——记同济大学经济与管理学院教授梁哲
　　
□　李明丽

　　
　　
　　2018年10月11日，“同济大学—厦门航空算法联合实验室”正式揭牌成立，这是中国首个聚焦民航领域的算法实验室，致力于通过运筹学、人工智能等方法解决航空企业面临的实际难题，提升整体的运营效率。
　　这一联合实验室由同济大学经济与管理学院教授梁哲领衔。凭借在航空算法领域深耕多年积累的丰富实战经验，2017年6月，在厦门航空（以下简称“厦航”）联合阿里云举办的智慧航空AI大赛中，梁哲带领的团队从全球1644支队伍中脱颖而出，赢得最后的冠军。赛后，为将方案实施落地，厦航与梁哲团队开展了合作，目前解决大面积航班延误的相关算法已在厦航正式启用。而此次联合实验室的成立，又为双方合作继续向深入推进提供了新平台。
　　
航班恢复机器战胜了人
　　航班延误的问题不只困扰着中国，在世界范围内，它都是一个令人头疼的问题。当延误发生时，航空公司的运控中心会怎样重新配置资源，并重新安排旅客，力争以最小的成本，恢复飞机到计划排班上呢？
　　梁哲告诉记者，通常情况下都是航空管制员凭经验决定，靠手动的方式进行调整。人工调控的方式，既缺乏科学性又缺乏精确性，本就有限的飞行资源会在调控中被无形地损耗。
　　为减小不正常航班的影响，降低损失，梁哲开展了不正常航班恢复问题的研究，并提出了航班恢复优化模型。
　　梁哲提出的这套模型及相关算法可以在30分钟内对2000班航班的大规模恢复问题求得3%之内的近似最优解，适用于我国绝大部分航空公司。正是凭借这套模型和相关算法，梁哲参加了2017年由阿里巴巴集团和厦航联合举办的旨在降低我国航空延误的智慧航空AI大赛，并取得了初赛、复赛、决赛第一名的好成绩，更迎来了与业界合作的机会。目前，基于模型算法建立的航班恢复系统已正式在厦航上线应用。
　　梁哲介绍，上线后厦航举办了一场人机比赛，结果是机器战胜了人。“虽然人输了，但是对于航空管制员来说这并不是坏事，因为从机器给的结论里面，他们可以学到一些调航班的新技巧。”梁哲笑着说。
　　
求飞机维护路径问题的最优解
　　近年来，我国的航空公司、空域管理机构、机场3个决定航班是否能顺利运营的主要部门，都在积极应对不断增长的旅客出行需求。航空公司不断购买最先进的飞机型号以及信息系统，空管投入大量资金建立飞行信号跟踪和控制系统，并不断有大型的机场在建和扩建。虽然在民用航空领域的硬件投入上我国已经达到了世界先进水平，然而，我国的航空管理水平仍然有进步空间。因此，如何运用现代化的科学技术来管理好已有的航空设施及其运营系统，使其发挥出最佳的效率，便成为当前学术界和航空业者面临的重要课题。
　　在国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目，上海市曙光学者项目的支持下，针对导致航班延误的3个主要因素，梁哲开展了研究。除了面向航空公司的不正常航班恢复问题外，梁哲还重点研究了飞机维护路径问题、繁忙航路排程问题这两个有针对性的科学问题。
　　飞机维护路径问题之所以成为航空运营的主要问题之一，除了因为飞机维护是保障航空安全运营的重要环节外，更因为在保证飞机及时维护的同时，如果飞机航班路径安排合理，就可以缓解延误在航班间的传播，从而减少航班延误并提高航空公司的利润。因此，飞机维护路径问题是一个同时涉及飞行安全、航班延误和公司利润，极具重要经济和社会意义的问题。
　　针对传统主流方法的局限性，自攻读博士开始，梁哲就一直致力于飞机维护路径问题解决方案的研究。经过多年坚持不懈的探索，他提出了以周为单位的回旋时空网络模型。该模型决策变量数量随航班数线性增加，可以利用商业软件直接求解，求解速度非常快，对近似全球最大规模的飞机维护路径问题，可以在15分钟内得到最优解。另外，梁哲提出的机型分配与飞机维护路径联合模型，克服了传统模型依次求解的缺陷，可以得到全局最优解。此联合模型适用于我国多数中小型航空公司。
　　
换思路解航路排程问题
　　梁哲告诉记者，导致航班延误的因素很多，但我国空域管理的现状本身就是一个无法绕开的坎儿。我国大部分空域为军事管制区域，只有15%的陆地空域为民用航空空域，欧美国家正好相反。这就导致了我国的可用航路相比欧美国家来说非常有限，特别是京津冀城市群、长三角城市群、珠三角城市群之间的航路，非常拥堵。当不同航班要求使用同一航路的同一飞行高度，且航班之间间隔过短时，就会产生航班冲突，影响飞行安全。
　　以欧美为主的航空网络中，空域航路由于较为开阔，出现航路航班冲突的情况远少于我国。因此，其主流的航路航班排程方式主要依靠由美国工程院院士Dimitris Bertsimas于1998年提出的模型。但遗憾的是该模型主要利用调整航班时间来避免航路的冲突，这并不适用于我国航空业面临的问题。
　　“如果换个思路呢？除了时间能调整，航班飞行的高度层也可以调整，这和道路交通中换一个车道避开拥堵是同样的道理。”梁哲是这样想的也是这样做的，而且做成了。
