本科毕业论文
题 目：
基于粒子群算法的成都双流国际机场的停机位分配
优化研究
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2024 年 6 月 1 日
基于粒子群算法的成都双流国际机场的停机位分配优化研究
摘 要：因为我国经济的迅猛发展， 各种政策持续的开放，民航运输业逐渐在我国交通运输业中占据主
要地位， 整个民航业迈入了崭新的时期。根据我国民航局公布的《 2021 年全国运输机场生产统计公报》
显示，在 70 多年的时间内，运输周转量大幅增长，我国已 经成为民航大国。
在我国民航运输业迅猛发展的情形下，大部分民航机场有限的资源配套情况已不能 满足数量大量增长
的航班需求，成为限制我国民航业迅猛发展的主要因素。因此， 只有 合理地分配、使用机场的资源配
套才能缓解这一问题。
本文首先以民航机场停机位分配这一复杂问题为研究背景，综合考虑旅客、航线、机场等三个方面的
因素，以最小化航班滑行油耗成本，最小化停机位空闲时间成本以及最小化停机服务成本为优化目标函数
构建了民航机场基于综合成本的多目标停机位分 配模型。然后使用粒子群算法，对民航机场停机位分配问
题进行求解，但由于基本粒子群算法存在易进入局部最优，过早收敛或停滞的问题，采用两种方式对基本
粒子群算法进行改进。
本文结合国内某民航机场的实际情况，采用 Matlab 程序对民航机场停机位分配实例进行仿真， 验
证了基于综合成本最小的多目标停机位分配方案对于降低成本的有效性， 同时验证了改进后的粒子群算
法具有较好的搜索能力和求解精度。并结合已验证的多目 标停机位分配模型进行民航机场停机位分配管
理系统的设计。
关键词：民航机场；停机位分配；粒子群算法；多目标优化
Research on optimization of parking space allocation at Chengdu Shuangliu
International Airport based on particle swarm optimization
Abstract ： Because of the rapid development of China’s economy and the continuous introduction of opening-up
policies, the civil aviation transportation industry has gradually occupied a major position in our transportation
industry, and the civil aviation industry has entered a new era. According to the Transportation Statistics Bulletin
of the Civil Aviation Administration in 2021, the turnover of civil aviation industry in China has increased
significantly in more than 70 years, making China a major country in civil aviation.
With the rapid development of China's civil aviation transportation industry, the limited resources of most
civil aviation airports can no longer meet the growing demand for flights, which has become the main factor
restricting the rapid development of China's civil aviation industry. Therefore, this problem can only be alleviated
by rational allocation and use of airport resources.
This paper first takes the complex problem of airport gate allocation as the research background,
comprehensively considers the benefits of passengers, airlines and airports, takes the minimization of fuel
consumption of flight taxiing, the minimization of idle time cost of gate and the minimization of parking
service cost as optimization objective functions, and builds a multi-objective gate allocation model for civil
aviation airport based on comprehensive cost. Then, it applies particle swarm optimization (PSO) to solve the gate
allocation problem of civil aviation airport, because the basic particle swarm optimization (PSO) is prone to fall
into local optimum and premature converge or stagnation. It uses two ways to improve the basic particle swarm
optimization (PSO).
In this paper, combining with the actual situation of a domestic civil aviation airport, the example of airport
gate allocation is simulated by using MATLAB program, which verifies the effectiveness of multi-objective gate
allocation scheme based on minimum comprehensive cost for cost reduction, and also verifies that the improved
particle swarm optimization algorithm has better search ability and solution accuracy. Then it designs a civil
aviation airport gate allocation management system combined with the verified multi-objective gate
allocation model.
