（交通运输规划与管理专业论文）机场终端区作业的离散事件系统建模与优化.pdf

中国民用航空学院颂十学位论义 1 1 课题背景 第一章绪论 随着我国民航运输业的快速发展，航线航班数量与客运量迅猛增加，正在逐渐形成 以轮辐式结构为主，轮辐式结构与城市对式结构并存互补的航线网络。以2 0 0 2 年的统 计数据为例，全国机场旅客吞吐量和飞机起降架次分别为1 _ l 亿人次和2 1 1 万架次。与 此相对应的我国民用机场建设虽然也正在形成枢纽、干线、支线机场相配套的格局，但 目前大型枢纽与干线机场的资源相对于不断增长的航线航班数量与客运量来说还是十 分紧张的。以首都机场2 0 0 4 年的统计数据为例，每同航班数量约达8 3 5 班次，以8 时 至2 2 时的主要起降时段计算，平均每小时起降5 9 个班次，即平均1 分钟左右就有一架 国内航线的飞机起降。目前的最高日起降航班数量已达1 0 0 0 多班次，旅客吞吐量已过 3 0 4 8 万人次，平均每同9 万多人次，如此之大的航班总量和旅客吞吐量，已经给首都机 场的空中走廊、跑道、停机坪与候机楼等方面造成了不小的压力，因此，机场有限资源 的优化配置对机场的运行管理具有重要的现实意义，合理的资源利用将会使航空公司、 机场、旅客多方受益。 机场是航空运输系统的一个实体部分，它是从空中到陆地交通的有形的运营场所。 在机场，飞机要完成起降、上下旅客、装卸东西并接受各种地面服务，保障飞机难常执 行下一次航班任务。根据航班需要，合理地分配机场的有限资源、协调规划管理各航班 的地面作业进度、避免因地面保障作业安排不当所产生的航班延误，是航空港运行管理 中的一项多目标规划问题，也是机场便捷工程中的一个重要方面。目前国内机场地面作 业的运行管理主要以人工控制为主，由于涉及多个部门的工作目标和利益，相互之间的 协调比较困难，导致航班延误的时有发生。 表1 1 反映了1 9 9 2 2 0 0 2 年我国航空运输系统航班的延误情况。航班延误现象在 国际民航业也屡见不鲜，美国纽约肯尼迪国际机场2 0 0 1 年的离港航班延误约占航班总 数的四分之一。f a a 的统计报告表明2 0 0 0 年有2 7 5 的到与离航班被延误、取消与转 移其他机场降落，给国际民航业带来了巨额的损失。 航班延误是当今世界航空运输界一大难题，其造成的经济损失和社会影响是巨大 的，欧美航空发达国家和地区都为此付出了高昂的代价。2 0 0 3 年，美国由于航班延误造 成了6 0 多亿美元的直接经济损失。我国的航班延误正处在刚刚突显的阶段。随着国民经 济的快速、健康发展，航空运输业又迎来了新一轮快速发展期。如不采取有效措施，对 航班延误加以治理，我们就会重蹈别国的覆辙，影响到航班的安全、高效运行，对人民 生活质量的提高造成不良影响。 中国民用航空学院硕+ 学位论文 表1 1 我国航空运输系统航班延误情况统计表 其中：取消流量控制不正常航班 年份飞行班次延误班次 班次班次率( ) 1 9 9 22 3 6 9 7 52 2 4 9 99 6 92 0 7 99 5 1 9 9 32 8 7 2 2 83 2 4 7 92 2 0 86 5 3 61 1 3 1 9 9 43 5 6 7 9 85 0 0 8 22 3 1 79 9 9 91 4 o 1 9 9 54 3 7 8 7 77 2 1 3 04 7 0 21 5 4 0 61 6 5 1 9 9 64 8 6 9 9 51 0 6 5 0 89 4 8 42 1 _ 9 1 9 9 75 1 3 1 6 41 1 3 6 4 51 1 3 6 22 2 1 1 9 9 85 6 6 8 1 7 1 2 9 8 1 61 3 3 6 72 2 9 1 9 9 95 9 8 9 3 2 1 4 2 7 1 91 4 0 0 72 3 8 2 0 0 06 3 1 0 1 7 1 5 2 1 9 31 4 5 2 82 4 1 2 0 0 17 0 7 2 7 21 5 8 2 4 9 9 8 1 82 2 4 2 0 0 27 9 2 5 2 3 2 1 4 2 8 41 0 8 9 l2 7 o 本课题就是基于减少航班延误的考虑，希望建立机场终端区的作业模型，该模型包 括航班的进离港作业以及联程航班的机场地面作业等。并能根据航班的需要，合理地分 配机场的有限资源、协调规划管理各航班的地面作业进度，尽量避免因机场资源使用不 当和地面保障作业安排不力造成的航班延误。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 8 0 年代以来，国外学者分别采用数学规划、启发式规则和系统仿真等方法来研究航 空公司航班规划与航班不正常情况下的应急调度问题”。5 1 ，并推出了一些商用管理软件。 目前，国际上在空域和机场管理方面研究的机构包括各航空公司，机场当局和空中 交通管理部门等单位，一些研究成果也得到了应用： 波音公司开发的全方位空域和机场建模( 简称t a a m ) 软件。t a a m 是一个尖端 的空域和机场仿真系统，它能在虚拟多机场和航线空域的情况下无限制地模拟空中交通 管制( a t c ) 情况。