應用區塊等候於機場航機起飛延滯管理之研究 研究生：梁錦昌

應用區塊等候於機場航機起飛延滯管理之研究

研究生：梁錦昌 指導教授：許巧鶯

國立交通大學運輸科技與管理學系碩士班

摘 要

近年來，國際油價的逐年上漲不但造成航空公司燃油成本的增加，更導致整 體航空運輸產業營運環境日趨嚴峻，如何降低航機燃油損耗紓緩航空公司艱難之 營運處境已成為重要的探討議題。另外，過去針對航機起飛延滯進行探討之研究 雖證實航機地面等候策略應用於擁擠機場之可行性，但進一步依據航機操作特 性，探討其機場延滯指派策略之研究卻付諸闕如。有鑒於都市交通研究中 Dougherty(1997)利用區塊等候概念改善車隊燃油損耗狀況之車隊擁擠現象，與擁 擠機場下起飛航機為等候使用跑道而形成之航機延滯情形極其相似；並且，航機 於跑道旁停等區和機門停機坪之停等狀態亦符合區塊等候定義。本研究擬以結合 區塊等候與燃油節省兩概念之研究方法探討擁擠機場中起飛航機之指派策略。

本 研 究 模 擬 擁 擠 機 場 中 起 飛 航 機 之 空 側 地 面 移 動 及 停 等 狀 態 ， 根 據 Dougherty(1997)將延滯車隊分區停等降低燃油損耗之概念，構建適用於起飛航機 之區塊等候指派模式，分析航管單位採取連續指派與區塊等候之延滯成本差異。

首先以擁擠機場航機接續起飛之概念，模擬並計算航機由機門滑行至跑道旁停等 區之時間，以瞭解航機於跑道旁停等所耗之燃油成本；爾後，分析區塊等候指派 下起飛航機停等於機門及跑道旁之情形，探討航機起飛延滯之影響範圍，同時，

推估起飛航機面臨降落航機優先使用跑道下之起飛時間，以整合區塊等候指派模 式，進一步構建起飛航機於機場空側地面之延滯對旅客、機場管理單位與航空公 司所產生影響之延滯成本模式。

本研究蒐集中正國際機場南機坪發生擁擠之實際資料進行兩種指派之範例 分析。結果顯示，於區塊等候策略下，航機燃油成本明顯低於連續指派之結果；

且航管單位若能視機場航機起降情形，於跑道旁停等區指派適當之起飛航機停等 可有效抑制旅客旅行時間增加，並可避免起飛航機因滑行距離差異導致之跑道空 滯現象，及降低後續航班因前機佔用機門而停靠時間延後之窘境，同時達到降低 航機燃油損耗之效益；另燃油價格波動對區塊等候之最適指派亦有極大影響。本 研究之結果與機場跑道旁停等區之實務容量規劃一致，驗證本研究區塊等候模式 之應用性。

Applying Block Queue

On Airport Departure Flight Management

Student: Chin-Chang Liang Advisor: Chaug-Ing Hsu Department of (Institute) Transportation Technology and Management

National Chiao Tung University ABSTRACT

With the fuel price soaring in the past years, it not only increases airlines’

expenditure of fuel, but also aggravates the operation condition of airline industry.

Therefore, how to ease airlines’ financial difficulty by fuel-saving has become an import issue. In addition, most past studies about departure flight delay has proved the application of ground holding policy, but seldom concerned the assignment policy of departure flights in congestion airport according to the fuel consumption of aircrafts.

The congestion situation and the operational status of aircrafts waiting at terminal apron and holding pad are similar as the block queue of cars waiting for service in the slow moving system by Dougherty (1997). Therefore this study aims to combine block queue concept and fuel-saving concept to formulate models on analyzing assignment policy for departure flights of the congested airport.

The aims of this study are to develop an aircraft assignment model based on the concept of block-queuing proposed by Dougherty (1997), so as to minimize departure flights’ fuel cost in a congestion airport, and compare the difference of delay cost between block-queuing assignment and consecutive assignment. The study derives the time of each departure flight from apron to holding pad based on Air Traffic Control Rule assigning departure flights consecutively, and calculates the fuel cost of each flight due to taxing and waiting for departure. The study then explores the block-queuing conditions of departure flights according to the connective relations of flights’ departure time to construct a block-queuing assignment model with considerations of various situations and decide whether a departure flight should wait at terminal apron or holding pad. Furthermore, the study formulates delay cost functions with respect to passengers, airline and airport operators.

The study collects data about the schedule of departure/arrival flights and the delay of departure flights in C.K.S International Airport to demonstrate the application of the model. The results show that block-queuing assignment method significantly reduces more fuel cost as compared with consecutive assignment method.

It may increase the fuel-saving efficiency, while reduce airport operators’ cost due to an idle runway and passengers’ cost caused by delay in the congestion airport.

Furthermore, the fuel price is shown to have significantly impacts on the assignment policy.

目 錄

中文摘要...i

英文摘要...ii

目 錄... iii

圖目錄...v

表目錄...vi

符號說明...vii

第一章 緒論...1

1.1 研究背景與動機...1

1.2 研究目的...3

1.3 研究範圍...4

1.4 研究流程與架構...6

第二章 文獻回顧...9

2.1 區塊等候之應用...9

2.2 流量管理之研究...12

2.3 航空延滯分析...13

2.4 機門指派之研究...15

2.5 航機移動及其相關研究...16

2.6 空側相關研究...17

第三章 區塊等候下航機起飛過程之模擬...21

3.1 連續指派之航機燃油損耗...21

3.2 降落航班的影響...23

3.3 延滯擴散衍生之起飛延滯航班...25

3.4 區塊等候下航機於空側地面之移動...27

3.5 區塊等候下，起飛延滯航機抵達跑道後，進入跑道時間之估算...32

3.6 區塊等候下，起飛航機空側移動之模擬...36

3.7 成本函數構建...39

第四章、範例分析...42

4.1 基本參變數設定...42

4.2 範例說明...43

4.3 機場管理單位連續指派之分析...46

4.3.1 連續指派下航機移動情況...46

4.3.2 連續指派下航機燃油成本...53

4.3.3 連續指派下後續航班機門停靠時間之分析...57

4.4 區塊等候下航機燃油損耗...61

4.4.1 區塊等候下航機移動情況...61

4.4.2 區塊等候下航機燃油成本及衍生成本...74

4.5 敏感度分析-延長機場關閉時長 ...79

第五章 結論與建議...84

5.1 結論...84

5.2 建議...85

參考文獻...86

圖目錄

圖1.1 全球民航業燃油成本比重變化圖...1

圖1.2 研究範圍...5

圖1.3 研究流程圖...7

圖1.4 研究架構圖...8

圖2.1 都市延滯車隊區塊等候架構圖...10

圖2.2 區塊等候概念示意圖...11

圖3.1 當

T

_i,^b_d'

− T

_i,^b_h

> 0

且

_T

_i^b_−1,a

_{+ t}

_i,st

_{< T}

_i^b_−k,d，第i 架航機之等候示意圖...30

圖3.2 當

T

_i,^b_d'

− T

_i,^b_h

> 0

且

T

_i^b_−1,a

+ t

_i,st

≥ T

_i^b_−k,d，第i 架航機之等候示意圖...31

圖3.3 當

T

_i,^b_d'

− T

_i,^b_h

= 0

，第i 架航機之等候示意圖 ...31

圖3.4 當

T

_i,^b_d'

