CN112418620A - 机组成员自动排班系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于运筹学算法技术领域，提供了机组成员自动排班系统，包括组环模块和排班模块，组环模块包括组环数据导入模块、自动组环模块、组环校验模块，排班模块包括排班数据导入模块、自动排班模块和排班校验模块，与人工设计排班方案相比，一方面本发明的自动排班方案能够解决人工决策考虑指标单一，无法寻找全局最优解的现实问题，其丰富的规则校验器配置体系以及多维度KPI评价体系使得排班结果能更灵敏的反馈业务需求且具有较好的全局优最优性；另一方面本发明的算法模型，具有计算效率高的优点，也大大缩减了机组排班所需的时间，使得机组排班工作更加快速和高效，解放业务人员的生产力。

Description

机组成员自动排班系统
技术领域
本发明属于运筹学算法技术领域，尤其涉及机组成员自动排班系统。
背景技术
安全问题一直是民航系统运行中的首要问题，为此民航总局也颁发了一系列的法规(《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》)来限制飞行员的飞行时间，飞行值勤时间以及休息时间等，以降低飞行员的飞行疲劳；此外，法规针对不同性质的机场与航线也对飞行员提出了多种资质要求(例如ICAO,CAT2,单飞资质，报务资质)，只有满足相应资质的机长才能运行对应的航班。
航空公司内的机组成员排班问题既是在符合以上法规要求的前提下将当前排班周期内(一般是7天)的所有航班合理的分配给各个机长，使得在各机长公平的基础上尽量提高航班的飞时利用率和机长资源的使用率，从而满足公司的运行要求同时降低公司的人力成本。目前所有的排班工作都是依赖于人工，但是随着航司机队规模的发展，以及安全规则类型的增加与细化，人工越来越难在短时间内计算出一个即合规且合理的较优的解，从而丧失宝贵的利润空间。
发明内容
本发明提供机组成员自动排班系统，适合航空公司利用该系统自动完成航班组环和机组成员排班工作。
本发明是这样实现的，机组成员自动排班系统，包括组环模块和排班模块；
所述组环模块用于将独立的航班按照机场衔接的方式组成一个航班串，要求航班串中各航班间符合规定的衔接时间限值，航班串的总飞时和飞行值勤时间满足法规要求，其次将一个或多个航班串按照从基地出发并回到基地的原则组成环；
所述排班模块用于以所述环为最小单位进行人员分配，要求分配该环的机长必须满足环中每个航班的资质要求，且机长的各项时间指标满足法规，同时排班结果满足一定的均衡性指标。
优选的，所述组环模块包括组环数据导入模块、自动组环模块、组环校验模块；
所述数据导入模块用于输入航班ID、航班号、航班起降日期、航班起降机场、运力号、航班国际地区属性、优化周期、机场属性、机场时间规定；
所述自动组环模块包括以下模型：
Figure RE-GDA0002901734560000021
Figure RE-GDA0002901734560000022
Figure RE-GDA0002901734560000023
其中，P为所有可行的组环方案的集合，其中环p∈P；L为所有航班的集合，其中航班段l∈L；Cp为环p对应的评价系数；决策变量 Xp定义：如果组环方案P被选择，则为1，否则为0；
对任意包含航段l的组环方案求和等于1，因为Xp是一个0-1决策变量，求和为1即意味着在包含航段l的多个组环方案中只能选择一个，即每个实班航段只能被组在一个环中；
利用Gurobi求解上述优化模型获得最优解与对偶解；利用列生成算法中的价值判断逻辑对解进行迭代和选择并最终求得最优解；通过对模型中最优解对应的决策变量进行翻译，获得算法输出；
所述组环校验模块包括法定规则校验器和个性化规则校验器。
优选的，所述排班模块包括排班数据导入模块、自动排班模块和排班校验模块；
所述排班数据导入模块用于输入以下数据：
环信息：环ID、航班ID、航班号、航班起降机场、航班起降时间、环的虚实班属性、环的国际地区属性；机场信息：机场等级、机场国际地区属性、机场时间要求；航班相关资质需求：是否需要ICAO、是否需要CAT2、是否需要报务资质、是否需要单飞资质、是否需要极地资质等；机场相关资质需求：是否需要高高原机场资质、是否需要特殊机场资质等；人员基本信息：人员ID，人员有效期；人员资质信息：各个机长具备的与以上3/4条对应的各类资质情况；占位信息：预排班信息、模拟机、休息占位、公务占位；
自动排班模块包括以下模型：
Figure RE-GDA0002901734560000041
Figure RE-GDA0002901734560000042
