航线网络的强韧性：备份飞机和机组放在哪？

　　前几天某航空公司运控的朋友询问我备份机组和飞机的问题。备份机组和飞机做为航司内销售、运控、机务的交叉项目，确实非常复杂。恰好同事略做过这方面的研究，就问同时要来了信息，在这里做一个简单的介绍。

　　为什么要备份飞机和机组？

　　我们不妨思考备份机组和飞机的目的。

　　让我们引入一个概念——航线网络的强韧性。强韧性（也称鲁棒性，robustness）指代的是系统应对外界输入扰动的能力。对于航线网络而言，强韧性可以定义为延误事件持续时间和单座旅客总延误时间的比值。

　　我们举一个例子。在只有一天一班的路线上，当班的执行飞机因为机械故障延误了十五分钟。此时旅客平均延误到达时间是十五分钟，比值是一x座位数；如果机长在途中赶回了三分钟，那比值就是零点八x座位数。如果这连带导致后续航班延误十五分钟，那比值就上升到了 2（两段旅客都延误了十五分钟）。

　　因此，航空公司除了要拼命降低发生事故的概率以外，还要拼命降低这个比值。降低这个比值，在不同的航线网络上有不同的方法。

　　我们先来讨论不备份的情况。

　　不备份：硬扛延误，旅客等待飞机修理

　　不备份是很多航线上采取的策略。

　　在这种情况下，显而易见的是比值常年在 1 上下浮动。倘若延误时间过长，吃掉了过站冗余，甚至会导致比值上升到 2。

　　对于只有一架飞机的各航空公司（这些航空公司无法安排任何备份运力）而言，这种方式是唯一的选择。不过，即使是有多架飞机的航空公司，也有可能采用这种方法。例如，阿拉斯加航空在阿拉斯加州的州内航线网络属于典型的「班次稀疏的网络」。在这样的网络中，除了安克雷奇始发的放射线以外，其他州内城市之间的航线非常稀疏：

　　在剔除了放射线的网络上，航空公司出于很多原因选择不安排备份：

　　在这样的情况下，一旦遇到问题延误的客人总数很少，安排备份的成本不如直接赔付旅客。

　　当地最常见的延误原因不是飞机故障，而是不可控制因素（例如阿拉斯加特色的暴风雪）。

　　因此，在这样稀疏的网络上，很难看到有专用客机用于备份航班。

　　硬备份：安排飞机在某个机场空机待命

　　当客人的数量达到一定阈值以后，延误的客人期望值就比较高了。例如，每周七班（每日一班）的航班在相同的延误概率下受到延误影响的客人的数量会是每周一班的七倍。因此，当航班数达到一定阈值的时候，就需要安排备份了。

　　正如其名，这是一种非常非常硬的方法。通过安排一架（多架当然也没有问题）飞机在某个机场待命，可以让这个地方的航班在出事时可以第一时间接走乘客，把延迟出发时间大幅度降低到硬备份飞机所必须的准备时间（例如签派等）。

　　那么，在哪个机场安排飞机呢？一个非常符合直觉的做法，是在枢纽安排飞机。例如，对于阿拉斯加航空的阿拉斯加州内网络而言，在安克雷奇放置 1 架备份机，可以立竿见影地改善安克雷奇始发航线的这一比值。

　　同样的例子也出现在美联航的枢纽布置上。通过在其七大枢纽各放置一些备份机，美联航可以保障其七大枢纽往近 590 个目的地的始发：EWR 往 53 个目的地、ORD 往 141 个、IAD 往 72 个、IAH 往 101 个、LAX 往 33 个、SFO 往 46 个、DEN 往 142 个。鉴于美联航总共只有 600 个左右的航线对，这个数字相当不易。

　　但是，备份机的数量很难控制。是不是所有航线都需要硬备份呢？在硬备份的基础上产生了两种不同的思路。

　　软备份：充分利用座位空余

　　航空公司当然希望每一班飞机宾客盈门，但实际上不是每一班飞机都满客的。假如班次的数量达到了一个阈值，就可以将旅客通过市场化的手段平摊在各航班中。例如，假如每天有六班，每一班只有 5/6 的上座率，那么早上第一班取消时，旅客可以分摊到剩下五班中；早上第二班取消时，只有 1/6 的旅客需要安置；以此类推，只有当日最后一班需要安置全体旅客。