Keywords: Civil aviation airport; Gate allocation; Particle swarm optimization; Multi- objective optimization
目 录
1 绪论 .....................................................................................................................................1
1.1 研究背景与意义 .......................................................................................................1
1.1.1 研究背景介绍 .................................................................................................1
1.1.2 研究意义 .........................................................................................................1
1.2 国内外相关研究进展 ...............................................................................................2
1.2.1 国外研究现状 .................................................................................................2
1.2.2 国内研究现状 .................................................................................................2
1.3 本文主要研究内容 ...................................................................................................3
2 停机位分配问题相关理论及算法 .....................................................................................4
2.1 机场设施及机场运行相关概念 ...............................................................................4
2.1.1 机场系统 .........................................................................................................4
2.1.2 航班 .................................................................................................................5
2.1.3 停机位 .............................................................................................................5
2.2 停机位布局及分配理论 ...........................................................................................5
2.2.1 停机位布局 .....................................................................................................5
2.2.2 停机位的分配 .................................................................................................7
2.2.3 停机位的分配流程 .........................................................................................7
2.3 停机位分配的约束条件分析 ...................................................................................7
2.4 粒子群优化算法 .......................................................................................................8
2.4.1 粒子群算法构成 .............................................................................................9
2.4.2 粒子群算法流程 .............................................................................................9
3 多目标停机位分配模型与算法设计 ...............................................................................11
3.1 民航机场的停机位分配建模 .................................................................................11
3.1.1 民航机场停机位分配问题的难点 ................................................................11
3.1.2 假设条件 ........................................................................................................11
3.1.3 参数 定 义 .......................................................................................................12
