飞机维护调度优化：最新技术及发展趋势

《TRANSPORTATION RESEARCH PART E-LOGISTICS AND TRANSPORTATION REVIEW》：Aircraft maintenance scheduling optimization: state-of-the-art and emerging trends

飞机维护调度（AMS）对航空安全、运营连续性和成本效益至关重要，现有研究缺乏系统综述。本文通过系统文献回顾（2014-2025），整合维护决策制定（优先级与资源分配）、优化模型（确定型/随机型/动态型）及解决方案（精确算法/启发式方法/数据驱动方法），揭示技术演进与现存问题，为未来研究提供框架。

　　

Zimu Guo|Xin Wen|Xinyu Huang

香港特别行政区香港理工大学工业与系统工程系

摘要

飞机维护对于确保航空业的适航性、服务可靠性和航班准点至关重要，这些因素对航空安全、运营连续性和乘客满意度具有决定性影响。为了高效实现这些目标，飞机维护调度（AMS）通过优化资源分配、减少停机时间和运营成本，在协调维护活动与复杂的飞行计划方面发挥着关键作用。尽管AMS非常重要，但对AMS研究的全面回顾仍然有限，特别是在先进调度方法的发展和应用方面。为了解决这一差距，本研究系统地回顾了2014年1月至2025年12月期间发表在主要运筹学和交通期刊上的基于数学模型的方法。该综述综合了广泛的文献，并将其分为三个关键领域：维护决策制定、解决任务优先级和资源分配的战略与战术选择；优化模型，包括确定性、随机性和动态方法，以平衡效率、成本和鲁棒性；以及解决方案，包括精确算法、启发式方法和数据驱动方法。这种结构分析为调度决策提供了清晰的见解，并强调了建模技术的进步及其实际意义。本文还指出了关键的研究空白，并提出了AMS未来的研究方向。通过整合不同的解决方案方法和关键发现，该综述提供了当前AMS领域最先进理论和操作的全面概述。

引言

飞机已成为全球乘客和货物运输的主要方式之一（Ben Ahmed等人，2017年；Cadarso和Vaze，2023年）。可靠的运行条件对飞机至关重要，而维护在确保航空安全、航班准点和航空公司成本效益方面发挥着至关重要的作用（Van Kessel等人，2023年）。2023年，全球航空公司仅在维护运营上花费了约939亿美元，凸显了这一领域的巨大规模和经济重要性。¹ 不高效的维护调度可能导致航班延误和中断，给航空公司带来持续挑战（Lagos等人，2020年）。由于非计划性飞机停机造成的年度全球经济损失估计超过500亿美元²，这突显了有效维护管理在航空公司运营中的关键作用和巨大改进潜力。这些重大的经济和运营影响强调了维护相关方需要优化决策的必要性，不仅是为了降低成本，也是为了提高运营效率、安全标准和客户满意度。随着全球航空业的机队规模扩大、交通需求增加以及监管要求的日益严格，优化AMS已成为确保航空安全、飞机可靠性和成本效益的关键（Eltoukhy等人，2022年）。

维护操作是航空业中最关键的任务之一，相关挑战源于多种因素。AMS为飞机确定适当的维护时机并配备相应的资源，以确保适航性，同时平衡运营效率和经济成本。航空公司有义务遵守由联邦航空管理局（FAA）根据14 CFR³和欧盟航空安全局（EASA）根据委员会法规（EU）2018/1139⁴制定的严格安全规定。这些机构监管包括预防性、纠正性和预测性方法在内的各种维护策略的检查和维修操作。预防性维护（PM）根据时间间隔或使用条件主动安排维护，而纠正性维护（CM）则处理意外故障（Gustavsson等人，2014年；Jordan等人，2022年）。预测性维护（PdM）利用先进的数据分析和基于AI的技术来预测设备状况，优化维护操作并减少不必要的停机时间。

当AMS与各种航空公司规划问题结合时，这些复杂性进一步加剧，如图4所示，这创造了复杂的相互依赖关系，挑战了传统的调度方法并使规划变得更加复杂（Shao等人，2017年；Cadarso和Vaze，2023年）。一方面，航空公司优先考虑飞机的可用性和航班准点，整合飞行和维护计划以确保一致性和合规性。另一方面，维护、修理和大修（MRO）提供商强调高效利用资源和服务准点，以在盈利能力和客户满意度之间取得平衡。在各种规划时间范围内，飞机维护涵盖了战略、战术和运营决策层面。这些时期的决策进一步复杂化了规划工作。

虽然近期文献开始探讨特定子问题，例如Ma等人（2022年）对飞机维护路线（AMR）不确定性的研究，但仍缺乏总结AMS优化领域更广泛现状的全面调查。受此不足以及该主题日益重要性的启发，我们进行了系统的文献回顾。本文研究了飞机维护调度领域的前沿文献，涵盖了策略、维护相关方、维护类别、各种决策层次和领域。它评估了确定性、随机性和动态模型在处理各种约束和性能指标方面的能力。该综述有助于研究人员和实践者理解飞机维护规划的基础。通过识别当前研究中的空白，本研究旨在鼓励学术界和行业投入更多努力，为这一关键研究领域做出贡献。

本综述的其余部分结构如下：第2节介绍了研究方法的所有细节。第3节从不同角度讨论了维护决策制定，包括策略、维护相关方和维护类别。此外，还探讨了与综合问题相关的不同规划时间和领域的决策层次。第4节介绍了AMS中出现的优化模型和解决方案方法。第5节进一步讨论了相关问题，并得出了关于飞机维护相关问题的结论。

方法论

鉴于AMS的关键重要性，而其他综述主要关注更广泛的视角，我们专注于采用运筹学和数据驱动方法来解决维护调度挑战的研究论文。这些论文包括确定性和随机性建模，大多数模型表现为混合整数规划（MIP）和整数规划（IP）。根据摘要和引言中提出的逻辑，本综述研究了飞机维护

维护策略

航空维护领域依赖一系列战略方法，包括CM、PM和PdM，以维护飞行安全、确保系统可靠性，并在日益复杂的航空维护配置中优化资源管理。本节探讨了这些核心维护策略，它们是航空领域有效维护规划和执行的基础。CM是一种在功能故障或问题发生后进行的反应性策略

问题组成部分和模型参数

AMS的优化依赖于目标函数、运营约束和规划时间的严格定义和协调，这些共同决定了数学结构和实际应用性。近年来，目标制定已从单一目标（如成本最小化）转向多目标优化，以平衡鲁棒性、准点和乘客体验（Wang等人，2024年）。约束条件反映了现实世界的特征

结论

AMS中的决策制定对于航空安全、运营效率和经济可持续性至关重要，已成为运筹学和管理科学领域的一个重要且具有挑战性的课题。从每年发表的论文数量来看，研究趋势正在增加，然而在研究界关于AMS的全面综述却较为罕见。为此，本综述提供了2014年1月至2025年12月期间发表的98篇文章的全面概述

CRediT作者贡献声明

Zimu Guo：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、概念化。Xin Wen：可视化、监督、项目管理、调查、概念化。Xinyu Huang：方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢编辑和审稿人的宝贵意见，这些意见显著提高了论文的质量。