机场调度仿真模型一

机场运作系统Witness仿真模型

一、案例说明
    某机场有三条跑道，用于飞机降落、作业、起飞；每条跑道中间的作业区将跑道分为两部分：前跑道（用于飞机降落的跑道）和后跑道（用于飞机作业结束起飞的跑道）。飞机在前跑道降落后经过地面作业之后在后跑道起飞。
    规定每条跑道不能允许有两架飞机同时降落或同时起飞；进入机场的飞机中，有一部分（比如货运飞机）需要降落到指定的作业区进行作业；另外一部分（比如客机）可以根据作业区的空闲状态临时指定；如果在某一时刻，一架飞机飞临机场请求降落，但是每一跑道的前跑道段都有一架飞机在进行降落作业，则该飞机将在上空盘旋等待，直至有空跑道；
    已知三条跑道作业区能够同时进行作业的飞机数量分别为3，2，4；每架飞机在作业区的作业时间设定为30min，Witness仿真模型下载；
该模型建立主要有以下目的：
 需要通过仿真一周时间（7*24*60=10080分钟），了解机场跑道的利用率、作业区的空闲比率、飞机不能及时起降的等待时间。

二、模型设计
2.1 witness仿真模型界面

图1 模型最终界面

2.2 建模元素说明
在该模型中，主要是对机场调度进行仿真，因此，飞机作为part元素必不可少；除此之外，最重要的跑道以及空中盘旋路线由conveyor元素实现；而飞机降落后进行作业可以用machine元素实现。用到的元素以及元素的含义如表1所示：

表1 模型元素说明

2.3 元素可视化设计
（1） machine元素可视化设计
machine元素是对机场作业区进行仿真，在作业区中机器并不是真实存在，machine元素只是模拟作业区中的各种活动。在该模型中只需要对machine元素的part queue属性进行可视化设计即可。Part queue属性选择queue选项中的up方向。
（2） conveyor元素可视化设计
对于前跑道Runway11、Runway21、Runway31，主要对其text属性、path属性进行可视化设计。三条跑道text属性分别设置为“跑道1”、“跑道2”、“跑道3”；path属性中，三条跑道颜色分别设置为绿色、蓝色、粉红色。对于后跑道Runway12、Runway22、Runway32，只需对其path元素可视化设计即可。
Onsky1和omsky2元素对其text和path属性进行设置。Text属性设置为“盘旋等待线路”，path属性设置为灰色线条。
2.4 元素详细设计
（1） part元素详细设计
Plane详细设计如图2所示：

图2 plane元素详细设计

其中:

   Inter Arrival中输入：UNIFORM (5,10,1) 表示飞机到达时间间隔服从[5，10]之间的均匀分布；
   点击To…按钮，输入：
    IF (NQTY (operationarea1) - NPARTS (operationarea1) > 0 AND NPARTS (runway11) = 0) OR (NQTY (operationarea2) - NPARTS (operationarea2) > 0 AND NPARTS (runway21) = 0) OR (NQTY (operationarea3) - NPARTS (operationarea3) > 0 AND NPARTS (runway31) = 0)
        IF (NQTY (operationarea1) - NPARTS (operationarea1) - NPARTS (runway12) >=NQTY(operationarea2) - NPARTS (operationarea2) - NPARTS (runway21) AND (NQTY (operationarea1) - NPARTS (operationarea1) - NPARTS (runway12) >=NQTY (operationarea3) - NPARTS (operationarea3) - NPARTS (runway31) AND NPARTS (runway11) = 0
                PUSH to runway11 at Rear
        ELSEIF NQTY (operationarea2) - NPARTS (operationarea2) - NPARTS (runway21) >= NQTY (operationarea3) - NPARTS (operationarea3) - NPARTS (runway31) AND NPARTS (runway21) = 0
                PUSH to runway21 at Rear
        ELSEIF NPARTS (runway31) = 0
                PUSH to runway31 at Rear
        ELSE
                PUSH to onsky1 at Rear
        ENDIF
    ELSE
        PUSH to onsky1 at Rear
    ENDIF