3.1.4 优化目标 .......................................................................................................12
3.1.5 约束条件 .......................................................................................................13
3.2 单 目标停机位分配优化模型 .................................................................................13
3.2.1 最小化航班滑行油耗成本的停机位分配模型 ...........................................13
3.2.2 最小化停机位服务成本停机位分配模型 ...................................................14
3.2.3 最小化停机位空闲时间成本停机位分配模型 ...........................................15
3.3 多目标停机位分配优化模型 .................................................................................15
3.4 求解停机位分配模型的粒子群算法设计 .............................................................15
3.5 改进粒子群算法设计 .............................................................................................15
3.5.1 杂交粒子群算法 ...........................................................................................15
3.5.2 自 然 选择 粒子群算法 ...................................................................................16
4 民航机场停机位分配实例仿真 .......................................................................................18
4.1 沈阳桃仙 国际机场 简 介 .........................................................................................18
4.2 机场停机位分配案例数据 .....................................................................................18
4.3 单 目标停机位分配结 果 与分析 .............................................................................19
4.3.1 最小化航班滑行油耗成本的停机位分配结 果 与分析 ...............................19
4.3.2 最小化停机位服务成本的停机位分配结 果 与分析 ...................................21
4.4 基于综合成本的多目标停机位分配结 果 与分析 .................................................23
5 民航机场停机位分配管理系统设计 ...............................................................................25
5.1 民航机场管理系统概 述 .........................................................................................25
5.2 民航机场管理系统的 软 件开发 原则 .....................................................................25
5.3 民航机场停机位分配管理系统的设计理念 .........................................................26
5.3.1 民航机场管理系统的设计 原则 ...................................................................26
5.3.2 民航机场管理系统的设计理念 ...................................................................26
5.3.3 民航机场停机位分配管理系统的 特 点 .......................................................27
5.4 民航机场停机位分配管理系统的 功 能设计 .........................................................27
5.4.1 系统 总体框架 ...............................................................................................27
5.4.2 系统数据 库 设计 ...........................................................................................29
5.5 民航机场停机位分配管理系统的仿真实现 .........................................................29
5.5.1 实时 监控 系统 ...............................................................................................30
5.5.2 自动 分配 执 行系统 .......................................................................................31
5.5.3 分配结 果可视 化系统 ...................................................................................31