− T

_i,^b_h

< 0

，第i 架航機之等候示意圖 ...32

圖3.5 區塊等候下航機起飛過程各時間之決策流程...38

圖4.1 連續指派下各航班移動時間比較...52

圖4.2 連續指派下各航班之空側地面停等時長...52

圖4.3 連續指派下各航班於跑道旁停等之燃油成本及停等時長...54

圖4.4 連續指派下各航班離開機門時間與後續航班停靠機門時間...58

圖4.5 連續指派與區塊等候下停等區指派 1 架航機，各航班滑行時間之比較..67

圖4.6 區塊等候下停等區指派 1 架航機時，各航班於空側地面停等之時長...67

圖4.7 不同指派量下各航班由機門開始滑行之時間比較...70

圖4.8 區塊等候下各航班於機門額外停等之時長...71

圖4.9 區塊等候下各航班於跑道旁停等之時長...72

圖4.10 區塊等候下各航班因無法接續進入跑道以致於跑道空滯的時長...73

圖4.11 區塊等候下停靠相同機門之後續航班被延誤的時長...73

圖4.12 區塊等候下大型航機與重型航機之成本比較...76

圖4.13 區塊等候下總成本之改善效益...76

圖4.14 區塊等候下各項衍生成本之比例...78

圖4.15 連續指派與區塊等候之延滯成本比較...78

圖4.16 後續航班旅客延滯時間成本...81

圖4.17 地勤人員超時作業工時成本...82

圖4.18 跑道空滯成本...82

圖4.19 航機地面空調與外部電源成本...82

圖4.20 航機燃油成本...83

圖4.21 總延滯成本...83

圖4.22 成本改善效益...83

表目錄

表2.1 航機作業分析研究特性與方法...19

表2.1 航機作業分析研究特性與方法(續)...20

表3.1 不同起降型態下航機起飛之隔離標準...23

表4.1 範例相關參數值...43

表4.2 受機場暫時關閉影響之起飛航班資訊...44

表4.3 後續航班停靠機門之資訊...45

表4.4 中正國際機場南機坪，各機門至 06 跑道旁停等區之距離...46

表4.5 連續指派下各航班之空側移動時間 (9:05,

T

_1,a=0) ...48

表4.6 連續指派下起飛航機燃油成本...55

表4.7 機門停靠時間被延誤之航班，可停靠機門之最早時間(9:05,

T

_1,a=0) ...57

表4.9 推擠性延誤航班停靠機門資訊...58

表4.8 連續指派下停靠相同機門之後續航機被延滯的時長 (9:05,

T

_1,a=0) ....59

表4.10 區塊等候下指派 1 架航機至跑道旁停等時，各航班之空側移動時間....62

表4.11 區塊等候下指派 1 架航機至跑道旁停等時，對推擠性延誤航班之影響66 表4.12 連續指派與區塊等候之成本比較...77

表4.13 不同關閉時長下各延誤類型之航機數...79

表4.14 不同關閉時長下航班之起飛順序...80

符號說明

符 號 意 義

i

機場於

T 時間擁擠產生後，起飛延滯航機進入跑道起飛之順序

_o

j 機場於

T 時間擁擠產生後，降落航班抵達跑道之順序

_o

FC

i 第i 架起飛航機之燃油成本(元)

f

C

i_, 第i 架起飛航機單位時間之燃油成本(元/分鐘)

αi 第i 架起飛航機於跑道旁停等時，航機的燃油損耗率(公斤/分鐘)

F

航空燃油之單位容量成本(元/公升)

PC

i 與第i 架起飛航班停靠相同機門之後續航機，其旅客延滯時間成本(元)

r

i 與第i 架起飛航班停靠相同機門之後續航機，其旅客乘載率

P

i 與第i 架起飛航班停靠相同機門之後續航機，其旅客成載量(人)

V

旅客平均時間價值(元/分鐘)

GC

i 區塊等候下第i 架航機衍生之超時作業工時成本(元)

G

i 第i 架其非航機停等於機坪時，其地勤作業所須人員數(人)

S

地勤人員每小時超時作業薪資(元/小時)

RC

i 區塊等候下，第i 架起飛航機衍生之跑道空滯時間成本(元)

R

跑道的時間價值(元/分鐘)

EC

i 第i 架起飛航機停等於機門停機坪之地面空調與外部供電成本(元)

符號說明

符 號 意 義

E

地面空調與供電設備單位時間之收費(元/分鐘)

i

S

i_−1, 第i-1 架起飛航機與第 i 架起飛航機滑行時，應保持之安全間距(公尺)

L

i 第i 架起飛航由機門停機坪滑行至跑道旁停等區之距離(公尺)

v

航機於機場空側地面滑行之速度(海浬/小時)

a

T

i_, 連續指派下，第i 架起飛航機由機門開始滑行的時間

h

T

i_, 連續指派下，第i 架起飛航機滑行至跑道旁停等的時間

d

T

i_, 連續指派下，第i 架起飛航機進入跑道之時間

' ,d

T

i 連續指派下，未考量降落航班之影響時，第i 架起飛航機 進入跑道之時間

'' ,d

T

i 連續指派下，考量第i 架起飛航機前降落航班 j 之影響，所得之第 i 架 起飛航機進入跑道之時間

''' ,d

T

i 連續指派下，綜合考量第i 架起飛航機前後降落航機之影響，所得之第 i 架起飛航機進入跑道時間

r

T

j_, 降落航班j 抵達跑道頭的時間

e

T

j_, 降落航班j 離開跑道的時間

a

T

j_, 降落航班j 之降落門檻時間，即跑道開始維持淨空之時間

T

o 機場擁擠發生之時間

c

T

i_, 第i 架起飛航班關閉艙門之時間

g

T

i_, 與第i 架起飛航班停靠相同機門之後續航機，表定停靠機門的時間

符號說明

符 號 意 義

g y

T

i_{− ,} 在第i 架起航機與第 i-y 架起飛航機停靠相同機門之狀況下，第 i-y 架起 飛航機表定停靠機門之時間。其中，y 表示兩航機間隔之起飛序號。

a y

T

i_{− ,} 在第i 架起航機與第 i-y 架起飛航機停靠相同機門之狀況下，第 i-y 架起 飛航機實際停靠機門之時間。其中，y 表示兩航機間隔之起飛序號。

b a

T

i_, 區塊等候下，第i 架起飛航機由機門開始滑行的時間

b d k

T

i_{− ,} 區塊等候下，第 i-k 架起飛航機進入跑道的時間。其中，k 表示航管單 位指派至跑道旁停等區之航機數。

b h

T

i_, 區塊等候下，第i 架起飛航機滑行至跑道旁停等的時間

b d

T

i_, 區塊等候下，第i 架起飛航機進入跑道之時間

b d

T

i_{, '} 區塊等候下，未考量降落航班之影響時，第i 架起飛航機 進入跑道之時間

b d

T

i_{, ''} 區塊等候下，考量第i 架起飛航機前降落航班 j 之影響，所得之第 i 架 起飛航機進入跑道之時間

b d

T

i_{, '''} 區塊等候下，考量第i 架起飛航機前降落航班 j，與第 i 架起飛航機後降 落航班j+1 之影響，所得之第 i 架起飛航機進入跑道之時間

b ed

T

i_{, '}

區塊等候下，當第i 架起飛航機抵達跑道時間超過第 i 架起飛航機進入 跑道之預估時間時。未考量降落航班之影響時，第i 架起飛航機 進入跑道之時間

b ed

T

i_{, ''}

區塊等候下，當第i 架起飛航機抵達跑道時間超過第 i 架起飛航機進入 跑道之預估時間時。考量第i 架起飛航機前降落航班 j 之影響，所得之 第i 架起飛航機進入跑道之時間

b ed

T

i_{, '''}

區塊等候下，當第i 架起飛航機抵達跑道時間超過第 i 架起飛航機進入 跑道之預估時間時。考量第i 架起飛航機前降落航班 j，與第 i 架起飛航 機後降落航班j+1 之影響，所得之第 i 架起飛航機進入跑道之時間

st

t

i_, 考量第i-1 架起飛航機與第 i 架起飛航機於機門停等之相對後，第 i 架 起飛航班與第i-1 架航班之滑行時距(分鐘)

m

t

i_, 第i 架起飛航機由機門滑行至跑道旁停等區的時長(分鐘)

r

t

i_, 第i 架起飛航機佔用跑道起飛之時長(分鐘)