此仿真工具能够为空管单位设计出与其所控制的空域相符的仿真三 维彩色模型，有助于做出决策，规划和分析。 v o l p en a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sc e n t e r 开发出了能够支持交通管理人员进行 中国民用航窄学院硕上学位论文 决策的c o l l a b o r a t i v ed e c i s i o nm a k i n 叠( c d m ) 程序，通过s t l 机场的实验己经证明了其 实用性。 日本于1 9 8 8 年设计a t f m 系统概念，1 9 9 1 年开始开发，于1 9 9 3 年基本完成试用 投入使用，该系统主要由流量管理中心和四个区域管制中心和主要机场终端组成。 在目前的a t m 系统中，实现a t f m 功能主要通过以下两种途径，以达到空中交通 管理需求与a t c 容量之间的平衡。战略a t f m ：在航空器起飞前几个月直到起飞前2 4 小时，主要解决瓶颈问题并采取改善措施；战术a t f m ：在航空器起飞2 4 小时直到起飞， 主要解决重新规划交通和合理分配时间间隔程序。 1 2 2 国内研究现状 与欧美各国相比，我国的流量管理研究起步要晚，直到2 0 世纪8 0 年代，随着交通 流量的增加，最先是一线的管制人员越来越深切的感觉到大流量的压力。2 0 世纪9 0 年 代初，管制人员在国际交流中，看到欧、美、日流量管理系统在平衡流量、控制交通拥 挤中发挥巨大的作用，认识到流量管理的作用。1 9 9 4 年，国内开始出现一些介绍国外流 量管理系统的文章，有关研究工作也逐渐展开起来。如我国学者胡明华等人 7 在1 9 9 8 年研究了多元受限的地面等待策略问题，并提出一个启发式和专家系统相结合的流量管 理新算法。2 0 0 0 年程朋等人 8 研究了有关空中交通流短期流量管理的动态网络流量模 型。 另外国内的一些航空公司也陆续引进了不同的商用管理软件系统，取得一定的应用 效果： 南航的运行管理与控制( s o c ) 系统是国内建成的第一套最先进的系统，目前拥有 航班动态控制、飞机载重平衡、飞行计划、航班跟踪及机组管理系统五大模块功能，同 时建立了气象情报、运行分析、航前通告、信息发布、电话查询、旅客服务等辅助系统 以及支持系统运作的导航数据库。飞行计划模块制作国际标准的飞行计划，优化航班载 量，减少油耗：载重平衡模块精确计算每个航班飞机的重量和重心，优化航班计划货运 量，提高载运率；飞行跟踪模块监控航班的飞行运作，为制定最优飞行计划和机组处理 特殊情况提供科学建议；动态控制模块合理调配机队资源，监控航班的执行情况，保证 航班的安全和正点；机组管理模块优化航班组合，合理安排机组资源，减少人力资源的 浪费；气象服务模块提供准确的航行、气象情报；旅客服务模块可以协调处理航班不正 常情况和紧急情况，为旅客提供更安全、更优质、更完善的服务；通过信息发布系统， 公司员工可以方便地在内部网页上查询到航班的计划和动态。目前，该信息系统已经推 广覆盖到南航所有运行基地。该系统的实施，将会在促进优质服务、提高资源利用率、 降低飞行运行成本方面起到很大作用。 中国民用航审学院硕士学位论文 m ( p ) = m ( p ) 一矿( p ，f ) m ( p ) + ( f ，p ) m ( p ) 一矿( p ，f ) + ( r ，p ) m ( p ) ( 2 1 ) m 作为m 在变迁t 发生下的厉继的事实记作m 【r m 。 定义2 7 可达状念：一个状态m 。是从m 1 可达的，当且仅当存在一个发生序列 盯= f l f 3 一使得肘，与m 。允许空发生序列。 2 2 2p e t r i 网中事件间的基本关系 p e 衄网中各个事件间有如f 几种关系： 定义2 8 顺序关系：如果m 【f 。 ，但一m k ，而m ，： ，其中m 。是m 的后继： m n m 1 ，就说和f ：在m 有顺序关系。如图2 1 中( a ) 所示。 定义2 9 冲突：若m n m f ： ，但一m ，岛 ，则和f ：在m 处互相冲突。 如图2 1 中( b ) 所示。 定义2 1 0 冲撞：若有p p ，c c ，和f r 使得f c ，而且p c n ，则说在c 条 件下p 处有冲撞( 其中c 是由成真的条件组成的尸的子集) 。如图2 1 中( c ) 所示。 定义2 1 1 并发关系： 和f 2 在c 下并发的充分必要条件是f nr = o f u f c 。 如图2 1 中( d ) 所示。 阳j f 和乜顺序发生 r c j f 和? 百相冲突在条件p 处会有冲撞r 州，和。并发 o 图2 一l 事件基本关系示例 r r f 一 一n， f ，r 萑 p p p p 若若若若 鬻辫鬻 中国民用航卒学院硕士学位论文 2 3 高级p e t r i 网 作为一个直观的图形工具，经典p e t r i 网在一定程度上可以解决描述模型的功能，但 是现实世界中的各种过程是很复杂的，有很多方面经典的p e 廿i 网不能完全胜任，如p e 仃i 网中没有全局时间的概念，在实际应用过程中由于结点过多，给分析和计算都带来很大 的复杂性。 