（管理科学与工程专业论文）民航旅客流程优化与仿真研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 时间，随着生活节奏加快、社会竞争激烈，已成为人们关心的焦点。交通运 输的发展，为人们出行提供了便利，节约了大量旅途时间。但是，随着交通工具 速度的提升，交通方式之间的衔接逐渐成为运输中的瓶颈。尤其在航空运输中， 耗时的地面运输、烦琐的手续和漫长的候机，使得民航运输在铁路和公路的发展 中受到冲击。因此，民航旅客运输系统的便捷化是民航运输的一个重要问题，也 是在实际中难以解决的一个问题。 本课题是民航科研基金资助的“便捷民航运输研究”项目中旅客流程优化子 课题。该课题包括两个部分，一是航站楼旅客流程仿真研究，二是民航路侧交通 优化研究。在对航站楼旅客流程的研究上，采用全过程均衡和流程再造的思想， 结合仿真技术，建立航站楼旅客流程模型，对各种流程方案进行仿真评估和优化 研究，辅助决策者做出合理的选择。在对国内外航空陆侧交通的研究上，针对 现有陆侧交通的不足，提出“活动航站楼”，这结合快速交通工具、并行旅客 流程的新想法，并对“活动航站楼”的实施、赢利模式做了详细分析。 关键词：旅客流程、便捷、航站楼、仿真、模型 民航旅客流程优化与仿真研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h em o r eq u i c kr h y t l m r i so f l i f ea n dm o r ec o m p e t i t i v es o c i e t y ，t i m ei s t a k i n g m o r ea t t e n t i o no fp e o p l e t h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n b r i n g m o r e c o n v e n i e n ta n ds a v em o r et i m ef o rp a s s e n g e r s h o w e v e r ，t h e j o i n t sb e t w e e nv e h i c l e s a r eb e c o m i n gb o r t l e n e c kw i t ht h e s p e e d i n gu p o f v e h i c l e s e s p e c i d ly ) t i m e c o n s u m i n g t e r r e s t r i a l t r a n s p o r t a t i o n ，t r i v i a lp r o c e d u r e s a n d l o n g t i m e w a i t i n g i nt h e a i r p o r t t e r m i n a l i m p a c tt h ec i v i la v i a t i o ni nt h ec o m p e t i t i o nw i t l lr a i l r o a da n dh i g h r o a d h o w t om a k ep a s s e n g e rp r o c e s sm o r eq u i c ka n dc o n v e n i e n ti sa ni m p o r t a n ti s s u ei nt h e d e v e l o p m e n to f a v i a t i o nt r a n s p o r t a t i o n ，a sw e l la si nr e a lp r a c t i c e t h i st h e s i si sas u b p r o j e c t ”c o n v e n i e n ta n ds p e e d u ps t u d yi nc i v i la v i a t i o n t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ”，i m b u r s e db yg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no fc i v i la v i a t i o no f c h i n a t h i ss u b p r o j e c ti n c l u d e st w op a r t s ，o n ei st h es i m u l a t i o no fp a s s e n g e rf l o wi n a v i a t i o nt e r m i n a l t h eo t h e ri st h e o p t i m i z a t i o no f r o a d s i d et r a n s p o r t a t i o no fc i v i l a v i a t i o n t h et h o u g h to fb a l a n c e m e n ti nw h o l ep r o c e d u r ea n dp r o c e d u r er e