航線網絡的強韌性：備份飛機和機組放在哪？_風聞

　　前幾天某航空公司運控的朋友詢問我備份機組和飛機的問題。備份機組和飛機做為航司內銷售、運控、機務的交叉項目，確實非常複雜。恰好同事略做過這方面的研究，就問同時要來了信息，在這裏做一個簡單的介紹。

　　為什麼要備份飛機和機組？

　　我們不妨思考備份機組和飛機的目的。

　　讓我們引入一個概念——航線網絡的強韌性。強韌性（也稱魯棒性，robustness）指代的是系統應對外界輸入擾動的能力。對於航線網絡而言，強韌性可以定義為延誤事件持續時間和單座旅客總延誤時間的比值。

　　我們舉一個例子。在只有一天一班的路線上，當班的執行飛機因為機械故障延誤了十五分鐘。此時旅客平均延誤到達時間是十五分鐘，比值是一x座位數；如果機長在途中趕回了三分鐘，那比值就是零點八x座位數。如果這連帶導致後續航班延誤十五分鐘，那比值就上升到了 2（兩段旅客都延誤了十五分鐘）。

　　因此，航空公司除了要拼命降低發生事故的概率以外，還要拼命降低這個比值。降低這個比值，在不同的航線網絡上有不同的方法。

　　我們先來討論不備份的情況。

　　不備份：硬扛延誤，旅客等待飛機修理

　　不備份是很多航線上採取的策略。

　　在這種情況下，顯而易見的是比值常年在 1 上下浮動。倘若延誤時間過長，吃掉了過站冗餘，甚至會導致比值上升到 2。

　　對於只有一架飛機的各航空公司（這些航空公司無法安排任何備份運力）而言，這種方式是唯一的選擇。不過，即使是有多架飛機的航空公司，也有可能採用這種方法。例如，阿拉斯加航空在阿拉斯加州的州內航線網絡屬於典型的「班次稀疏的網絡」。在這樣的網絡中，除了安克雷奇始發的放射線以外，其他州內城市之間的航線非常稀疏：

　　在剔除了放射線的網絡上，航空公司出於很多原因選擇不安排備份：

　　在這樣的情況下，一旦遇到問題延誤的客人總數很少，安排備份的成本不如直接賠付旅客。

　　當地最常見的延誤原因不是飛機故障，而是不可控制因素（例如阿拉斯加特色的暴風雪）。

　　因此，在這樣稀疏的網絡上，很難看到有專用客機用於備份航班。

　　硬備份：安排飛機在某個機場空機待命

　　當客人的數量達到一定閾值以後，延誤的客人期望值就比較高了。例如，每週七班（每日一班）的航班在相同的延誤概率下受到延誤影響的客人的數量會是每週一班的七倍。因此，當航班數達到一定閾值的時候，就需要安排備份了。

　　正如其名，這是一種非常非常硬的方法。通過安排一架（多架當然也沒有問題）飛機在某個機場待命，可以讓這個地方的航班在出事時可以第一時間接走乘客，把延遲出發時間大幅度降低到硬備份飛機所必須的準備時間（例如籤派等）。

　　那麼，在哪個機場安排飛機呢？一個非常符合直覺的做法，是在樞紐安排飛機。例如，對於阿拉斯加航空的阿拉斯加州內網絡而言，在安克雷奇放置 1 架備份機，可以立竿見影地改善安克雷奇始發航線的這一比值。

　　同樣的例子也出現在美聯航的樞紐佈置上。通過在其七大樞紐各放置一些備份機，美聯航可以保障其七大樞紐往近 590 個目的地的始發：EWR 往 53 個目的地、ORD 往 141 個、IAD 往 72 個、IAH 往 101 個、LAX 往 33 個、SFO 往 46 個、DEN 往 142 個。鑑於美聯航總共只有 600 個左右的航線對，這個數字相當不易。

　　但是，備份機的數量很難控制。是不是所有航線都需要硬備份呢？在硬備份的基礎上產生了兩種不同的思路。

　　軟備份：充分利用座位空餘

　　航空公司當然希望每一班飛機賓客盈門，但實際上不是每一班飛機都滿客的。假如班次的數量達到了一個閾值，就可以將旅客通過市場化的手段平攤在各航班中。例如，假如每天有六班，每一班只有 5/6 的上座率，那麼早上第一班取消時，旅客可以分攤到剩下五班中；早上第二班取消時，只有 1/6 的旅客需要安置；以此類推，只有當日最後一班需要安置全體旅客。

