基于Flexsim的机场场面交通仿真

邢志伟，李世皎

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

基于Flexsim的机场场面交通仿真

邢志伟，李世皎

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

为分析机场场面交通的运行态势，应用Flexsim软件对机场场面交通进行建模仿真。通过对机场场面交通运行机理进行分析，基于Flexsim仿真开发平台，运用面向对象离散虚拟现实仿真技术，将Flexsim中的实体对象映射为机场场面交通的不同组成部分，实现可视化虚拟现实3D动画演示机场场面交通系统运行全过程。结果表明，采用提出的方法对机场场面交通进行仿真，形象地展示了系统各个组成部分之间的关系，结合Flexsim仿真平台的数据统计分析功能，可以迅速地找到系统运行的瓶颈以及关键影响因素，为机场运行策略优化提供有效的技术手段。

机场场面交通；Flexsim；运行态势；交通仿真

机场作为航空运输体系的重要枢纽，随着近年来民航运输业务快速增长，世界范围内的主要机场都出现了不同程度的容量饱和问题，也由此导致了机场航班延误、拥堵等现象，造成了巨大的经济损失。虽然航班延误的原因很多，除了天气原因，机场场面交通成为造成延误的关键因素。因此就迫切需要对机场场面交通进行分析与评价，这样才能采取相应的方法来减小航班延误，为机场地面交通运行控制的优化提供技术方法。

针对机场的仿真，国内外学者进行了一定的研究。由美国联邦航空管理局主持并研究出的Airfield Capacity Model[1]是针对机场场面交通的计算机分析模型，用于在确定连续需求时分析、计算机场内跑道系统的“饱和容量”；由麻省理工学院（MIT）搭建的DELAYS模型[2]属于机场航班延误仿真模型，用于分析、计算由跑道等待起飞航班排队拥挤而造成的延误；AND（approximate network delays）模型[3]是由MIT搭建的排队网络模型，该模型实现的功能是分析当交通流量需求和机场的通行量动态变化时对某区域内空中航线上的飞行延误的影响；LMI Runway Capacity Model作为跑道中容量分析预算随机参数模型[4]，其核心的构造是单跑道容量计算模型。HERMES（heuristic runway movement event simulation）模型主要用于平行跑道处于此刻、未来以及启动策略改变的交通容积和滑行时间的计算。中国学者对机场的研究也取得了一定的成果，胡明华等[5]对独立机场场面飞机滑行过程中的等待问题进行了建模研究，构建出机场场面在受多种条件限制时的等待策略数学模型；倪桂明、杨东等人[6]对旅客流进行了具体分析，并构建了航站楼客流仿真系统模型；针对机场跑道部分的运行情况问题，徐肖豪等[7]对机场跑道上飞机滑行过程中的加减速状况进行了研究，构建关于飞机滑行阶段的动力学数学模型。但以上对机场交通的研究方法存在着构建复杂，成本高的问题。

胡大伟等[8]基于Flexsim平台开发了公路客运站仿真系统；胡卉等[9]基于Flexsim平台构建了综合客运枢纽仿真系统。这为机场场面交通研究提供了思路，本文以面向对象的离散虚拟仿真软件Flexsim平台作为建模工具，针对机场场面交通的组成以及运行规则特点，构建了机场场面交通仿真系统模型，实现对机场场面交通的仿真与分析。

1 机场场面交通运行机理

机场场面交通系统主要由停机坪、滑行道、跑道等部分组成。飞机的主要进港动作分为着陆、滑行、停止；离港动作主要包括推出、滑行、等待和起飞等，如图1所示。按照进港和离港飞机的各自流程可从以下两个角度进行介绍。

1）对于已满足进场规则的进港航班，空管人员对其发布进近着陆许可后为其安排跑道和快脱道资源，在成功滑离跑道后，机场将接管飞机运行。管制员会按照飞机的停放区域为其分配合理的滑行路径，飞机到达停机位后将进行一系列地服工作，其中包括飞机加水加电、配送餐食、客舱清理和排故检修，当这一系列工作结束后旅客登机，离场程序启动。

2）对于满足离港条件的航班，按照机场运行规则，在飞机结束了离港任务的地服保障后，机组人员即向地面管制人员申请起飞许可，管制人员检查飞机各项指标合格后，综合考虑机场场面交通的运行状况，适时签署放行单并允许推出飞机。在机场流量过大时飞机会在跑道尽头等待，机场空管将依据飞机间隔限制和其它约束发布离港的排队序列和滑入跑道指示。在滑入跑道后，飞机进行起飞并进入航线的实际飞行阶段。

