及非航班直接相关的原子任务生成标准。
进一步地，在结果获取步骤之前还包括信息接收步骤：接收用户输入的预排员工任务以完成手工调整排班结果。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明目的之一中任意一项所述的一种机场地面服务人员的排班方法。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明目的之一中任意一项所述的一种机场地面服务人员的排班方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的机场地面服务人员的排班方法通过引入班次模式的概念来处理排班规则，大大提高了计算效率，并且本发明可以量化服务质量，优化人力资源利用，实现服务质量、人力成本和员工满意度之间的平衡。
附图说明
图1为实施例一的机场地面服务人员的排班方法的流程图；
图2为实施例一的机场地面服务人员的排班方法的具体流程图；
图3为实施例一中的班次模式为DDDRDDR的图示。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
随着我国民航事业的迅猛发展，航班量与旅客数量的增长与地面服务人力资源不足的矛盾日益凸显，需要对有限的人力资源进行排班优化，提高人力的利用效率。由于机场地面服务人员的需求量具有随时间显著变化、资质技能要求复杂等特点，其排班优化是一个复杂的技术问题。目前仍有许多机场使用朴素的方法人工排班，不但费时费力，而且难以保证质量，存在较大优化空间。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种机场地面服务人员的排班方法，包括以下步骤：
S1：根据航班计划和服务标准生成所求排班周期内地面服务原子任务的数量、资质要求及人员需求量，其中原子任务为在某个确定的时间段内待安排员工完成的不可分的任务需求；所述航班计划从航班计划系统中同步更新航班计划信息得到，所述服务标准用于维护不同类型航班对应的原子任务生成标准及非航班直接相关的原子任务生成标准。
S2：建立地面服务人员排班模型并构造排班模型的初始可行解；所述人员排班模型具体为：
Figure BDA0002185672740000061
Figure BDA0002185672740000062
Figure BDA0002185672740000063
Figure BDA0002185672740000064
所述人员排班模型的决策变量为对每个员工s及其可选的原子任务集合j定义的0-1变量xsj，若变量xsj取1则表示员工s选择了集合j，集合j包含的原子任务t由参数atj定义，若j覆盖t则为1，反之为0；对需求量为dt的原子任务t，其缺员人数由变量ut表示；目标函数包含两个部分：csj表示员工s选择集合j的加权偏好成本，ct表示原子任务t的加权缺员成本。模型优化目标为使二者的加权和最小。根据列生成法原理，可选集合j无需全部枚举，但需要构造初始可行解(如为每个员工选择一个空集，所有任务需求都没有被满足)以开始步骤S3的迭代。
集合覆盖问题(Set Covering Problem)是一类特殊的整数规划问题，常用于民航机组排班等人力优化问题。集合覆盖问题一般隐式地包含数量巨大的列(即决策变量)，每列代表一种备选的可能排班方案，这些列的数量虽然大得无法枚举，但基于名为列生成(Column Generation)的理论，我们可以在较短的时间内得到精度较高的解。在列生成理论中，原问题被分解为主问题和子问题，迭代求解。在每次迭代中，每个潜在的列都对应一个被称为缩减成本的值，子问题要寻找到一个该值为负的列以更新原问题，直到负列不存在时终止迭代。此时原集合覆盖问题的线性松弛得到最优解，而此过程中生成的列可认为是具有代表性的列，由代表列组成的小问题的解可作为原问题的满意解。然而列生成理论只是提供了一种把原问题转化为迭代求解子问题的思路，如何针对具体问题，如本发明中的地面服务人员排班问题建立相应子问题，是本领域技术人员需要解决的难点技术问题。
在本实施例中采用如下的方式来进行，S3：使用列生成方法迭代求解人员排班模型的线性松弛问题，并基于排班规则枚举所有班次模式以为待排员工生成若干可选列，直至满足迭代终止条件；所述班次模式指根据排班规则预先为排班周期内的每天确定一个班次类型；所述排班规则包括班次的开始结束时间、时长、最小间隔时间和班次类型。所述步骤S3具体包括以下子步骤：