Figure RE-GDA0002901734560000043
Figure RE-GDA0002901734560000044
Figure RE-GDA0002901734560000045
Figure RE-GDA0002901734560000046
其中，i表示一个待排环；k表示一个待排机长；j表示机长k的一个可行的排班方案，该方案中包含多个待排环i；B为0-1变量的布尔值；Z为整数的集合；bi表示环上的待覆盖的人数；aij为0-1参数，如果排班方案中包含环则为1，否则为0；ci为使用排班方案对应的惩罚系数；M为掉环对应的惩罚系数；M'为掉机长对应的惩罚系数；如果一个排班方案被选中则xj为1，否则为0；yi为松弛变量，表示待排环上未被覆盖的人数：zk为松弛变量，表示未被安排排班的机长。
优选的，对于任意一个环i，排班方案j中所涵盖的环i的人数加环i上未被覆盖的人数要不小于环i的目标待排人数；即不掉环约束，要求选择的方案必须能够实现环上全覆盖，如果未覆盖则由yi来计算掉环的数量，并在目标函数中给以惩罚。
优选的，对于任意一个机长k，对包含机长k的排班方案j进行求和的结果加上松弛变量zk之和为1；即对于任意一个机长都需1个排班方案被选择，否则松弛变量zk就为1，即有掉机长存在，此时就会在目标函数中存在掉机长惩罚。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的机组成员自动排班系统，与人工设计排班方案相比，一方面本发明的自动排班方案能够解决人工决策考虑指标单一，无法寻找全局最优解的现实问题，其丰富的规则校验器配置体系以及多维度KPI评价体系使得排班结果能更灵敏的反馈业务需求且具有较好的全局优最优性；另一方面本发明的算法模型，具有计算效率高的优点，也大大缩减了机组排班所需的时间，使得机组排班工作更加快速和高效，解放业务人员的生产力。
附图说明
图1为本发明的机组成员自动排班系统业务流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：机组成员自动排班系统，包括组环模块和排班模块。
组环模块用于将独立的航班按照机场衔接的方式组成一个航班串，要求航班串中各航班间符合规定的衔接时间限值，航班串的总飞时和飞行值勤时间满足法规要求，其次将一个或多个航班串按照从基地出发并回到基地的原则组成环。
组环模块包括组环数据导入模块、自动组环模块、组环校验模块。
数据导入模块用于输入航班ID、航班号、航班起降日期、航班起降机场、运力号、航班国际地区属性、优化周期、机场属性、机场时间规定。
自动组环模块包括以下模型：
Figure RE-GDA0002901734560000061
Figure RE-GDA0002901734560000062
Figure RE-GDA0002901734560000063
其中，P为所有可行的组环方案的集合，其中环p∈P；L为所有航班的集合，其中航班段l∈L；Cp为环p对应的评价系数；决策变量 Xp定义：如果组环方案P被选择，则为1，否则为0。
目标函数介绍：在所有的可行组环方案中进行选择，并使选择结果的惩罚系数之和最小，即选择总KPI目标最优的环的集合。
对任意包含航段l的组环方案求和等于1，因为Xp是一个0-1决策变量，求和为1即意味着在包含航段l的多个组环方案中只能选择一个，即每个实班航段只能被组在一个环中。
边界约束用来限制决策变量范围。其利用Gurobi求解上述优化模型获得最优解与对偶解；利用列生成算法中的价值判断逻辑对解进行迭代和选择并最终求得最优解；通过对模型中最优解对应的决策变量进行翻译，获得算法输出。
组环校验模块包括法定规则校验器和个性化规则校验器。
优化之后的组环结果，包含：环号，对应每个环号下的航班信息 (航班号，起降时间，起降机场)，以及每个航班的虚实属性(是否为搭机)。可以查看具体哪几个航班被组成了一个环。
排班模块用于以环为最小单位进行人员分配，要求分配该环的机长必须满足环中每个航班的资质要求，且机长的各项时间指标满足法规，同时排班结果满足一定的均衡性指标。
排班模块包括排班数据导入模块、自动排班模块和排班校验模块。
排班数据导入模块用于输入以下数据：
环信息：环ID、航班ID、航班号、航班起降机场、航班起降时间、环的虚实班属性、环的国际地区属性；机场信息：机场等级、机场国际地区属性、机场时间要求；航班相关资质需求：是否需要ICAO、是否需要CAT2、是否需要报务资质、是否需要单飞资质、是否需要极地资质等；机场相关资质需求：是否需要高高原机场资质、是否需要特殊机场资质等；人员基本信息：人员ID，人员有效期；人员资质信息：各个机长具备的与以上3/4条对应的各类资质情况；占位信息：预排班信息、模拟机、休息占位、公务占位。