e n g i n e e r a r ee x p o u n d e di nt h i sp a p e r a n dt h es y s t e mw i l lh e l ps u p e r v i s o r st om a k ed e c i s i o nb y s i m u l a t i o nm o d e l s a l s o ，t h i sp a p e rs t u d i e s o nr o a d s i d e t r a n s p o r t a t i o n o fc i v i la v i a t i o n w ep u t f o r w a r d “v o l i t a n tt e r m i n a l ”，w h i c hc o m b i n e sh i g h s p e e dv e h i c l e sa n dp a r a l l e l i n g p a s s e n g e rp r o c e s st om a k eu pt h ed e f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a lt e r m i n a l f u r t h e rm o r e ，t h e s t u d yc o m p r i s e s o f p r a c t i c ea n dp r o f i tm o d e k e yw o r d ：p a s s e n g e rf l o w , c o n v e n i e n t ，t e r m i n a l ，s i m u l a t i o n ，m o d e l i n g 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学泣论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 主j 盔降瓠 日期： z 咀：；：置 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 国内交通运输体系各行业闻竞争加剧 进入“十五”以来我国的交通运输格局已经发生了显著的变化。一是交通 运输市场目益繁荣，使得交通运输量持续上升，消费性旅行增长大于生产性旅 行，季节性客运和假日客运大幅度增加，旅客对旅行“安全、快捷、舒适”的 要求显著提高。二是综合交通体系中各行业间的竞争加剧。 铁路部门自1 9 9 7 年以来5 次提速，调整运行时刻，开通“夕发朝至”和“直 达”特快列车，狠抓服务质量。铁路，不仅获得全社会普遍的赞誉，也使客运 量大幅度攀升，一举抑制了自1 9 9 4 年以来客运量连续3 年下滑的态势，扭转了 连续j 年累计亏损1 3 0 多亿元的局面，实现了连续5 年全行业盈利，取得了良 好的经济效益。根据铁道部的发展计划，“十五”期间铁路的提速目标，就是要 建成“三个中心”：以北京、上海、广l , i 为中心，建成连接主要城市的全国铁路 快速客运网，总里程约1 4 0 0 0 1 6 0 0 0 k m ：“三个提速圈”：以中心城市为圆心， 半径约5 0 0 k m 的城市间实现朝发夕至，半径约1 2 0 01 5 0 0 k m 的城市间实现夕 发朝至，半径约2 0 0 0 2 5 0 0 k m 的城市间实现一日到达。“。 与此同时，交通部门一方面利用基本投资拉动内需的契机，大力促进高速 公路的建设，另一方面联合公安部和地方政府，对重要的国道、省道实施“畅 通工程”，使得公路运输在基本建设和交通管理方面都取得了飞速发展。根据交 通部十年发展规划，2 0 1 0 年末，将基本建立以“五纵七横”国道主干线为依托 的快速客货运输体系。“1 这些都在一定程度上影响民航短途客货运输的发展。 1 1 2 铁路提速对民航形成了强有力的冲击 铁路的不断大提速并非针对民航，但是，铁路提速的影响对民航来说，却 是直接的、巨大的、长期的。过去，铁路的发达本来就对短途航线产生定的 影响。此次提速后，北京到郑州、太原、沈阳、呼和浩特等城市均可早出晚归。 还要看到，火车站一般都在市内，上下火车都较方便，比起坐飞机来，“两头” 要少用两三个小时。如此计算，乘飞机与坐火车所用的时间则相差无几了。加 之铁路运输的成本相对较低，其运价早已适应了大多数旅客的需求。 铁路对长途航线也将带来严重影响。过去，由于受火车速度的限制，铁路 对民航的长途航线基本上未能构成威胁。然而提速后，北京到南昌、杭州、齐 齐哈尔等城市均可一夜到达：北京到深圳、福州、重庆、成都等城市均可一品 民航旅客流程优化与仿真研究 到达，大大的缩短了运行的时间。这使民航1 0 0 0 - 1 5 0 0 公里的航线失去原有的 优越性。( 如图1 ) 。 图1 1 铁路提速旅客流量变化情况 铁路这一系列改革构成了对民航的经济效益和生存发展的严重威胁。铁路 此次提速后，对旅客具有很强的吸引力和诱惑力，加之“9 1 l ”恐怖事件的出 现和民航连续发生的两起空难的阴影尚未完全消除，航空公司飞机的利用率、 客座乖用率和载运率都有一定下降，其经济效益令人担忧。 1 1 3 国际市场竞争压力 自1 9 9 8 年发生东南亚金融危机以来，国际上尤其是东亚地区的旅客航空市 场持续走低。