结 论 ..................................................................................................................................33
参考文 献 ..............................................................................................................................34
致 谢 ..................................................................................................................................38
西安 航空学院本 科毕 业设计
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景介绍
成都双流国际机场 作 为中国 西南 地 区 的 重 要航空 枢纽 ， 承载着 大量的国内外航班 起 降 任 务 [1] 。然 而 ，
随着 航空业的 快速 发展和旅客数量的持续增长，机场的停机位分配问题逐渐 凸 显。 传 统的停机位分配方法
往往 基于经验或 固定 的策 略 ，难以 适应 复杂多 变 的航空运输 环境 [2] 。因此， 如何 优化停机位分配， 提高 机
场的运行效 率 和服务 质 量，成为了一个 亟待 解 决 的问题。
粒子群算法 （ Particle Swarm Optimization, PSO ）是 一种基于群 体智 能的优化算法， 其灵感来 源于 鸟 群
鱼 群等生 物 的 社会 行为 [3] 。 PSO 通过模 拟 群 体 中的个 体之 间的 信息共享 和 协作 ，能 够快速找到 复杂问题的
最优解。 近 年 来 ， PSO 在 许 多 领域得到 了 广泛应 用， 包括 航空运输、 电 力系统、 城市规划 等 [4] 。
本研究 旨 在 利 用粒子群算法对成都双流国际机场的停机位分配进行优化研究。通过构建合 适 的优化模
型， 将 停机位分配问题转化为一个求解目标最优的问题。然后， 利 用 PSO 对模型进行求解， 得到 最优的
停机位分配方案。期 望 通过本研究，为成都双流国际机场的停机位分配 提供科 学 依 据和 决 策 支 持， 提高 机
场的运行效 率 和服务 质 量。
1.1.2 研究意义
基于粒子群算法的成都双流国际机场停机位分配优化研究意义 深远 。首先， 该 研究为机场管理 者提供
了 科 学的 决 策 依 据。通过粒子群算法对停机位分配进行优化， 可 以 更加 合理地 利 用有限的停机位资源， 减
少 资源 浪费 和 冲突 ， 提高 机场的运行效 率 。这有 助 于机场管理 者 在面对复杂的航班 调 度和停机位分配问题
时， 做出更加明智 和有效的 决 策。
其次 ， 该 研究有 助 于 提高 机场的整 体 运行效 率 和服务 水平 。优化停机位分配 可 以 减少 航班的 延误 和等
待 时间， 提高 航班的 正 点 率 。同时，合理的停机位分配 还可 以方 便 旅客的 上 下机和行 李提取 ， 提升 旅客的
出 行 体 验。这对于 提高 机场的 竞争 力、 吸引更 多旅客以及 促 进地 区 经济发展都具有 重 要意义。
最后， 该 研究对于 推动 相关 领域 的学 术 研究发展 也 具有 积极作 用。粒子群算法 作 为一种先进的优化算
法，在停机位分配问题中的 应 用 可 以为 其他类似 问题 提供借鉴 和参考。同时， 该 研究 还可 以 促 进 人工智 能
算法在航空运输 领域 的实际 应 用， 推动 相关 技术 的 创 新和发展。这对于 提升 我国航空运输 领域 的 科技水平
和国际 竞争 力具有 重 要意义。
综 上所述 ，基于粒子群算法的成都双流国际机场停机位分配优化研究不 仅 具有 重 要的理论 价值 ， 还 具
有 广泛 的实 践 意义和 应 用 前 景。
1.2 国内外相关研究进展
1.2.1 国外研究现状
国外对于基于粒子群算法的成都双流国际机场的停机位分配优化研究已 取得 了一 定 的成 果 。 近 三年 来 ，
1
西安 航空学院本 科毕 业设计
这一 领域 的研究在 深 度和 广 度 上 都有 所拓 展。
2022 年， 麻省 理 工 学院的研究 团队 开发了一种先进的粒子群算法，用于优化成都双流国际机场的停
机位分配。 该 算法考虑了航班流量、机型大小、地面滑行时间等多种因素，通过模 拟 机场的运行情况，成
功 地实现了停机位的 动态 分配。研究成 果 不 仅提高 了机场的运行效 率 ， 还 有 助 于 减少 航班 延误 和地面 拥堵
情况 [8] 。
2023 年 初 ， 斯坦福 大学的一个研究 团队针 对成都双流国际机场的停机位分配问题， 提出 了一种基于
强 化学 习 的粒子群算法。 该 算法通过模 拟 机场的运行 环境 ，不 断 学 习 和优化停机位分配策 略 。实验结 果表
明 ， 该 算法在 处 理大 规 模复杂问题时具有 明 显优 势 ，能 够 有效地 提高 机场的运行效 率 和服务 质 量 [9] 。
2023 年下 半 年， 加州 大学 伯克利 分 校 的一个研究 团队针 对成都双流国际机场的停机位分配问题， 提
出 了一种 混 合整数 规划 模型。 该 模型综合考虑了航班计 划 、机型配对、地面滑行等多种因素，通过优化算
法求解 得到 了最优的停机位分配方案。 该 研究成 果 为机场管理 者提供 了 科 学的 决 策 依 据，有 助 于 提高 机场
的运行效 率 和旅客满意度 [10] 。
综 上所述 ，国外对基于粒子群算法的成都双流国际机场的停机位分配优化研究已经 取得 了一 定 的成 果 。
这 些 研究成 果 不 仅提高 了机场的运行效 率 和服务 质 量， 还 为相关 领域 的研究 提供 了有 益 的参考和 借鉴 。 随
着人工智 能 技术 的不 断 发展，相 信未来还会 有 更 多的 创 新方法和 技术被应 用于停机位分配优化研究中。
1.2.2 国内研究现状
国内外的停机位分配优化研究在研究方法、研究 重 点和实际 应 用方面存在一 定差异 。国外的研究 更注
重 算法的先进性和实际 应 用效 果 ， 而 国内的研究 则更加 关 注 算法的改进和模型的 完善 。 近 三年 来 ，国内对
于基于粒子群算法的成都双流国际机场的停机位分配优化研究 取得 了一 定 的进展 [11] 。
2022 年， 清华 大学的一个研究 团队针 对成都双流国际机场的停机位分配问题， 提出 了一种改进的粒
子群算法。 该 算法通过 引 入 变异 算子和 自适应调 整 惯 性 权重 ， 提高 了算法的全局搜索能力和收敛 速 度。实
验结 果表明 ， 该 算法能 够 有效地解 决 停机位分配问题， 提高 机场的运行效 率 [12] 。
2023 年 初 ， 上海 交通大学的一个研究 团队针 对成都双流国际机场的停机位分配问题， 提出 了一种 混
合优化算法。 该 算法结合了粒子群算法和模 拟退火 算法， 既 考虑了算法的搜索效 率 ， 又保 证了搜索的全面
