1-2- طرح موضوع………………………………………………………………………………………… 4

1-3- مفروضات، محدودیت­ها……………………………………………………………………………… 6

1-4- اهداف تحقیق………………………………………………………………………………………. 8

1-5- جنبه­ جدید بودن و نوآوری………………………………………………………………… 9

1-6- نتایج حاصل از تحقیق…………………………………………………………………………. 9

1-7- ساختار پایان نامه …………………………………………………………………………………. 10

2- بر کارهای گذشته……………………………………………………………………….. 11

2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………… 12

2-2- توالی فرود هواپیما……………………………………………………………………………. 12

2-3- تخصیص ورودی مسافری…………………………………………………………………… 15

2-4- پیشینه تحقیق………………………………………………………………………………… 17

2-5- مدل برنامه ­ریزی خطی برنامه…………………………………………………………….. 21

3- روش پیشنهادی……………………………………………………………………………….. 25

3-1- راه­کار پیشنهادی……………………………………………………………………………… 26

3-2- الگوریتم تکاملی………………………………………………………………………………. 26

3-2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………….. 26

3-2-2- علت استفاده از الگوریتم‌های تکاملی……………………………………………… 29

3-2-3- انواع الگوریتم‌های تکاملی………………………………………………………….. 29

3-3- الگوریتم رقابت استعماری……………………………………………………………….. 32

3-3-1- شکل­دهی امپراطوری اولیه………………………………………………………….. 34

3-3-2- مدل‌سازی سیاست جذب……………………………………………………………. 38

3-3-3- جابجایی موقعیت مستعمره و امپرالیسست…………………………………… 41

3-3-4- قدرت کل یک امپراطوری………………………………………………………….. 42

3-3-5- رقابت استعماری………………………………………………………………………… 43

3-3-6- سقوط امپراطوری­های ضعیف………………………………………………………. 46

3-3-7- همگرایی……………………………………………………………………………….. 46

3-4- الگوریتم رقابت استعماری اصلاحی……………………………………………….. 48

3-5- الگوریتم‌های ترکیبی بکار رفته…………………………………………………… 51

4- ارزیابی سیستم…………………………………………………………………………….. 53

4-1- مقدمه…………………………………………………………………………………….. 54

4-2- مدل‌سازی روش پیشنهادی……………………………………………………….. 55

4-3- ارزیابی راه­کار پیشنهادی……………………………………………………………. 56

4-4- مسائل مورد مقایسه…………………………………………………………………. 59

4-4-1- مقایسه نتایج پروازهای ورودی و خروجی به تعداد 15…………………. 59

4-4-2- مقایسه نتایج پروازهای ورودی و خروجی به تعداد 20……………….. 61

4-4-3- مقایسه نتایج پروازهای ورودی و خروجی به تعداد 25………………. 62

5- نتیجه ­گیری و ارائه پیشنهاد‌ها……………………………………………………. 64

5-1- جنبه نوآوری…………………………………………………………………………… 65

5-2- نتیجه مقایسه نتایج…………………………………………………………….. 65

5-3- پیشنهاد‌ها……………………………………………………………………………. 66

6- مراجع ………………………………………………………………………………….67

چکیده:

مدیریت ترافیک هوایی یکی از مشاغل حساس و پراسترس است که همه‌روزه با مشکلات و موانع مختلفی روبه­رو می­ شود و مسأله توالی هواپیما (Aircraft Sequencing Problem) یکی از مهم­ترین مسائلی است که این روزها در حوزه کاری مراقبت پرواز (Air Traffic Control) به آن پرداخته می­ شود.

مسأله توالی هواپیما یک مسأله NP-سخت است، الگوریتم­های دقیق كارایی خود را بر روی این مسأله در ابعاد بالا از دست می­ دهند و نمی­توانند به جواب بهینه در یک‌زمان قابل‌قبول دست یابند؛ درنتیجه امروزه برای حل این­گونه مسائل از الگوریتم­های ابتكاری و فرا ابتكاری استفاده می­ شود.

در این پایان‌نامه سعی شده با تلفیق الگوریتم ERT(Earliest Ready Time) جهت انتخاب بهترین هواپیمای آماده عملیات با الگوریتم استعماری اصلاحی که از روش نزدیک­ترین همسایه تصادفی برای تابع جذب در کنار روش بهبود­دهنده سه­نقطه­ای برای تابع انقلاب استفاده کرده، روش جدیدی در حل مسأله توالی هواپیما ارائه شود. نتایج حاصل از پیاده‌سازی این الگوریتم نشان می­دهد که در مقایسه با سایر الگوریتم­ها از کارایی بالایی برخوردار است.