在美国“9 1 1 事件”的发生更是对国际航空市场有着深远的负面 影响，使得国际旅客民航发展始终处于一种低速增长的趋势，我国旅客航空市 场在这一背景下也受到不小冲击。另外从国际航空市场竞争环境来看，临近国 家的大型枢纽机场也正联合其枢纽航空公司及其联盟航空公司极力争夺我国的 国际航空旅客市场资源。0 1 11 4 管理车n 制相对落后 民航总局直属航空运输及保障企业改革、重组方案已经获得批准，并正式 开始实施，机场下放地方的重大改革措施也已经出台，整个民航体制改革的框 架已经形成。在这一时期，民航运输管理方面的改革便显得尤为重要了。相对 与铁路、公路交通运输方式的快速发展，民航旅客运输中的手续繁琐、排队次 数多、等候时间过长等制约因素显得尤为突出，这些因素大大削弱了民航运输 的竞争力。 12 国内外对机场的仿真研究 12 1 现有仿真模型 由于航空运输业的发展，国外( 如美国的联邦航空管理局f a a 等) 对机场系 南京航空航天大学硕士学位论文 统的计算机仿真研究开展得比较早，并取得了一批研究成果。其主要成果有以 下几个方面： 1 2 1 1 机场跑道系统的“极限容量”( “饱和容量”) 该类仿真软件主要有美国联邦航空管理局( f a a ) 研制的a i r f i e l dc a p a c i t y m o d e l ，英国民用航空管理局( c a a ) 及国家航空交通服务处( n a t s ) 开发的 m e r m e s ，以及l m ir u n w a yc a p a c i t ym o d e l 。这类模型可以在给定连续需求情 况下，考虑机场运行的随机性，对整个机场跑道仿真，提供机场跑道系统的极 限和实时容量，并可作为塔台管制员工作量的评估工具。 以a i r f i e l dc a p a c i t ym o d e l 为例，该模型是用来在给定连续需求情况下，计 算机场跑道系统的“极限容量”或称“饱和容量”的一个计算机分析模型。在 给定跑道构形和运行策略等数据后，利用该模型可以计算出包括单跑道至四跑 道等十五种常见跑道构形的小时极限容量。 12 1 2 机场延误模型 麻省理工学院( m i t ) 建立的机场延误模型d e l a y s 和排队网络模型a n d 是 这类模型的代表。d e l a y s 主要用来计算由于跑道系统拥挤而造成的机场延误。 与所谓的稳态排队模型不同，d e l a y s 是一个动态排队模型，它可以应用于交 通需求以及跑道容量随时间变化的情况，允许在某时间范围内，需求量超过容 量。d e l a y s 的主要不足是它不能很好地处理到达优先问题。a n d 的目标是分 析在国家或地区的航线网上进行航班计划时，交通需求和机场容量等参数的变 化对飞行延误的影响。它第一个在机场网络上进行延误分析的数学模型。 1 2 1 3 仿真模型 t h ea i r p o r tm a c h i n e 是由m i t 开发的一个仿真模型。该模型可详细模拟飞 行医运行的各个方面( 包括跑道、滑行道、停杌坪等) 。其主要性能指标是飞行 区每单位时间的交通流和吞吐容量，以及在各飞行区设施上所引起的延误。 s i m m o d 既可用于飞行区和航站空域的仿真，也可用于地区范围内航路空 域的仿真。应用s i m m o d 进行仿真的关键在于提供一个详细的飞行区空域网络 描述，该网络可以通过数字化仪输入，也可利用s i m m o d 提供的工具逐项输入。 另外，s i m m o d 本身还提供个包括1 9 种各类型飞机的性能指标的数据库。 s i m m o d 的主要不足是系统特别复杂。对用户要求较高，要求用户对该领域有 较多的实际经验。 t a a m 是t o t a la i r s p a c e & a i r p o r tm o d e l e r 的简称，其最大的优点是其可视 民航旅客流程优化与仿真研究 性，可以按照技术人员提供的数据在计算机上建立一个所要仿真区域的数字模 型，并将该区域的地形地貌、物体、净空障碍等各种限制因素显示出来，从而 帮助设计人员进行检查修改。t a a m 的另一个重要作用是进行容量与延误分析， 通过分析空域结构、飞行程序、地面滑行线路、走向、各系统容量大小等仿真 结构，对比出现有各系统容量提高的程度以及延误情况，t a a m 另外个显著 特点就是通过仿真模拟对规划设计的机场的安全性进行分析、评估。其中包括 对空域结构的评估以提高飞机在这一飞行阶段的安全性：对地面滑行及进离场 航线进行评估空中、地面管制的安全性，对地形及障碍物进行分析以减少它们 对飞行安全的威胁。 1 2 2 机场仿真研究存在的不足 由国内外研究概况，可以看出，机场系统的计算机仿真研究己取得了一定 的成果。但是，仔细分析这些已取得的研究成果，还存在一些不足，其主要表 现为以下几个方面： 1 ，2 2 1 研究内容不全面 机场系统是由许多子系统组成的复杂系统，包括了跑道系统、滑行道系统、 停机坪门位系统、候机楼、停车场、连接机场的专用道路等各子系统，因此， 机场系统仿真研究内容也是相当广泛的，其主要研究内容应包括：机场飞行 区仿真；机场航站区仿真；进出机场地面交通系统仿真等几个方面。