由于p e t r i 网是一个开放的网系统，在应用于不同的领域中时，许多学者都有针对性 地定义了特定领域中适用的p e t r i 网，由此产生了很多不同定义的高级p e 埘网，p e 埘网 理论得到了极大的丰富和扩充。它的纵向发展表现为：从基本的条件事件网，经过位置 变迁网，发展到高级网。它的横向发展表现为：从没有参数的网，发展到时间p e t r i 网和 随机p e t r i 网；从一般有向弧发展到抑制弧和可变弧；从自然数标记个数到概率标记个 数：从原子变迁发展到谓词变迁和子网变迁。 随着系统逻辑层分析的进一步深入，必然进行物理层的处理，时间是系统物理层上 的一个重要参数。所以建立含时间因素的系统分析模型对实际系统来说是非常必要的， 于是在8 0 年代出现了时间p e t r i 网的概念。 在p e 仃i 网分析中，考虑到随机性问题而扩展出随机p c t r i 网，它是由m o l l o y 首先提 出的。m a r s o n 等人【9 】推广了m o l l o y 的工作，提出广义随机p e t r i 网( g s p n ) 模型，此 模型包括了某些变迁为立即变迁的情形。d u g a i l 等人【1o 】从另一角度推广了m o l l o y 的工 作，提出增广随机p e 仃i 网( e s p n ) 模型，该模型包含了抑止弧的情况。然而，这些工 作均未突破负指数分布的限制。文献【1 1 等分别从不同角度试图取消负指数分布的限制， 但仍有待进一步努力。 p e t r i 网的另一类重要拓展模型即受控p e t r i 网模型，它是将传统的控制思想引入到 p e 仃i 网模型中，使得原来的面向封闭的系统拓展为面向开放的系统。k r o 曲，i c h i k a w a 等人通过在变迁上引入控制位置及其托肯数来影响系统的行为，从而研究序列及状态控 制问题等。 近几年对p e t r i 网的重要拓展是引入了面向对象的p e t r i 网模型。面向对象是一种围 绕真实世界的概念来组织模型的全新的思考问题的方式。其基本的构造是对象，对象将 数据结构与行为都合并在单一的实体中。将p e t r i 网与面向对象技术相结合，则能弥补 p e t r i 网建模的复杂性缺点，可简洁地表示制造过程的各种制造资源、加工对象和制造过 程的各种约束，为系统的设计和分析提供更为有效的工具。 基于不同的应用形成了不同的高级p e t r i 网，这里不再逐一分析，下面仅对本文中 用到的几类高级p e t r i 网进行详细介绍。 2 3 1 时序p e t r i 网 时序p e t r i 网，又被译作时间p e 衍网，它使得库所和变迁具有了时间性。时间p e 廿i 中国民用航空学院硕士学位论文 网可以分为随机时间p e 仃i 网( s t o c h a s t i ct i m e dp n ，s t p n ) 和确定性时间p e m 网 f d c t e n n i l l i s t i ct i m e dp n ，d t p n ) 。随机p e 埘网是指变迁发生时间和时间延时大小是随 机的，又分为时间延时随机p e t r i 网和发生时间随机p e m 网( 或称广义随机p e t “网) 。 时间延时随机p e t r i 网是指其变迁的延时时间是随机的，一般按指数规律分布；发生时 间随机p e t r i 网是指变迁发生时间是随机的，变迁延时时间为零。确定性时间p e 埘网是 指设定库所和变迁的时间是确定的，它又分为库所时间p e 们网和变迁时间p e 廿i 网，库 所时间p e 廿i 网是对库所设定延时时间；变迁时间p e t r i 网是对变迁设定时间，进一步， 变迁时间p e 仃i 网又分为时间延时p e i 网和时间间隔p e t r i 网；时间延时p e t r i 网是指变 迁发生的延时时间，指变迁授权后经过时间延时t 后才发生；时间间隔p e t r i 网是变迁 发生的时间间隔( 授权时间a l ，撤消授权时间a 2 ) 。变迁只能在这个时间间隔( 8 l ，a 2 ) 内发 生，错过这个时间间隔则不能发生。 定义2 1 2 时间p e t r i 网是一个五元组z p = 俾乃fr ， 纠，它满足 1 俨，；刀为p e t r i 网，称为砰i 的基网，a 如是初始标识。 2 t 是一个时问映射函数，f ：r 斗o u q + ( q + 是正有理数集合) ，规定网中每个 变迁的持续时间，当持续时问为o 的时候，称之为瞬间变迁，不为o 的称之为时延变迁。 定义2 1 3 对于时间p e t r i 网卯= r p ，r ；只r ，删，其结构可以用一个大小 是吲x l 刁的矩阵表示：一= 一一一，其中= l 口，+ l ，4 一= q ，一 ，并且 吼+ ：j 1 当( t ，p j ) 峨f 1 ，2 ，”) 1 ，2 ，m ( 2 国 ” l o 其它情况 、。 玑一：1 当( 孙) e 尸，f e 1 2 ，n ) ， 1 2 ，m ( 2 3 ) “ o 其它情况 、。 称爿是开的关联矩阵。设m 是的可达标识，那么存在非负整数的n 维向量x 使得m = 地+ ，称为”w 的状态方程。 