فصل اول: مقدمه طرح پیشنهادی

1-1- مقدمه

یکی از موضوعات موردتوجه در صنعت هوانوردی، مبحث برنامه ­ریزی فرود هواپیماهای ورودی به فرودگاه است. با ورود هواپیماهای مختلف به محدوده­ راداری فرودگاه، مراقبین پرواز در برج مراقبت باید ترتیب فرود هواپیماهایی که در آن لحظه در آسمان فرودگاه در حال پرواز هستند را

 مشخص نمایند. برای اختصاص چنین ترتیب فرودی محدودیت­های مختلفی موردتوجه قرار­می­گیرد که از آن جمله می‌توان به محدودیت جداسازی دو هواپیما اشاره نمود. این محدودیت از دیدگاه مباحث آئرودینامیک اهمیت زیادی دارد و در صورت عدم رعایت آن امکان بروز حادثه برای هواپیماهای متوالی وجود دارد.

مهم­ترین نتیجه­ موردنظر برنامه ­ریزی فرود هواپیماها، کمینه کردن تأخیرها است که از ایجاد هزینه­ سوخت اضافه برای هواپیماها و همین‌طور ایجاد نارضایتی مسافران جلوگیری می‌کند. ازآنجایی‌که هزینه­ های مربوط به سوخت ناوگان پروازی درصد قابل‌توجهی از هزینه­ های شرکت‌های هواپیمایی را شامل می­ شود، برنامه ­ریزی فرود هواپیماها موردتوجه شرکت‌های هواپیمایی و همچنین شرکت‌های فرودگاهی قرارگرفته است. همین امر باعث شده است که اغلب فرودگاه­هایی که عملکرد بهتری در خصوص مدیریت ترافیک پروازی دارند، توجه شرکت‌های هواپیمایی بیشتری را به خود جلب کنند. از سوی دیگر، در صورت دستیابی به عملکردی مناسب در مدیریت ترافیک پروازها، شرکت‌های فرودگاهی این امکان را خواهند داشت که در بازه زمانی ثابت، پذیرای تعداد بیشتری از هواپیما باشند.

شرکت‌های فرودگاهی بخشی از درآمد خود را از هزینه­ اجاره­ی جایگاه پارک[1] به دست می­آورند. هزینه­ جایگاه­های پارک، بسته به امکانات آن، متغیر است. امکاناتی نظیر برق زمینی[2] و یا ورودی­ های مسافری[3] در قیمت جایگاه پارک تأثیرگذار هستند. در تمامی فرودگاه­های جهان دو نوع جایگاه پارک موجود است. جایگاه پارک با ورودی مسافر و جایگاه پارک دور از سالن[4]. جایگاه پارک با ورودی مسافر یا بانام دیگر جایگاه پارک با خرطومی اتصال، جایگاه‌های پارکی هستند که مسافرین یک هواپیما بدون نیاز به ورود به محوطه فرودگاه به‌طور مستقیم با بهره گرفتن از یک راهرو (خرطومی اتصال) به هواپیما وارد و یا از آن خارج می­شوند.

نیاز به ورود به محوطه فرودگاه به‌طور مستقیم با بهره گرفتن از یک راهرو (خرطومی اتصال) به هواپیما وارد و یا از آن خارج می­شوند؛ اما هواپیماهای واقع در جایگاه پارک دو از سالن، برای مسافر گیری و یا پیاده کردن مسافران خود نیاز به سرویس اتوبوس[5] دارند. از بین این دو نوع جایگاه، جایگاه پارک با ورودی مسافر دارای قیمت بالاتری است. قیمت این جایگاه­ها بدین‌صورت محاسبه می­ شود که به ازای هر مسافری که از یک هواپیما از ورودی مسافری استفاده می‌کند مبلغی ثابت از خط هواپیمایی مربوطه دریافت می­ شود که قیمت سرویس اتوبوس در مقابل آن ناچیز است. علی­رغم قیمت بالاتر جایگاه پارک با ورودی مسافر، شرکت‌های هواپیمایی برای کسب رضایت بیشتر مسافران خود ترجیح می­ دهند تا هواپیماهایشان به جایگاه پارک با ورودی مسافر تخصیص پیدا کند. جایگاه پارک با ورودی مسافر دارای یک مزیت ایمنی نیز هست، با استفاده مسافرین از ورودی مسافر دیگر خطرات ناشی از حضور مسافران در محوطه فرودگاه وجود ندارد و از ایجاد اتفاقات مختلف جلوگیری می­ شود.

با توجه به اینکه در هنگام عقد قرارداد خطوط هواپیمایی با فرودگاه­ها، خطوط هواپیمایی نمی­توانند در مورد نوع جایگاه پارک خود شرایطی را اعلام کنند و نوع جایگاه پارک یک هواپیما بر عهده‌ی کنترلر فرودگاه در لحظه­ی فرود هواپیما است؛ بنابراین در صورت برنامه ­ریزی صحیح می‌توان هواپیماهای بیشتری را به جایگاه­های پارک با ورودی مسافری اختصاص داد و از این طریق به افزایش درآمد فرودگاه کمک کرد.