符號說明

符 號 意 義

sd

t

i_, 航機連續起飛時，第i-1 架起飛航機進入跑道後，第 i 架起飛航機於跑 道旁停等之時長(分鐘)

r

t

j_, 降落航班j 佔用跑道降落的時長(分鐘)

t

sa 起飛航機進入跑道前，與降落航機應維持之隔離時長，為固定值(分鐘)

w

t

i_, 接續第i 架起飛航機後，停靠相同機門之後續航班於該機門作業之時長 (分鐘)

b h

t

i_, 區塊等候下，第i 架起飛航機於跑道旁停等之時長(分鐘)

a

t

i_, 連續指派下，第i 架起飛航機於機門的停等時長(分鐘)

b a

t

i_, 區塊等候下，第i 架起飛航機停等於機門之時長(分鐘)

b e

t

i_,' 區塊等候下，未考量降落航班之影響前，因第i 架起飛航機無法接續第 i-1 架航機後進入跑道，進而造成跑道空滯的時長(分鐘)

b e

t

i_, 區塊等候下，考量降落航班影響後，因第i 架起飛航機無法接續第 i-1 架航機後進入跑道，進而造成跑道空滯的時長(分鐘)

b e

t

i_{, ''}

區塊等候下，考量降落航班影響後，介於第i-1 架與第 i 架起飛航機間，

降落航機佔用跑道之時長；以及因第i 架起飛航機無法接續第 i-1 架航 機後進入跑道，進而造成跑道空滯的時長(分鐘)

r j

t

i_{, ,} 區塊等候下，介於第i-1 架與第 i 架起飛航機間，降落航機佔用跑道的 時長(分鐘)

第一章 緒論

1.1 研究背景與動機

近年來，由於中東戰事頻繁及美國風災(颶風卡崔納)對原油產地之影響，造 成石油供給量起伏不定；加上中、美兩國大量進口石油的影響，在供需無法平衡 之情況下，國際油價遂有逐年上漲之趨勢，進而導致全球民航業自2002 年起航 空燃油成本佔總成本之比例亦逐年增加(圖 1.1)。隨著燃油成本的逐年增加，航 空公司除了財務負擔增加外，油價波動更連帶影響整體營運及未來規劃，如美國 達美(Delta)、西北(Northwest)等航空公司即因為無法承擔油價遽增帶來的龐大財 務負擔，於2005 年相繼提出破產保護之請求。另外，根據國際航空運輸協會(IATA) 對全球航空公司營運狀況的預估，2005 年全球航空業損失約 74 億美元，其中近 五分之一，超過14 億美元的損失歸咎於油價上漲所致。有鑒於此，世界國際航 空組織、機場及航空公司無不致力於各項技術之研發及營運管理策略之擬定，如 改善機場延滯管理、增加航機起降之流暢等，企圖增加航機燃油使用效率，降低 燃油成本支出(Airline Business, 2004.10)。

76.4%

85.5% 86.5% 87.1% 86.7% 83.0%

23.6%

14.5% _{13.5% 12.9% 13.6%} ^17.0%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2000 2001 2002 2003 2004 2005(E)

非燃油成本比重 燃油成本比重

圖1.1 全球民航業燃油成本比重變化圖

資料來源：台灣經濟研究院產經資料庫

有關航空公司成本結構之研究，顯示航機的燃油成本主要與石油單價及航機 燃油消耗量有關；又影響後者之因素包含航空公司航網安排及使用機型之燃油效 率。其中，航網安排又與服務機場之擁擠狀況程度息息相關(吳貞瑩, 民 92)。然 而有關機場空側流量及航機延滯管理之研究，多針對機場容量不足以致擁擠之情

境，以航機於起點機場之地面延滯成本較航機於目的機場之空中延滯成本低；及 航機地面停等較空中停等安全為由，依據目的機場之擁擠程度及航機延滯成本探 討航機於空側地面之停等時長(Andreatta and Romain-Jacur, 1987； Terrab and Odoni, 1993)，鮮少針對機場空側地面航機之停等策略進行分析。另外，也有研 究由航機滑行安全間距、進出機坪時間、機場空側設施幾何佈設以及航機滑行道 路網等方面，探討擁擠機場中，不同機型之航機滑行延滯以及使用跑道之順序問 題，期以增加跑道容量，降低機場擁擠發生之影響(Cheng, 1998；Soomer et al., 2004；Atkin et al., 2004)；部分研究則利用模擬方法預測、評估機場操作環境改 變時航機起降延滯之影響，作為機場空側流量管理策略改善之參考(Atack, 1978；劉仲祥, 民 93；汪進財等人, 民 94)。綜上，可知機場延滯管理策略中，

航管單位多傾向將航機延滯於機場空側，以減緩目的機場之擁擠程度並降低航機 於空中等待之成本。

在延滯航機於空側運行之研究，則以降低機場擁擠時間為目的之探討居多，

針對起飛延滯之航機其考量多以儘快指派延滯航機至跑道旁停等為優。而此一指 派航機至跑道旁停等之作法，對面臨航空燃油價格不斷上漲的航空公司而言，無 疑是增加其營運成本之負擔。過去有關航空燃油成本之研究，多在探討航空公司 如何在機場間的燃油價差與航機載重之權衡取捨關係中，擬定單一航機於不同機 場及航線下之最適載油量(Stroup and Wollmer, 1992；Zouein et al., 2002；

Abdelghany et al., 2005)，鮮少以系統化之觀點及機場管理單位之角度，探討機場 擁擠發生時，起飛延滯航機於空側不同區域之燃油成本及衍生成本，如跑道旁停 等之燃油成本及佔用機門停機坪之成本。一般而言，隨著機場延滯發生時段及航 機起降需求量之不同，機場管理單位應可視機場擁擠狀況，於考量延滯航機滑行 時間之條件下，指派航機於機門停機坪停等，降低航機於跑道旁之燃油損耗，以 紓緩燃油成本成對航空公司產生之衝擊。以上對急呼降低航空燃油損耗之航空業 而言，機場管理單位在面臨機場不同延滯情況下，如何有效指派延滯航機於空側 不同位置停等，以降低航機燃油成本實為一必要且重要之議題。

機場空側航機使用跑道起降具有等候排隊之特性，而當機場因外在因素而引 發航機起飛延滯時，管理單位為有效提高跑道使用率，多以指派起飛航機至停等 區等待之作法，更增加了航機停燃油成本的支出。觀察一般都市交通同樣也存在 相似之排隊等候現象，如得來速的購餐車隊、停車場外的排隊車輛，其中以得來 速的例子最為明顯。得來速係速食店提供之免下車購餐方式，餐廳通常設置有特 定車道提供顧客車輛停等及緩慢前進，當車輛行經點餐處時則由餐廳人員幫忙點 餐及收費，隨後即前往車道出口取餐。然而，在尖峰時等待點餐之車輛所形成的 冗長隊伍，不只造成車輛等候時間延長，同時，車輛亦因等候期間引擎保持在轉 動狀態之故，導致車隊產生無謂之燃油損耗。有鑒於此，Dougherty(1997)提出「區 塊等候(Block Queue)」之概念，將停等區域分為主動區(Active Section)與被動區

(Passive Section)，前者車輛保持引擎轉動，後者則關閉引擎，等到主動區淨空後 再前往接受服務。該研究以最小化燃油損耗為目的，分析被動區車輛引擎啟動衍 生之額外成本，以及整體車隊閒置成本(Idle Cost) 節省之效益，建構其燃油損耗 率模式，再透過最適化方法解得主動區最適車輛數，並確實有效降低車隊之燃油 損耗。由於延滯車隊分區等候之概念，與機場空側地面航機停等區域之幾何佈設 十分相似，故本研究擬針對擁擠機場之起飛延滯航機，採取分別指派至跑道旁及 機門停等之作法。而後以機場管理者之角度，考量起降航機跑道使用率及機門使 用狀況，分析航機於各種狀態之燃油損耗，以解析性方法，針對機場空側起飛延 滯管理進行深入探討，以利機場管理當局及航空公司，在面臨航機起飛延滯時能 瞭解可能造成之影響，進而輔助管理單位擬定延滯時的管理策略。

1.2 研究目的

以往研究航機延滯之因素與影響，多以延滯時間探討，鮮少以航機操作之燃 油成本加入探討。本研究目的即引入燃油損耗概念，並藉由機航機分區停等方 式，模擬跑道旁停等航機數量改變時，空側地面所有航班之延滯起飛情況，期能 反應不同延滯管理策略對起飛延滯航機燃油成本增加之現象，並建議機場管理當 局適當之因應策略以降低延滯之衝擊。在航機延滯等候部分，本研究擬以 Dougherty(1997)提出的區塊等候概念為基礎，分析此一概念下各區航機之燃油損 耗，繼而與機場跑道使用率及航機使用機門特性一併考量，以維持機場空側航機 起飛流暢為目標，求解航機於空側各區如跑道旁停等區及機門停機坪之最適停等 時距，以最小化機場之延滯成本。故本研究之具體目標分述如下：