注：飞机的降落规则。首先判断三条跑道是否还有空间允许飞机降落，其次判断三条跑道哪条跑道允许降落的空间较大，选择一条飞机降落空间最大的跑道降落；如果没有任何跑道允许飞机降落，则飞机将暂时在机场上空盘旋等待降落命令。
（2） machine元素详细设计
Operationarea1、Operationarea2、Operationarea3详细设计基本雷同，在此选择Operationarea1作介绍。Operationarea1的详细设计如图3所示：

图3 operationarea1详细设计

其中：

    cycle time为30，表示飞机作业时间为30min。
    点击“To…”按钮，输入：
        IF NPARTS (runway12) = 0
            PUSH to runway12 at Rear
        ELSE
            Wait
        ENDIF

注：飞机作业完成后判断该跑道是否有飞机正在起飞，如果没有则飞机进入后跑道准备起飞，否则等待起飞。
（3） conveyor元素详细设计
 Runway11、runway21、runway31详细设计
Runway11、runway21、runway31的功能基本雷同，在此选择runway11详细介绍。Runway11详细设计如图4所示：

图4 runway11详细设计

其中：

runway21、Runway31的length in parts项分别为30和20；index time为0.5。
点击“To…”按钮，输入：PUSH to operationarea1 ,表示该跑道的飞机降落后转入作业区进行地面作业。
 Runway12、runway22、runway32详细设计
Runway12、runway22、runway32的功能基本雷同，在此选择runway12详细介绍。Runway12详细设计如图5所示：

图5 runway12详细设计

其中，runway22、Runway32的length in parts项分别为16和34；
点击“To…”按钮，输入：PUSH to SHIP ！飞机起飞后送出系统。
 Onsky1、onsky2详细设计
Onsky1、onsky2的详细设计如图6所示：

图6 onsky1详细设计

其中，onsky1的“To…”按钮中输入：
    IF NQTY (operationarea1) - NPARTS (operationarea1) > 0 AND NPARTS (runway12) = 0 OR (NQTY (operationarea2) - NPARTS (operationarea2) > 0 AND     NPARTS (runway21) = 0) OR (NQTY (operationarea3) - NPARTS (operationarea3) > 0 AND NPARTS (runway31) = 0)
        IF NQTY (operationarea1) - NPARTS (operationarea1) - NPARTS (runway12) >= NQTY (operationarea2) - NPARTS (operationarea2) - NPARTS (runway21) AND NQTY (operationarea1) - NPARTS (operationarea1) - NPARTS (runway12) >= NQTY (operationarea3) - NPARTS (operationarea3) - NPARTS (runway31) AND NPARTS (runway11) = 0
            PUSH to runway11 at Rear
        ELSEIF NQTY (operationarea2) - NPARTS (operationarea2) - NPARTS (runway21) >= NQTY (operationarea3) - NPARTS (operationarea3) - NPARTS (runway31) AND NPARTS (runway21) = 0
            PUSH to runway21 at Rear
        ELSEIF NPARTS (runway31) = 0
            PUSH to runway31 at Rear
        ELSE
            PUSH to onsky2 at Rear
        ENDIF
    ELSE
        PUSH to onsky2 at Rear
    ENDIF

注：与plane元素的规则相同，飞机在上空盘旋等待降落，每次飞机飞完onsky1时判断三条跑道是否可以降落，否则将绕onsky2继续盘旋。
Onsky2的“To…”按钮中输入：PUSH to onsky1(1) at Rear
三、运行模型
模型运行一周时间（10080min），结果如下表所示：

表2 conveyor元素统计数据

从上表onsky1和onsky2，即盘旋等待线路的忙闲状态统计数据可以看出，有46架次飞机用到了onsky1，需要等待才能降落，同时onsky2几乎没有用到，45架次飞机等待时间4分钟后即可降落。
runway跑道利用率平均不到50%，即还可以进行容量开发；

表3 跑道作业区的忙闲状况

作业区的利用率也不到50%。

表4 飞机相关统计数据

从上面三个数据表的数据分析可得，如果能够加强降落和起飞等环节的安全控制，降低飞机降落对降落跑道必须是空的要求，例如：如果在某一跑道上，前一飞机与后一飞机之间的距离超过400m即可进行飞机起降活动；或者飞机盘旋等待时间缩短，由原来的等待处理过程时间必须达到4分钟以上，降之3分钟等方法来进行机场运营能力的改善。

　