2 3 2 带有抑制弧的高级p e t r i 网 在p e 仃i 网的应用过程中，由于实际需要的不同，经常有必要对经典p e m 网添加某些 限制或作些变动。本文中考虑的机场终端航班流量模型是一类具有优先权和其它复杂限 制的模型，为了对这一类模型建模，我们引入了抑制弧p e 嘶网的概念。抑制弧p e t r i 网是 一种扩展的p e 砸网，它是将适用于经典p c t r i 网的变迁使能的规则作了某些改变。抑制弧 p e t r i 网中与抑制弧相连的变迁只有当其相应的输入库所不含托肯时才使能，否则，不使 能。而变迁激发时，抑制弧上没有托肯的流动。当抑制弧带有权值时，与加权抑制弧相 连的变迁只有当其相应的输入库所所含的托肯数小于权值时才使能。 1 0 中国民用航空学院硕卜学位论文 充其它属于自己的内容，继承机制是组织、构造和重用类的一种重要工具。关联用于描 述类与类之间的一般性关系，由于对象是类的实例，因此，类与类之间的关联也就是其 对象之间的关联。类与类之间有多种联接方式，每种联接的含义各不相同，但外部表 示形式相似，故统称为关联。关联关系一般都是双向的，对象双方彼此都能与对方通信。 反过来说，如果某两个类的对象之间是可以相互通信的关系，或者说对象双方能够感知 另一方，那么这两个类之间就存在关联关系。聚合是关联的特例，如果类与类之间的关 系具有整体与部分的特点，则把这样的关联称为聚合。 3 子系统模型 子系统模型把子系统描述为一个由若干高度相关的类、关联、操作、事件和约束的 封装，同时描述了建立在这些封装所提供服务基础上的子系统的独立性。理想的情况是： 一个子系统能够提供给其它子系统一个最小的定义良好的接口。 4 动态模型 动态模型描述特定类型( 类) 的对象生存历史，它描述发生操作的结果，不考虑操 作什么，如何执行。在许多面向对象的方法中，都采用状态图作为描述对象行为的基本 手段，建模状态图是对状态机的可视化描述，包括状态和变迁。状态是对象的生命周期 中满足某种条件、执行某些行动或等待某些事件发生的一个阶段它能持续一段时间： 变迁是从一个状态节点( 源状态) 到另一个状态节点( 目标状态) 的变化。 5 组件模型 组件由实际的3 g l 或4 g l 源代码组成或二进制代码构成，它也包括物理数据库模 式以及测试脚本，这些测试脚本用在单个应用组件中执行单元或子系统级的测试。 6 配置模型 配置模型描述了信息系统将要运行的环境，包括各种计算资源、设备和这些设备之 间的连接，配置模型还描述信息系统的各个进程在这些资源和设备上的分布状况。配置 模型定义了系统中软硬件的物理体系结构，它可以显示实际的计算机和设备( 用节点表 示) 以及它们之间的连接关系，也可显示节点以及组件之间的依存关系。 2 3 3 3 面向对象的时序p e t r i 网 p e t r i 网是一种可用图形表示的经典模型，具有直观、易懂和易用的优点，能简洁地 描述系统的特性( 如：并发、同步、冲突等) 和系统中的资源及约束条件，对描述和分 析并发现象有其独到的优越之处；p e t r i 网在表现对象的内部行为，特别是复杂行为和多 个行为之间需要协调时是一种非常好的建模手段；p e t r i 网又是严格定义的数学对象，借 助于数学开发的p e t r i 网分析方法和技术既可用于静态的结构分析，也可用于动态的行 为分析。而时序p e t r i 网在p e t r i 网中加入了时间参数，且规定了变迁发生的顺序，成为 评价系统动态性能的有效工具，所以时序p e t r i 网被广泛的应用在具有并发、同步、冲 突和随机性质的系统建模和分析中，但传统的p e t r i 网模型，对大型系统存在模型复杂 性的问题，尽管可通过采用高级p e t r i 网和化简方法来降低模型的复杂性，但效果不甚 理想，实现较为困难。 中国民用航空学院硕卜学位论文 9 0 年代初期，面向对象技术已经得到相当广泛且成功的应用，于是人们考虑将面向 对象技术与p e m 网进行结合，从而达到有效简化模型的目的。在本文中，将面向对象 技术与时序p e t r i 网进行有机结合，形成面向对象的时序p e t r i 网工具。 p e 仃i 网在描述系统时，把数据流与控制流结合在一起，具有面向对象技术中数据和 操作相结合的特征；用p e t r i 网建立的系统模型能逐步细化或高层抽象，具有较好的模 块性；p e t r i 网的托肯( t o k c n ) 运行驱动机制与面向对象技术中的消息机制十分相似， 都是基于事件的驱动方式；p e 廿i 网中库所节点与对象的状态、条件或者某些数据相对应， 而变迁节点与对象的动作相对应。面向对象技术在p e 仃i 网理论中的引入是将系统看成 是由一些相互作用的对象构成的集合，而p e t r i 网用来描述集合中对象的行为或操作， 通过缩小问题空间的方法将状态的数量限制在可以接受的范围之内。面向对象时序p e t r i 网模型用状态来说明系统的行为，状态用库所表示，引起状态改变的基本事件或动作用 变迁表示，输入弧表示一定的状态会引起变迁的发生，输出弧表示变迁的发生使组件进 入另一状态，系统所处的状态取决于库所中的托肯分布。 