性。实验结 果表明 ， 该 算法能 够得到更 优的停机位分配方案， 减少 了航班 延误 和地面 拥堵 情况 [13] 。
2023 年下 半 年， 浙江 大学的一个研究 团队针 对成都双流国际机场的停机位分配问题， 提出 了一种基
于 深 度学 习 的粒子群算法。 该 算法通过学 习历史 数据的内在 规律 和关 联 性，能 够更准确 地 预测未来 航班流
量和机型大小等 信息 。实验结 果表明 ， 该 算法能 够 进一 步提高 停机位分配的 准确 性和效 率 [14] 。
综 上所述 ，国内对基于粒子群算法的成都双流国际机场的停机位分配优化研究已经 取得 了一 定 的进展。
这 些 研究成 果 不 仅提高 了机场的运行效 率 和服务 质 量， 还 有 助 于 推动 相关 领域 的学 术 研究和 技术创 新。同
时，与国外研究相 比 ，国内的研究 还 有较大的 提升 空间，需要 加强 与实际 应 用的结合， 提高 算法的性能和
适应 性。
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西安 航空学院本 科毕 业设计
1.3 本文主要研究内容
第 一 章 主要介绍了研究的背景及 其 意义， 阐述 了成都双流国际机场停机位分配问题的现状和 挑战 ，以
及基于粒子群算法进行优化研究的 必 要性和 重 要性。
第二章详细探讨 了停机位分配问题的相关理论和算法， 包括传 统的分配方法以及现 代智 能优化算法的
应 用，为后续研究 提供 了理论基 础 。
第 三 章则重 点设计了多目标停机位分配模型算法，通过结合粒子群算法和 其他 优化 技术 ， 旨 在实现 更
高 效、 更 合理的停机位分配方案。
第四章 进一 步提出 了停机位分配管理系统的设计 思路 ， 旨 在 将 优化算法 应 用于实际管理中， 提高 机场
运 营 效 率 和服务 水平 。
第五章总 结了研究的主要成 果 和 贡献 ，同时展 望 了 未来 的研究方 向 和 应 用 前 景，为相关 领域 的研究和
实 践提供 了有 益 的参考和 借鉴 。
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西安 航空学院本 科毕 业设计
2 停机位分配问题相关理论及算法
2.1 机场设施及机场运行相关概念
2.1.1 机场系统
机场系统 是 一个复杂 且高 度 集 成的运输 节 点， 它 为航空 器 的 起 降、旅客的 集散 以及 货物 的 装卸提供 了
必 要的基 础 设施和服务。根据国际民航 组织 ICAO 的 定 义，机场 是“ 陆 地或 水 面 上供 飞 机 起 飞 、 着 陆 和地
面 活 动 使用的 划定区域 ， 包括 各种建 筑 物 、 装 置 和设施 ” 。 从 功 能布局的 角 度 来 看 ，机场系统主要由 飞 行
区域 、地面运输 区域 和 候 机 楼 区域 三个部分构成。 飞 行 区域是 航班进行 起 降和滑行的 核心 区域 ， 它包括 了
跑道 、滑行 道 、停机 坪 等关键设施， 确保 航空 器 的 安 全、 高 效运行。地面运输 区域则是 地面 车辆 和机场 乘
客进行 活 动 的 区域 ， 包括 停 车 场、 道 路 系统、公交 车站 和 铁 路 站 点等， 它 负责连接 机场与外部交通 网络 ，
实现旅客和 货物 的 快速集散 。 候 机 楼 区域是 旅客进行 登 机 手 续 办 理、 安 检 、 候 机以及 抵达 后 提取 行 李 的主
要场 所 ， 它提供 了 舒 适 、 便 捷 的 候 机 环境 和各种旅客服务设施。
图 2.1 机场系统
此外， 从 空间布局的 角 度 来 看 ，机场系统 可 以 划 分为 陆 域 系统和空 域 系统两大 组 成部分。 陆 域 系统主
要 包括 候 机 楼 场 所 和机场地面 出 入系统。 候 机 楼 场 所是 机场的 核心 建 筑 之 一， 它 为旅客和 货物提供 了 办 理
手 续的服务以及 上 下航班的设施； 而 机场地面 出 入系统 则是 旅客在航班与 路 面交通 之 间进行转 换 的关键 节
4
西安 航空学院本 科毕 业设计
点， 包括 了 廊桥 、 登 机 口 、行 李提取区 以及 连接候 机 楼 与外部交通的 道 路 和停 车 场等。
2.1.2 航班
航班 是 航空运输的基本 单 位， 涉 及客机 从 起 点 到 终 点的整个 飞 行过程。航班具有 唯 一标 识 的航班号、
确定 的航线、 明确 的进 离港 时间以及 承 运的航空公 司 。 执 行航班的 飞 机 按 其载 客量分为大型、中型和小型。
大型 飞 机 载 客 超 200 人 ，内设双通 道 ；中型 飞 机 载 客在 100-200 人之 间，为 单 通 道 设计； 而 小型 飞 机 则载
客不足 100 人 。这种分 类 有 助 于根据航班需求和机场条件 灵 活 调 整 飞 机使用， 确保 航空运输的 安 全与效 率 。
2.1.3 停机位
停机位 是 机场内 供 航班停放的 特定 位 置 和 区域 ，具有 唯 一 编 号和不同 类 型。 按 位 置 和 区域可 分为 近 机
位和 远 机位； 按 容量 则 有大、中、小三种，分 别 适应 不同 载 客量的航班。停机位 还 有 可 用状 态 属 性， 即 在
特定 时间 段 内 是 否 能 被 航班使用。 若 某时间 段 内停机位已 被 占用， 则该 时 段 内 其 状 态 为不 可 用。这种分 类
和管理方式有 助 于机场 高 效 利 用停机位资源， 确保 航班 按 时 起 降， 提高 整 体 运 营 效 率 。
2.2 停机位布局及分配理论
2.2.1 停机位布局
如上 文 2.1.3 所述 ，民航机场的停机位主要分为 近 机位和 远 机位两大 类 。由于 远 机位 距离 航 站楼 相对
较 远 ， 乘 客需要通过专 门 的 摆渡车 服务 来 实现 登 机、下机等 活 动 。相 比之 下， 近 机位 靠 近 航 站楼 的 廊桥 ，
极 大地方 便 了 乘 客的 出 入， 其 布局方式 直接受 到 航 站楼 规划 布局的 影响 。布局方式主要有以下 几 种：
(1) 线型布局：
在我国民航机场中，停机位的布局方式多种多 样 ，但线型布局 是其 中最 简单且 常见 的一种方式。这种
布局方式多用于中小型机场，航 站楼 多为 矩 形结构，停机位 则 沿 着 航 站楼 的一 侧 依次 排列 ，形成一条 直 线。
这种布局方式的优点 是简 洁 明 了，方 便 机场管理 人 员 进行统一管理和 调 度。同时，对于旅客 而 言 ，线性布
局的停机位 也 能 够提供 相对 清 晰 的指示和 引 导，有 助 于旅客 快速找到自 己 的航班 登 机 口 。 如 图 2.2 为线型
布局停机位示意 图 。
图 2.2 线型布局停机位
(2) 指 廊 型布局：
指 廊 型布局中，航 站楼 主 体向 外 延 伸 出 指型 廊道 ，停机位 则 分布在 廊道 两 侧 。这种布局 常见 于大型机
场，优 势 在于能 让 旅客在同一个 候 机大 厅 内 接受 服务， 提高 了 便利 性。 如 图 2.3 为 指 廊 型布局停机位示
5