1. 探討區塊等候於交通問題之應用特性。Dougherty(1997)分析車輛引擎之燃油 損耗情形及延滯車隊所具有之等候特性，提出區塊等候概念並予以應用在延 滯車隊燃油損耗管理。本研究擬針對此概念進行探討以深入瞭解區塊等候之 應用特性，並分析延滯車隊與機場擁擠航機之異同以擬定研究進行方向。

2. 航機擁擠造成機場容量不足乃機場長久以來面臨之嚴重問題，過去專家學者 針對此一領域之研究相當廣泛。本研究透過蒐集與回顧相關文獻以釐清目前 機場空側航機延滯之相關問題，並深入瞭解航機起飛過程於實務操作上亟待 探討之課題。

3. 構建航機佔用機門成本函數。機場擁擠造成航機起飛延滯時，航機停等時間 超過班表預定時間而佔用機門，導致後續航機無法使用機門而致使機場營收 損失之機會成本即為機門佔用成本。本研究擬構建航機佔用機門之成本函 數，於機場擁擠之情況下與跑道空滯成本函數同時考量，以求算航機於空側

各區之最適停時間及停等位置。

4. 構建跑道空滯成本函數。在避免燃油損耗之條件下，為瞭解航機由停機坪滑 行至跑道旁停等區之接續關係，本研究擬構建跑道空滯成本函數，並透過區 塊等候下延滯航班移動的模擬結果，分析及評估停機坪航機之滑行時距與跑 道旁停等區航機之停等時距之權衡取捨關係。

5. 分析航機擁擠發生時空側航機之移動特性。航機受限於機場空側地面空間之 幾何配置，無法形成冗長之等候機隊，僅能分散至空側各區停等如跑道旁停 等區、機門停機坪、遠端停機坪，本研究擬考量跑道空滯成本及佔用機門成 本之變化，分析跑道旁停等區及機門停機坪之最適航機數量。

6. 擬定航機起飛延滯管理策略。本研究擬綜合考量各區之航機燃油損耗、航機 佔用機門成本及跑道空滯成本，以空側各區之最適航機數為決策變數，並以 最小化總成本為目標，透過評估的方式求解各區最適航機數。

7. 以中正國際機場航空站為範例，驗證本研究之模式應用性，並由所得結果，

瞭解應用區塊等候下之航機燃油損耗，並與未使用前航機之燃油損耗之差異。

8. 敏感度分析。藉由延長航機等候時間，增加機場擁擠程度的方式進行敏感度 分析，以探討重要參變數變動對起飛航機延滯管理之影響。

1.3 研究範圍

本研究探討機場發生延滯的時候，依據航機在機場空側地面不同區域停等，

需要考量的燃油損耗及各項成本模式。繼而，以降低航機起飛前之燃油損耗、維 持機場空側航機起飛程序運作流暢及避免發生跑道空滯為目標，分析機場發生延 滯時空側各區之最適航機數量。而本研究定義的空側區域，以航機停等時是否啟 動引擎之狀態可分為被動區與主動區，其中，被動區包括機門停機坪、滑行道、

遠端停機坪，該區航機關閉引擎倚靠地面供電系統維持航機電力及空調設備之運 轉，等待機場管理單位之指示再啟動引擎滑行至主動區；而主動區包括跑道旁停 等區及跑道，該區航機保持引擎轉動以便隨時進入跑道起飛，如圖1.2 所示。

延滯發生時，起飛延滯之航機雖可於機門停機坪停等以節省燃油損耗，但機 場管理單位仍可能在考量各機門之使用率。分析機門被佔用時，航機獲得之燃油 節省效益以及機場營收損失之機會成本以決定是否指派航機停等於機門停機坪。

本研究定義滑行道的功能僅提供航機於停機坪與跑道之間滑行使用，航機於 此滑行原本即須一定之燃油消耗，故本研究未將此時航機損耗之燃油成本納入考 量。但航機於滑行道滑行之時距，往往在航機起飛前的時間裡佔了相當大的比 例，因此其影響層面亦甚為廣泛。對航機而言，滑行時距的長短對航機的燃油損 耗有一定的影響；而就機場管理單位而言，該單位須詳細掌握空側各航機的滑行 時間，藉此安排各航機使用跑道起飛的順序，以維持機場空側各項勤務的正常運 作，更重要的是提高跑道使用率，避免跑道空滯之情況發生。故本研究分析起飛 延滯航機滑行時距，亦需考量機場跑道使用率，予以決定航管單位指派至跑道旁 停等之最適航機數。

跑道旁停等區主要為提供起飛航機停等，等待進入跑道準備起飛，而由於起 降航機間需保持特定安全間距之相關規定，故航機需於此等待跑道淨空之時長隨 航機於跑道之起降密集度而有所增減。另外，就機場空側之實務觀察，通常航機 停等於此具有引擎開啟後便不再關閉引擎的使用特性，因此跑道旁停等區內的航 機只能將引擎調整至最低的運作狀態停等，故本研究於成本函數構建時，分析航 機利用跑道旁停登區之停等特性，以建構該區航機之燃油損耗函數。

圖1.2 研究範圍

1.4 研究流程與架構

本研究首先針對研究問題作深入瞭解，透過相關學術文獻以確定本研究之研 究背景、動機，及定位本研究學術與實務應用之價值與貢獻。另外，針對航機實 務操作之燃油損耗資料進行蒐集與分析。而後透過研究範圍之界定及研究方法之 擬定，建構區塊等候下各停等區航機之燃油損耗函數，並深入探討航機於空側各 區停等所衍生之佔用機門及跑道空滯成本，以構建其相關成本函數，將上述航機 燃油損耗、航機佔用機門及跑道空滯成本綜合考量，以機場管理單位之觀點擬定 延滯管理策略。藉由實例分析及主要參變數之敏感度分析，以驗證本研究所構建 模式之合理性。本研究之研究流程如圖1.3 所示。

圖1.4 為研究架構圖，本研究擬以起飛延滯航機為對象，以不同延滯程度之 機場為背景，應用區塊等候概念模擬機場空側擁擠發生時，起飛航機面臨之各種 狀態，如關閉引擎於停機坪停等、滑行於滑行道、及保持引擎轉動於跑道旁停等。

分析航機燃油損耗及衍生之相關成本，藉此構建區塊等候下航機於空側各區的成 本函數。進而以航機燃油成本、佔用機門衍生的成本及跑道空滯成本，總延滯成 本最小化為目標，透過數學最適化方式求解航管單位應指派至跑道旁之最適航機 數。於區塊等候概念之分析，本研究擬參考區塊等候(Block Queue)基本定義 (Dougherty，1997)，依據不同區域之起飛航機狀態將機場空側分為主動區(Active Queue)與被動區(Passive Queue)，隨後參照航機於機場之實務狀況對各區予以定 義。主動區航機保持引擎轉動準備進入跑道起飛，如跑道旁停等區；被動區航機 則倚靠地面供電系統等待啟動引擎準備進入主動區之指示，如遠端停機坪及機門 停機坪，目的在避免多餘之燃油損耗。根據區塊等候概念對機場空側之定義，進 行各區航機之燃油損耗模式及相關成本構建，以瞭解航機於空側各區不同狀態下 之燃油損耗情形。另外，本研究考量航機燃油損耗與其於各區之停等時距關係存 在直接關係，故擬考慮跑道旁停等區航機數對航機停等時距之影響，藉以分析跑 道旁停等區航機之停等時距分別與跑道空滯及航機佔用機門之權衡取捨關係，而 後，求解不同延滯程度下，航管單位實施區塊等候時應採取之策略。於跑道旁停 等區航機停等時距與跑道空滯之探討，本研究著眼於航機利用跑道起飛之連續 性，藉由跑道旁停等區航機停等時距及停機坪航機滑行時距大小之比較以瞭解航 機之接續關係，以分析航機及機場因跑道旁停等區航機數變化所導致之燃油損耗 及跑道空滯成本。

