《TRANSPORTATION RESEARCH PART E-LOGISTICS AND TRANSPORTATION REVIEW》：Aircraft maintenance scheduling optimization: state-of-the-art and emerging trends
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飛機(jī)維護(hù)調(diào)度（AMS）對(duì)航空安全、運(yùn)營(yíng)連續(xù)性和成本效益至關(guān)重要，現(xiàn)有研究缺乏系統(tǒng)綜述。本文通過(guò)系統(tǒng)文獻(xiàn)回顧（2014-2025），整合維護(hù)決策制定（優(yōu)先級(jí)與資源分配）、優(yōu)化模型（確定型/隨機(jī)型/動(dòng)態(tài)型）及解決方案（精確算法/啟發(fā)式方法/數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法），揭示技術(shù)演進(jìn)與現(xiàn)存問(wèn)題，為未來(lái)研究提供框架。
Zimu Guo|Xin Wen|Xinyu Huang
香港特別行政區(qū)香港理工大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系
摘要
飛機(jī)維護(hù)對(duì)于確保航空業(yè)的適航性、服務(wù)可靠性和航班準(zhǔn)點(diǎn)至關(guān)重要，這些因素對(duì)航空安全、運(yùn)營(yíng)連續(xù)性和乘客滿(mǎn)意度具有決定性影響。為了高效實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，飛機(jī)維護(hù)調(diào)度（AMS）通過(guò)優(yōu)化資源分配、減少停機(jī)時(shí)間和運(yùn)營(yíng)成本，在協(xié)調(diào)維護(hù)活動(dòng)與復(fù)雜的飛行計(jì)劃方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。盡管AMS非常重要，但對(duì)AMS研究的全面回顧仍然有限，特別是在先進(jìn)調(diào)度方法的發(fā)展和應(yīng)用方面。為了解決這一差距，本研究系統(tǒng)地回顧了2014年1月至2025年12月期間發(fā)表在主要運(yùn)籌學(xué)和交通期刊上的基于數(shù)學(xué)模型的方法。該綜述綜合了廣泛的文獻(xiàn)，并將其分為三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：維護(hù)決策制定、解決任務(wù)優(yōu)先級(jí)和資源分配的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)選擇；優(yōu)化模型，包括確定性、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)方法，以平衡效率、成本和魯棒性；以及解決方案，包括精確算法、啟發(fā)式方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。這種結(jié)構(gòu)分析為調(diào)度決策提供了清晰的見(jiàn)解，并強(qiáng)調(diào)了建模技術(shù)的進(jìn)步及其實(shí)際意義。本文還指出了關(guān)鍵的研究空白，并提出了AMS未來(lái)的研究方向。通過(guò)整合不同的解決方案方法和關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，該綜述提供了當(dāng)前AMS領(lǐng)域最先進(jìn)理論和操作的全面概述。
引言
飛機(jī)已成為全球乘客和貨物運(yùn)輸?shù)闹饕绞街唬˙en Ahmed等人，2017年；Cadarso和Vaze，2023年）。可靠的運(yùn)行條件對(duì)飛機(jī)至關(guān)重要，而維護(hù)在確保航空安全、航班準(zhǔn)點(diǎn)和航空公司成本效益方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用（Van Kessel等人，2023年）。2023年，全球航空公司僅在維護(hù)運(yùn)營(yíng)上花費(fèi)了約939億美元，凸顯了這一領(lǐng)域的巨大規(guī)模和經(jīng)濟(jì)重要性。1 不高效的維護(hù)調(diào)度可能導(dǎo)致航班延誤和中斷，給航空公司帶來(lái)持續(xù)挑戰(zhàn)（Lagos等人，2020年）。由于非計(jì)劃性飛機(jī)停機(jī)造成的年度全球經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)超過(guò)500億美元2，這突顯了有效維護(hù)管理在航空公司運(yùn)營(yíng)中的關(guān)鍵作用和巨大改進(jìn)潛力。這些重大的經(jīng)濟(jì)和運(yùn)營(yíng)影響強(qiáng)調(diào)了維護(hù)相關(guān)方需要優(yōu)化決策的必要性，不僅是為了降低成本，也是為了提高運(yùn)營(yíng)效率、安全標(biāo)準(zhǔn)和客戶(hù)滿(mǎn)意度。隨著全球航空業(yè)的機(jī)隊(duì)規(guī)模擴(kuò)大、交通需求增加以及監(jiān)管要求的日益嚴(yán)格，優(yōu)化AMS已成為確保航空安全、飛機(jī)可靠性和成本效益的關(guān)鍵（Eltoukhy等人，2022年）。
維護(hù)操作是航空業(yè)中最關(guān)鍵的任務(wù)之一，相關(guān)挑戰(zhàn)源于多種因素。AMS為飛機(jī)確定適當(dāng)?shù)木S護(hù)時(shí)機(jī)并配備相應(yīng)的資源，以確保適航性，同時(shí)平衡運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)成本。航空公司有義務(wù)遵守由聯(lián)邦航空管理局（FAA）根據(jù)14 CFR3和歐盟航空安全局（EASA）根據(jù)委員會(huì)法規(guī)（EU）2018/11394制定的嚴(yán)格安全規(guī)定。這些機(jī)構(gòu)監(jiān)管包括預(yù)防性、糾正性和預(yù)測(cè)性方法在內(nèi)的各種維護(hù)策略的檢查和維修操作。預(yù)防性維護(hù)（PM）根據(jù)時(shí)間間隔或使用條件主動(dòng)安排維護(hù)，而糾正性維護(hù)（CM）則處理意外故障（Gustavsson等人，2014年；Jordan等人，2022年）。預(yù)測(cè)性維護(hù)（PdM）利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和基于AI的技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備狀況，優(yōu)化維護(hù)操作并減少不必要的停機(jī)時(shí)間。