با توجه به مطالب بیان‌شده، مدیریت فرودگاه­ها برای جذب شرکت‌های هواپیمایی و همین‌طور بالا بردن درآمد خود باید بتوانند توازنی بین دو موضوع کنترل ترافیک هواپیماهای ورودی (توالی فرود هواپیماها) و تخصیص هواپیماها به ورودی­ های مسافری ایجاد کنند تا بتوانند علاوه برافزایش درآمد خود، مشتریان خود (شرکت‌های هواپیمایی) را راضی نگه‌دارند؛ اما تنها مشکل در این زمینه وابستگی بسیار زیاد این دو مسأله به یکدیگر است. بدین معنا که هواپیماها به‌محض فرود در فرودگاه باید جایگاه پارکی به آن‌ ها تخصیص یابد و آن جایگاه پارک باید در لحظه­ی فرود هواپیما مذکور خالی و آماده به خدمت­دهی باشد.

این موضوع باعث می­ شود که زمان فرود هواپیماها تأثیر مستقیمی در جایگاه پارک تخصیصی به یک هواپیما داشته باشد. یا به‌عبارت‌دیگر، ممکن است در بعضی از مواقع فرود یک هواپیما با تأخیری چنددقیقه‌ای باعث خالی شدن یک جایگاه پارک دارای ورودی مسافر بشود و با تخصیص این هواپیما به همان جایگاه باعث بالا رفتن درآمد فرودگاه شد؛ اما همیشه فرودگاه­ها باید در نظر داشته باشند که میزان این تأخیر تأثیری مستقیم در رضایت شرکت‌های هواپیمایی دارد. در این فصل بر ادبیات این دو موضوع داریم.

1-2- طرح موضوع

در ایالات‌متحده برآورد شده است که هزینه تأخیر در پروازهای داخلی حدود 3.5 بیلیون دلار در سال می­باشد که با افزایش رقابت تجاری بین ایرلاین­های مختلف این هزینه­ها بار مالی زیادی در پی خواهد داشت؛ درنتیجه برنامه ­ریزی و توالی پروازها به یکی از مهم­ترین مسائل کاری در حوزه کاری مراقبت پرواز شده است. برای مواجهه با این معضل و در شرایطی که فرودگاه دارای چندین باند پروازی است، از الگوریتم‌های مختلفی استفاده می­ شود. برنامه ­ریزی پروازهای ورودی برای چند باند پروازی تابعی از تخصیص پروازهای ورودی به باند­های پروازی مختلف در یک فرودگاه می­باشد به‌طوری‌که توالی ورودی پرواز­ها و زمان فرود آن‌ ها با حفظ جدایی استاندارد بین پروازها و ظرفیت موجود در فرودگاه باعث کاهش تأخیرات پروازی گردد.

برای حل مسأله ASP در فرودگاه­های دارای چند باند پروازی از راه­حل ساده­ای به نام اولین ورودی- اولین سرویس­دهی[6] (FCFS) استفاده می­ شود که بر اساس زمان فرود برنامه‌ریزی‌شده[7] (PLTs) در آن فرودگاه می­باشد. در شکل 1-1 مثال ساده­ای از حل مسأله به روش FCFS نشان داده‌شده است.

اما در تعیین ترتیب ورود پروازها انتخاب باند مناسب فرود برای کاهش تأخیر پروازی، فاصله زمانی فرود (LTI) را در نظر می­گیرند که حداقل زمان جدایی قابل‌قبول برای دو پرواز ورودی پشت سر­ هم به یک باند پروازی را نشان می­دهد. اساساً LTI یک کمیت تغییرپذیر می‌باشد زیرا:

1- برای حفظ ایمنی پروازها لازم است که دو پرواز هم‌ارتفاع دارای حداقل جدایی افقی بر اساس نوع هواپیما و موقعیت واقعی آن‌ ها باشند.

2- سرعت هر هواپیما هنگام فرود متفاوت می­باشد.

3- تسهیلات و تجهیزات هر باند پروازی، برای تعیین زمان LTI تأثیرگذار است.

جدول 1-1 نمونه­­ای از حداقل زمان LTI مربوط به انواع مختلف هواپیما­های مسافربری را نشان می‌دهد. همان­طور که مشاهده می­کنید این جدول غیر­متقارن می­باشد به‌طوری‌که زمان LTI هواپیمای B727 پشت سر هواپیما B747 200 ثانیه است درصورتی‌که فقط 70 ثانیه در شرایطی که ترتیب دو هواپیما جابجا شود زمان لازم است. اگرچه راه­کار FCFS عدالت را بر اساس PLT رعایت می‌کند ولی با توجه به نامتقارن بودن زمان LTI، با جابجایی موقعیت هواپیما در صف ورود هر باند پروازی و یا جابجایی آن‌ ها در بین صفوف باند­های پروازی مختلف می‌توان تأخیرات پروازی را کاهش داد و ظرفیت پروازی فرودگاه­ را افزایش داد.

[1] park

[2] APU- Auxiliary Power Unit

[3] Jetway