基于Arena的终端区仿真建模*

杨 鹏 ，孙俊清 ，靳慧斌

(1.天津理工大学 计算机科学与技术学院，天津300191；2.天津市智能计算及软件新技术重点实验室，天津300191；3.中国民航大学，天津300300)

终端区是航空器从航路飞行到进离场阶段的飞行过渡区，区域内包含一个或多个机场。一般包括机场跑道系统、定位点、高度层、航路以及航路交叉点等元素。近年来，空中交通运量增加，终端区系统的作业压力也随之增加，在有限的空间资源条件下，修建新机场开辟新航路并不是有效的减压措施。应用仿真对终端区交通管理方案进行模拟、评价，尽可能挖掘现有系统潜力是一种行之有效的方法。

本文尝试对终端区航空器起降逻辑建立建模仿真，发挥信息技术优势，细化航空器在终端区的飞行逻辑，增强终端区规划和决策的科学性。

1 终端区系统逻辑描述

终端区空域系统是整个空管系统中的一个子系统。在这个子系统中，航空器要从走廊口进入终端区，经特定航路融入进场航线飞行，最后通过不同的进近路线飞向跑道降落[1-2]。终端区走廊口的位置、各走廊口的流量比例、进离场航路及其相对位置关系对系统运行影响巨大；航路交叉点数量众多及其网络拓扑结构复杂；航空器的平飞、上升、下降频繁，冲突显著，航班之间要保证安全间隔，还要保证航班都有条不紊地降落，所以，民航系统一致认为终端区是空管系统最为复杂的一个子系统[3]。

2 终端区仿真模型设计

作为一款市场占有率最高的通用仿真工具，Arena通过使用层次化的建模体系以保证灵活地进行各个水平上的仿真建模，广泛地应用于制造业、物流及供应链、服务、医疗、军事等领域的系统仿真，也应用于各个层面不同情况的仿真，包括日常生产作业、各类资源的配置、业务过程的规划、系统性能和计划结果的评价、风险预测等[4-5]。本文采用Arena作为仿真平台建立了终端区模型。

本文建立的仿真模型对航空器飞行过程进行了以下假设：(1)终端区中除了盘旋节点和分叉节点之外，还存在穿越点，航空器只能在穿越节点进行高度层穿越；(2)航空器按照FCFS规则，起降过程中不会出现航空器超越现象；(3)航空器不会在盘旋节点和交叉节点进行穿越；(4)对降落航空器而言，仿真逻辑仅涉及其进入终端区到离开跑道的过程，而对起飞航空器而言，仿真逻辑仅涉及其锁定跑道到离开终端区的过程。

2.1 数据结构设计

2.1.1 实体设计

Arena是基于实体的仿真工具，通过为实体设置属性来实现数据记录和仿真逻辑控制。在模型中设置了两类实体——降落航空器实体和起飞航空器实体，其中降落航空器实体用于降落航空器的控制，起飞航空器实体用于起飞航空器的控制。实体的属性可以分为两类，一类是控制属性，用于对实体仿真逻辑进行控制，如Port、Inhover；另一类属于统计属性，用于记录仿真过程中的统计数据，如 Intime、Loadtime。

2.1.2 航道网络设计

模型中应用节点（Intersection）定义走廊口、穿越点和盘旋点等关键位置，通过边（Link）将这些关键节点连接，最后将这些节点和边组合成网络。降落航空器和起飞航空器分别使用各自网络，网络间存在重叠部分，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个性能指标，而 Arena对资源（Resource）提供了非常强大的状态统计功能，因此模型中用实体对跑道的占用模拟了航空器在跑道的滑行过程。

2.1.3 集合设计

Arena中允许应用集合方式将模型中存在联系的同类（甚至异类）元素组合在一起。模型中主要的数据集合如表1所示。

表1 模型中部分数据集合

当航空器在航道网络中移动时，航空器根据其所处节点所属的集合来判断其当前位置的类别，并引发相应的逻辑操作。例如航空器发现其所属的是盘旋节点则会判断是否需要盘旋；如果是穿越节点，则判断是否满足穿越条件。

