Метод та модель оптимізації планування завантаження повітряного судна

Abstract

Сагун Є.С. Метод та модель оптимізації планування завантаження повітряного судна. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 275 «Транспортні технології». – Льотна академія Національного авіаційного університету, Кропивницький, 2021. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової задачі, пов'язаної з розробкою методу та моделі оптимізації планування завантаження вантажного рампового повітряного судна в умовах мультилагового маршруту з метою скорочення часового інтервалу, відведеного на виконання процедур із комерційного наземного обслуговування, за умов виконання обмежень з безпеки польотів (центрування/балансування літака). В роботі проведений аналіз статистичних даних Міжнародної організації цивільної авіації (ICAO), концерну Boeing, Агентства з авіаційної безпеки Європейського Союзу (EASA) та Національного бюро з розслідування авіаційних подій та інцидентів з цивільними повітряними судами в Україні відносно динаміки інцидентів, пов’язаних з порушенням центрування та завантаження, який засвідчив їх збільшення в Україні та загалом у Європі з 5% до 11,4% протягом останніх трьох років. Досліджено технологічні аспекти функціонування ринку авіаційних вантажних перевезень та виявлено різницю в особливостях роботи пасажирських та вантажних авіаперевізників. Встановлено зв’язки між суб’єктами технологічної ланки вантажовідправник – вантажоотримувач. Проаналізовано організаційні аспекти процесу завантаження повітряного судна, включаючи особливості групування та виключення вантажу, а також його розподіл та переміщення. Продемонстровано зв’язки між технологічними ланками у супроводжувальних процедурах при завантаженні в аеропорту та за його межами. Визначено типологію та особливості палетів та контейнерів (ULD), а також загальні та специфічні правила їх використання. Досліджено методологічну базу з оптимізації завантаження повітряного судна на основі дискретного лінійного програмування та евристичних методів, куди входять оптимізація, заснована на правилах, евристика/метаевристика, генетичні алгоритми, алгоритми пошуку тимчасових обмежень та змішані оптимізаційні підходи. Доведено, що наукове завдання не може бути вирішене за допомогою відомих методів у заданий відрізок часу через експоненційне збільшення варіантів рішень, тому необхідно створити оптимізаційний алгоритм, який буде відсіювати недоцільні конфігурації завантаження рейсу, скорочуючи час на прийняття рішень. Розроблено метод оптимізації планування завантаження повітряного судна з метою зменшення часу на хендлінгові операції в умовах мультилагових перевезень, який враховує критерій пріоритетності завантаження вантажу, не порушуючи при цьому показників безпеки польотів, такі як центрування та балансування повітряного судна. Побудовано алгоритми прийняття рішень при плануванні завантаження рейсу, що діють у складі “rule-based” експертної системи, база знань якої створена з використанням інформації, отриманої від експертів у галузі вантажних авіаперевезень. Розроблено комплексну модель оптимізації планування завантаження повітряного судна, що надає змогу автоматизувати процес планування завантаження, зменшити кількість помилок при плануванні рейсу та враховувати незапланований вантаж, не порушуючи вимог центрування/балансування. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:  вперше розроблено метод оптимізації планування завантаження повітряного судна з метою зменшення часу на хендлінгові операції та послідовного скорочення операційних витрат в умовах мультилагового маршруту, який базується на врахуванні критерію пріоритетності завантаження вантажу в залежності від порядку його доставки за умови виконання обмежень на безпеку польотів (центрування та балансування повітряного судна);  вперше розроблено модель оптимізації планування завантаження на основі пріоритетного алгоритму завантаження повітряного судна, який на відміну від існуючих враховує послідовність вивантаження вантажу на проміжних ділянках мультилагового маршруту з дотриманням допустимих показників із центрування/балансування, що надає змогу мінімізувати час завантаження і хендлінгові витрати у перерахунку на кожний рейс;  удосконалено алгоритм прийняття рішень при плануванні завантаження вантажного повітряного судна, який відрізняється від існуючих врахуванням умов невизначеної кількості вантажних контейнерів (засобів пакетування) та маршруту, який складається з декількох пунктів призначення, що дозволяє зменшити час завантаження повітряного судна при мультилагових перевезеннях; – адаптовано евристичний метод прийняття рішень до застосування в процесі планування завантаження повітряного судна, що дозволяє використовувати досвід висококваліфікованого наземного персоналу з метою удосконалення процедури завантаження. Практичні результати спрямовані на підвищення ефективності та безпеки комерційного обслуговування повітряного судна та інтенсифікацію використання парку повітряних суден авіакомпанії за допомогою зменшення тривалості хендлінгових операцій в умовах мультилагового маршруту: Практичне значення одержаних результатів визначається успішним застосуванням комп’ютерної моделі оптимізації планування завантаження в операційній діяльності авіакомпанії. Створений алгоритм оптимізації та тривимірна модель завантаження повітряного судна ІЛ-76 реалізовані в програмі Blender Version 2.83. Експериментальні дослідження показали, що впровадження моделі дозволяє зменшити середній час завантажувально- розвантажувальних операцій на прямих рейсах авіакомпанії майже на 7%, а на мультилагових рейсах – до 12%. Основні результати роботи впроваджено у навчальний процес Льотної академії Національного авіаційного університету та у практичну діяльність ТОВ «Авіакомпанія ЗетАвіа» що підтверджується відповідними актами реалізації. Основні результати досліджень рекомендується використовувати