當(dāng)AMS與各種航空公司規(guī)劃問(wèn)題結(jié)合時(shí)，這些復(fù)雜性進(jìn)一步加劇，如圖4所示，這創(chuàng)造了復(fù)雜的相互依賴(lài)關(guān)系，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的調(diào)度方法并使規(guī)劃變得更加復(fù)雜（Shao等人，2017年；Cadarso和Vaze，2023年）。一方面，航空公司優(yōu)先考慮飛機(jī)的可用性和航班準(zhǔn)點(diǎn)，整合飛行和維護(hù)計(jì)劃以確保一致性和合規(guī)性。另一方面，維護(hù)、修理和大修（MRO）提供商強(qiáng)調(diào)高效利用資源和服務(wù)準(zhǔn)點(diǎn)，以在盈利能力和客戶(hù)滿(mǎn)意度之間取得平衡。在各種規(guī)劃時(shí)間范圍內(nèi)，飛機(jī)維護(hù)涵蓋了戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和運(yùn)營(yíng)決策層面。這些時(shí)期的決策進(jìn)一步復(fù)雜化了規(guī)劃工作。
雖然近期文獻(xiàn)開(kāi)始探討特定子問(wèn)題，例如Ma等人（2022年）對(duì)飛機(jī)維護(hù)路線（AMR）不確定性的研究，但仍缺乏總結(jié)AMS優(yōu)化領(lǐng)域更廣泛現(xiàn)狀的全面調(diào)查。受此不足以及該主題日益重要性的啟發(fā)，我們進(jìn)行了系統(tǒng)的文獻(xiàn)回顧。本文研究了飛機(jī)維護(hù)調(diào)度領(lǐng)域的前沿文獻(xiàn)，涵蓋了策略、維護(hù)相關(guān)方、維護(hù)類(lèi)別、各種決策層次和領(lǐng)域。它評(píng)估了確定性、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)模型在處理各種約束和性能指標(biāo)方面的能力。該綜述有助于研究人員和實(shí)踐者理解飛機(jī)維護(hù)規(guī)劃的基礎(chǔ)。通過(guò)識(shí)別當(dāng)前研究中的空白，本研究旨在鼓勵(lì)學(xué)術(shù)界和行業(yè)投入更多努力，為這一關(guān)鍵研究領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。
本綜述的其余部分結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)介紹了研究方法的所有細(xì)節(jié)。第3節(jié)從不同角度討論了維護(hù)決策制定，包括策略、維護(hù)相關(guān)方和維護(hù)類(lèi)別。此外，還探討了與綜合問(wèn)題相關(guān)的不同規(guī)劃時(shí)間和領(lǐng)域的決策層次。第4節(jié)介紹了AMS中出現(xiàn)的優(yōu)化模型和解決方案方法。第5節(jié)進(jìn)一步討論了相關(guān)問(wèn)題，并得出了關(guān)于飛機(jī)維護(hù)相關(guān)問(wèn)題的結(jié)論。
方法論
鑒于AMS的關(guān)鍵重要性，而其他綜述主要關(guān)注更廣泛的視角，我們專(zhuān)注于采用運(yùn)籌學(xué)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法來(lái)解決維護(hù)調(diào)度挑戰(zhàn)的研究論文。這些論文包括確定性和隨機(jī)性建模，大多數(shù)模型表現(xiàn)為混合整數(shù)規(guī)劃（MIP）和整數(shù)規(guī)劃（IP）。根據(jù)摘要和引言中提出的邏輯，本綜述研究了飛機(jī)維護(hù)
維護(hù)策略
航空維護(hù)領(lǐng)域依賴(lài)一系列戰(zhàn)略方法，包括CM、PM和PdM，以維護(hù)飛行安全、確保系統(tǒng)可靠性，并在日益復(fù)雜的航空維護(hù)配置中優(yōu)化資源管理。本節(jié)探討了這些核心維護(hù)策略，它們是航空領(lǐng)域有效維護(hù)規(guī)劃和執(zhí)行的基礎(chǔ)。CM是一種在功能故障或問(wèn)題發(fā)生后進(jìn)行的反應(yīng)性策略
問(wèn)題組成部分和模型參數(shù)
AMS的優(yōu)化依賴(lài)于目標(biāo)函數(shù)、運(yùn)營(yíng)約束和規(guī)劃時(shí)間的嚴(yán)格定義和協(xié)調(diào)，這些共同決定了數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用性。近年來(lái)，目標(biāo)制定已從單一目標(biāo)（如成本最小化）轉(zhuǎn)向多目標(biāo)優(yōu)化，以平衡魯棒性、準(zhǔn)點(diǎn)和乘客體驗(yàn)（Wang等人，2024年）。約束條件反映了現(xiàn)實(shí)世界的特征
結(jié)論
AMS中的決策制定對(duì)于航空安全、運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性至關(guān)重要，已成為運(yùn)籌學(xué)和管理科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要且具有挑戰(zhàn)性的課題。從每年發(fā)表的論文數(shù)量來(lái)看，研究趨勢(shì)正在增加，然而在研究界關(guān)于AMS的全面綜述卻較為罕見(jiàn)。為此，本綜述提供了2014年1月至2025年12月期間發(fā)表的98篇文章的全面概述
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Zimu Guo：撰寫(xiě)——原始草稿、可視化、方法論、調(diào)查、概念化。Xin Wen：可視化、監(jiān)督、項(xiàng)目管理、調(diào)查、概念化。Xinyu Huang：方法論、概念化。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文報(bào)告的工作。
致謝
作者衷心感謝編輯和審稿人的寶貴意見(jiàn)，這些意見(jiàn)顯著提高了論文的質(zhì)量。