自动排班模块包括以下模型：
Figure RE-GDA0002901734560000081
Figure RE-GDA0002901734560000082
Figure RE-GDA0002901734560000083
Figure RE-GDA0002901734560000084
Figure RE-GDA0002901734560000085
Figure RE-GDA0002901734560000086
其中，i表示一个待排环；k表示一个待排机长；j表示机长k的一个可行的排班方案，该方案中包含多个待排环i；B为0-1变量的布尔值；Z为整数的集合；bi表示环上的待覆盖的人数；aij为0-1参数，如果排班方案中包含环则为1，否则为0；ci为使用排班方案对应的惩罚系数；M为掉环对应的惩罚系数；M'为掉机长对应的惩罚系数；如果一个排班方案被选中则xj为1，否则为0；yi为松弛变量，表示待排环上未被覆盖的人数：zk为松弛变量，表示未被安排排班的机长。
目标函数介绍：本模型是一个最小化问题，目标函数分为以下三个部分：被选中的排班方案的评价系数之和，未排班环惩罚系数之和以及未排班机长的惩罚系数之和。即模型希望在每个环都被分配机长和以及每位机长都有可飞航班的基础上，使总体排班方案的KPI目标最优。
对于任意一个环i，排班方案j中所涵盖的环i的人数加环i上未被覆盖的人数要不小于环i的目标待排人数。即不掉环约束，要求选择的方案必须能够实现环上全覆盖，如果未覆盖则由yi来计算掉环的数量，并在目标函数中给以惩罚。
对于任意一个机长k，对包含机长k的排班方案j进行求和的结果加上松弛变量zk之和为1。即对于任意一个机长都需1个排班方案被选择，否则松弛变量zk就为1，即有掉机长存在，此时就会在目标函数中存在掉机长惩罚。
边界约束用来限制决策变量范围，其对可行域进行切分并利用 Gurobi求解上述优化模型，按照实际问题规模通过单次或多次迭代获得最优解。
优化后的排班结果：包括机长ID以及该机长ID下的所有分配航班信息。可以查看具体哪几个环被分配给对应的机长。
另外本发明在具体实施时，分为如下步骤：
一.信息管理
该部分主要用于原始航班计划的导入，为后期的航班组环和机组排班做数据支持。目前，自动排班系统支持以下三种信息导入模式——“外部系统接入”、“EXCEL导入”以及“人工录入”。
以上多种导入模式基本能够适应国内外各个等级航空公司的运行现状，具有极高的通用性。此外在导入系统中的高频更新、航班变更高亮、筛选排序以及批量修改等功能，也迎合了不同的业务使用场景，极大便利了航班信息的录入。
此外除航班信息录入外，人员信息的录入也是其中重要的一环，包括但不止于以下多个方面：
人员基本信息：工号/姓名/性别/电话/部门。
人员证件信息：出入境证件管理，国家证件报备，登记证信息管理，体检合格证信息。
人员资质信息：局方执照，公司技术聘任，运行资质，单飞/ 特殊机场/ICAO/ETOPS。
人员报务信息：报务航线放飞，报务英语打分。
二.自动组环
第一阶段导入工作完成后，系统将原始航班数据转化为标准数据，系统会展示航班的时刻信息以及周期频率信息，同时还可进行航班查询和航班筛选。
在此基础上进入自动组环界面，设置自动组环的周期，选择基地及机型后即可创建自动组环任务。创建任务后，系统弹出可配置的检验器选择界面，可在该页面中设置组环所要求的相关规则，包括航段数限制、天数限制、过夜点限制、休息时间限制等等个性化配置需求。完成规则配置后即开始运行自动优化算法，结果以KPI的统计方式进行展示。
三.自动排班
进入机组成员的排班界面，界面分为上中下三个部分：界面上部为人员甘特图界面，里面展示了每一位机长在查询的排班周期内的所有航班分配结果；界面中部为选中航班上各个岗位(机长、二机长、第一副驾驶、第二副驾驶等)上的机长信息；界面下部为所有待排环的航班信息，包括环的天数及环内的航班的分配结果。
当需要进行自动排班时，首先需进入自动排班初始化选择界面，该界面可选择自动排班的周期，排班基地，以及勾选需要进行自动排班的环(默认是全选的)。
其次，进入校验器配置界面，在该界面中业务人员可以按需进行个性化规则配置，不仅可以配置是否需要该排班规则，同时还可配置该规则所需的具体参数。模块化的规则配置模式使得自动排班结果能够高度贴合业务诉求。
最后，待规则配置完成后开始进行自动排班优化，优化结果进行展示，包括机长姓名、工号以及在优化周期内的排班结果，如果业务人员认可该自动排班结果即可对进行结果发布，随后可在机组排班情况展示界面中进行查看。