2 3 3 4 面向对象时序p e t r i 网 1 对象 对象主要是通过输入和输出端口来体现，对象作为结构化的模块，一个简单对象就 是一张有输入和输出端口的p e t r i 网。o o t p n 通过接口与外部对象进行通信，输入端口 接收外部对象的请求，或者接收外部对象完成本对象的服务请求后发回的应答；输出端 口向外部对象发送请求，或在完成外界请求的服务后发送应答消息。端口中的信息是对 象之间收发的消息。o o t p n 的内部结构不可见，在对模型进行引用时，操作只能由接 口中的消息与网中的托肯来驱动。对象的多个功能集中在一个网中，通过不同的接口来 申请不同的服务。 2 托肯 在o o t p n 中，托肯可定义为结构化数据( 如基本类型、枚举类型以及数组等) ，也 可以定义为对象，它包含一定的数据项和数据可以接受的操作。在网运行过程中，变迁 对托肯中数据的修改往往表示特定的语义。托肯除了能够记录入口接收到的信息外，对 象发送给外界的信息也总是来自托肯中的数据。 3 库所 在o o t p n 中，库所是一个可以缓冲托肯的结构。 4 变迁 为了处理冲突以及其它需要，变迁增加了优先权、动作延迟时间等属性。使得能够 利用p e t r i 网通过在时序序列中不断向前推进的手段来进行仿真。另外，变迁带有谓词 函数和动作函数，谓词函数主要确定变迁发生的条件，执行动作函数并对托肯进行处理 来完成对象状态的改变，某些变迁还负责向外部对象发送消息。 5 弧 弧上带有谓词函数，作为变迁开始启动和结束的条件之一，为了增加模型的语义表 中国民用航空学院硕 学位论文 达能力，允许使用抑制弧。 “鲥羹作业趸指囊，融始魏鹫彗霉 羹球彝耩孙群融赫拍封剥轴产粉斡幂妇 墒雠搿黼劳需铺等；型趣牛雍坼精簟目钟疆卵蠹懈而祚业部、货运群油料公亟食：前誊 掣步篓剖堂笋彰硐1 霹渤睡r 目姻霾羁瑗妻引i ”酶刿驯f 蝉圄掣引卦黔e 垂j 嘲 画猁涮滞! 离区尥圣首搔稀捌，夯i u醵耨杉孙萍苻鎏隘羹静j璐w傅一工作人员的活动一定要限制在这些特定的区域内。下表列举了这些 地面作业活动。 表3 3 地面作业运作的范围 航站楼 外场 客机坪服务客机坪飞机服务机上服务 客机坪设备 行李检查 行李处理 行李领取 售票和值机 旅客上下飞机 中转旅客处理 老年人和残疾人的服务 信息系统 政府控制 配载 治安 货物 监控 飞机引导 飞机发动 飞机移动和推拉 安全措施 故障检修 加油 轮子和轮胎检查 地面动力供应 中同民用航空学院硕十学位论文 然而经典p e t r i 的不足之处使得其描述对象的能趔莳滢二奔群篓诺燮屣托谐掣龙坚 弩备烃罄蝣羹摹象磊胡羹 | 登作! 纠蛩莺珀郅苍末桔喾薪菥萄誊! 躇坞鼍徭蝾一滥? 濡 氆臻碟慢墙野罐j 崭赫萋耋j 二间会造成干魏可剩情制：进行茹瓤瓢萌甄币鲞藉揖 霄芤j 中国民用航卒学院硕士学位论文 第三章机场终端区作业 3 1 机囊溪垂鍪鬈鍪蒌霪鬃鬟鍪 驴：；j i 嗲瑚 雪毽凑卸哮焉朋晦哨i 妣鸳7 珞黜辣8 ；兽汞j 寸j 裂茬疵菁厕重；e 算对象之间如伺 进行联一系明轩热奘醒j 堪啦卿| 薹息通信完成咀消息是对象二之吼霪理理馒斟狎錾弼筘 翘俐溘忻料耀磷丽滔；m 褊锞碗受河缘渺奔徊耀馐衙湾i g 到洲莉眦。濞摄。! ， 堞群鬈昱浩省鬻再蛮翌餐拦中 。某一对象在执行相应的处理时，它可以通过传 递消息请求其它对象完成某些处理工作或提供某些信息( 如果需要) ，其它对象在执行 所要求的处理活动时，同样可以通过传递消息与别的对象联系。即当对象之间需要通信 的时候，发送消息的对象将需要接收对象执行活动的信息封装在消息中发送出去，而不 需要了解消息的具体响应过程；接受消息的对象在接收到消息后，对它进行解释，然后 给予响应，这就是基本消息的通信机制。 5 继承 继承是类之间的一种关系，即自动共享类、子类以及对象中属性和行为的机制。被 继承的类称为父类( 基类或超类) ，继承的类称为子类( 派生类) 。继承意味着子类“自 动拥有”或“隐含地复制”父类中的属性和行为，在父类中已经定义的行为和属性不必 在子类中再定义，子类自动拥有，当然，子类还可以扩充其它属于自己的内容。 6 ，多态 对象接收消息后需要对它进行响应，不同的对象收到同一消息可以产生完全不同的 结果，这就是多态，即一个动作具有多种表现形态。引入多态的机制后，用户可以发送 一个通用的消息，而实现的细节则可以由接收对象自行定义。这样，同一消息就可以调 用不同的响应方法。多态的实现受到继承机制的支持，应用类的继承关系，把具有通用 性的消息放在高层次，而不同响应这一消息的行为放在较低的层次上实现，这样，在低 层次上生成的对象能够给通用消息以不同的响应服务。 2 33 。2 面向对象建模中的模型 自从面向对象技术被人们广泛接受，在信息系统建模中就出现了许多基于面向对象 技术的分析和设计方法，总结现有的各种面向对象的建模方法所得的模型，主要有以下 中国民用航空学院硕卜学位论义 3 1 2 枢纽机场 枢纽机场是指全国航空运输网络和国际航线的枢纽，运输业务特别繁忙的机场。在 枢纽机场，有大量往来于很多机场的航线与航班，旅客在这罩可以方便地中转去其他机 场。