　　按照这个思路，他提出了在时间和空间两个维度同时优化航班排程的方案，并提出了在考虑航班延误的同时，也考虑不同飞行高度层对飞机飞行油耗的影响。而且为了增加模型的实际应用价值，他还提出了在调整航班时考虑不同航空公司所受影响的公平性问题。梁哲提出的这套模型及相关算法可以在1小时内解决400架航班的航路排程问题，非常适用于我国京津冀城市群、长三角城市群、珠三角城市群之间的拥堵航路。
　　
理论方法研究可圈可点
　　除了在航空运营管理上有所建树外，在大规模整数规划的理论方法研究上，梁哲取得的成绩也是可圈可点。以分支定界和列生成为主要研究手段，梁哲解决了一系列在交通、物流、数据挖掘等领域的大规模整数问题。
　　在分支定界理论研究中，梁哲将数据科学的一些有效方法用于分支定界中，提出了逐步选择变量法。他利用大量算例验证了将数据科学方法融入整数规划求解方案的有效性，并利用此方法解决了两个较为复杂的组合优化问题，产生了优于传统方法的效果。梁哲的研究成了为数不多的试图将数据科学理论与传统整数规划相结合的理论研究之一。
　　在列生成方法对不确定性问题的应用研究中，通过转换建模的方式，梁哲将不确定性分解在变量中，变成了确定性问题。通过建立的模型，梁哲解决了两个带有不确定性的优化问题，首先是利用列生成解决了不确定性延误的飞机维护路径问题；其次是解决了生物信息学中的种群重组问题。梁哲的模型得到的结果无论在耗时还是准确性上都优于传统的方法。
　　秉持立足实际、解现实难题的原则，在“航空运营管理”和“大规模组合优化”两个研究领域，梁哲将理论和应用相结合，尽量做到了“顶天立地”，他的研究成果引起了国内外学者的广泛关注，并得到了航空业界的认可。目前，梁哲已与国际著名航空服务供应商Sabre、厦门航空、东方航空公司开展了深度合作，并和两位美国优化领域的著名学者——密歇根大学工业工程系的Amy Cohn教授以及得克萨斯州立大学奥斯汀分校工业工程系的Jonathan Bard教授，一起成为2016年Sabre的高校合作者。
　　
让中国软件走出去
　　其实，航空运营管理领域的这些研究只是梁哲诸多研究方向中的其中一个，物流、港口、电信等很多领域，他的研究都有所涉及。虽然涉及的面很多，但梁哲说他个人的大部分精力还是投在了航空领域。“一辈子能做好一件事情挺不容易，我个人的愿望就是把国内航空运营这一块做好、做透。”梁哲这样说。
　　2018年梁哲又迎来了一项新任务，他负责的“航空运营中的大规模组合优化问题及算法研究”获得国家自然科学基金杰出青年科学基金项目的支持。以前期大量的研究、调研以及与航空业者的深入沟通为基础，梁哲计划发挥已有的经验，在夯实自身研究的同时，从航空公司和机场这两个较易入手的层面，基于飞机、机场以及人员3个视角，解决4个航空业者特别关注的影响航班正常运营的科学问题。其中，前两个问题是航空公司和机场协同合作的运营管理问题，分别是考虑维护灵活性的航班恢复问题以及考虑不确定性飞行速度和转机时间的飞机航班恢复问题。后两个问题主要是机场面临的重要问题，分别是考虑旅客转机的登机门分配问题以及考虑移动时间的机场人员分配问题。
　　梁哲希望，通过探索适用于新问题的最大完全图或较大完全图的多项式算法，给出较为紧凑的整数规划模型；开发大规模问题的快速算法，去求解此类问题；并通过与航空企业的合作让这些算法尽快落地。
　　习近平总书记说过：“广大科技工作者要把论文写在祖国的大地上，把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中。”对这句话的内涵梁哲深有体会。参加智慧航空AI大赛前，每次去航空企业推销他的方案，对方都会问：“这个东西有人用过没有？用处大不大？”“现实很残酷，只有有用的东西才有市场。”梁哲说。
　　正是智慧航空AI大赛给了梁哲一个被业界检验的机会，厦门航空肯定了他的工作，通过后续开展的实际合作，梁哲的研究终于落了地，有了好口碑后，国内的航空公司陆续找上门，多年的理论研究终于有了实际应用的机会。“同济大学—厦门航空算法联合实验室”的正式成立，对梁哲来说更是如虎添翼。现在，他最大的梦想就是让中国的航空运营软件走出国门，展示我们自己的实力。
　　在新加坡、美国求学工作多年的梁哲，除掌握了国际领先的科学知识外，在国外的所见所闻更让他认识到了中国潜在的实力。“国家有充足的人才储备，中国人勤劳又不缺乏智慧，只要我们认真钻研，一定能比外国人做得更好。”对于梁哲来说，做中国自己的航空运营软件已成为他一以贯之的目标。
　　梁哲知道实现梦想的路上会有挫折、会有迷茫，也可能会有退缩，但他始终坚信，就像他热爱的马拉松一样，咬咬牙坚持下来一切都会变得更好。他说：“马云说‘今天很残酷，明天更残酷，后天很美好，但是绝大多数人会死在明天晚上，看不到后天的太阳’。但我认为只要坚持，绝大多数人是会看到后天的太阳的。”