摘  要： 詳細(xì)分析了航空器在終端區(qū)的運(yùn)動邏輯，設(shè)計(jì)了基于Arena平臺的終端區(qū)空側(cè)計(jì)算機(jī)仿真模型,。模型運(yùn)行結(jié)果表明,，該模型基本能夠描述起降航空器在終端區(qū)的微觀運(yùn)動過程。該模型在容量評估,、多跑道模式管理和塔臺管制仿真中有廣泛的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞： 終端區(qū)；微觀運(yùn)動,；系統(tǒng)仿真,；評估

    終端區(qū)是航空器從航路飛行到進(jìn)離場階段的飛行過渡區(qū)，區(qū)域內(nèi)包含一個或多個機(jī)場,。一般包括機(jī)場跑道系統(tǒng),、定位點(diǎn)、高度層,、航路以及航路交叉點(diǎn)等元素,。近年來，空中交通運(yùn)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(jī)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)入終端區(qū),，經(jīng)特定航路融入進(jìn)場航線飛行,，最后通過不同的進(jìn)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(jìn)離場航路及其相對位置關(guān)系對系統(tǒng)運(yùn)行影響巨大；航路交叉點(diǎn)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(jì)
    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(jìn)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(jì)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(jìn)行了以下假設(shè)：(1)終端區(qū)中除了盤旋節(jié)點(diǎn)和分叉節(jié)點(diǎn)之外,，還存在穿越點(diǎn)，航空器只能在穿越節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行穿越,；(4)對降落航空器而言,，仿真邏輯僅涉及其進(jìn)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(jì)
2.1.1 實(shí)體設(shè)計(jì)
    Arena是基于實(shí)體的仿真工具，通過為實(shí)體設(shè)置屬性來實(shí)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(shí)體——降落航空器實(shí)體和起飛航空器實(shí)體,，其中降落航空器實(shí)體用于降落航空器的控制，起飛航空器實(shí)體用于起飛航空器的控制,。實(shí)體的屬性可以分為兩類,，一類是控制屬性,，用于對實(shí)體仿真邏輯進(jìn)行控制,，如Port、Inhover,；另一類屬于統(tǒng)計(jì)屬性,，用于記錄仿真過程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如Intime,、Loadtime,。
2.1.2 航道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    模型中應(yīng)用節(jié)點(diǎn)（Intersection）定義走廊口、穿越點(diǎn)和盤旋點(diǎn)等關(guān)鍵位置,，通過邊（Link）將這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接,，最后將這些節(jié)點(diǎn)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(qiáng)大的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)功能，因此模型中用實(shí)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(jì)
    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。

    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(diǎn)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(diǎn)則會判斷是否需要盤旋；如果是穿越節(jié)點(diǎn),，則判斷是否滿足穿越條件,。
2.2 模型邏輯設(shè)計(jì)
    模型的邏輯設(shè)計(jì)包括降落航空器作業(yè)邏輯設(shè)計(jì)和起飛航空器作業(yè)邏輯設(shè)計(jì)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(dá)走廊口,，判斷是否滿足準(zhǔn)入規(guī)則,，如果滿足則進(jìn)入終端區(qū)轉(zhuǎn)(2)，否則在廊口等待,；
    (2)沿航道飛行,，到達(dá)下一節(jié)點(diǎn)，如果屬于穿越節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)(3),，如果屬于盤旋節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)(4),，如果屬于進(jìn)近點(diǎn)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(dá)到安全距離,，如果達(dá)到則向下強(qiáng)行穿越,，否則轉(zhuǎn)(2)；
    (4)判斷盤旋點(diǎn)的等候隊(duì)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(xiàng)要求則轉(zhuǎn)(2)，否則進(jìn)入盤旋點(diǎn)轉(zhuǎn)(5),；
    (5)判斷當(dāng)前是否處于等待隊(duì)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(diǎn)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(jì)
    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(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì),，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(xiàng)的統(tǒng)計(jì)較為簡單,，通過設(shè)置跑道資源狀態(tài)集合以及為控制實(shí)體設(shè)置統(tǒng)計(jì)屬性即可獲得,，而第3項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)專用的監(jiān)控邏輯,。
    航道飛行安全性具體通過兩項(xiàng)指標(biāo)來反映：強(qiáng)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(shí)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(jì)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(jìn)入走廊口,，或者系統(tǒng)中有降落航空器實(shí)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(jī)場的終端區(qū)設(shè)計(jì)的,。為了驗(yàn)證仿真模型的有效性,，應(yīng)用該機(jī)場2009年10月15日的航空器起降記錄數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了測試，仿真效果如圖1所示,。由于造成該機(jī)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(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。仿真結(jié)果如圖2所示,，將仿真結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了T檢驗(yàn),，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,。

    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(dá)航空器總流量平均增加5%,、10%和15%的情況,。隨著到達(dá)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(yùn)行績效隨之迅速惡化,，當(dāng)日度到達(dá)航空器總量增加15%時，航班的平均延遲達(dá)到38.2%,。除了系統(tǒng)效率指標(biāo)的惡化外,，終端區(qū)的強(qiáng)行穿越次數(shù)還上升了71.8%，具有較高的安全隱患,?？梢钥闯?，為了應(yīng)對未來的航空客流壓力，該機(jī)場有必要對終端區(qū)進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jī)場終端區(qū)空側(cè)進(jìn)行了仿真建模。在后續(xù)的研究中還要根據(jù)各機(jī)場終端區(qū)的實(shí)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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