邢志偉，李世皎

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300300）

基于Flexsim的機場場面交通仿真

邢志偉，李世皎

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300300）

為分析機場場面交通的運行態(tài)勢，應(yīng)用Flexsim軟件對機場場面交通進行建模仿真。通過對機場場面交通運行機理進行分析，基于Flexsim仿真開發(fā)平臺，運用面向?qū)ο箅x散虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，將Flexsim中的實體對象映射為機場場面交通的不同組成部分，實現(xiàn)可視化虛擬現(xiàn)實3D動畫演示機場場面交通系統(tǒng)運行全過程。結(jié)果表明，采用提出的方法對機場場面交通進行仿真，形象地展示了系統(tǒng)各個組成部分之間的關(guān)系，結(jié)合Flexsim仿真平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，可以迅速地找到系統(tǒng)運行的瓶頸以及關(guān)鍵影響因素，為機場運行策略優(yōu)化提供有效的技術(shù)手段。

機場場面交通；Flexsim；運行態(tài)勢；交通仿真

機場作為航空運輸體系的重要樞紐，隨著近年來民航運輸業(yè)務(wù)快速增長，世界范圍內(nèi)的主要機場都出現(xiàn)了不同程度的容量飽和問題，也由此導(dǎo)致了機場航班延誤、擁堵等現(xiàn)象，造成了巨大的經(jīng)濟損失。雖然航班延誤的原因很多，除了天氣原因，機場場面交通成為造成延誤的關(guān)鍵因素。因此就迫切需要對機場場面交通進行分析與評價，這樣才能采取相應(yīng)的方法來減小航班延誤，為機場地面交通運行控制的優(yōu)化提供技術(shù)方法。

針對機場的仿真，國內(nèi)外學(xué)者進行了一定的研究。由美國聯(lián)邦航空管理局主持并研究出的Airfield Capacity Model[1]是針對機場場面交通的計算機分析模型，用于在確定連續(xù)需求時分析、計算機場內(nèi)跑道系統(tǒng)的“飽和容量”；由麻省理工學(xué)院（MIT）搭建的DELAYS模型[2]屬于機場航班延誤仿真模型，用于分析、計算由跑道等待起飛航班排隊擁擠而造成的延誤；AND（approximate network delays）模型[3]是由MIT搭建的排隊網(wǎng)絡(luò)模型，該模型實現(xiàn)的功能是分析當(dāng)交通流量需求和機場的通行量動態(tài)變化時對某區(qū)域內(nèi)空中航線上的飛行延誤的影響；LMI Runway Capacity Model作為跑道中容量分析預(yù)算隨機參數(shù)模型[4]，其核心的構(gòu)造是單跑道容量計算模型。HERMES（heuristic runway movement event simulation）模型主要用于平行跑道處于此刻、未來以及啟動策略改變的交通容積和滑行時間的計算。中國學(xué)者對機場的研究也取得了一定的成果，胡明華等[5]對獨立機場場面飛機滑行過程中的等待問題進行了建模研究，構(gòu)建出機場場面在受多種條件限制時的等待策略數(shù)學(xué)模型；倪桂明、楊東等人[6]對旅客流進行了具體分析，并構(gòu)建了航站樓客流仿真系統(tǒng)模型；針對機場跑道部分的運行情況問題，徐肖豪等[7]對機場跑道上飛機滑行過程中的加減速狀況進行了研究，構(gòu)建關(guān)于飛機滑行階段的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。但以上對機場交通的研究方法存在著構(gòu)建復(fù)雜，成本高的問題。

胡大偉等[8]基于Flexsim平臺開發(fā)了公路客運站仿真系統(tǒng)；胡卉等[9]基于Flexsim平臺構(gòu)建了綜合客運樞紐仿真系統(tǒng)。這為機場場面交通研究提供了思路，本文以面向?qū)ο蟮碾x散虛擬仿真軟件Flexsim平臺作為建模工具，針對機場場面交通的組成以及運行規(guī)則特點，構(gòu)建了機場場面交通仿真系統(tǒng)模型，實現(xiàn)對機場場面交通的仿真與分析。

1 機場場面交通運行機理

機場場面交通系統(tǒng)主要由停機坪、滑行道、跑道等部分組成。飛機的主要進港動作分為著陸、滑行、停止；離港動作主要包括推出、滑行、等待和起飛等，如圖1所示。按照進港和離港飛機的各自流程可從以下兩個角度進行介紹。