定義問題

擬定研究方法、界定研究範圍

起飛航機之燃油 損耗分析

機場跑道空滯成本函數 航機佔用機門成本函數

擬定航機起飛延滯 管理策略 文獻回顧

應用區塊等候之航機燃 油損耗函數

實證分析與敏感度分析

結論與建議

圖1.3 研究流程圖

機 場空 側 航 機起 飛 延 滯

後續航機延滯成本

跑道空滯成本 被動區

主動區

航機停等成本

機場航機

起飛延滯成本 跑道旁航機

停等時距

跑道旁停等區之 航機接續起飛

航 機 滑 行時 距 起 飛 航機 數 航機機門

停等時距

航機佔用機門成本

圖1.4 研究架構圖

第二章 文獻回顧

本研究以機場空側地面起飛延滯航機為研究對象，應用區塊等候概念探討航 機於空側各區不同狀態之燃油損耗，同時，以機場跑道使用連續性及航機佔用機 門成本之變化探討跑道旁停等區航機數之影響，目的在瞭解機場空側起飛航機之 燃油損耗與起飛延滯之關係，而後針對機場管理單對提出航機起飛延滯管理之建 議。本章將回顧區塊等候之特性及其應用。另一方面，考量到以往航機延滯相關 研究多以延滯時間探討，鮮少以航機操作之燃油成本加入探討，故航空運輸相關 之延滯研究亦為文獻回顧之重點。於機門指派之研究多以旅客步行距離最小化為 考量，雖然可供參考之部分略顯不足，但是為完整建構機門佔用成本模式，本研 究亦將同時進行回顧，藉此瞭解航機於機門之狀態。因此，本研究文獻回顧分為 五部分：2.1 節區塊等候之應用；2.2 節流量管理之研究；2.3 節航空延滯之分析；

2.4 節機門指派之研究；2.5 節航機移動及其相關研究；2.6 節空側相關研究，以 下分別逐一介紹。

2.1 區塊等候之應用

以往應用等候理論於控制管理車隊延滯之研究，大多著重於減少車隊等待時 間或駕駛者時間價值損失，鮮少以節約能源的觀念加入探討。該研究採用之區塊 等候(Block Queue)概念，最初僅為描述渡輪載客過程中，關閉引擎以節省燃料損 耗的行為。隨後，專家學者透過研究觀察，發現車隊延滯所導致的燃油損耗問題 具有類似的特性，因此，漸漸將區塊等候概念應用於車隊延滯與節省燃油相關課 題之研究。

Dougherty (1997)研究指出得來速及停車系統所衍生之車隊延滯，容易使車 輛產生無謂的燃油損耗，因此，提出區塊等候(Block Queue)之概念，以車隊燃油 損耗率最小化為目標，進行模式推導與驗證。該研究探討之區塊等候，係以車輛 引擎是否需要關閉為分隔條件，將車隊停等區域分為主動區(Active Queue)與被 動區(Passive Queue)，如圖 2.1 所示。主動區之車輛保持引擎轉動緩慢駛進服務 區內；位於被動區之車輛則關閉引擎原地等待，待主動區內車隊均已接受服務紓 解後，被動區車輛才啟動引擎以等速駛進主動區，直到主動區再次停滿車輛，被 動區車輛亦再次關閉引擎於原地等待。因此，車輛在被動區之燃油損耗主要為引 擎啟動及車輛移動所導致，而主動區車輛之燃油損耗為引擎閒置所產生，下列關 係式為單一車輛於等候車隊之燃油損耗量。由此關係式可知，車輛於被動區之引 擎啟動次數與主動區之引擎閒置成本存在一權衡取捨關係，而影響兩者之關鍵因 素即為主動區之車隊容量，主動區可容納的車輛數愈多表示車輛停等時距愈長，

意謂車輛引擎閒置之燃油損耗量愈多；而另一方面則表示被動區車輛進入主動區

之前的引擎啟動次數愈少，因此，車輛用於啟動引擎之燃油損耗量相對減少。至 於車輛移動之燃油損耗量則可透過平均車長與主動區車輛數之換算，得知被動區 車輛移動之距離，進而可推算車輛移動所耗費之燃油損耗量。

等 速 服 務 系 統 之 延 滯 車 隊

車隊啟動引擎 之燃油損耗

車隊移動之燃油損耗 被動區

主動區 車隊緩慢移動

接受服務之燃油損耗

延滯車隊

之燃油損耗率 主動區大小

(車輛數) 區塊等候之

延滯車隊之等候車輛數

循環時長

已知且固定

圖2.1 都市延滯車隊區塊等候架構圖

[ ] [ ]

[ 引擎啟動次數 燃油損耗量 車輛移動之燃油損耗量 ] [ 引擎閒置之燃油損耗量 ]

主動區燃油燃油損耗量 被動區燃油損耗量

單一車輛之燃油損耗量

+ +

×

=

+

=

) (

) (

該研究在模式推導部分，首先分析並定義引擎燃油損耗相關之變數及參數，

包括被動區平均停等車輛數(車隊長度)、主動區車輛數、平均車輛長度、車輛通 過服務設施之時距、車輛引擎停等之燃油損耗率、車輛啟動引擎所需之燃油量以 及車隊行進速率。並以主動區車輛數為決策變數構建被動區及主動區各別車隊的 燃油損耗率。

於被動區部分，利用平均停等車輛數與車輛啟動引擎所需之燃油損耗量之乘 積，獲得被動區車隊啟動引擎之燃油損耗量。另外，以主動區車輛數以及平均車 輛長度之乘積代表被動區車輛向前移動的距離，隨後，將移動距離除以車隊移動 速度即為車隊向前移動的時距。由於該研究假設車輛移動時的引擎燃油損耗率與 停等時的燃油損耗率相同，因此，將上述計算獲得之車隊移動時距乘以引擎燃油 損耗率及平均停等車輛數即為被動區車隊移動之燃油損耗量。而該研究又以主動 區車隊接受完服務之時距為研究時距，即主動區車輛數乘以車輛通過服務設施之 時距。進一步，將被動區車隊之燃油損耗量除以主動區車隊所須之時距即為被動

區車隊之燃油損耗率。

於主動區部分，該研究假設主動區車隊於服務期間，車輛引擎有一半的時間 處於閒置狀態，因此主動區車隊之燃油損耗率即為1/2 主動區車輛數乘以引擎燃 油損耗率之值。

繼而，將主動區與被動區之燃油損耗率加總，即為等候車隊之燃油損耗率，

再以數學最適化方式求解燃油損耗率模式，即可得知最適區塊大小(Block Size)，

該區塊大小係指燃油損耗率最小時的最適主動區車輛數。研究結果顯示最適區塊 大小與被動區平均停等車輛數以及車輛引擎啟動需要的燃油損耗量成正向關 係；與車輛通過服務設施之時距及引擎燃油損耗率成負相關。

圖2.2 區塊等候概念示意圖

隨後，Reilly and Berglin (2004)根據 Dougherty 提出的區塊等候概念，利用等 候理論(Queuing Theory)構建等候車輛之數量，並加以考量車輛駕駛者之服從 率，該服從率係指被動區車隊中願意關閉引擎等待指示之駕駛者比率。其研究方 法，仍以Dougherty 建立之燃油損耗率最小化模式為基礎，修改及定義相關變數，

進行模式推導及求解。研究結果顯示駕駛者服從意願與燃油損耗呈現正向關係，

並且將等候理論推導的車隊長度代入燃油損耗模式，藉由數學最適化方法可求得 燃油損耗達到最小化時，主動區大小(Block Size)之最適條件。

小結

歸納上述文獻以及機場航機延滯特性之觀察，可知機場航機利用跑道起飛之 過程與都市車隊通過慢速服務系統之型態相當，即服務對象使用服務設施具有等 候之特性。其次，機場設施之幾何設計與區塊等候中區塊之基本定義十分相似，

於車隊延滯系統中，區塊等候概念主要將車隊停等區域分為主動區與被動區，兩

區之差別在於車輛位於前區其引擎便保持轉動，車輛位於後者則關閉引擎等待指 示；於本研究探討之航機起飛延滯過程中，一般而言，航機停等區域包括停機坪 及跑道旁停等區，其中，停等於停機坪之航機，可藉由外部電力提供航機停等時 機上設備所需之電力，此時航機也是處於引擎關閉之狀態，而停等於跑道旁的航 機，由於已準備進入跑道起飛，其引擎則維持於運轉之狀態。