而从 已有的机场系统计算机仿真研究情况看，机场系统计算机仿真的研究内容还不 全面，有些内容研究还比较少，如对于机场系统的飞行区仿真，国内外对此研 究较多，研究成果已在实际中得到广泛应用，而对于机场系统航站区的计算机 仿真则研究还比较薄弱，实际应用也比较少。因此，对于机场系统的计算机仿 真研究，需要注意研究内容的全面性，对其中的一些薄弱环节应加强研究力量。 1 2 2 2 计算机技术手段 仿真技术在得到广泛应用的同时，计算机仿真技术本身也有了迅速发展。 目前，先进的计算机仿真技术包括：一体化的仿真软件系统；分布式仿真； 模型的并行处理；虚拟现实技术；智能仿真等方面。”1 这些先进的仿真 技术，有些正处于研究之中，而有些则已在实际仿真系统中得到应用，如智能 仿真技术等。从目前已有的机场系统仿真研究成果来看，其采用的技术手段还 不是很先进，有些仿真系统的数据准备工作复杂，仿真界面相当不友好，即使 对于国外已经得到应用的一些仿真系统，也存在这样的问题。另外，由于对系 统模型的描述还存在一定的不足，仿真结果还难以达到一定的精度和要求。因 南京航空航天大学硕士学位论文 此，对机场系统的计算机仿真研究还有待于采用更先进的技术手段。 1 2 23 应用的不足 由于机场系统计算机仿真所采用的技术手段还不是很先进，因而使机场系 统计算机仿真的研究成果难以得到全面推广，导致研究成果的应用不足，因此 在采用先进仿真技术手段的同时，加强机场系统仿真研究成果的应用是一个不 容忽视的问题。综上所述，对于机场系统计算机仿真研究来说，其进一步研究 的内容应主要集中在机场系统的航站区等方面，特则是对机场航站楼的客流仿 真分析。当然，从整个机场系统的计算机仿真研究来说，广泛地采用先进的计 算机仿真技术进行机场系统仿真研究也是需要重点迸步研究的课题。 1 2 3 仿真对航站楼旅客流程研究的意义 12 3 1 低成本 航站楼流程具有投资大，决策因素多，不确定因素多等特点，流程一旦确 定将影响旅客服务、行李运送等主要业务过程，以及机场经营环境、快速通道 布局等配套设施的规划。仿真是利用计算机模型进行试验，是一个建模一实验 一分析一修改模型一再实验一再分析不断反复的过程。他具有一次模型， 多次运行，不断修正，直至满意的特点，可以极大减少决策失误造成的浪费。 1 2 3 2 多功能 仿真的应用范围很广，可以设计并验证流程，灵活快速安排作业顺序和人 力、物力；设计系统平面图，合理利用空间：安排人员班次，以最少的人员服 务尽可能多的顾客；评估工作方法，提高工作效率，尤其当自动化生产服务方 式越来越流行时，仿真也随之流行起来。 1 2 33 高精度 其他研究方法，如统计、运筹学，分析问题的原理是抽象，将问题简单化， 这种方法在处理变量少、关联性不强的简单系统方面效果较好。但对于复杂系 统，只能提供粗略的估计。然而，仿真可以做到。例如航站楼旅客流程中的关 键之一的是旅客在整个流程中总共花费的时间，需要考虑前后关联因素，整合 所有环节后得到统计结果，统计分析方法只能对单个环节进行分析，对于整个 流程的处理能力不强。仿真方法则精确记录模拟运行中的数据，对于不确定因 素较多的系统，通过多次运行，减小误差。 民航旅客流程优化与仿真研究 1 2 3 4 可视化 图形技术在仿真中越来越显示出它的重要性。图形技术在仿真中的作用主 要反映在辅助建模和显示仿真结果( 实验过程中或实验后) 两个方面。可视化仿 真为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段，使研究人员能够跟踪和交互驾驭 它们的模拟和计算，大大提高计算的效率和质量。可视化的分析工具与手段将 图形和计算紧密结合，使处理的数据实时地变化为图形图像，可快速提取有意 义的特征及结果实现可视化动态。 。 1 3 课题来源及研究意义 近几年来，由于大规模的机场建设和航空公司运力配备已经在“八五”和 “九五”期间阶段性完成，民航业务量也有了快速的增长。很多机场原先冷清 的现场不再发生，如何高质量、高效的服务旅客已成为很多机场关注的话题。 城市到城市航站楼、城市到机场、两航站楼之间的各种不同交通方式的换 乘以及城市综合交通枢纽的现状与快速增长的民航运输有了一定的差距，不能 满足旅客“快速”、“便捷”的要求。 目前，欧美国家，尤其是美国的航空市场已经高度成熟和繁荣，究其原因， 除去其生活水平高以外，与其发达的航空服务网络和简明高效的进出港流程是 密不可分的。在这方面，美国在国内旅客流程及其服务网络的研究应用尤为值 得借鉴。在美国“9 1 1 事件”发生后，世界各国对航空安全的重视程度提高到 了前所未有的高度，机场对旅客通行实现了更为严格、更为烦琐的安全检查， 这样直接导致旅客通关时间延长，从而影响了旅客运输的便捷程度。总的来看， 目前世界各国的航空旅客运输业正处于一个两难境地，一方面面临着安全至上 的压力，另一方面又有旅客快速通行的迫切要求。如何在不损害航空运输安全 的前提下，最大化提高旅客通行能力是航空界面临着的一个世界性研究课题。 有鉴于面临严峻的国内外航空市场形势，中国民航总局王志清等首次提出 “民航便捷”思想“1 ，民航总局从中国民航业的长远发展战略和总体发展思路 出发，于2 0 0 4 年3 月，启动了“便捷民航运输研究”课题，委托中国民用航 空学院和南京航空航天大学共同研究。该课题涉及航站楼内旅客流程和航站楼 外地面交通研究。