S31：采用优化软件包求解线性松弛问题，得到当前迭代每个原子任务t的对偶值πt以及每个员工s的对偶值ρs。
S32：根据排班规则枚举每个员工每天可能的班次h，对每个班次h，计算在该班次上对偶值之和最小的原子任务集合Th，得到班次的权重
Figure BDA0002185672740000071
其中csh为员工对班次h的偏好；
S33：计算每个员工其缩减成本为负的列，或证明对应员工不存在负列；所述步骤S33具体包括以下子步骤：
根据排班规则枚举员工的简化班次模式，为每个简化班次模式生成班次图，并分别求解最短路径问题；
若在某个简化班次模式下得到的最短路径为负且满足完全排班规则，则找到对应员工的缩减成本为负的列；
若在所有简化班次模式下不存在负路径，则证明该员工不存在负列；
若在所有简化班次模式的最短路径中，存在负路径，但所有负路径均不合法，则枚举对应员工的完全班次模式，为完全班次模式生成班次图，并分别求解最短路径问题；
若在某个完全班次模式下得到的最短路径为负，则找到对应员工的缩减成本为负的列；
若在所有完全班次模式下均不存在负路径，则证明对应员工不存在负列。
在本实施例中，班次模式是指根据班次规则预先为排班周期内的每天确定一个班次类型，用以过滤当前的可选班次以生成班次图。以图3为例，在一周七天内确定班次模式为DDDRDDR，D表示当天为上班，R表示当天为休息，该班次模式满足一周七天休二的基本要求。班次图可分为四部分：无权重的虚拟始点；权重值为员工对偶值-ρs的班次模式点；每天为一层，每层枚举符合相应班次类型、权重为wh的班次点；无权重的虚拟终点。每层节点之间存在无权的单向边，连续两天的两个班次之间如因违反班次规则无法相连。从虚拟始点到虚拟终点间的任意路径总权重，对应于其缩减成本
Figure BDA0002185672740000081
列生成算法的基本目标是寻找缩减成本为负的列，因此若最短路径权重为正，则该班次模式下不存在任何负列。
根据所需排班规则，每天班次类型可能包括正常班(N)、早班(E)、早早班(e)、晚班(L)、晚晚班(l)、休息(R)、通宵(O)、延长班(T)、停休(X)等上十种。例如排班规则可要求一周的早班不超过2个，晚班不超过2个，延长班不超过1个，连续工作不能超过5天，假定上周最后一天休息，则班次模式LLRNeRT是一个合法的班次模式。可想而知，在复杂的排班规则下，组合而成的班次模式呈组合爆炸式增长。
除了上述的方式外，完全模式中包括的班次类型可能并不只这几种，而简化的方式也可能不只这一种。比如规则要求早班不超过3个，早早班不超过1个；则在简化模式中把早早班和早班合并为一个广义的“早班”，限制其不超过3个，再在结果中检查里面早早班有没有超过1个。具体需要有哪些班次类型、能不能简化、如何简化，都需要根据具体的业务规则进行调整，只要有了“简化模式”这一个思路，调整的方法是容易想到的。在本实施例中完全班次模式指的是目前已有的所有排次的排列，而简化模式则是对完全班次模式进行的一种简化操作，其是将完全模式中的班次进行总结分类以形成简化模式；在进行简化的时候，不单单有早中晚或者“正常班”“休息班”这样的简化方式，也可以根据具体的业务需求来进行调整。这种简化的思路并不是本领域技术人员所熟知的。
在本实施例中采用先简化再展开的两阶段方法缓解班次模式增长过多的问题，即先忽略一部分约束，求解简化班次模式问题：若简化班次问题无解则原问题自然无解；若得到的解恰好满足全部约束，则问题得解；否则，添加被违反的约束，逐步收紧到原问题。在简化班次模式中，相应规则具有较多共性的班次，如早班、晚班等班次类型都统一为上班(D)，例如上例中的班次模式LLRNeRT就简化为DDRDDRT。在枚举简化班次模式时只考虑相应简化后的基本规则，在求得最短路径后再检查其是否满足完全规则。如在上例中，根据DDRDDRT的班次模式求解最短路径问题后，得到的结果有可能恰好只有2个早班、2个晚班，符合完全规则。实践表明在多数情况下无需展开至完全班次模式即可找到符合完全规则的负列或证明负列不存在，提高了列生成效率一个数量级以上。