另外，Dougherty 研究中將等候區域分為主動區與被動區之方式，雖可節省 車隊之燃油損耗，但是，當被動區車隊欲前往主動區時，則必須重新啟動引擎，

進而衍生額外的燃油成本。因此，學者假設延滯車隊長度已知之情況下，以燃油 損耗最小為目標，求解主動區之最適大小。

本研究於探討航機起飛延滯則是以燃油損耗之觀點切入，考量航機至跑道旁 停等將增加燃油成本的特性，進而考慮將航機停於停機坪以降低燃油成本。雖然 航機於停機坪停等可節省燃油成本，但航機由停機坪須經由滑行道才可滑行至跑 道旁，而航機滑行通常需耗費一定之時間，且該時間亦隨航機停等位置與跑道之 相對位置而有所不同，倘若機場未指派航機於跑道旁停等，則可能發生跑道可供 航機起飛之時段，航機卻因為滑行時間無法接續而使跑道空滯的現象，造成機場 跑道容量損失，故如何在維持航機起降流暢之前提，考量航空管制之相關規定，

同時有效降低航機燃油損耗即為本研究探討之主軸。故本研究與Dougherty 提出 之區塊等候異同處，即在於本研究引用其分區節省燃油損耗之概念，於研究方法 上則以航機於機場空側地面之操作特性為考量。

2.2 流量管理之研究

有關流量管理之研究始於地面航機等候策略最佳化模式之探討，主張將航機 延滯於起始機場之空側地面，所耗費之延滯成本較航機於目標機場空中等候之延 滯成本來的低，並且從安全之觀點來看亦以航機地面延滯為較佳之策略。

Andreatta and Romain-Jacur(1987)針對機場容量之隨機性進行探討，考量單一時 段、單一機場之地面等候策略與航機之降落優先順序問題，構建靜態確定機率性 模式，其決策變數為航機是否進行地面等候。該研究假設航機進場順序為已知；

機場容量之隨機變數之機率值為已知且不隨時間改變；所有降落航機之降落時間 皆相同，並假設所有空中等候之飛機均可在下一時段降落。該研究建構一航機延 誤成本之模式以判斷尚未起飛之航機是否需作地面等候，其演算過程是以動態規 劃演算法求解之。Terrab and Odoni(1993)考量機場容量具隨機特性，構建機場之 靜態隨機模式，以指派個別航機之降落時段。該研究僅考慮機場之容量限制而不 考慮空域容量，假設航班的飛行時間及班表均已知。研究構建之靜態隨機性模式 中機場容量依時間之變化而有所改變，並以期望之總延誤成本為目標函數。

於航機起降最適安排方面，汪進財等人(民國 86)藉由分析不同航機起降型態 所對應之航機隔離間距，及蒐集實際機場資航機起降時間資料，在考慮機場現況 等因素後，運用數學規劃方式求解最佳之航機型態組合及相對應之機場容量。

汪進財與吳世偉(民 94)針對機場天氣異常事件，推估航機延誤模式，並藉由 SIMMOD 模擬軟體，構建所欲探討之機場空域(Airspace)及空側(Airside)系統，

作為該研究驗證模式之工具，藉此衡量機場天氣狀況不佳，造成機場起降方向改 變或機場被迫關閉時，各機場間相關航機延誤之情形。透過模擬預測結果與實際 值之比較，亦顯示其延誤模式具有良好之預測效果。劉仲祥(民 93)根據國內航空 運輸特性，建立可接收即時資訊之飛航流量管理系統與ANS 模擬軟體整合，以 預測多機場、多時段之流量與容量，並據此建議各機場之起飛額度。

2.3 航空延滯分析

本研究為探討應用區塊理論於機場延滯管理之影響，在以往航空系統運作延 滯的研究上，多偏向以旅客時間價值或航機準時抵達與否探討此一課題。本研究 將回顧航空延滯相關文獻，針對機場延滯發生的原因以及延滯處理的方式作分 析。

Chung and Nyakman (1996)認為旅客登機經過的飛航安全檢驗程序相當繁瑣 且容易使旅客發生排隊的情況，進而造成航機延誤起飛。有鑒於此，為提高旅客 出境的效率，該研究蒐集旅客出境的相關資料，包括旅客群抵達目的地之時間間 距、抵達之旅客群規模等相關資料，以旅客的時間成本為計算單位，經過資料配 適(Fitting)、模式構建及校估等，利用 SIMAN IV 模擬軟體，模擬美國 Greater Pittsburgh 國際機場的旅客出境流程，進一步將模擬得到的資料進行分析。

Chung and Sodeinde (2000)探討機場陸側旅客出境程序時，部分櫃臺報到之 細項作業可同時進行，以增加出境旅客報到之效率。該研究針對旅客出境過程進 行分析，建議出境流程中設置不同數量的過磅儀器，將等待報到的排隊旅客，分 散至其他行李過磅的隊伍。進而，減少旅客等候時間，同時，亦增加航空公司出 境作業的服務效率。該研究以大陸航空公司(Continental Airline)為實證對象，觀 察其旅客報到流程，針對作業流程裡容易發生旅客等候的部分，提出改善方案，

且經由範例測試與證實結果，顯示採用改善方案後旅客報到流程獲得顯著改善。

Nombela et al. (2004)指出過去研究，對於機場延滯情形的產生，認為除了不 可抗力之因素所導致的情況之外，如天氣、航機故障，多為機場容量不足所致。

而該研究指出航機延滯之發生，乃因機場與航空公司為了將班表排程最大化，並

且認為機場航機延滯雖然與車輛延滯情形類似，然前方車輛之延滯對後續車輛的 影響較輕微，繼而提出機場航機延滯，具有溢出現象(Spill Over)的概念，即航機 延滯之影響會有累積效果，致使後續表訂之起降航機陸續受到影響。依據研究觀 察結果顯示當航機延滯所造成之溢出現象甚為嚴重時，將使機場尖峰時間產生之 延滯持續甚久，產生機場擁擠費徵收不公。

許巧鶯和許乃文(民 93)針對機場航站大廈之出境作業流程之延滯擴散進行 探討，分析出境作業延滯發生之原因與特性，如不同作業服務類型、作業間接續 影響關係，並以等候理論為基礎，構建作業等候模型與延滯時間推估模式，而後，

利用標籤校正演算法求算出境作業流程上航班之作業時間，再構建延滯成本函 數，探討旅客、作業單位、航空公司與航站等產生之延滯成本。進一步，以中正 國際機場出境作業流程為例進行範例分析，證實研究之模式可有效推估航站出境 作業延滯擴散影響範圍與成本。研究結果顯示作業接續關係為延滯擴散影響之關 鍵，當兩作業為非直接進入式關係，可藉由空間緩衝作用紓解上游延滯對下由作 業之擴散影響。另外，透過研究提出之控制方案可降低延滯擴散影響，如出境流 程中發生設備故障導致延滯時，以增加作業櫃臺方案成本改善效益為最優。

Janić (2005)以等候理論構建解析性模式探討延滯對軸輻機場產生的影響。該 研究回顧各航空公司容易遇到之延滯問題，探討航空公司預防及解決延滯的措 施，並進行研究之相關假設以構建解析性模式。其模式構建假設軸輻機場為等候 理論中的服務設施，抵達的航機為到達的準備接受服務的對象(Arrival)，起飛航 機為已接受服務並準備離開對象(Departure)，航機於抵達至離開的時間，即軸輻 機場服務的服務時間。該研究構建的模式包含四個部分，機隊抵達時間、機隊於 機場停留的時間、機隊離開時間及航機延滯時間；採用單位時間換算航機的延滯 成本，並以Lufthansa 的 Frankfurt 機場進行模式驗證。

Golaszewski (2002)認為機場發生航機延滯肇因於機場空間之不當配置及相 關法條之不當制訂，因此藉由分析歐洲與美國機場飛航管制系統之績效，指出歐 洲的機場管理當局採用時間帶分配，使機場空側各空間、設施可被充分利用，進 一步來有效控制航機數量。美國的飛航管制單位則傾向於將航機流量控制於機場 飽和容量上下，透過 FAA 等組織之研究資料顯示，近年來全美多數機場之延滯 現象日趨嚴重，然各機場飛航管制系統之效率卻沒有明顯改善。有鑒於此，FAA 建議飛航管制單可透過新興科技以改善跑道容量為近程目標，其改善方案包括降 低航機飛行高度之間距、縮短航機間渦流的緩衝時間、減少航機佔用跑道時間。

