基于Arena的終端區(qū)仿真建模*

楊 鵬 ，孫俊清 ，靳慧斌

(1.天津理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津300191；2.天津市智能計算及軟件新技術(shù)重點實驗室，天津300191；3.中國民航大學(xué)，天津300300)

終端區(qū)是航空器從航路飛行到進離場階段的飛行過渡區(qū)，區(qū)域內(nèi)包含一個或多個機場。一般包括機場跑道系統(tǒng)、定位點、高度層、航路以及航路交叉點等元素。近年來，空中交通運量增加，終端區(qū)系統(tǒng)的作業(yè)壓力也隨之增加，在有限的空間資源條件下，修建新機場開辟新航路并不是有效的減壓措施。應(yīng)用仿真對終端區(qū)交通管理方案進行模擬、評價，盡可能挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)潛力是一種行之有效的方法。

本文嘗試對終端區(qū)航空器起降邏輯建立建模仿真，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，細(xì)化航空器在終端區(qū)的飛行邏輯，增強終端區(qū)規(guī)劃和決策的科學(xué)性。

1 終端區(qū)系統(tǒng)邏輯描述

終端區(qū)空域系統(tǒng)是整個空管系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。在這個子系統(tǒng)中，航空器要從走廊口進入終端區(qū)，經(jīng)特定航路融入進場航線飛行，最后通過不同的進近路線飛向跑道降落[1-2]。終端區(qū)走廊口的位置、各走廊口的流量比例、進離場航路及其相對位置關(guān)系對系統(tǒng)運行影響巨大；航路交叉點數(shù)量眾多及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜；航空器的平飛、上升、下降頻繁，沖突顯著，航班之間要保證安全間隔，還要保證航班都有條不紊地降落，所以，民航系統(tǒng)一致認(rèn)為終端區(qū)是空管系統(tǒng)最為復(fù)雜的一個子系統(tǒng)[3]。

2 終端區(qū)仿真模型設(shè)計

作為一款市場占有率最高的通用仿真工具，Arena通過使用層次化的建模體系以保證靈活地進行各個水平上的仿真建模，廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)、物流及供應(yīng)鏈、服務(wù)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真，也應(yīng)用于各個層面不同情況的仿真，包括日常生產(chǎn)作業(yè)、各類資源的配置、業(yè)務(wù)過程的規(guī)劃、系統(tǒng)性能和計劃結(jié)果的評價、風(fēng)險預(yù)測等[4-5]。本文采用Arena作為仿真平臺建立了終端區(qū)模型。

本文建立的仿真模型對航空器飛行過程進行了以下假設(shè)：(1)終端區(qū)中除了盤旋節(jié)點和分叉節(jié)點之外，還存在穿越點，航空器只能在穿越節(jié)點進行高度層穿越；(2)航空器按照FCFS規(guī)則，起降過程中不會出現(xiàn)航空器超越現(xiàn)象；(3)航空器不會在盤旋節(jié)點和交叉節(jié)點進行穿越；(4)對降落航空器而言，仿真邏輯僅涉及其進入終端區(qū)到離開跑道的過程，而對起飛航空器而言，仿真邏輯僅涉及其鎖定跑道到離開終端區(qū)的過程。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 實體設(shè)計

Arena是基于實體的仿真工具，通過為實體設(shè)置屬性來實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和仿真邏輯控制。在模型中設(shè)置了兩類實體——降落航空器實體和起飛航空器實體，其中降落航空器實體用于降落航空器的控制，起飛航空器實體用于起飛航空器的控制。實體的屬性可以分為兩類，一類是控制屬性，用于對實體仿真邏輯進行控制，如Port、Inhover；另一類屬于統(tǒng)計屬性，用于記錄仿真過程中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如 Intime、Loadtime。

2.1.2 航道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

模型中應(yīng)用節(jié)點（Intersection）定義走廊口、穿越點和盤旋點等關(guān)鍵位置，通過邊（Link）將這些關(guān)鍵節(jié)點連接，最后將這些節(jié)點和邊組合成網(wǎng)絡(luò)。降落航空器和起飛航空器分別使用各自網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間存在重疊部分，但并不完全一致。

需要注意的是，由于跑道利用率是非常重要的一個性能指標(biāo)，而 Arena對資源（Resource）提供了非常強大的狀態(tài)統(tǒng)計功能，因此模型中用實體對跑道的占用模擬了航空器在跑道的滑行過程。

2.1.3 集合設(shè)計

Arena中允許應(yīng)用集合方式將模型中存在聯(lián)系的同類（甚至異類）元素組合在一起。模型中主要的數(shù)據(jù)集合如表1所示。

表1 模型中部分?jǐn)?shù)據(jù)集合

當(dāng)航空器在航道網(wǎng)絡(luò)中移動時，航空器根據(jù)其所處節(jié)點所屬的集合來判斷其當(dāng)前位置的類別，并引發(fā)相應(yīng)的邏輯操作。例如航空器發(fā)現(xiàn)其所屬的是盤旋節(jié)點則會判斷是否需要盤旋；如果是穿越節(jié)點，則判斷是否滿足穿越條件。