本发明的机组成员自动排班系统，与人工设计排班方案相比，一方面本发明的自动排班方案能够解决人工决策考虑指标单一，无法寻找全局最优解的现实问题，其丰富的规则校验器配置体系以及多维度 KPI评价体系使得排班结果能更灵敏的反馈业务需求且具有较好的全局优最优性；另一方面本发明的算法模型，具有计算效率高的优点，也大大缩减了机组排班所需的时间，使得机组排班工作更加快速和高效，解放业务人员的生产力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.机组成员自动排班系统，其特征在于：包括组环模块和排班模块；
所述组环模块用于将独立的航班按照机场衔接的方式组成一个航班串，要求航班串中各航班间符合规定的衔接时间限值，航班串的总飞时和飞行值勤时间满足法规要求，其次将一个或多个航班串按照从基地出发并回到基地的原则组成环；
所述排班模块用于以所述环为最小单位进行人员分配，要求分配该环的机长必须满足环中每个航班的资质要求，且机长的各项时间指标满足法规，同时排班结果满足一定的均衡性指标。
2.如权利要求1所述的机组成员自动排班系统，其特征在于：所述组环模块包括组环数据导入模块、自动组环模块、组环校验模块；
所述数据导入模块用于输入航班ID、航班号、航班起降日期、航班起降机场、运力号、航班国际地区属性、优化周期、机场属性、机场时间规定；
所述自动组环模块包括以下模型：
Figure FDA0002771763560000011
Figure FDA0002771763560000012
其中，P为所有可行的组环方案的集合，其中环p∈P；L为所有航班的集合，其中航班段l∈L；Cp为环p对应的评价系数；决策变量Xp定义：如果组环方案P被选择，则为1，否则为0；
对任意包含航段l的组环方案求和等于1，因为Xp是一个0-1决策变量，求和为1即意味着在包含航段l的多个组环方案中只能选择一个，即每个实班航段只能被组在一个环中；
利用Gurobi求解上述优化模型获得最优解与对偶解；利用列生成算法中的价值判断逻辑对解进行迭代和选择并最终求得最优解；通过对模型中最优解对应的决策变量进行翻译，获得算法输出；
所述组环校验模块包括法定规则校验器和个性化规则校验器。
3.如权利要求1所述的机组成员自动排班系统，其特征在于：所述排班模块包括排班数据导入模块、自动排班模块和排班校验模块；
所述排班数据导入模块用于输入以下数据：
环信息：环ID、航班ID、航班号、航班起降机场、航班起降时间、环的虚实班属性、环的国际地区属性；机场信息：机场等级、机场国际地区属性、机场时间要求；航班相关资质需求：是否需要ICAO、是否需要CAT2、是否需要报务资质、是否需要单飞资质、是否需要极地资质等；机场相关资质需求：是否需要高高原机场资质、是否需要特殊机场资质等；人员基本信息：人员ID，人员有效期；人员资质信息：各个机长具备的与以上3/4条对应的各类资质情况；占位信息：预排班信息、模拟机、休息占位、公务占位；
自动排班模块包括以下模型：
Figure FDA0002771763560000021
Figure FDA0002771763560000022
Figure FDA0002771763560000023
Figure FDA0002771763560000024
Figure FDA0002771763560000025
Figure FDA0002771763560000026
其中，i表示一个待排环；k表示一个待排机长；j表示机长k的一个可行的排班方案，该方案中包含多个待排环i；B为0-1变量的布尔值；Z为整数的集合；bi表示环上的待覆盖的人数；aij为0-1参数，如果排班方案中包含环则为1，否则为0；ci为使用排班方案对应的惩罚系数；M为掉环对应的惩罚系数；M'为掉机长对应的惩罚系数；如果一个排班方案被选中则xj为1，否则为0；yi为松弛变量，表示待排环上未被覆盖的人数：zk为松弛变量，表示未被安排排班的机长。
4.如权利要求3所述的机组成员自动排班系统，其特征在于：对于任意一个环i，排班方案j中所涵盖的环i的人数加环i上未被覆盖的人数要不小于环i的目标待排人数；即不掉环约束，要求选择的方案必须能够实现环上全覆盖，如果未覆盖则由yi来计算掉环的数量，并在目标函数中给以惩罚。
5.如权利要求3所述的机组成员自动排班系统，其特征在于：对于任意一个机长k，对包含机长k的排班方案j进行求和的结果加上松弛变量zk之和为1；即对于任意一个机长都需1个排班方案被选择，否则松弛变量zk就为1，即有掉机长存在，此时就会在目标函数中存在掉机长惩罚。
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