摘要：本文描述了基于分拣机的行李自动分拣系统的典型处理流程，建立了Emulate3D仿真模型，动态模拟了行李系统关键点流量、系统内时间和早到行李量等主要数据指标，并通过对不同模拟运营场景的迭代仿真，提出一种寻求航班开放装载时长和早到行李量之间的最佳平衡点的方法，为行李系统设计优化及运营提供思路和参考。
关键词：行李处理系统、分拣机、仿真、Emulate3D、优化
一、引言
行李处理系统（Baggage Handling System，BHS）是航站楼运营的重要组成部分之一，其运行的效率和品质直接影响到旅客的出行体验。设计和运行良好的行李处理系统，可以按时保质完成行李的输送和分拣，同时也应是高效、灵活、节能的一套自动化处理系统[1]。不良的行李处理系统可能会导致行李晚到、损坏、丢失等问题，严重的行李处理系统问题还可能会导致航班延误，影响航空公司和机场的公共形象，并造成较为严重的经济损失。
根据SITA在2023年发布的数据，2022年错运行李总量达到2,600万件，错运行李率呈指数级增长，攀升至74.7%，达到每千名旅客7.6件行李。如图1所示，2022年晚到行李占所有错运行李的80%，比2021年增加了9%；行李丢失和被盗的比例增加到7%[2]。
图1 2022年错误处理行李比例
从航站楼运营角度考虑，航班开放装载的时间和时长通常由行李系统的运营部门负责，不同的设置会影响到值机柜台的开放时间、旅客交运行李的行为模式、地服人员的工作效率和工作时间以及早到行李的数量等，这对于提升旅客出行体验，改善地服人员工作强度非常重要。本文将根据不同的航班开放装载时长设置不同的场景来迭代研究其对早到行李的影响，为行李处理系统的设计和运行提供参考。二
二、分拣机处理流程
国内常见自动分拣技术所采用的核心设备有皮带输送线/转盘+水平分流器、翻盘分拣机（Tilt Tray Sorter，TTS）和ICS（Individual Carrier System）独立小车[3]，香港机场也有采用交叉带分拣机（Cross-Belt Sorter）的使用案例[4]。本文研究对象是在国内使用广泛、技术成熟的翻盘分拣机自动分拣系统。
典型的基于分拣机的行李处理系统逻辑流程如图2所示，旅客在值机柜台或者自助行李托运柜台办理行李交运，并接受柜台双通道安检机的安全检查，可疑行李将会被下线至开包间接受进一步检查，查验合格的行李将会返回行李分拣系统；然后，行李在通过读码站后进入分拣机[5]，由分拣机根据行李的不同状态，将其分拣到人工编码站或者早到存储区或者直接分拣至末端分拣转盘。
图2 典型分拣机系统逻辑流程图
航班开放装载的时长会直接影响到早到行李的判断标准，从而影响到早到行李的数量，不同的机场运营部门会根据自身的实际情况制定航班装载计划[6]。一般而言，C类飞机装载时长为2小时，E类飞机装载时长为2.5～3小时。值机柜台在航班开放装载之前接收到的行李会被判定为早到行李，从而被分拣至早到存储区暂存，待航班开放装载后，再从早到存取区返回分拣系统，由分拣机分拣至指定的转盘。
典型分拣机系统的工艺流线，如图3所示。一般情况下，值机柜台位于值机层；行李分拣系统的主要设备，包括分拣机、早到行李存储和分拣转盘等，均位于行李处理大厅层。
图3典型分拣机系统工艺流线图
三、仿真方法
行李处理系统动态模拟仿真流程，如图4所示。首先，基于行李系统工艺布局方案建立仿真模型；其次，结合航班时刻表和行李系统设计参数等生成设计日出港行李表，用于行李系统的仿真输入；再次，与相关部门商讨并确认仿真参数和假设，包括不同运行参数及不同仿真场景等；最后，运行仿真模型获得仿真结果，并根据仿真结果调整和优化行李系统设计。
图4 行李系统仿真流程
1.系统建模
某航站楼设计年吞吐量1800万旅客，设计日出港航班203架次，出港航班架次的分布如图5所示。国内航班全天有3个出港高峰；国际航班早高峰比较明显。
图5 设计日离港航班架次
本文采用EMULATE3D系列中的Sim3D[7]对离港行李系统方案进行建模，如图6所示，该行李处理系统的行李交运部分由主楼的6组前列式值机柜台和位于GTC的1组柜台组成，其中主楼左侧的3组值机柜台归国际使用，其余的均为国内使用。国际侧和国内侧均有3条输送主线将行李输送至分拣机，左侧为国际分拣机，右侧为国内分拣机，2台分拣机之间设有联络线和人工编码站。国内侧和国际侧均设置在线巷道式早到存储系统。