в процесі професійної підготовки спеціалістів з організації та планування польотів (Ground Dispatch) та безпосередньо завантаження повітряного судна (Loadmaster). Доведено економічну ефективність від впровадження розробленої моделі у вигляді зменшення операційних витрат авіакомпанії: показник прибутку від діяльності авіакомпанії після впровадження оптимізаційної моделі зростає на 54 тис. грн. Sahun Ye. Method and model of optimization of aircraft load planning. – Manuscript. A thesis for Doctor of Philosophy degree in specialty 275 «Transport Тechnologies». – Flight Academy of National Aviation University, Kropyvnytskyi, 2021. The thesis is devoted to solution of the relevant scientific task related to the development of load optimization method and model for the ramp cargo aircraft during the multileg route with the aim of reducing the handling operations time duration subject with safety restrictions (aircraft weight and balance). The statistical ICAO, Boeing, EASA, and National Bureau of Air Accidents Investigation of Ukraine data analysis of weight & balance accidents were carried out in this work, which proved the increase of number of such accidents in Ukraine and in Europe from 5% to 11,4% during three years. Technological aspects of the air cargo transportations market were examined and the passenger and cargo operation differences were specified. The connections between the subjects of the technological chain shipper – consignee were established. The organizational aspects of the aircraft loading process were analyzed, including the peculiarities of cargo grouping and exclusion, as well as its distribution and movement. The connections between the technological chains in the accompanying procedures during loading at the airport and outside it are demonstrated. The pallets (ULD) topology and peculiarities and also general and specific utilization rules were defined. The methodological basis for aircraft loading optimization based on discrete linear programming and heuristic methods, which includes rule-based optimization, heuristics/metaheuristics, genetic algorithms, time constraint search algorithms, and mixed optimization approaches, has been studied. It was proved that a scientific problem cannot be solved by known methods in a given time period due to the exponential increase of solution options, so it is necessary to create an optimization algorithm that will weed out inappropriate flight load configurations, reducing the decision time. The load planning optimization method to reduce the time for handling operations in the conditions of multilag transportation was developed in this work that counts a cargo priority loading criteria, without exceeding the air safety rates such as weight and balance restrictions. The load planning decision-making algorithms were developed that act based on data of the “rule-based” expert system, in which knowledge base is created through the information, obtained from the range of questioned experts of the air cargo transportation sector. The complex load planning optimization model was developed that enables to automate the load planning process, reduce the number of errors in flight planning and to consider the unplanned “last-minute cargo” without exceeding the weight and balance limits. The scientific novelty of received results consists in the following statements: – for the first time was developed the load planning optimization method to reduce the time for handling operations and consequently to cut the operating costs in the conditions of a multilag route, that based on the criterion of cargo loading priority depending on the order of its delivery, without exceeding the flight safety limits (aircraft weight and balance); – for the first time was developed the complex load planning optimization model based on the aircraft priority loading algorithm that considers sequence of unloading of cargo on the intermediate sections of a multilag route with observance the acceptable rates of weight and balance and enables to minimize the aircraft loading time and handling costs per one flight on the contrary with other existing models; – improved load planning decision-making algorithm of the cargo aircraft with unspecified ULD amount and multileg route conditions that differs from the other decisions; – adapted heuristic decision-making method of the aircraft load planning process that enables to use the high quality staff dec isions to upgrade the loading procedures. The practical results are directed to improve the effectiveness and safety while maintaining the handling procedures and intensify the air company aircraft fleet with reduction of the handling procedures duration in the multileg conditions. The practical value of the obtained results is determined with a successful application of the load planning optimization computer model in the air company operations. The developed optimization algorithm and 3D aircraft ІL-76 loading model was implemented to the Blender Version 2.83 program. Experimental data from the range of LLC «Aircompany ZetАvіа» flights demonstrated that the model implementation has enabled to reduce the average loading/unloading time on the range of direct flights to 7% and on the multileg flights to 12%. The main results of the work are implemented in the educational process of the Flight Academy of the National Aviation University and in operations work of the LLC «Aircompany ZеtАvіа» that is proved by the relevant implementation acts. The main research results are recommended to be exploited in the professional training of load planning staff (Ground Dispatch) and directly with Loadmasters. The economic effectiveness after the implemented load planning model in the form of operating cost reduction was justified: the profit rate of the company after the optimization model implementation increases for 54 thousand UAH.