S34判断是否满足迭代终止条件，若否，则所有员工均不存在缩减成本为负的列；若是，则把对应负列加入人员排班模型中，进入下一轮迭代，直至满足迭代终止条件。
S4：采用生成的可选列求所述人员排班模型的整数解以得到人员排班计划。
本实施例的目的在于提供一种通过计算机软件实现的地面服务人员排班方法，其能量化服务质量，优化人力资源利用，实现服务质量、人力成本和员工满意度之间的平衡。通过对机场地面服务业务的分析，围绕地面服务人员排班中的目标与约束，设计了一种基于集合覆盖问题与列生成理论的排班方法，本实施例中主要的创新点包括：一、引入班次模式的概念来处理排班规则，基于排班规则把所有方案分解为不同的班次模式，从而使每个班次模式下的列生成子问题可建模为经典的图论最短路问题；二，为应对复杂的人性化与公平化排班规则而产生的班次模式数量的爆炸性增长，引入了先简化再展开的两阶段方法，大大提高了求解的效率。
除了上述方法外，本发明还提供了一种实现上述地面服务人员排班方法的系统，所述系统包括：
航班计划同步模块，用于从航班计划系统中同步更新航班计划信息；服务标准维护模块，用于维护不同类型航班对应的、及非航班直接相关的原子任务生成标准；排班规则管理模块，用于排班时必须考虑的班次规则，如班次的允许开始结束时间、时长、最小间隔时间、班次类型、各种班次类型的均衡要求等；人员基本信息维护模块，用于维护人员的技能及其有效期、级别、偏好等人员基本信息；手工排班模块，用于预排员工任务，手工调整排班结果，查看历史排班记录等；人力需求生成模块，用于从航班计划与服务标准，自动生成模型所需的原子任务人力需求量；混合整数规划模型管理与求解模块，用于建立、修改和求解混合整数规划模型，包括纯线性规划与纯整数规划模型；班次模式生成模块，用于从排班规则与员工预排任务生成其可能的班次模式，包括简化班次模式与完整休息模式；班次图生成模块，用于从班次模式、预排任务、模型对偶值等信息生成对应的员工班次图，图中每条路径都对应员工在该班次模式下的一个可能选择；最短路算法求解模块，用于求解图上总权重最小即最短路径；班次规则检查模块，用于在简化班次模式下检查路径是否满足全部排班规则；路径转化列模块，用于把班次图上的路径转化为混合整数规划模型中的列；模型求解结果解析模块，用于把混合整数规划模型的结果解析为员工排班方案。
其中，各模块的数据交互可参考图2所示的流程图。航班计划同步模块、服务标准维护模块、排班规则管理模块、人员基本信息维护模块为自动生成人员排班方案提供输入信息；手工排班模块中的预排任务及历史排班记录也是自动排班的输入，同时也可以在自动排班后对结果进行手工编辑；所有输入数据经人力需求生成模块处理后，进入混合整数规划模型管理与求解模块生成模型并开始迭代求解，在每个迭代中先后经过班次模式生成模块、班次图生成模块、最短路算法求解模块和班次规则检查模块，部分模块视情况可能调用不止一次，最后经过路径转化列模块再回到混合整数规划模型管理与求解模块进入下一次迭代；当达到迭代终止条件时使用混合整数规划模型管理与求解模块求模型整数解，最后使用模型求解结果解析模块解析保存排班结果。
实施例二
实施例二公开了一种电子设备，该电子设备包括处理器、存储器以及程序，其中处理器和存储器均可采用一个或多个，程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，处理器执行该程序时，实现实施例一的一种机场地面服务人员的排班方法。该电子设备可以是手机、电脑、平板电脑等等一系列的电子设备。
实施例三
实施例三公开了一种计算机可读存储介质，该存储介质用于存储程序，并且该程序被处理器执行时，实现实施例一的一种机场地面服务人员的排班方法。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
值得注意的是，上述基于内容更新通知装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，包括以下步骤：
信息获取步骤：根据航班计划和服务标准生成所求排班周期内地面服务原子任务的数量、资质要求及人员需求量，其中原子任务为在某个确定的时间段内待安排员工完成的不可分的任务需求；
模型构建步骤：建立地面服务人员排班模型并构造排班模型的初始可行解；