　　我們進一步思考這六班。假設這六班間隔兩個小時（也就是類似於 8-10-12-14-16-18 的安排），那麼第一班取消時，旅客平均受影響時間為 2/6 + 4/6 + 6/6 + 8/6 + 10/6 = 5 小時。隨着班次進一步頻密，這個時間會壓得更低，直到和硬備份的成本持平。

　　我們可以看到，軟備份的必要條件，是該航線上的航班必須相當頻密。

　　單一樞紐航空公司往往在點對點幹線上使用這一策略：全日空（All Nippon Airways）的四幹線（HND-CTS/FUK/ITM/OKA）就是例子。

　　路線 班次數 平均間隔

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

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

　　HND-ITM 11x772, 3x788, 1x321 55 分鐘

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

　　但是，這種方法要求航班非常頻密，才能在當日剩餘的航班中分出給取消航班的座位。對於日本這樣人口密度極高，點對點需求極大的國家而言沒有問題，但對於美國而言，問題就有點大了。

　　因此，在軟備份的基礎上，美聯航（United Airlines）在國內航線網絡上演化出了「軟硬結合」的方法。所謂的「軟硬結合」，有兩種具體的模式：

　　時差模式：剛剛我們提到，越早的航班，後續航班能提供的安置座位數就越多，越晚的航班就越少。因此，航空公司會將白天正在進行 A 檢的航班順手排為晚上的航班的硬備份。（不過，隨着 A 檢逐漸改為在深夜進行，這種模式正在走入歷史）

　　機型模式：由於後續航班能夠分流一部分乘客，可以將「實在無法安置的乘客」另外用硬備份的客機拉走。這使得航空公司可以用窄體機做寬體機的備份，用支線客機做窄體機的備份。即使是使用寬體機執飛的跨大陸航線，也可以利用既有的窄體機備份資源。

　　分兵多路——在次要樞紐的佈局

　　我們不妨將航空公司和電商系統做個有趣的類比：

　　航空公司的故障，就是客户的購買需求。

　　機務機庫就是電商的「倉庫」，工程師就是「上門安裝員」。

　　故障的性質決定了能否「上門自提」（故障機報保留空機或者帶客飛到機庫維修）或者必須「送貨上門」（備份機帶着機務工程師到故障地維修）

　　對機務部門和運控部門而言，這就成了一個「優化配送時效」的問題。

　　用這個理論分析的話，在樞紐放置備份機能夠解決一半航班的問題——從樞紐出發的航班的「配送時效」下降到了 0。但飛往樞紐的航班就無能為力了：倘若飛往樞紐的航班出現了機械故障，位於樞紐的備份機必須先空載飛過去。配送就需要油耗成本和時間，確實需要節約。

　　同時，樞紐旅客保障能力相對外站更強——航空公司處理外站延誤明顯更困難。因此，對航空公司而言，有必要思考處理外站延誤的方法。

　　正如電商公司會在大需求周圍建立配送中心一樣，航空公司也在一些航班密切的區域的機場設立了「配送中心」。

　　我們以全日空為例做一分析。全日空的目標是「在 200+ 架機隊中 2 架同時癱瘓的情況下，將延誤給旅客帶來的不便控制在 2 小時內」。因此，將其在各機場的機務維修部門分為「整備部」（有 A 檢能力）和「整備駐在」（無 A 檢能力）。「整備部」分佈在全日本 8 個機場：

　　東京成田（主要負責國際線整備，下轄 6 個任務小組）

　　東京羽田（下轄 7 個任務小組）

　　札幌新千歲（下轄 1 個任務小組）

　　大阪伊丹（下轄 3 個任務小組）、大阪關西（下轄 1 個任務小組）

　　名古屋中部（下轄 2 個任務小組）

　　福岡（下轄 2 個任務小組）

　　沖繩（下轄 1 個任務小組）

　　在這樣的體制下，當各外場的「整備駐在」發現不能當場解決，且無法通過替代模式（例如高鐵解決）的複雜問題時，會安排最近的「整備部」的備份飛機和空閒的任務小組起飛調機到目標機場。備份飛機落地後即刻作為硬備份執行原航班，而任務小組維修好原飛機後，原飛機即變為新的「備份飛機」。