枢纽机场是为支持航空公司的中枢航线网络而设计的，基本上是一个中转中心，因 为中枢航线网络要求机场的航班编排系统能实现在短时间内从一架飞机中转到另一架 飞机。 3 1 3 机场容量及其影响因素 通常，对于实际应用来讲，机场控制区和非机场控制区是为了方便分析而分的。机 场控制区对机场的服务水平起着主要作用，当飞机的需求在机场供给范围内时，可以达 到平衡。所谓飞机的需求是指飞机准备起飞或着陆，供给是指机场能达到的服务水平， 即机场容量。 容量的一般意义是用来表示一个服务设施在某一时间段内的处理能力。在航空系统 中，它通常是与飞机的延迟有关的。当机场的飞行量接近系统的容量时，飞机的延迟就 会不断增长。如果飞行量需求接近饱和容量时，飞机的延迟急速增加，形成拥挤现象。 延误时间与机场容量的这种关系可用图3 2 来说明。通常，机场容量表示在一个可接受 的平均延迟程度下，一定时间段内的最大飞行操作架次。在实际工作中，饱和容量是比 较难以达到的极限状态。对于任何一个机场机场容量包括进场容量和离场容量，一般 定义为机场单位时间能够处理的进场及离场的飞机数量。 平 均 延 误 时 间 机场彝量最大容量服务请求 图3 2 平均延误时间与机场容量的关系图 机场容量是指单位时间内机场可以接收及放飞飞机的数量。影响机场容量的因素很 多，包括：机场天气状况( 如能见度、风力、降水、云层等气候条件) 、空中交通管理 间隔标准、各型飞机的比例( 即机型混合比例) 、机场跑道布局及跑道占用时间、设备 运转状况等。 中国民用航空学院硕士学位论文 从长期来讲，空中交通管制间隔标准严重地影响着机场容量，空中交通管制间隔标 准规定了飞行器间的安全隔离，它防止了飞行器间尾气涡流的相互影响，保证了航班起 降操作安全。表3 1 和表3 2 为使用同一跑道或间隔小于7 6 0 米的平行跑道，起飞和着 陆的最低时间间隔标准。在保证航班起降操作安全的条件下，研究如何改进管制技术、 降低飞行器间的安全隔离是提高机场容量的重要措施之一。 表3 1 起飞最低时间间隔 前航空器重型重型重型中型中型中型 后航空器重型中型 轻型重型中型轻型 间隔2 分钟2 分钟3 分钟 2 分钟2 分钟2 分钟 表3 2 着陆最低时间间隔 前航空器重型重型重型中型中型中型 后航空器重型中型轻型重型中型轻犁 间隔2 分钟3 分钟4 分钟2 分钟2 分钟3 分钟 对一个确定机场来说，机场跑道布局及跑道占用时间、设备运转状况等都对机场容 量有较大影响。跑道布局不合理，各跑道之间相互影响不能同时进行起降操作，都会降 低机场容量；机场其它设施( 如：跑道出入口，滑行道等) 若过少或布局不合理，都会 使飞机操作的跑道占用时间增长，降低机场容量；设备运转状况差，经常出现故障，也 会降低机场容量。 影响机场容量的另一个重要因素就是机场天气状况( 如能见度、风力、降水、云层 等气候条件) ，在现有管制技术下，对一个确定机场而言，机场天气状况可以说是影响 机场容量的最关键因素。在机场的调度中，不同天气状况，采用不同的操作规则，天气 情况好，可见度高的情况下，一般采用目视飞行规则( v f r ) ，机场的容量相对较大； 而天气较差、能见度低的情况下，采用仪表飞行规则( i f r ) ，机场的容量相对较低。 3 1 4 机场作业 机场终端区作业是整个航空运营过程中最复杂的一环，它不但包括飞机的起降操 作，同时还涉及到飞机起飞前和降落后的一系列地面保障作业，通过对机场终端区作业 运营的分析，我们可以把整个机场作业看成是一个复杂的离散事件动态系统，如下图所 示，系统的输入输出分别是飞机的进场和离港。 中国民用航窄学院硕士学位论文 牵引设备来移动飞机，使用牵引车推出飞机时，牵引车在越过一段很长的滑行道时必须 达到一个合理的速度。在机场，一旦开始牵引飞机，这架艘驺墓舜拣鞠孙嚣张摧跏削鞭 甑醮鞋酏辨雾卵譬；“w j 餐擞形嘉嚣圜髫毖枣不万! 话来描签一萎笏的各个箱楫诗； l 言| ：l 目民心“塑吲型 隧糕9 刊靴骗赫麓* 的静糕刁是凼u u i 翻鲍秘堑一嚣掣崭攀签孽叉形式化的 描述能力； 2 高级p e t r i 网可以方便地进行层次化的建模，这适合于自顶向下的建模及各个阶 段的独立验证和确认； 3 p e 研网有见地的理论基础和比较成熟的分析方法，如可达树、可达图、系统的占 不变量、t 不变量、安全性、死锁等特性分析，而随机p e t r i 网则可转化为马尔可夫链进 行分析，这些分析可以使系统的特性在运行前被检查从而避免错误。 p e t r i 网既是图形工具又是数学工具，具有图形直观、能描述冲突和真并发，且能以状 态分布表示等优点，被认为是迄今研究离散事件系统的最有力的工具。 文献 2 1 引入了一种新型的受控赋时p e t ri 网来描述批处理系统的离散系统的建模。 由于p e t r i 网的图形表示能力可以形象地描述各操作间的并发、因果及等待时间约束关系 从而可将批处理的加工流程显示在图形上。另外，受控赋对p e t r i 网借助于为动作库所赋 予的不同时间参数，可描述批处理过程中的零等待与有限时间等待的中间存储策略，并 通过引入控制库所来完成离散控制，消除资源争抢引起的冲突，实现“调度”功能。这类 系统一般可用s p n 随机p e 砸网来描述。