该课题的研究以充分发挥民航“安全、快捷、便利、优质” 特点为目标，立足于简化航空旅客运输环节、减少旅客排队等候时间、提升服 务质量等，最终有利于直接刺激诱增航空业务量的增长，使整个民航运输业发 展向着更快、更便利的方向发展。 机场航站楼是民航运输的重要子系统，是机场陆侧的核心组成，在机场系 南京航空航天大学硕士学位论文 统中占有重要而关键的地位。与机场系统飞行区主要为飞机服务不同，航站楼 主要为旅客服务的，它不仅是旅客办理各种乘机手续的地方，也是旅客休息与 购物等的场所，因而，对于航站楼来说，其规划设计与运营管理等水平的好坏 直接影响着机场的服务水平。 随着支线航空的发展，我国已有5 0 市场的机场是支线机场，支线航班不仅 在地面交通不便的地区保持着竞争优势，在促进地区经济发展上也发挥着重要 作用。支线航班的特征是“小机型、大密度”，与之相关需考虑多项配套措施， 如小型支线飞机的过港费，旅客支付的机场建设费。尤其需关注的时，旅客在 地面交通和航站楼内所消耗的时间。如果地面时间接近或大于飞行时间，旅客 的飞行满意度会大大减少。“3 一般说来，航站楼的规划与设计应是建筑师与结构工程师的任务，但是， 与一般的民用建筑不同，机场航站楼有着自己非常重要的特殊性，其主要表现 在：航站楼的主要任务是满足机场乘机旅客的需要，而由于旅客需求的随机性， 以及航站楼本身的复杂性；对航站楼来说，其对航空需求满足程度如何以及客 流在航站楼内的流通状况等航站楼的技术性能如何是首先要关注的。目前，在 国内的机场规划与设计中，由于对航站楼尚缺乏全面系统的研究，其规划与设 计一般是采用基于经验的方法，而事实证明基于这样的方法进行航站楼规划设 计并不总是可靠的。1 另外，在航站楼的运营管理中，需要对现有航站楼将来航 空需求的适应性等方面进行评价，即现有的航站楼及其设施是否能够适应未来 的航空需求，能否通过对航站楼及其设旋的调整来达到这样的要求? 显然，应 用一般的方法很难满足要求。 在课题调研过程中，我们经常从旅客角度向航空公司和机场提出一些改进 意见，而不少工作人员经常会从业务的角度上分析说“很难达到”。因此我们发 现，我们的分析研究缺乏说服力。但无论从现场观察，还是民航内部对自身的 要求看，现有的旅客流程不能满足市场的需要，影响了民航的竞争力。这就促 使我们使用仿真的方法来解决这个问题。 1 ，4 研究内容及章节安排 本文主要论述了航站楼旅客流程优化和仿真系统建立，以及陆侧旅客交通 流程的优化方案。针对航站楼旅客流程环节复杂，建立仿真模型，模拟并优化 航站楼内旅客流程；针对航站楼旅客流程存在问题的普遍性，建立了航站楼旅 客流程仿真系统，对旅客流程进行分析评估；针对地面交通耗时多的问题，综 合城市航站楼和地面交通的优势，提出活动航站楼这一新方案，以最大限度节 省旅客时间，方便旅客。 民航旅客流程优化与仿真研究 本文章节安排如下： 第一章概述课题背景和国内外机场仿真技术的发展现状，阐述该课题研究 工作的重要性和使用前景。 第二章对现代系统仿真技术做了收集和概括，介绍了仿真建模工具 p r o m o d e l 的仿真原理及其研究方法。 第三章通过对航站楼旅客流程及其环节的研究，分析了旅客流程的特点， 及其对航站楼建设规划和设施改进的作用。其中对旅客流程及其环节研究建立 在实地观测的基础上，并运用动作分析和数学建模等方法进行分析。 第四章详细介绍了航站楼旅客流程仿真的全过程并对旅客流程进行了优 化。仿真研究过程包括流程建模、模型元素定义、模型数据准备和仿真结果分 析。针对旅客流程耗时多这一普遍问题，文章使用了s i m r u n n e r 优化工具对流 程模型进行了两次优化，并证明了其优化结果的可行性。 第五章论述了将旅客流程仿真模型扩展为适用于机场的仿真系统的分析研 究。文章着重分析了多航班旅客流程的驱动因素和服务设施选择原则等两个关 键问题，阐述了航站楼旅客流程仿真系统的功能，和交互式输入子系统、文件 式输入子系统、仿真过程子系统、实时数据处理子系统和结果处理子系统等五 大子系统的设计方案。最后，通过对仿真系统运行结果分析证明该系统是正确、 可行的。 第六章针对地面交通耗时多的问题，综合了城市航站楼和地面交通的优势， 提出活动航站楼这一新方案，以最大限度节省旅客时间，方便旅客。该研究涉 及了国内外机场地面交通的现状和发展规划，分析了民航旅客的特征和现有的 新型航站楼方式城市航站楼的优缺点，从而提出了活动航站楼这一新方案， 并对该方案的运营方式、盈利模式、关键技术问题和社会效益做了详细讨论。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章系统仿真和仿真软件p r o m o d e l 计算机仿真是近几年发展起来的一门综合性技术学科，它为进行系统分析、 综合、研究、设计，以及对专业人员的培训提供了一种先进的技术手段。 2 1 系统、模型、仿真 2 1 1 系统 系统泛指自然界的一切现象与过程，任何系统存在三个方面需要研究的内 容即，实体、属性、活动。 实体组成系统的具体对象； 属性实体的特性( 状态和参数) ； 活动对象随时间推移而发生的状态变化。 由于组成系统的实体之间互相作用而引起的实体属性的变化，通常用“状 态”的概念来描述。研究系统主要是研究系统状态的改变，即系统的进展。除 了研究系统的实体、属性和活动外，还应研究系统的环境。环境是指对系统的 活动结果产生影响的外界因素。 