图6 行李系统仿真模型
2.早到存储线逻辑
仿真软件已经内置了部分基本的行李流控制逻辑，例如：输送机的级联停机（Dieback），排队输送机控制（Metering），最短路径选择（基于Dijkstra算法）等，但是可疑行李下线、无读数行李下线、早到行李存储等控制逻辑仍需要通过定制化来实现，本文采用C#编程实现这些定制化控制流程。
定制化逻辑控制流程中，早到行李存储线的选择和控制逻辑较复杂，本文采用航班号、可用存储位和航班开放时间相结合的早到存储线选择逻辑，如图7所示。该控制逻辑不随交运行李的流量波动而变化，同一条存储线可存放多个航班的行李，存储线利用率相对于单纯按照航班号存储行李的控制逻辑高，不足之处是会增加早到行李在分拣机上的再循环次数，增加分拣机的处理量，但对于分拣机处理能力充足的系统是可以接受的。
图7 早到存储线选择逻辑
3.仿真场景及结果
仿真场景可以根据不同的需求来设置，例如理论最大输入场景、正常航班时刻表场景、关键设备故障情况下的故障场景等。本文以对早到行李数量影响较大的航班开放装载时长为研究对象设置不同场景，通过正常的预测航班时刻表仿真行李系统的各项关键指标，以优化早到存储线路的设计，也为运行阶段航班开放装载时长的设置提供数据支撑。
（1）场景1
仿真场景1：国内和国际均按照C类航班装载2小时、E类航班装载2.5小时。
①行李流量
翻盘分拣机为离港行李系统的核心设备，其运行速度一般为1.8m/s~2m/s，按照85%的利用效率，其分拣能力至少可达4400件/小时。仿真结果显示分拣机的流量如图8和图9所示，国内分拣机的峰值流量约为3120件/小时，国际分拣机的峰值流量约为3360件/小时，均在翻盘分拣机的处理能力范围之内。
图8 国内侧分拣机流量
图9 国际侧分拣机流量
②系统内时间
非早到始发行李的系统内时间分布如图10所示，详细数据统计见表1，即99%的非早到始发行李系统内时间在8分27秒之内。
图10 非早到始发行李系统内时间 行李数量(件)
③早到容量
国内早到存储区和国际早到存储区独立运行，仿真显示国内早到存储区实时行李量如图11所示，存储高峰为418件，已经几乎达到了早到存储的最大值。仿真结果数据中有136件国内早到行李因分配早到存储线不成功而在问题滑槽溢出，占国内始发行李总量的1.2%。
表1 非早到始发行李系统内时间统计表
图11 国内早到存储区实时行李量
国际侧的早到存储容量充足，如图12所示，早到存储区实时峰值为247件，仿真过程中，国际侧并未出现早到行李因分配早到存储线不成功而溢出的情况。
图12 国际早到存储区实时行李量
④小结
仿真场景1表明：行李系统的流量和系统内时间满足要求，国内早到行李存储容量偏少，导致国内侧早到行李溢出；国际侧早到行李存储量满足需求。可能的优化方案：
1）调整设计方案：增加国内早到行李存储线；
2）调整早到控制逻辑：充分利用国内分拣机作为早到行李缓存区；
3）调整运营方式：增加国内航班装载时长；
4）调整运营方式：国内和国际早到存储位混用；
5）调整运营方式：缩短国际航班装载时长。
上述解决方案1是从根本上解决国内侧早到行李溢出的问题，前提是需要建筑空间上可以满足增加存储线路；对于方案2，经过仿真验证，如果允许航班在未来5分钟内开放装载的行李不进入早到存储线，而在分拣机上循环等待，则早到行李溢出将减少约50%，是可选择的优化方式，而并不能从根本上解决早到溢出的问题；方案3为运营阶段可以采取的措施，会带来地服人员的工作量增大；方案4为运营阶段可以采取的措施，需要调整早到行李的分配程序，国内和国际行李在早到存储线上混合，不利于行李的查找；方案5为运营阶段可以采取的措施，可以减轻地服人员的工作量，提高国际侧早到行李存储区的利用率。
基于方案1和方案5相结合的方式制定仿真场景2。
（2）场景2
在仿真场景1的基础上，增加国内侧早到存储线，以避免早到行李溢出；国际侧缩短航班装载时间，以提高早到存储线的利用率。