第一计算步骤：使用列生成方法迭代求解人员排班模型的线性松弛问题，并基于排班规则枚举所有班次模式以为待排员工生成若干可选列，直至满足迭代终止条件；所述班次模式指根据排班规则预先为排班周期内的每天确定一个班次类型；
结果获取步骤：采用生成的可选列求所述人员排班模型的整数解以得到人员排班计划。
2.如权利要求1所述的一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，在所述模型构建步骤中，所述人员排班模型具体为：
Figure FDA0002185672730000011
Figure FDA0002185672730000012
Figure FDA0002185672730000013
Figure FDA0002185672730000014
所述人员排班模型的决策变量为对每个员工s及其可选的原子任务集合j定义的0-1变量xsj，若变量xsj取1则表示员工s选择了集合j，集合j包含的原子任务t由参数atj定义，若j覆盖t则为1，反之为0；对需求量为dt的原子任务t，其缺员人数由变量ut表示；目标函数包含两个部分：csj表示员工s选择集合j的加权偏好成本，ct表示原子任务t的加权缺员成本。
3.如权利要求2所述的一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，所述第一计算步骤具体包括以下子步骤：
优化步骤：采用优化软件包求解线性松弛问题，得到当前迭代每个原子任务t的对偶值πt以及每个员工s的对偶值ρs；
枚举步骤：根据排班规则枚举每个员工每天可能的班次h，对每个班次h，计算在该班次上对偶值之和最小的原子任务集合Th，得到班次的权重
Figure FDA0002185672730000021
其中csh为员工对班次h的偏好；
第二计算步骤：计算每个员工其缩减成本为负的列，或证明对应员工不存在负列；
判断步骤：判断是否满足迭代终止条件，若否，则所有员工均不存在缩减成本为负的列；若是，则把对应负列加入人员排班模型中。
4.如权利要求3所述的一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，所述第二计算步骤具体包括以下子步骤：
根据排班规则枚举员工的简化班次模式，为每个简化班次模式生成班次图，并分别求解最短路径问题；
若在某个简化班次模式下得到的最短路径为负且满足完全排班规则，则找到对应员工的缩减成本为负的列；
若在所有简化班次模式下不存在负路径，则证明该员工不存在负列；
若在所有简化班次模式的最短路径中，存在负路径，但所有负路径均不合法，则枚举对应员工的完全班次模式，为完全班次模式生成班次图，并分别求解最短路径问题；
若在某个完全班次模式下得到的最短路径为负，则找到对应员工的缩减成本为负的列；
若在所有完全班次模式下均不存在负路径，则证明对应员工不存在负列。
5.如权利要求4所述的一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，所述简化班次模式包括上班模式和休息模式，所述完全班次模式中的班次类型包括正常班、早班、早早班、晚班、晚晚班、休息、通宵、延长班和停休。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，在信息获取步骤中，所述航班计划从航班计划系统中同步更新航班计划信息得到，所述服务标准用于维护不同类型航班对应的原子任务生成标准及非航班直接相关的原子任务生成标准。
7.如权利要求6所述的一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，所述排班规则包括班次的开始结束时间、时长、最小间隔时间和班次类型。
8.如权利要求6所述的一种机场地面服务人员的排班方法，其特征在于，在结果获取步骤之前还包括信息接收步骤：接收用户输入的预排员工任务以完成手工调整排班结果。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8中任意一项所述的一种机场地面服务人员的排班方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任意一项所述的一种机场地面服务人员的排班方法。
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