212 模型 模型是集中反映有关信息的实体。模型描述可视为是对真实世界中的物体 或过程相关的信息进行形式化的结果。它是对系统某些本质方面的描述，并以 各种可用的形式提供被研究系统的信息。模型建立不是“原型的复现”，而是按 研究目的之实际需要和侧重面，寻找一个便于进行系统研究的“替身”。模型建 立的任务是要确定模型的结构和参数。建立模型一般有三种途径： 对内部结构和特性清楚的系统，即所谓的白箱，可以利用已知的一些基 本规律，经过分析和演绎导出系统模型。 对那些结构和特性不清楚或不很清楚的系统，即所谓的黑箱或灰箱，如 果允许直接进行试验观测，则可先猜测模型再通过试验并修正之。 对那些系统结构和特性不清楚或不很清楚但又不允许直接试验观测的 系统，则采用数据收集和统计归纳的方法来假设模型。 2 13 仿真 系统仿真是根据被研究的真实系统的模型，利用计算机进行实验研究的一 种方法。仿真的基本思想是利用物理或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻 民航旅客流程优化与仿真研究 求过程和规律。它的理论基础是相似性原理。它是利用计算机对一个宏观复杂 的系统大结构和行为进行动态模仿，从而获得该系统及其变化过程的特性指标， 以评价或预测系统的行为效果，为决策提供信息的一种方法。 系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，联系这 三个活动的是系统仿真的三要素：系统、模型、计算机( 包括硬件和软件) 。他 们的关系可以用图描述。n ， 酗2 1 计算机仿真三要素和三个基本活动 1 9 6 1 年，g w m o r g e n t h a t e r 首次对“仿真”进行了技术性定义，即“仿 真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。1 9 8 2 年， s p r i e t 迸一步将仿真的内涵加以扩充定义为“所有支持模型建立与模型分析 的活动”。随着科学技术的进步，特别是信息技术的迅速发展，“仿真”的技术 含义不断地得以发展和完善。无论哪种定义，仿真基于模型这一基本观点是共 同的。 从学科领域来看，系统仿真是运筹学的一个重要分支并且得到广泛的应用， 他与线性规划和网络技术一起被称为运筹学的三大支柱。根据国外发展的统计 资料表明，运筹学各个分支在管理中的应用，以系统仿真的应用项目居于最高 频数，约占全部应用项目的三分之一。在求解复杂系统时，系统仿真有以下优 点： 首先，用数学模型来精确的描述复杂的、带有多种随机成分的系统是很困 难的，或者虽然能建立相应的模型，却无法求解。但系统仿真则可根据系统内 部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和系统行为来构造模型，从而 能方便地得到复杂随机系统的解。这是系统仿真得到广泛应用的最基本原因。 其次，系统仿真直接面向问题的特点，是仿真模型与实际过程具有形式上 和内上的对应性与直观性，避免了建立抽象数学模型的困难，从而简化了建模 过程，使建模分析人员有可能把主要精力用于深入了解所研究问题或过程本身。 第三，由于仿真技术具有前瞻性，在预测技术中，利用仿真技术通过模仿 未来时间发生的环境来对未来将发生的情况进行研究，在一定程度上，摆脱了 过去发生事件对预测未来的情况的影响。这比从前在预测研究中使用“内插” 和“外推”的方法有了突破。我们在研究“未来”的时候，不再是站在“过去” o 南京航空航天大学硕士学位论文 的基础上去推测，而是站在了“现在”的基础上去研究。 此外，系统仿真为分析人员和决策人员提供了一种有效的试验环境，从而 可以直接控制试验条件或输入参数，得到不同的结果，从中选择满意的方案。 从技术应用的角度看，系统仿真技术可以定义为：以相似原理、控制理论、 计算机技术、信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理 效应设备为工具，利用数学模型或部分实物对实际的或设想的系统进行动态试 验研究的一门综合性技术。它的优点主要表现在以下几个方面： 第一，要对尚处在论证、假设或设计阶段的系统进行研究时，由于实际的 系统并不存在，不可能在实际系统上进行试验研究，这时采用仿真技术时解决 此类问题的唯一手段。 第二，采用仿真技术研究系统具有经济、安全且高效的优点。将它用于系 统的分折与设计，可减少工作中的盲目性，大大提高工作效率，缩短研究周期。 第三，利用仿真技术研究系统是非常方便灵活的。由于是在模型上进行试 验研究，易于改变系统的结构或参数，仿真试验可避免环境的干扰，很好地控 制系统的试验过程，并有重现试验条件，放大或缩小自然现象或过程等一系列 优点，便于对系统进行观察和研究。 2 2 计算机仿真应用和发展方向 目前，机场系统的计算机仿真取得了一定的研究成果，并得到一定的应用， 但也存在着上面所述的这些问题和不足。