Abdelghany et al. (2004)構建一班機延滯預測模式，分析航空公司因班機延滯 抵達，對後續航飛航任務之影響。該研究詳細探討機組人員值勤之時間規範，及 有限的飛航設備對航空公司班機排班之影響，一般而言，航空公司為增加利潤，

通常對設備資源之利用予以最大化，因此將機組人員及設備之使用時間予以密集 安排。當航機未如班表預定時間抵達目的地時，航空公司後續航機為等待飛航任 務所必要之機組人員或設備，即必須面臨延滯起飛窘境。而該研究構建之預測模 式，可分析機組人員、設備對後續航機飛行任務之影響範圍，並提供航空公司適 當之飛航資源分配計畫。

Hansen (2002)利用微觀模式針對跑道作業以確定性等候模式探討航機延滯 抵達與對其他航機的影響，探討較常忽略之航機於跑道上的時程延滯(Schedule Delay)，考量降落航機應保持之安全間距及機場跑道容量構建航機延滯模式，該 研究並以蒐集實際資料進行實證分析，其結果顯示短程高密度航班造成的等候延 滯，較其節省的時程延滯時間高出許多，認為應該取消這類航機並以大型航機取 代之。

2.4 機門指派之研究

機場空側於尖峰時間，往往因航機起降需求量超過機場機門容量，容易發生 起降航機佔用機門的情形，而航機佔用機門的影響除了增加機場管理單位負擔 外，另外對後續使用相同機門之航空公司及搭機旅客所造成之延滯影響更為嚴 重。因此，近年來有關機場機門之學術研究，多以機門最適指派為探討方向。

Cheng (1998)分析航機進出機門停機坪的兩種方式，即僅靠航機動力自行進 入與後退(Power-In, Power-Out)與航機自行進入而由拖引機輔助後退(Power-In, Push-Out)。當機場起降航機增加時，滑行道上滑行之航機容易受到進出機坪之 航機影響，導致機場發生航機擁擠、航空公司班機延誤起降之情形。機場管理單 位為了有效降低航機進出機門停機坪所發生，因此於航機進出停機坪間引入緩衝 時間，該時間包括航機進出停機坪的操作時間以及航機的延滯的時間。然而，緩 衝時間的長短往往容易受到機場空側地勤作業的不確定性的影響，以致機場登機 門的使用率亦無法有效掌握。有鑒於上述問題的衍生，該研究回顧過去機場空側 相關研究，其中多數研究均以模擬法進行機場空側航機機門指派問題。另外，該 研究觀察機場航機使用機門之現象，具有網路節點的概念。因此，以網路模式構 建機場管理單位指派登機門之解析性模式並以模擬法驗證。之後，將航機進出機 門停機坪所衍生的滑行道衝突引入機門指派模式探討。進一步，提出改善的方 案，藉由降低滑行道航機衝突事件的發生。

許巧鶯和郭淑娉(民 86)考量跑道、航站及航空公司機門配置，以旅客步行距 離及飛機滑行距離之加權平均最小為目標，以解析性模式分別構建於三種不同型 式之航站下，入境、出境及轉機旅客之步行距離以及飛機滑行距離之計算方法，

建 立 航 空 公 司 之 最 適 機 門 配 置 位 置 之 數 學 規 劃 模 式 ， 並 採 用 模 擬 降 溫 法 (Simulated Annealing)求解航空公司之機門配置位置，進一步分析模式之主要參變 數改變時對機門配置位置的影響。

汪進財和盧清泉(民 83)蒐集中正國際機場機坪轉運之相關數據，利用統計歸 納之方法，分析中正機場機坪使用狀況、拖機時機與停機位更動三方面之表現，

認為管理當局若能針對班機起降時刻加以示當調整，輔以動態機門指派作業方 式，並提昇地勤調派與作業能力，則機場容量有提昇之空間。

2.5 航機移動及其相關研究

機場管理單位基於有效利用跑道容量之前提下，常傾向將起飛航機指派至跑 道旁停等區進等待，然航空安全管制以及跑道旁停等區容量等因素之限制，使得 航機於滑行道之滑行狀態亦有所限制。Soomer et al.(2004)針對機場空側滑行道上 航機產生延滯之原因進行探討，以機場管理單位之觀點，在航空安全管制之條件 下，規劃各航機於滑行道上移動之最適時間。該研究利用網路節點概念描述起降 航機於滑行道移動之情形，將滑行道交叉口及兩交叉口間的距離，分別以節點、

節線之方式表現，並以機場管理單位預估之降落航機抵達時間及起飛航機起飛時 間為限制，考量航機於滑行道發生延滯之情形，分析其延滯特性，繼而構建各航 機之滑行時間模式。進一步，以減緩航機滑行過程之延滯時間為目標，透過水平 滾動演算法及數學軟體之應用，求算各航機於滑行道上不同位置之最適時間。研 究以機場之實際資料代入模式中驗證，結果顯示航機滑行之時間大幅縮短，並有 效將航機延滯之影響均勻分散至各航機滑行時間，使每一架航機幾乎可依照航空 公司之預定班表起降。

機場空側航機滑行之連續性與列車之排班問題有其相似性，Ghoseiri et al.(2004)以網路節點之概念探討客運列車之排班問題，詳細定義列車及車站於網 路問題具有之特性，分別構建列車燃油損耗模式及總旅客旅行時間模式。於列車 燃油損耗方面，探討列車行使受到各項阻力影響因而產生之燃油損耗，其阻力包 括鋼輪滾動阻力、空氣阻力、摩擦力、坡度阻力等，將上述因素綜合考慮即求得 列車燃油損耗。於旅客旅行時間方面，分析列車到站後上下車旅客人數之改變，

繼而掌握列車於不同起迄點之間，乘車旅客之人數變化，繼而求算總旅行時間之 長短。另外，該研究考量車站規模不同，容納之停靠列車數亦有所差異，並分析 列車於相同路徑，同向或反向行駛所面臨之各種情況，進一步歸納出列車行駛應

遵守之限制，如車站間列車之行駛時間限制、列車停靠時間限制、列車到離站時 間限制，研究並同時考慮列車行駛安全及列車連續行進之限制。而該研究以降低 燃油損耗及縮短旅客旅行時間為目標，將構建之模式透過柏瑞圖最適化方法 (Pareto Frontier)求解滿足鐵路經營者及乘車旅客需求下之最適列車排班。

2.6 空側相關研究

許巧鶯和張文和(民 87)以集中式航空客運場站為研究範圍，針對前列式 (Linear)、指狀長堤式(Pier Fingers)、平行島式長堤式(Parallel Remote Piers)及遠 端衛星式(Remote Circular Satellites)四種形式之航站，綜合考量航空站營建單 位、航空公司和地勤業者等成本，以解析性方法詳細建構起迄及轉機旅客平均步 行距離之計算公式，另外，並建構旅客於川堂各機門間移動之樓地板面積及機場 空側航機進出停機坪滑行之相關面積公式。利用個別指標及灰色聚類二種方法，

評選出符合給定目標年運輸需求之最適航站概念式設計。研究結果顯示四種航站 中以線型前列式與島式長堤式為較適之航站配置選擇。

機場跑道時間帶分配及緩衝時間之訂定對航空公司航班之規劃存有直接的 關連。Cao and Kanafani(2000)針對單一航空公司，探討航機排班與跑道時間帶 (Runway Time Slot) 之 關 係 。 透 過 跑 道 時 間 帶 改 變 而 使 航 空 公 司 重 新 排 班 (Re-schuduling)，考量旅客依時需求(Time Dependent Demand)及航機操作成本之 影響進行最適排班，比較航空公司重新排班前、後之收益變化。進一步，分析跑 道不同時間帶對特定航空公司之價值。Wu and Caves(2000)以降低航機緩衝時間 (Buffer Time)及維持航空公司班表準點性為目標，針對班表準點性與航機歸航 (Aircraft Turnaround)效率進行分析比較。該研究考量不同機型所需之航機操作暨 地勤服務成本、旅客延滯成本以及航空公司制訂緩衝時間之機會成本，構建航機 歸航成本模式，並根據 ICAO 之航空公司財務資料，分別模擬美國國內航線及 長、短航程下，不同準點性之航機歸航過程，分析緩衝時間與班機延滯抵達之關 係。結果顯示多數航空公司會視各航線之載客率，對特定班機之緩衝時間予以斟 酌，藉此增加航空公司營收利潤並維持航空公司準點性。

