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3020;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1634
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。