因此，解决这些问题和不足将是机场 系统计算机仿真研究的主要发展方向，而解决这些问题和不足的关键则在于将 先进的计算机仿真技术和手段应用于机场系统仿真研究中，这些发展方向主要 是：” 221 虚拟现实技术应用 虚拟现实技术是一门在综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、 显示技术等多种技术的基础上发展起来的一种新的技术，是高逼真地仿真人在 自然环境中视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境，置身于该环境中的人， 可以通过各种传感交互设备与这一虚拟的现实进行相互交互作用，达到彼此相 互作用更迭，融为一体的程度。它以仿真的形式创造一个实时反映实体的三维 图形世界、多维用户界面，构造一个建立在人机和谐基础上集成高性能的计算 机软硬件及各类先进的传感器，去创造一个使参与者处于一个具有身临其境的 沉浸感，具有完善的交互能力，能帮助和启发构思的仿真环境。对于机场系统 计算机仿真来说，应用虚拟现实技术可以显著地改善仿真系统的人机界面，提 民航旅客流程优化与仿真研究 高系统交互能力，特别对于机场航站楼仿真来说，更具有一种真实的虚拟环境。 2 2 2 智能仿真技术应用 所谓智能仿真技术，实际上是用智能化的信息处理能力、知识工程、启发 式推理、专家系统、神经网络模型等来确定仿真过程的框架，用传统的仿真方 式来表现仿真过程的一种技术。由于人工智能等的引入，使得计算机仿真程序 在一定程度上也具有人类所具有的智能，可代替人类从事一些智能活动，系统 人员只要对被仿真系统的某一层次的特性进行描述，然后依照规则的知识库， 让系统自动或半自动地寻找满足试验要求的模型，然后在次模型上进行工作和 探索，最后求得结果。而仿真系统在和专家系统结合以后，则可以把计算机的 咨询、仿真、推理、决策、判断等功能结合起来，环境的视觉、听觉、触觉的 逼真感受容易实现。因此，在机场系统仿真中采用智能仿真技术，可以更全面 完整地描述机场系统管理经验、运行策略等传统仿真技术所不能描述的机场系 统特性，从而提高机场系统的计算机仿真水平。 2 2 3 系统集成思想应用 系统集成是把各种功能不同的软件系统，按不同的用途有机地结合起来， 用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递，保证系统内信息流畅通，并协 调各子系统有效地运行。因此，将系统集成思想引入到机场系统计算机仿真研 究中，可以使仿真系统易于扩充，提高仿真系统开发效率，缩短开发周期，提 高系统开发质量，并使仿真系统成为一个真正的开放系统，因此，在机场系统 计算机仿真研究中广泛采用系统集成思想是其一个发展方向。 2 ，3p r o m o d ei 介绍及研究方法 2 3 ，1p r o m o d e l 介绍 p r o m o d e l 是当前非常流行的典型的建模工具。它能够精确地建立一个具有 资源配置随机性、不确定性和相互依赖性的经营过程的模型，具有为设计者提 供连续或离散事件的、动态的和随机的分析功能。该工具可应用于商业、工业、 服务业、计算机科学等领域，在服务业，则适用于银行、咨询、政府、交通运 输、保险、零售等各种行业。 p r o m o d e l 为工程师和管理者提供了一种不需花费大量时间、金钱建造或再 造当前系统，而评估系统设计和改造方案的新方法。p r o m o d e l 以资源利用率、 生产能力、生产效率等作为指标，并以曲线图、状态图和柱状图的形式，为使 用者分析其所建立的虚拟工作环境的工作效率和改迸空间。 南京航空航天大学硕士学位论文 在服务性系统中，p r o m o d e l 关注系统服务能力、等待区容量、顾客服务时 间、员工工作效率、交通工具班次等等，为使用者提供系统当前的状况。对于 一个新系统，p r o m o d e l 也能够针对服务柜台数量、通道数量、最佳顾客服务能 力，为使用者提供精确的答案。 p r o m o d e l 功能强大、使用简便。系统提供了人性化的操作接口环境。只要 利用键盘或鼠标根据功能项目选择所需的建模工具、工作组件及操作设定，就 可以在不需撰写任何程序，而完成系统仿真的环境。 在定义整个系统的输入输出因子、包装、加工等作业流程，以及流程的逻 辑和运作优先规则时，都能借着设定参数或利用条件变量而弹性调整，也可以 利用外在的程序语言控制，来改变系统的状态。例如：在仿真整个系统的运作 流程中，人员、机器、物资等都能利用系统提供的传输模块以设定其速度、容 量、启动速度、运作顺序、方向等。8 1 此外p r o m o d e l 也提供简单且易读的统计图、统计报表文件，因而可方便的 了解全部资料利用的情形。一些常见的p r o m o d e l 应用包括：产能规划、瓶颈分 析、场地布置规划、设定运作流程等。 2 ，3 2p r o m o d ei 基本仿真元素 在进一步介绍p r o m o d e i 所提供之各模块前，需先了解p r o m o d e l 所提供用 来描述系统( 构成模块) 的基本仿真元素。p r o m o d e l 的仿真分为两类，结构部 件和运算元素。 2 3 2 1 结构部件 在很大程度上，系统中的模型对象，如设备、人员、被加工产品和工作场 地，都是结构部件。具体有以下四个元素： 实体( e n t i t y ) ： 系统中处理的对象或生产单元。在模块中，须定义所有在系统中移动的个 体，如原料、半成品、成品等，以及系统在运作过程中所输入或产生的个体。 它们具有特定的到达率、到达的方式( 批次) 、于何时到达等。 