文献 2 2 、 2 3 具体讨论了一种并行算法的语义 描述。 另外在计算机科学相关领域p e t r i 网也有非常广泛的应用，这里不再详细列出。 当前国际上应用的热点和难点主要表现在以下两个方面。 1 基于抑制弧p e 缸网在离散事件系统监控理论中的应用。利用抑制弧监控离散事 件系统的理论有一个共同的特点和优点：控制概念清晰，易被控制工程师所理解和接受。 所以如何来综合离散事件系统的p e t r i 网控制器是一个发展方向。难点在于如何高效地求 取临界状态，如何确定一个抑制弧的合适的权值并借以控制哪些变迁。这有待于p e t r i 网 理论本身的发展。 2 如何将离散随机的模型转化成连续确定的近似模型，从而更好地用于对离散事 件动态系统建模。文献 2 4 提出了一种新的发展观点，即可以将离散p e t r i 网的属性与相 对应的连续近似模型的属性相比较。 2 5 小结 p e t “ 网是近些年来被广泛研究和使用的技术，最早提出的p e t r i 网模型应用范围有 相当的局限，随着研究的深入，人们逐步对经典的p e t r i 网进行各种扩展，使得其建模 能力和分析技术能够适用于各种领域。本章重点介绍了经典p c t r i 网的概念，给出大量 的形式化 中国民用航空学院硕卜学位论文 4 1 系统模型 第四章机场终端区作业建模分析 前面指出，整个机场终端区的作业是一个典型的离散事件动念系统，这个系统包括 一个有限的状态集合和事件集合，它是在事件作用下产生状念转移，并同时产生输出， 这一现象称为事件驱动。状态图是描述这一过程的最直观的方法。状态图中的事件一般 是异步和并行地发生，事件与事件之间、事件与状态之间都存在一定的约束关系。状态 图全面反映了在事件驱动下所有状态转移的可能性。 机场终端区作业是包括航班的到港作业、停机位配置、机场地面作业、离港作业一 体化的离散事件系统，是民航运行中最复杂的一部分。如下图所示： 图4 1 机场终端区作业描述 一架飞机由航路进入进近区域，管制员根据容量确定是否让其加入等待降落队列， 同时航班信息显示给机场当局，机场根据到港航班信息，制定停机位分配以及机场地面 作业方案，当条件许可时，飞机降落占用跑道，滑行到预先分配的停机位，并实施上下 中国民用航空学院硕士学位论文 旅客、装卸货邮、加油燃料等一系列地面作业，地面作业完成后，飞机进入起飞队列排 队，等待起飞，当跑道可用，且没有飞机降落时，管制员对请求起飞的飞机放行，飞机 起飞后进入航路。这一复杂的过程用面向对象的p e t r i 网可表示如下图所示： 幔 图4 2 系统o o p n 模型 其中，图中各符号的意义如下表所示： 表4l 备符号意义 对象代表意义门意义 输入消息 意义 输出消息 意义 o ig 1 请求进近 m 1 航班信息 眠1 请求信息进港航班 q 机场当局 q 着陆 m 2 航班信息 地面服务 q 塔台管制 g作业完成 降淘航班 地 允许降落 m 3 qm 4驻场航班 允许起飞柳场作刮k起飞 q 驻场离场航班 地 作蝴 m 5 q 离港 m 6请莎，窟飞地 起飞队列 0 7 出发走廊 4 2 对象的内部结构 机场终端区作业是个复杂的系统，各对象之间存在着继承、关联等关系，我们根据 中国民用航空学院硕+ 学位论文 本文要研究的主要内容，着重介绍航班进港作业、离港作业和机场地面作业( 本文中主 要研究的是停机坪上的作业) 这三类对象的内部结构。 4 2 1 进港 航班的进港内部结构图如下所示： 图4 3 进港内部结构图 图中各库所及变迁的含义如表所示。 表4 2 库所及变迁的意义“ 库所含义变迁作用 p o 跑道状态 t o 航班进入走廊 p l 管制许可 t l 请求进近 p 2 航班请求进入走廊口 t 2 清求进入跑道 p 3走廊入口排队 n 进近航班 p 5 进近着陆 p d 表示跑道是否可用，有托肯则表示跑道空闲，否则要等待，p ，中有托肯表示管制 员放行许可，n 中的托肯表示此时有一架航班请求进入空中走廊入口。b 上的k 表示 它们最多可容纳的托肯，即出入口走廊的容量。抑制弧上的表示权值，只有当输入 库所中的托肯数小于时相应的变迁才能激发。其它没有特别说明的库所则默认其容 量为。，有向弧默认其权值为1 。 该p e 俑网模型表示机场终端区进港部分的逻辑关系。首先有一架飞机请求进入空 中走廊入口，根据变迁使能的条件可知，若引发后，乃中的托肯数大于其容量时， 则变迁不能发生，否则，经过管制许可，航班进入走廊队列乃，某一时段该走廊中的一 中国民用航空学院硕士学位论文 定数量的航班进入一等待着陆。抑制弧上的权值表示为该机场的到达容量。当跑道可 用时乃激发，n 中的托肯移走，该时段有不大于机场到达容量的航班可以降落。 4 2 2 离港 图4 4 离港内部结构图 离港模型中库所和变迁的含义如表 表4 3 各库所及变迁的意义 库所含义变迁作用 p o 跑道状态 t 6 进入出口走廊 p l管制许可 l飞机起飞，释放跑道 p 5 进近着陆 p 8 地面等待 p o 起飞 p l o 航路入口 航班在机场经过停机位分配以及一系列的地面保障作业之后进入岛等待起飞，在 该时段允许起飞的航班进入岛，占用跑道，没有飞机降落即p j 中没有托肯时，在管制 许可下飞机起飞，起飞后释放跑道。