仿真场景2：国内侧增加2条早到存储线，增加后国内早到存储容量约490个存储位；国际侧航班装载时长均按2小时（C类和E类）；国内侧航班仍保持C类航班装载2小时、E类航班装载2.5小时。
①行李流量
国内侧和国际侧分拣机的流量与场景1类似，如图13和图14所示，均未超过分拣机的处理能力。
图13 国内侧分拣机流量
图14 国际侧分拣机流量
②系统内时间
非早到始发行李的系统内时间与场景1差别不大，如图15和表2所示。
图15非早到始发行李系统内时间 行李数量(件)
表2 非早到始发行李系统内时间统计表
③早到容量
场景2增加了国内侧早到存储的容量，仿真过程中无早到行李溢出，国内侧实时早到行李存储量最大值为450件，早到存储位利用率最大值达到91.8%。见图16。
图16 国内早到存储区实时行李量
场景2缩短了国际侧E类航班的装载时间，从2.5小时缩短至2小时，国际侧早到存储区实时行李量最大值增加到320件，早到存储位利用率最大值为76.2%，除了早其他时段，其它时段的早到行李量均在250件以内。见图17。
图17国际早到存储区实时行李量(件)
④小结
仿真场景2表明：国内侧增加2条早到存储线，国际侧E类航班缩短装载时间至2小时的情况下，行李系统的流量和系统内时间满足设计要求，国内和国际早到行李存储位足够；国内早到行李存储位的利用率高，最高可达91.8%；国际早到行李存储线的利用率不太高，最高时可达76.2%，除早高峰和个别次高峰外，其他时段的利用率低于50%，国际侧早到存储线利用率仍有进一步提高的空间。
（3）场景3
为了提高国际侧早到存储线的利用率，场景3采用国际侧分时段调整航班装载时长，国内侧保持不变。场景3的各类航班装载时长设置如下：
国内航班：C类航班装载时长为2小时，E类航班装载时长为2.5小时；
国际航班：高峰时段C类航班和E类航班装载时长均按照2小时；其他时段C类航班装载时长为105分钟，E类航班装载时长为2小时。
仿真结果表明场景3的行李流量、系统内时间和国内早到存储区实时行李量的特性与场景2的结果类似，不再赘述；但是，场景3国际侧早到存储区实时行李量与场景2比较变化明显。国际侧早到存储区实时行李量见图18所示，国际早到行李存储线的利用率显著提高，高峰时刻行李存储量达到360件，利用率为85.7%其他时段段的早到存储量也明显提高；然而，在11:00~17:00的低峰时段，早到行李存储量低于200件，仍有进一步精细化控制的提升空间。
图18 国际早到存储区实时行李量(件)
结合航班时刻表，通过不同场景的仿真迭代，可以寻找出早到行李存储线利用率和航班装载时长之间的最佳平衡点，以充分利用好早到存储区，减少地服人员的工作强度。
四、结论
本文通过建立基于Emulate3D的行李系统仿真模型，动态仿真分拣机行李系统的关键点流量、系统内时间和早到行李量等主要数据指标，并探索一种通过不同仿真场景迭代的方式寻求航班开放装载时长和早到行李量之间最佳平衡点的方法，来优化行李系统设计方案，也为运营阶段航班装载计划的制定提供思路和参考。
参考文献:
[1]Huang, E., I. Liu & J.T. Lin (2018). Robust Model for the Assignment of Outgoing Flights on Airport Baggage Unloading Areas. Transportation Research Part E 115, 110-125.
[2]SITA 2023 BAGGAGE IT INSIGHTS.
[3]吴斌.机场行李处理系统分拣模式分析.物流技术,2019,8.
[4]https://www.airport-technology.com/news/leonardo-baggage-hong-kong-airport/?cf-view&cf-closed
[5]李孝军,杨智勇,张春良.基于AutoMod 的行李处理系统建模与仿真.控制与信息技术,2018,5.
[6]杨永胜,金刚,李鸣,刘琳琳.基于动态仿真的独立ICS小车行李系统设计.物流技术与应用, 2023,09.
[7]https://www.demo3d.com/Sim3D/