场所( l o c a t i o n ) ： 场所是对象被送往或进行作业之处，如服务台、仓储区、装卸站、工作站 等。它有一定的容量，可被共享或进行维修。 除此之外还包括： 传输设备( t r a n s p o r t e r s ) ：用来传输各工作站的组件，并可定义其路径、 控制的机器。如机械人、升降机、自动搬运车等。 输送带( c o n v e y o r s ) ，运输带很像一般传输设备，但其路径是实体的， 民航旅客流程优化与仿真研究 通常不只作传输对象，而且可排序、分类、累积等，如皮带式、流动式、 台车式等。 资源( r e s o u r c e ) ： 系统中对对象处理过程中执行某项功能的机器、人、设备、搬运系统，用于 作业和对象运送，如作业员、夹具等，具有无作业特性。 行程路径( p a t h ) ： 行程路径定义了实体和资源的行进路线，可以是独立的，也可以与其他行 程路径相连接形成路径网络。在p r o m o d e l 中，一旦流程确定后，系统默认行程 路径是两个场所的最短连线。 2 ，3 ，2 2 运算元素 运算元素定义了系统中不同物理元素的行为和元素间的交互方式。包括流 程、作业、到达方式、实体和对象的运动方式、资源使用时间表和( 工厂等由于 检修，待料等的) 停工期。运算元素还支持结构化编程，当逻辑或运算的复杂程 度超过了p r o m o d e l 内置模型单元的能力时，可以在任何作业或流程步骤中调用 子程序。 流程( r o u t i n g ) ： 流程定义实体的活动逻辑。是整个系统的重心，它直接定义了系统的物流 逻辑及移动时所花的时间。如：哪个物料经由哪些工作站经由什么运送方式到 下一站、输出站或缓存区。 实体作业( e n t i t yo p e r a t i o n ) ： 对象抵达某场所所进行的活动，须设定作业的型态及时间。 实体到达( e n t i t y a r r i v a l ) 实体到达定义将被产生并导入系统中的对象的导入次序、数量、频率及场 所。例如，邮局的顾客到达情况和汽车到达十字路口的情况。制造系统和服务 系统的实体一般按照以下四种方式到达：周期性、预定时间、按一定时间序列 分布、事件驱动。 实体和资源的移动方式( e n t i t ya n dr e s o u r c em o v e m e n t ) 很少有实体和资源在系统中固定不动。实体往往在加工流程中从一个位置 移动到另一个位置。资源也因为使用的需要移动到不同的位置，搬运和护送实 体也需要资源与实体同步移动。仿真中的移动有三种基本方式： 忽略移动。 按照定义的速度和距离在两个位置之间移动。 借助移动的实体和资源。在路径网络上移动， 资源停顿时间( r e s o u r c ed o w n t i m e ) ： 南京航空航天大学硕士学位论文 p r o m o d e l 具有可用来仿真各种形式的停顿的内置程序。有以下五种形式的 停顿：以时钟时间( c l o c k ) 为基准、以使用时间( u s a g e ) 为基准、以工作周 期( c y c l e ) 为基准、以准备( s e t u p ) 为基准、以工作班次( s h i f t ) 为基准。 工作时间表 p m m o d e l 可以对系统中的资源和位置设定其可获得和不可获得时间，包括 工作班次、时间、休息时间、维修保养时间等，即可设置固定值，又可按一定 分布规律或随机生成。 流程驱动对象 这一概念在p r o m o d e l 介绍中并没有提到，但笔者认为这是系统运行的关键。 流程驱动对象如同系统的动力，驱动系统不断运行。一般来说，流程驱动对象 是系统的服务对象，是先发生的事物。例如物流系统中的定单，服务系统中旅 客的到达等。 2 3 3 p r o m o d e l 模块介绍 如同前文所描述p r o m o d e l 的模块包含了属性模块、图形模块和报告模块三 大类，重要的属性模块包含下列各项： 流程模块：定义系统中各场所的流程逻辑及输入、输出关系和各对象在 各位置上的作业和时间。 对象流程模块：定义对象在何时，以及何处，以何种方式导入系统。 容量模块：定义各资源的容量。 仿真参数模块：定义仿真开始的时间、仿真时间长度、报告的形态、待 追踪的资源等。 有了上述的模块就足以完整的仿真一个系统。若我们从另一个角度来看， 上述四模块，不管在仿真何种系统都是不可或缺的：流程模块描述了系统内部 的流程，对象流程模块决定了对象输入系统的方式，容量模块决定了在流程上 各可使用资源之数目，而仿真参数模块则设定了仿真时间长度等。由此看来， 这四个模块可谓仿真的基本模块( 当然也是p r o m o d e l 的基本模块) ，但除了这 些模块外，还有其它的属性模块，如停顿时间模块以定义资源因准备、故障、 换班或休息等因素而无法利用的时间；简而言之，即定义资源无法正常使用的 型态。 有了四模块，虽然可以进行仿真并得到分析结果，但却没有生动的动画仿 真。所谓一张图胜过千言万语，图形可以提供我们在仿真过程中的整体概念， 并凭视觉直接印证所建构的仿真系统与实体相似的程度，p r o m o d e 提供了进行 动画仿真，所须的图形模块： 绘图选择项模块：定义图形种类、所包含的面积、内定颜色及图标文档 民航旅客流程优化与仿真研究 名等。 静态符号模块：选择并定义各种符号来代表模型中的各个行程模块与通 用