2.2 模型邏輯設(shè)計

模型的邏輯設(shè)計包括降落航空器作業(yè)邏輯設(shè)計和起飛航空器作業(yè)邏輯設(shè)計兩部分，本文給出降落航空器作業(yè)邏輯的主要內(nèi)容：

(1)航空器到達走廊口，判斷是否滿足準(zhǔn)入規(guī)則，如果滿足則進入終端區(qū)轉(zhuǎn)(2)，否則在廊口等待；

(2)沿航道飛行，到達下一節(jié)點，如果屬于穿越節(jié)點則轉(zhuǎn)(3)，如果屬于盤旋節(jié)點則轉(zhuǎn)(4)，如果屬于進近點則轉(zhuǎn)(6)，否則轉(zhuǎn)(2)；

(3)判斷當(dāng)前高度層的下層是否滿足穿越條件，如果滿足則向下穿越，否則判斷當(dāng)前高度層前方是否有起飛航空器距當(dāng)前位置達到安全距離，如果達到則向下強行穿越，否則轉(zhuǎn)(2)；

(4)判斷盤旋點的等候隊列長度是否等于0，并且判斷距離航道前方航空器是否滿足安全距離，如果滿足以上兩項要求則轉(zhuǎn)(2)，否則進入盤旋點轉(zhuǎn)(5)；

(5)判斷當(dāng)前是否處于等待隊列的首位，且航道前方航空器是否滿足安全距離，如果滿足則從盤旋點移出轉(zhuǎn)(2)，否則轉(zhuǎn)(5)；

(6)判斷跑道是否滿足著陸條件，如果滿足則鎖定跑道，著陸，否則復(fù)飛，轉(zhuǎn)(2)。

以上列出的只是邏輯主體部分，邏輯細(xì)節(jié)（如穿越條件等）不再詳述。

2.3 模型輸出設(shè)計

模型輸出環(huán)節(jié)需要將模型中較為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進行記錄統(tǒng)計，為后期的性能分析和決策制定提供支持。本次建模較為關(guān)注的績效指標(biāo)包括跑道使用情況、航空器的降落延遲和航道飛行安全性。其中前兩項的統(tǒng)計較為簡單，通過設(shè)置跑道資源狀態(tài)集合以及為控制實體設(shè)置統(tǒng)計屬性即可獲得，而第3項的實現(xiàn)較為復(fù)雜，需要設(shè)計專用的監(jiān)控邏輯。

航道飛行安全性具體通過兩項指標(biāo)來反映：強行穿越次數(shù)和航道網(wǎng)絡(luò)中航空器之間的最短距離(包括降落航空器之間的最小距離、起飛航空器之間的最小距離、起降航空器之間的最小距離)。

下面給出降落航空器之間的最小距離的實現(xiàn)邏輯：

(1)搜索并記錄全部降落航空器在航道網(wǎng)絡(luò)的位置，經(jīng)后臺計算選擇距離最小的兩個降落航空器，并監(jiān)控兩者距離。

(2)當(dāng)系統(tǒng)中有新的降落航空器進入走廊口，或者系統(tǒng)中有降落航空器實現(xiàn)了著陸，則重新轉(zhuǎn)(1)，選擇新的距離最小的兩個降落航空器，監(jiān)控距離。

3 仿真效果展示

本文建立的航道網(wǎng)絡(luò)是按照我國北方某機場的終端區(qū)設(shè)計的。為了驗證仿真模型的有效性，應(yīng)用該機場2009年10月15日的航空器起降記錄數(shù)據(jù)對模型進行了測試，仿真效果如圖1所示。由于造成該機場起飛航班延誤的主要原因是北京區(qū)的調(diào)流控，因此本次模型僅選擇降落航班平均延遲時間和最大延遲時間兩項指標(biāo)進行校驗。仿真結(jié)果如圖2所示，將仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)進行了T檢驗，結(jié)果表明模型置信度為95%，可以用于后續(xù)的評估預(yù)測分析。

圖1 仿真效果截圖

圖2 仿真結(jié)果

考慮到當(dāng)前航空客流與日俱增的趨勢，本文還模擬了到達航空器總流量平均增加5%、10%和15%的情況。隨著到達航空器流量的增加，現(xiàn)有終端區(qū)空側(cè)負(fù)荷也隨之增加，系統(tǒng)運行績效隨之迅速惡化，當(dāng)日度到達航空器總量增加15%時，航班的平均延遲達到38.2%。除了系統(tǒng)效率指標(biāo)的惡化外，終端區(qū)的強行穿越次數(shù)還上升了71.8%，具有較高的安全隱患?？梢钥闯觯瑸榱藨?yīng)對未來的航空客流壓力，該機場有必要對終端區(qū)進行規(guī)劃調(diào)整。

終端區(qū)系統(tǒng)的仿真模擬是一個龐大的系統(tǒng)工程，它涉及到空管科學(xué)、安全科學(xué)、人工智能、計算機仿真等相關(guān)領(lǐng)域知識。由于時間有限，且不同終端區(qū)的管制方法各具特性，本文僅僅對北方某機場終端區(qū)空側(cè)進行了仿真建模。在后續(xù)的研究中還要根據(jù)各機場終端區(qū)的實際情況，在充分了解管制員的調(diào)度方式和指揮習(xí)慣的前提下開發(fā)出更豐富、完備的仿真模型。

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