但该时段实际起飞的航班流量不能超出机场出发容 量。 4 2 3 机场地面作业 本文所要考虑的主要是联程航班的地面作业，通常是指航班在某一机场做短暂停 中国民用航卒学院硕j 二学位论文 图5 2 首都机场进离港p e t r i 嘲模型图 一般机场的调度方式是让飞机在地面等待，对离港航班的控制是只要走廊口拥挤， 航班暂不起飞，在地面等待，直到满足起飞条件后，飞机起飞，根据需要进入不同的走 廊。 5 ，3 模型分析 为了对上一节建立的首都机场进离港系统的p c t r i 网模型进行分析，苜先定义一组参 数： ，为要考察的一段时间，它被分割成长度为1 5 m i n 的n 段不连续的时间段，- 1 ，2 ， ， ，代表一组时f 刚间隔。l 厂= 1 ，2 ，3 ) 为走廊口集合。 、鲧、已j ，_ 分别代表在第j 个时间间隔内第个到 达走廊口的容量、需求、队列和流量。 c 。、c 分别代表在第j 个时间间隔内跑道的到达和出发容量，j 上 中国民用航空学院倾士学位论文 互、f ，、q k 。、j 0 ，分别代表整个机场系统在第f 段时间内的到达和出发过程 的队列和流量。 把第1 段时间看成一个整体，根据p e t r i 网运行规则，可以得到如下公式： 瓦、巧、矗1 使能后，在第f 段时间，各走廊口的输入为_ 1 ，输出为所以 在空中走廊的航班数为： m ( a ；) = 鲸，= 鳞+ l + 。一一l ，f j ， ( 5 1 ) 即第f 段时间开始走廊口的队列应该是在第f 段时间开始的走廊口的队列( 原来 的标识数) 加上前一段时间的初始需求( 输入) 再减去前一段时间内的实际流量( 输出) 。 正、正。、l ”使能： m ( 剐= k ，= 影。，f ，- ，j ( 5 2 ) 乃使能的条件是： _ 商= o 畎气列 c s 。， 同理对于出发的航班有： 等待起飞队列： m ( 最) = = 一+ _ 1 _ 一一 ( 5 4 ) m ( b ) = ，矿( b 斗弓) = c 却； ( 5 5 ) 且从p 。到t ，的抑制弧表明了到达优先权。 定义一系数a 2 一，) ，口表示着陆的优先度一心，? 2 。时表 示只优先起飞，口= 1 时，表示只优先着陆。 5 4 目标函数的确立 对一个机场到达和出发过程的控制的最终目的是希望在每段时问内机场的流量都 尽可能大，即使机场到达和出发的延误航班队列尽可能小，由此构成一个目标函数： 奶：m i n 艺蜴，+ 艺q d 0 lr = 1 f ；t j 幺。、鳊，分别代表第f 段时间到达、出发延误的航班数。 ( 5 6 ) 中国民用航窄学院硕+ 学位论文 但是现实系统的局限性，使得航班的延误仍会存在，我们的目标还要求一旦出现延 误，要尽量使延误造成的损失最小。考虑到航班的空中等待和地面等待给航空公司带来 的损失是不一样的，通常认为航班的空中延误造成的单位时间成本损失较大，且存在很 大的风险。具体的延误成本由很多因素决定，本文的重点不在讨论航班延误带来的经济 损失，而是希望通过空中延误和地面等待造成的损失对比，选出一个合理的优化调度方 案。因此本文难以考虑单位延误成本的确切的数值，而是通过对到达航班和出发航班的 延误人为加上一个不同的惩罚系数巳和c ，通常认为若因为空中等待使得航班延误则 给一个很大的惩罚系数c 口，因地面等待造成的航班延误加上一个相对较小的惩罚系数 q ，即c 口 g 。由此我们德到模型的另一个目标函数： r+ l+ l1 巴= m i n 巴g + e 鳓。 ( 5 7 ) l f = 1f _ 1 j 上式两边同除以c ，得到 r ，t，“1 d 。= m i n g ，+ q d f ( 58 ) 5 5 航班进离港系统仿真 5 5 1 首都机场到达和出发容量曲线的确定 机场的容量由很多因素决定，具体到首都国际机场，它的容量由机场附近具体的空 域结构、跑道构形等因素决定，下面一一介绍。 1 首都机场走廊结构 所谓空中走廊，是在两点间连线的两侧各有一定宽度的空中飞行通道，供航空器在 走廊内实施点到点间的飞行。根据有关的规定在我国1 3 个城市的机场设置了空中走廊， 设置空中走廊的目的是使航空器严格按照走廊的限制进行飞行，避免航空器进入走廊外 限制飞入的地区( 如空中禁区、限制区、危险区等) ，空中走廊有单向飞行和双向飞行 走廊。 首都机场周边有7 条走廊，其中2 号走廊属空军指挥，其余的6 条走廊属民航指挥， 1 号、3 号、5 号为进场走廊，其中从1 号进走廊的飞机占8 0 左右，3 、5 号各占1 0 左右：4 号、6 号、7 号为离场走廊，从4 号出走廊的飞机点1 0 左右，6 号占4 0 左右， 7 号占5 0 左右，进离场已分开，属于单向走廊；走廊宽度：1 、2 、6 、7 走廊为8 公里， 4 、5 走廊为1 0 公里。 ， 2 跑道结构 首都机场有两条平行的跑道，目前的跑道运行方式采用的是分开运行，即一条主要 用于着陆，另一条用于起飞，实际这种运行方式本身就减少了机场的容量。那么在雷达 中国民用航空学院硕t 学位论文 首都机场1 9 6 0 m ( 6 4 3 0 f t ) 的跑道间隔远型酣酵觯骷_ | 毫| | i ；