　　我們不如在國內找一下例子，以規模相近的三大航為例。

　　南航在中國國內有約 500 條航線，東航有約 600 條，國航有約 400 條。

　　我們可以先按地理大區分類：

　　國/東/南 華北 東北 華東 中南 西南 西北 合計

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

　　東北

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

　　華東

　　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

　　這麼看來，假如有 1% 備份飛機（5 架到 6 架左右）的情況下，在主片區（國航華北，東航華東，南航華南）安排 2 架，其他片區各安排 1 架，配合寬體機的軟備份就可以解決一部分備份運力問題。

　　舍小局保大局——給誰做備份？

　　當一班飛機出現延誤時，備份飛機可以選擇兩個對象：

　　出現延誤的航班（當班）；

　　出現延誤的航班的下一班（次班）。

　　替代當班的好處很明顯：當班旅客能夠儘快完成旅程。但是，即使當班旅客儘快完成旅程，在國內線上也必然延誤。因此，替代當班很容易導致「連環延誤」。在這樣的情況下，「替代次班」成為歐美航空公司考慮的主流。

　　例如，16 年 8 月 20 日，羽田飛往九州宮崎的 NH609（13:45-15:35）因羅羅引擎中壓旋翼問題而需要返航羽田。由於過站時間只有 45 分鐘，這會直接導致後續航班 NH614（16:20-17:50）延誤。

　　當時正值孟蘭盆節收尾，不少在東京打工的日本人利用年假回鄉過節，導致次班（週六晚上回東京的班次）上座率極高；另一方面，當班（週六下午出東京的班次）上座率清淡。在這種情況下，「備當班」會導致次班延誤，造成連環影響，必須「備次班」切斷延誤鏈條「舍小保大」。

　　因此，全日空從鄰近的福岡調配了一架空閒的 767-300 前往宮崎繼續任務，僥倖保住了 NH614 及後續航班的正常運行。同時 NH609 也將趕時間的旅客在 2447、2461、613 等後續有座位的航班間分流，在 NH614 的後續航班 NH617 出發前保障了一部分旅客。航班時刻表在 NH617 出發後恢復正常（只是 767-300 替換出故障的 787）。

　　不過，在此之後的大規模中壓渦輪更換工作（當時需要同時更換 13 架飛機），已經超過了全日空運控能夠應對的範圍。當時全世界羅羅引擎的 787 飛機齊齊更換旋翼，場面蔚為壯觀。

　　備份機制的侷限性

　　但是，備份機制始終有其侷限。我們一般將延誤歸結於六個因素：

　　飛機機組相關。在這種情況下，自社它機、它社航空器均不受影響。機械故障是典型的例子。

　　公司運控相關。在這種情況下，自社它機同樣受影響，但它社航空器不受影響。籤派網絡癱瘓是典型例子。

　　離港航路相關。在這種情況下，自社、它社離港飛行器都受到影響。跑道關閉是典型例子。

　　幹線航路相關。在這種情況下，離港因為幹線航路而受影響。空域封閉是典型例子。

　　進近航路相關。在這種情況下，自社、它社到港受到影響。終端區天氣惡化是例子。

　　備份機制通常情況下，對機械故障等一架飛機的問題很有用，可以大大降低機械故障導致的延誤。不過，機械故障延誤存在着「最低消費」，出動備用機牽涉到的機組簽到、本場拖機等流程走完，都需要一定的時間。因此，機械故障延誤常常無法動用備用機——對機務而言，如果事情到了需要動用備用機的地步，那很可能會被認為是機務能力的問題，因此存在着「再爭取一下，能不動用就不動用」的想法。

　　如果使用「備份次班」的機制下，在「離港航路相關」、「幹線航路相關」的情況下，也能降低連環延誤。但是，如果使用「備份本班」的機制，則備份無法解決「離港航路相關」的問題，對連環延誤也無能為力。

　　因此，「如何安排備用運力」上，中國已經在硬性要求上領先於國際標準；但在「是否動用備用運力」和「備當班還是備次班」等軟性決策上，中國確實有少許的提升空間。