图1 机场场面交通运行流程Fig.1 Running process of airport surface traffic

2 仿真系统搭建

2.1 机场场面交通组成的Flexsim实体映射

本文依据Flexsim实体对象控件功能建立的机场场面交通组成与Flexsim对象的实体映射如表1所示。

表1 机场场面交通组成映射对应表Tab.1 Airport surface traffic composition corresponding map

续表1机场场面交通组成映射对应表Tab.1Airport surface traffic composition corresponding map

2.2 模型布局的构建

机场场面交通仿真的基础数据来源于国内某机场的实际构形参数。本文以该机场的真实尺寸为依据，以该机场的实际尺寸CAD图作为模型构建背景，平面布局方案如图2所示，将其映射到Flexsim模型中，构建出的机场场面交通仿真系统如图3所示，其中临时实体飞机的定义如图4所示。

图2 机场平面布局Fig.2 Airport layout

图4 临时实体飞机Fig.4 Temporary entity aircraft

2.3 实体连接与属性设置

根据机场场面交通组成与Flexsim实体的映射关系，将不同的实体按照图1所示机场场面交通运行流程进行连接；根据机场实际构形参数设置不同组成部分的实体属性值，并按照机场运行标准设定直道滑行道的滑行速度最大为15 m/s，弯道的滑行速度最大为5 m/s；飞机在机场场面的运行受塔台控制，塔台对整个机场场面交通的控制逻辑通过C++语言对Flexsim的实体进行二次开发实现。

图3 机场场面交通仿真系统Fig.3 Airport surface traffic simulation system

按照上述方法实现机场场面交通仿真系统的构建，编译重置仿真系统后即可对机场场面交通仿真系统运行仿真。

3 仿真分析

将该机场某天的实际航班数据经处理转换后的全局表导入仿真系统，运行仿真系统后对比仿真结果与实际数据误差，通过调整模型相关实体的属性值以及逻辑关系，使得仿真系统的仿真精度达到小于15%的时间误差，仿真运行状况符合实际机场场面交通运行情况。

图5为仿真系统仿真过程中的部分3D界面截图，图6为机场跑道终端滑行道的离港航班队列长度图，图7为离港航班在跑道终端滑行道占用状况的仿真统计结果。

图5 机场场面交通仿真系统仿真过程Fig.5 Simulation process of airport traffic scene simulation system

图6 跑道终端滑行道航班队列Fig.6 Flights queue of runway terminal

图7 跑道终端滑行道占用状况Fig.7 Occupancy status of runway terminal

由图5可知，该仿真系统可以形象直观地展现飞机在机场场面的滑行状况；图6描述的是系统仿真整个过程中跑道终端滑行道离港航班队列长度与时间的关系，由图可知该段滑行道的最长队列为3架，此时由于飞机需等待起飞在该段滑行道发生堵塞；其余时间队列长度在1～2架之间波动，该段滑行道运行顺畅；由图7对该段滑行道占用状况的统计图可知，飞机在该段滑行道产生堵塞时间的比例占25.4%；该段滑行道空闲的时间占15.5%，该段滑行道有飞机占用并且顺畅滑行的时间占比为59.1%；产生堵塞的原因是由于飞机需在跑道终端等待起飞而停车等待，由此可知该机场场面交通的运行瓶颈位于跑道终端，造成此现象的原因是跑道运行能力不足，可通过提高跑道运行能力来改善整个机场的场面交通运行性能。

4 结语

本文以Flexsim软件平台作为机场场面交通仿真的建模工具，通过对机场场面交通运行机理分析以及各组成部分的特点，将Flexsim中的不同实体映射为机场场面交通的不同组成部分，利用C++语言对实体进行二次开发，以及对不同实体进行属性值设置，构建出基于Flexsim的机场场面交通仿真系统。通过对实际航班数据进行仿真，可形象地展现机场场面交通状况，验证了仿真系统的可行性；对仿真结果统计分析，可以找出机场场面交通运行瓶颈所在以及关键影响因素，为机场场面交通运行的优化提供有效的技术手段。

[1]陈燕.面向机场的航空安全信息系统研究[J].计算机应用与软件, 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]夏蔷薇.计算机仿真技术在枢纽机场中转流程研究中的应用[D].南京:南京航空航天大学,2008.

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

[5]蒋兵,胡明华,田勇,等.机场跑道容量评估模型和估计方法的进一步研究[J].交通运输工程学报,2003,3(2):80-83.

[6]倪桂明,杨东援.基于方案优化的机场交通系统仿真研究[J].空军工程学院学报,1999,19(2):34-37.

[7]徐肖豪,臧志恒.基于MILP的飞机滑行排序的优化[J].交通信息与安全,2007,25(2):142-145.

[8]胡大伟,郗建国.基于Flexsim的公路客运站仿真系统[J].长安大学学报(自然科学版),2010,30(2):89-95.

[9]胡卉,曾桃,宣登殿,等.基于Flexsim二次开发的综合客运枢纽仿真[J].长安大学学报(自然科学版),2012,32(4):76-81.

（责任编辑：刘智勇）

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基金项目：国家自然科学基金项目（U1533203）；中央高校基本科研业务费专项（3122014P003）

邢志伟（1970—），男，辽宁新民人，研究员，博士，研究方向为民航装备与系统、民航智能规划与调度.