2.2 模型逻辑设计

模型的逻辑设计包括降落航空器作业逻辑设计和起飞航空器作业逻辑设计两部分，本文给出降落航空器作业逻辑的主要内容：

(1)航空器到达走廊口，判断是否满足准入规则，如果满足则进入终端区转(2)，否则在廊口等待；

(2)沿航道飞行，到达下一节点，如果属于穿越节点则转(3)，如果属于盘旋节点则转(4)，如果属于进近点则转(6)，否则转(2)；

(3)判断当前高度层的下层是否满足穿越条件，如果满足则向下穿越，否则判断当前高度层前方是否有起飞航空器距当前位置达到安全距离，如果达到则向下强行穿越，否则转(2)；

(4)判断盘旋点的等候队列长度是否等于0，并且判断距离航道前方航空器是否满足安全距离，如果满足以上两项要求则转(2)，否则进入盘旋点转(5)；

(5)判断当前是否处于等待队列的首位，且航道前方航空器是否满足安全距离，如果满足则从盘旋点移出转(2)，否则转(5)；

(6)判断跑道是否满足着陆条件，如果满足则锁定跑道，着陆，否则复飞，转(2)。

以上列出的只是逻辑主体部分，逻辑细节（如穿越条件等）不再详述。

2.3 模型输出设计

模型输出环节需要将模型中较为关键的数据进行记录统计，为后期的性能分析和决策制定提供支持。本次建模较为关注的绩效指标包括跑道使用情况、航空器的降落延迟和航道飞行安全性。其中前两项的统计较为简单，通过设置跑道资源状态集合以及为控制实体设置统计属性即可获得，而第3项的实现较为复杂，需要设计专用的监控逻辑。

航道飞行安全性具体通过两项指标来反映：强行穿越次数和航道网络中航空器之间的最短距离(包括降落航空器之间的最小距离、起飞航空器之间的最小距离、起降航空器之间的最小距离)。

下面给出降落航空器之间的最小距离的实现逻辑：

(1)搜索并记录全部降落航空器在航道网络的位置，经后台计算选择距离最小的两个降落航空器，并监控两者距离。

(2)当系统中有新的降落航空器进入走廊口，或者系统中有降落航空器实现了着陆，则重新转(1)，选择新的距离最小的两个降落航空器，监控距离。

3 仿真效果展示

本文建立的航道网络是按照我国北方某机场的终端区设计的。为了验证仿真模型的有效性，应用该机场2009年10月15日的航空器起降记录数据对模型进行了测试，仿真效果如图1所示。由于造成该机场起飞航班延误的主要原因是北京区的调流控，因此本次模型仅选择降落航班平均延迟时间和最大延迟时间两项指标进行校验。仿真结果如图2所示，将仿真结果和实测数据进行了T检验，结果表明模型置信度为95%，可以用于后续的评估预测分析。

图1 仿真效果截图

图2 仿真结果

考虑到当前航空客流与日俱增的趋势，本文还模拟了到达航空器总流量平均增加5%、10%和15%的情况。随着到达航空器流量的增加，现有终端区空侧负荷也随之增加，系统运行绩效随之迅速恶化，当日度到达航空器总量增加15%时，航班的平均延迟达到38.2%。除了系统效率指标的恶化外，终端区的强行穿越次数还上升了71.8%，具有较高的安全隐患。可以看出，为了应对未来的航空客流压力，该机场有必要对终端区进行规划调整。

终端区系统的仿真模拟是一个庞大的系统工程，它涉及到空管科学、安全科学、人工智能、计算机仿真等相关领域知识。由于时间有限，且不同终端区的管制方法各具特性，本文仅仅对北方某机场终端区空侧进行了仿真建模。在后续的研究中还要根据各机场终端区的实际情况，在充分了解管制员的调度方式和指挥习惯的前提下开发出更丰富、完备的仿真模型。

[1]周泓，欧建新，李政道.航空货运中心物流系统建模及仿真研究[J].系统仿真学报，2008，12(20)：3314-3319，3326.

[2]陆迅，朱金福，唐小卫.机场行李流程仿真建模和分析[J].系统仿真学报，2008，14(20)：3876-3880.

[3]XIE Y，SHORTLE J，DONOHUE G.Airport terminal-approach safety and capacity analysis using an Agent-based model[C].Proceedings of the 36th Conference on Winter Simulation，2004：1349-1357.

[4]刘静莉，王志清，宁宣熙.航站楼旅客流程仿真研究[J].航空计算机，2005，35(2)：45-49.

[5]方绍强，卫克，陈伟鹏，等.飞行保障过程 UML建模与ARENA仿真[J].系统工程理论与实践，2008(11)：165-170.