1）對于已滿足進場規(guī)則的進港航班，空管人員對其發(fā)布進近著陸許可后為其安排跑道和快脫道資源，在成功滑離跑道后，機場將接管飛機運行。管制員會按照飛機的停放區(qū)域為其分配合理的滑行路徑，飛機到達停機位后將進行一系列地服工作，其中包括飛機加水加電、配送餐食、客艙清理和排故檢修，當(dāng)這一系列工作結(jié)束后旅客登機，離場程序啟動。

2）對于滿足離港條件的航班，按照機場運行規(guī)則，在飛機結(jié)束了離港任務(wù)的地服保障后，機組人員即向地面管制人員申請起飛許可，管制人員檢查飛機各項指標(biāo)合格后，綜合考慮機場場面交通的運行狀況，適時簽署放行單并允許推出飛機。在機場流量過大時飛機會在跑道盡頭等待，機場空管將依據(jù)飛機間隔限制和其它約束發(fā)布離港的排隊序列和滑入跑道指示。在滑入跑道后，飛機進行起飛并進入航線的實際飛行階段。

圖1 機場場面交通運行流程Fig.1 Running process of airport surface traffic

2 仿真系統(tǒng)搭建

2.1 機場場面交通組成的Flexsim實體映射

本文依據(jù)Flexsim實體對象控件功能建立的機場場面交通組成與Flexsim對象的實體映射如表1所示。

表1 機場場面交通組成映射對應(yīng)表Tab.1 Airport surface traffic composition corresponding map

續(xù)表1機場場面交通組成映射對應(yīng)表Tab.1Airport surface traffic composition corresponding map

2.2 模型布局的構(gòu)建

機場場面交通仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)某機場的實際構(gòu)形參數(shù)。本文以該機場的真實尺寸為依據(jù)，以該機場的實際尺寸CAD圖作為模型構(gòu)建背景，平面布局方案如圖2所示，將其映射到Flexsim模型中，構(gòu)建出的機場場面交通仿真系統(tǒng)如圖3所示，其中臨時實體飛機的定義如圖4所示。

圖2 機場平面布局Fig.2 Airport layout

圖4 臨時實體飛機Fig.4 Temporary entity aircraft

2.3 實體連接與屬性設(shè)置

根據(jù)機場場面交通組成與Flexsim實體的映射關(guān)系，將不同的實體按照圖1所示機場場面交通運行流程進行連接；根據(jù)機場實際構(gòu)形參數(shù)設(shè)置不同組成部分的實體屬性值，并按照機場運行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定直道滑行道的滑行速度最大為15 m/s，彎道的滑行速度最大為5 m/s；飛機在機場場面的運行受塔臺控制，塔臺對整個機場場面交通的控制邏輯通過C++語言對Flexsim的實體進行二次開發(fā)實現(xiàn)。

圖3 機場場面交通仿真系統(tǒng)Fig.3 Airport surface traffic simulation system

按照上述方法實現(xiàn)機場場面交通仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，編譯重置仿真系統(tǒng)后即可對機場場面交通仿真系統(tǒng)運行仿真。

3 仿真分析

將該機場某天的實際航班數(shù)據(jù)經(jīng)處理轉(zhuǎn)換后的全局表導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，運行仿真系統(tǒng)后對比仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)誤差，通過調(diào)整模型相關(guān)實體的屬性值以及邏輯關(guān)系，使得仿真系統(tǒng)的仿真精度達到小于15%的時間誤差，仿真運行狀況符合實際機場場面交通運行情況。

圖5為仿真系統(tǒng)仿真過程中的部分3D界面截圖，圖6為機場跑道終端滑行道的離港航班隊列長度圖，圖7為離港航班在跑道終端滑行道占用狀況的仿真統(tǒng)計結(jié)果。

圖5 機場場面交通仿真系統(tǒng)仿真過程Fig.5 Simulation process of airport traffic scene simulation system