Wu and Caves (2002)針對過去航站交通管理相關議題進行分析並予以分 類，將所有機場空側、陸側之議題歸納整理為交通量管理及機場航廈兩部分，再 以回顧相關文獻之方法探討說明各議題之發展現況。前者探討之議題包括航空交 通量管理和機場空域管理；後者則回顧機場容量、空側設施與航機地勤服務之相 關研究。研究結果指出，在空域交通指派日趨完善的環境下，改善航機於空側地 面之操作效率，對交通逐年增加的航空運輸而言具有直接的影響，其中尤以歸航 班機受到的影響最顯著。另外，藉由上述各議題之研究彙整，該研究認為後續航

空運輸之研究可將交通量管理、航機地面操作及路線規劃之議題予以整合應用，

以達到航空系統最佳化的目標。

小結

綜合以上機場航機延滯特性的觀察，可知機場航機利用跑道起飛之過程與都 市車隊通過慢速服務系統時均具有等候之特性。然以往探討機場擁擠對起飛航機 影響之研究，多針對航機之延滯決策作探討，鮮少研究針對航機於機場空側地面 不同狀態延滯之成本，及其造成之延滯效應進行評估。而本研究擬將區塊等候經 適當修正，模擬航管單位指派不同數量之航機，停等於跑道旁之情境以瞭解航機 在機門停機坪與跑道旁延滯時產生之影響為何。此外相關研究亦顯示機場擁擠受 航空管制相當之影響，故本研究亦將納入航機滑行之相關規定以符合航管之實際 情況。

表2.1 航機作業分析研究特性與方法

範圍 作者 研究主題 研究對象 研究方法 特點與內容 Dougherty

(1997)

區塊等候 概念之探 討與應用

都市交通 之延滯車 隊

解析性方 法

分析區塊等候特性，並應 用概念於都市交通車隊 延滯現象之探討，進行模 式構建及實例驗證 區

塊 等 候 之 應 用

Reilly and Berglin (2004)

區塊等候 與等候理 論之結合

都市交通 之延滯車 隊

解析性方 法、等候 理論

利用等候理論求解等候 車隊之長度，於區塊等候 概念下構建車隊延滯模 式進行實例驗證

Chung and Nyakman (1996)

航站安檢 作業對機 場之影響

入境旅客 統計分析 針對入境旅客安全檢驗 程序進行資料蒐集與分 析，進一步，以迴歸模式 解釋航機延滯影響 Nombela et al.

(2004)

機場延滯 之隱含成 本

機場、

航空公司

模擬 針對機場延滯累積現象 深入探討，並進行模擬以 分析對航機延滯之影響 許乃文(民 93) 機場航站

作業延滯 擴散

航站作業 出境流程

確定性等 候理論

以確定性等候理論建立 出 境 作 業 延 滯 時 間 模 式，分析其延滯影響範 圍，提出適當之延滯控制 策略

Hansen (2002)

航機抵達 延滯

航機、

航空公司

確定性等 候模式

探討班機抵達延滯造成 後續航機延滯之影響，建 議航空公司以大型航取 代小型航機之航線

航空延滯分析

Abdelghany et al. (2004)

班機延滯 航空公司 模擬 構建預測模式，分析機組 人員及飛航設備延滯抵 達，對飛航任務之影響 資料來源：本研究歸納整理

表2.1 航機作業分析研究特性與方法(續)

範圍 作者 研究主題 研究對象 研究方法 特點與內容 Cheng (1998) 機門及滑

行路徑之 最佳指派

進出滑行 道之航機

網路節點

、模擬

構建航機進出停機坪之 解析性模式，模擬航機 進出滑行道之情形，分 析其最適指派原則

機門指派之研究

許巧鶯和 郭淑娉(民 86)

機門最適 配置位置

旅客、

航空公司

解析性方 法

於不同型式航站下，構 建出、入境及轉機旅客 之步行距離模式，以模 擬降溫法求解最適機門 位置

Soomer et al.

(2004)

滑行道上 航機延滯 特性分析

航機、機 場空側

模擬 以網路節點方式構建航 機滑行時間模式，並利 用水平滾動演算法，求 解航機最適滑行時間 航

機 移 動 及 其 相 關 研 究

Ghoseiri et al.

(2004)

客運列車 最適排班 與縮短旅 客旅行時 間

旅客、客 運列車、

車站容量

多目標 分析

考量列車行駛成本及旅 客旅行時間，利用網路 節點之方式構建列車行 駛模式，以柏瑞圖最適 化求解列車之最適排班 張文和(民 87) 最適航站

設計

航空客運 場站

解析性方 法

構建出、入境及轉機旅 客之步行模式，另計算 航機滑行面積，以個別 指標及灰色聚類法，評 選最佳方案

Cao and Kanafani (2000)

跑道時間 帶價值

航空公 司、跑道 時間帶

模擬、

統計分析

以模擬分析方法針對跑 道時間帶價值進行分析

Wu and Caves (2000)

班表準點 性、航機 歸航成本

旅客、航 機、航空 公司

模擬 構建航機歸航模式，以 模擬方法分析緩衝時間 之影響

空側相關研究

Wu and Caves (2002)

航站交通 管理之研 究發展

航空管制 系統、機 場

回顧機場 航站研究

以回顧相關文獻之方式 探討說明航站管制系統 之發展現況

資料來源：本研究歸納整理

第三章 區塊等候下航機起飛過程之模擬

本研究假設航機起飛以先到先服務為原則，其比較基準以各航班關閉艙門之 時間為主；並假設起飛航機均經由相同路徑滑行至跑道旁。因此，當機場擁擠發 生時，航管單位為了避免各航班預定停靠之機門被前機佔用，將採續指派起飛航 班至跑道旁停等之方式避免「航機超時佔用機門」情況發生。然而，此一策略將 造成大量起飛航機於跑道旁排隊，增加航機的燃油損耗。除了因航管單位之指派 策略會造成航機停等於跑道旁，另外由相關航管規定可知，降落航班具有跑道優 先降落權，故降落航機進入規定之降落門檻距離時，為維持跑道淨空起飛航機亦 須在跑道旁停等。此外，當機場擁擠狀況擴散時，後續起飛之航班因「航機間」

與「機門間」延誤型態之擴散，連帶地將影響該航班於機場空側地面停等時長變 化。瞭解起飛航機因連續指派策略導致航機燃油成本增加的因素後，本研究遂應 用區塊等候概念於擁擠機場中，分析將起飛航機分區停等時，航管單位指派不同 數量航機至跑道旁停等區等待，起飛航班可能面臨之情況，同時，將降落航班之 因素納入考量，進一步整合為航管單位實施區塊等候之決策流程。

3.1 連續指派之航機燃油損耗

一般而言，機場管理單位為提高機門使用率，傾向將起飛延滯航機指派至跑 道旁停等，對面臨燃油上漲的航空公司來說是一件相當大的負擔。之所以會造成 航機燃油成本負擔，是由於當機場擁擠時，起飛航機即使滑行至跑道旁仍須等待 該航機之前的其他航機起飛，然而，基於安全及效率之考量，航管單位通常會規 定起飛航機於跑道旁停等時保持引擎啟動之狀態。因此，在航機引擎燃油損耗相 關參數不變的前提下，航機燃油成本主要與其停等於跑道旁之時間長度成正相 關。航機停等時長可經由航機進入跑道的時間

T

_i,d與航機抵達跑道旁停等區之時 間

T

_i,h相減得知，將其乘上航機單位時間燃油損耗價格

C

_i,f即為航機等候起飛時 所消耗之燃油成本。假設因機場擁擠而起飛延滯之航機i 共有 n 架，則航機的燃 油損耗成本可以式(3-1)表示。其中，本研究定義「i」為起飛延滯航班進入跑道 起飛之順序，亦即起飛延滯航班之序號，實務上航管單位在安排航機起飛順序乃 依照各航班申請起飛許可之時間為主，而各航班申請起飛許可之程序又在航機關 閉艙門之後，故本研究針對各航班，「i」值的判斷以航機關閉艙門的時間為比較 基準。

∑

=

×

−

= ⁿ

i

f i h i d

i

T C

T FC

1

, ,

, )

( (3-1)