　　我们进一步思考这六班。假设这六班间隔两个小时（也就是类似于 8-10-12-14-16-18 的安排），那么第一班取消时，旅客平均受影响时间为 2/6 + 4/6 + 6/6 + 8/6 + 10/6 = 5 小时。随着班次进一步频密，这个时间会压得更低，直到和硬备份的成本持平。

　　我们可以看到，软备份的必要条件，是该航线上的航班必须相当频密。

　　单一枢纽航空公司往往在点对点干线上使用这一策略：全日空（All Nippon Airways）的四干线（HND-CTS/FUK/ITM/OKA）就是例子。

　　路线 班次数 平均间隔

　　HND-CTS 9x773, 6x772, 9x763, 4x321/738 34 分钟

　　HND-FUK 1x773, 14x772, 1x788, 1x763, 9x321/738 32 分钟

　　HND-ITM 11x772, 3x788, 1x321 55 分钟

　　HND-OKA 6x773, 4x772, 1x789, 1x788, 1x738 69 分钟

　　但是，这种方法要求航班非常频密，才能在当日剩余的航班中分出给取消航班的座位。对于日本这样人口密度极高，点对点需求极大的国家而言没有问题，但对于美国而言，问题就有点大了。

　　因此，在软备份的基础上，美联航（United Airlines）在国内航线网络上演化出了「软硬结合」的方法。所谓的「软硬结合」，有两种具体的模式：

　　时差模式：刚刚我们提到，越早的航班，后续航班能提供的安置座位数就越多，越晚的航班就越少。因此，航空公司会将白天正在进行 A 检的航班顺手排为晚上的航班的硬备份。（不过，随着 A 检逐渐改为在深夜进行，这种模式正在走入历史）

　　机型模式：由于后续航班能够分流一部分乘客，可以将「实在无法安置的乘客」另外用硬备份的客机拉走。这使得航空公司可以用窄体机做宽体机的备份，用支线客机做窄体机的备份。即使是使用宽体机执飞的跨大陆航线，也可以利用既有的窄体机备份资源。

　　分兵多路——在次要枢纽的布局

　　我们不妨将航空公司和电商系统做个有趣的类比：

　　航空公司的故障，就是客户的购买需求。

　　机务机库就是电商的「仓库」，工程师就是「上门安装员」。

　　故障的性质决定了能否「上门自提」（故障机报保留空机或者带客飞到机库维修）或者必须「送货上门」（备份机带着机务工程师到故障地维修）

　　对机务部门和运控部门而言，这就成了一个「优化配送时效」的问题。

　　用这个理论分析的话，在枢纽放置备份机能够解决一半航班的问题——从枢纽出发的航班的「配送时效」下降到了 0。但飞往枢纽的航班就无能为力了：倘若飞往枢纽的航班出现了机械故障，位于枢纽的备份机必须先空载飞过去。配送就需要油耗成本和时间，确实需要节约。

　　同时，枢纽旅客保障能力相对外站更强——航空公司处理外站延误明显更困难。因此，对航空公司而言，有必要思考处理外站延误的方法。

　　正如电商公司会在大需求周围建立配送中心一样，航空公司也在一些航班密切的区域的机场设立了「配送中心」。

　　我们以全日空为例做一分析。全日空的目标是「在 200+ 架机队中 2 架同时瘫痪的情况下，将延误给旅客带来的不便控制在 2 小时内」。因此，将其在各机场的机务维修部门分为「整备部」（有 A 检能力）和「整备驻在」（无 A 检能力）。「整备部」分布在全日本 8 个机场：

　　东京成田（主要负责国际线整备，下辖 6 个任务小组）

　　东京羽田（下辖 7 个任务小组）

　　札幌新千岁（下辖 1 个任务小组）

　　大阪伊丹（下辖 3 个任务小组）、大阪关西（下辖 1 个任务小组）

　　名古屋中部（下辖 2 个任务小组）

　　福冈（下辖 2 个任务小组）

　　冲绳（下辖 1 个任务小组）

　　在这样的体制下，当各外场的「整备驻在」发现不能当场解决，且无法通过替代模式（例如高铁解决）的复杂问题时，会安排最近的「整备部」的备份飞机和空闲的任务小组起飞调机到目标机场。备份飞机落地后即刻作为硬备份执行原航班，而任务小组维修好原飞机后，原飞机即变为新的「备份飞机」。