圖6 跑道終端滑行道航班隊列Fig.6 Flights queue of runway terminal

圖7 跑道終端滑行道占用狀況Fig.7 Occupancy status of runway terminal

由圖5可知，該仿真系統(tǒng)可以形象直觀地展現(xiàn)飛機在機場場面的滑行狀況；圖6描述的是系統(tǒng)仿真整個過程中跑道終端滑行道離港航班隊列長度與時間的關(guān)系，由圖可知該段滑行道的最長隊列為3架，此時由于飛機需等待起飛在該段滑行道發(fā)生堵塞；其余時間隊列長度在1～2架之間波動，該段滑行道運行順暢；由圖7對該段滑行道占用狀況的統(tǒng)計圖可知，飛機在該段滑行道產(chǎn)生堵塞時間的比例占25.4%；該段滑行道空閑的時間占15.5%，該段滑行道有飛機占用并且順暢滑行的時間占比為59.1%；產(chǎn)生堵塞的原因是由于飛機需在跑道終端等待起飛而停車等待，由此可知該機場場面交通的運行瓶頸位于跑道終端，造成此現(xiàn)象的原因是跑道運行能力不足，可通過提高跑道運行能力來改善整個機場的場面交通運行性能。

4 結(jié)語

本文以Flexsim軟件平臺作為機場場面交通仿真的建模工具，通過對機場場面交通運行機理分析以及各組成部分的特點，將Flexsim中的不同實體映射為機場場面交通的不同組成部分，利用C++語言對實體進行二次開發(fā)，以及對不同實體進行屬性值設(shè)置，構(gòu)建出基于Flexsim的機場場面交通仿真系統(tǒng)。通過對實際航班數(shù)據(jù)進行仿真，可形象地展現(xiàn)機場場面交通狀況，驗證了仿真系統(tǒng)的可行性；對仿真結(jié)果統(tǒng)計分析，可以找出機場場面交通運行瓶頸所在以及關(guān)鍵影響因素，為機場場面交通運行的優(yōu)化提供有效的技術(shù)手段。

[1]陳燕.面向機場的航空安全信息系統(tǒng)研究[J].計算機應(yīng)用與軟件, 2012,29(7):46-49.

[2]WANG G H,HORN R J.Temporal patterns of aircraft operations at U.S. Airports:A statistical analysis[J].Transportation Research Part A General,1985,19(4):325-335.

[3]夏薔薇.計算機仿真技術(shù)在樞紐機場中轉(zhuǎn)流程研究中的應(yīng)用[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008.

[4]WU C,CAVES R E.Research review of air traffic management[J]. Transport Reviews,2002,22(1):115-132.

[5]蔣兵,胡明華,田勇,等.機場跑道容量評估模型和估計方法的進一步研究[J].交通運輸工程學(xué)報,2003,3(2):80-83.

[6]倪桂明,楊東援.基于方案優(yōu)化的機場交通系統(tǒng)仿真研究[J].空軍工程學(xué)院學(xué)報,1999,19(2):34-37.

[7]徐肖豪,臧志恒.基于MILP的飛機滑行排序的優(yōu)化[J].交通信息與安全,2007,25(2):142-145.

[8]胡大偉,郗建國.基于Flexsim的公路客運站仿真系統(tǒng)[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,30(2):89-95.

[9]胡卉,曾桃,宣登殿,等.基于Flexsim二次開發(fā)的綜合客運樞紐仿真[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,32(4):76-81.

（責(zé)任編輯：劉智勇）

Airport surface traffic simulation based on Flexsim

XING Zhiwei,LI Shijiao
（College of Electronic Information and Automation,CAUC,Tianjin 300300,China）

Flexsim is applied to simulate and analyze the airport surface traffic situation.Through analysis of airport surface traffic operation mechanism,entity objects in Flexsim are mapped to different components of the airport scene traffic by using object oriented discrete virtual reality simulation technology.Then the whole process of airport traffic system operation can be demonstrated by visual virtual reality 3D animation based on Flexsim simulation development platform.Experimental results show that the relationship between various components of the system is displayed vividly by using the proposed method to simulate the airport scene traffic.The bottleneck of system operation and the key influencing factors can be found quickly combined with data statistical analysis function of the Flexsim simulation platform.This method provides effective technical means for airport operation strategy optimization.

airport surface traffic;Flexsim;operation situation;traffic simulation

V351.11；TP391.9

A

1674－5590（2017）01－0022－04

2016-04-11；

2016-05-26基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（U1533203）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項（3122014P003）

邢志偉（1970—），男，遼寧新民人，研究員，博士，研究方向為民航裝備與系統(tǒng)、民航智能規(guī)劃與調(diào)度.