　　我们不如在国内找一下例子，以规模相近的三大航为例。

　　南航在中国国内有约 500 条航线，东航有约 600 条，国航有约 400 条。

　　我们可以先按地理大区分类：

　　国/东/南 华北 东北 华东 中南 西南 西北 合计

　　华北 22/3/0 24/3/11 47/54/10 46/15/33 34/20/7 21/12/8 194/107/69

　　东北

　　3/5/13 12/50/31 4/2/32 8/0/5 0/7/7 51/67/99

　　华东

　　2/58/4 27/98/103 42/83/14 10/41/8 140/384/170

　　中南

　　7/19/65 35/36/74 7/24/39 126/194/346

　　西南

　　20/36/8 17/18/11 156/193/119

　　西北

　　8/30/24 63/132/97

　　这么看来，假如有 1% 备份飞机（5 架到 6 架左右）的情况下，在主片区（国航华北，东航华东，南航华南）安排 2 架，其他片区各安排 1 架，配合宽体机的软备份就可以解决一部分备份运力问题。

　　舍小局保大局——给谁做备份？

　　当一班飞机出现延误时，备份飞机可以选择两个对象：

　　出现延误的航班（当班）；

　　出现延误的航班的下一班（次班）。

　　替代当班的好处很明显：当班旅客能够尽快完成旅程。但是，即使当班旅客尽快完成旅程，在国内线上也必然延误。因此，替代当班很容易导致「连环延误」。在这样的情况下，「替代次班」成为欧美航空公司考虑的主流。

　　例如，16 年 8 月 20 日，羽田飞往九州宫崎的 NH609（13:45-15:35）因罗罗引擎中压旋翼问题而需要返航羽田。由于过站时间只有 45 分钟，这会直接导致后续航班 NH614（16:20-17:50）延误。

　　当时正值孟兰盆节收尾，不少在东京打工的日本人利用年假回乡过节，导致次班（周六晚上回东京的班次）上座率极高；另一方面，当班（周六下午出东京的班次）上座率清淡。在这种情况下，「备当班」会导致次班延误，造成连环影响，必须「备次班」切断延误链条「舍小保大」。

　　因此，全日空从邻近的福冈调配了一架空闲的 767-300 前往宫崎继续任务，侥幸保住了 NH614 及后续航班的正常运行。同时 NH609 也将赶时间的旅客在 2447、2461、613 等后续有座位的航班间分流，在 NH614 的后续航班 NH617 出发前保障了一部分旅客。航班时刻表在 NH617 出发后恢复正常（只是 767-300 替换出故障的 787）。

　　不过，在此之后的大规模中压涡轮更换工作（当时需要同时更换 13 架飞机），已经超过了全日空运控能够应对的范围。当时全世界罗罗引擎的 787 飞机齐齐更换旋翼，场面蔚为壮观。

　　备份机制的局限性

　　但是，备份机制始终有其局限。我们一般将延误归结于六个因素：

　　飞机机组相关。在这种情况下，自社它机、它社航空器均不受影响。机械故障是典型的例子。

　　公司运控相关。在这种情况下，自社它机同样受影响，但它社航空器不受影响。签派网络瘫痪是典型例子。

　　离港航路相关。在这种情况下，自社、它社离港飞行器都受到影响。跑道关闭是典型例子。

　　干线航路相关。在这种情况下，离港因为干线航路而受影响。空域封闭是典型例子。

　　进近航路相关。在这种情况下，自社、它社到港受到影响。终端区天气恶化是例子。

　　备份机制通常情况下，对机械故障等一架飞机的问题很有用，可以大大降低机械故障导致的延误。不过，机械故障延误存在着「最低消费」，出动备用机牵涉到的机组签到、本场拖机等流程走完，都需要一定的时间。因此，机械故障延误常常无法动用备用机——对机务而言，如果事情到了需要动用备用机的地步，那很可能会被认为是机务能力的问题，因此存在着「再争取一下，能不动用就不动用」的想法。

　　如果使用「备份次班」的机制下，在「离港航路相关」、「干线航路相关」的情况下，也能降低连环延误。但是，如果使用「备份本班」的机制，则备份无法解决「离港航路相关」的问题，对连环延误也无能为力。

　　因此，「如何安排备用运力」上，中国已经在硬性要求上领先于国际标准；但在「是否动用备用运力」和「备当班还是备次班」等软性决策上，中国确实有少许的提升空间。