（交通信息工程及控制专业论文）机场地面运行仿真评估系统研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 随着我国民航运输量的迅猛发展，提高空中交通和机场地面系统的运行效率，寻求扩充系 统容量的可行方案，开发通用的机场地面运行仿真评估系统在当前形势下是相当必要的。 首先，本文分析了机场地面运行仿真评估系统的功能需求和总体结构；分析了建立一个通 用型机场地面运行仿真系统所需要构建的各模块组成与组织，建立了机场地面运行仿真模型， 并利用动态单向链路增强了滑行道实时运行的冲突探测与解脱的通用性；系统地分析了仿真飞 机流的构建流程与关键技术，并利用移位负指数分布改进了仿真飞机流的仿真效果。采用了离 散事件系统仿真方法，分析了仿真系统总体仿真流程；基于组件式 gis 技术，分析了机场场 景与场面元素数据库的设计与实现，描述了系统功能模块构成与数据组织方案，并最终开发了 机场地面运行仿真评估系统。最后，根据成都双流机场的运行规则与调研所得数据作为输入参 数，构建了成都双流机场的仿真模型，利用机场地面运行仿真评估系统进行了一系列仿真，并 对仿真结果进行了分析，得到成都双流机场的航班计划容量及机场地面延误分析数据，将仿真 结果与以往相关报告数据进行对比分析，验证了此仿真系统的可行性。 关键词： 机场地面，计算机仿真，仿真飞机流，容量评估，gis 机场地面运行仿真评估系统研究 abstract with the quick development of civil aviation industry in our country, it is pressing to improve air traffic and airfield running efficiency, to expand the systematic capacity, to develop airfield running and capacity evaluation simulate system. first of all, this paper analyzed the function demand and the structure of the simulation system; it analyzed the modules composition of the simulation system, build the airfield running simulation model, and enhanced the universal function of taxiway conflict detection and solution with dynamic single direction paths; and analysed the construction and the key technologies of aircraft flowing simulation systematically, to improve the aircraft flow simulation results with using the shift negative exponential distribution. using discrete event system simulation methods, it analysed the system simulation modules; based component- gis technology, analysed the database design and implementation of the airport scene and airfield elements, and described the system function modules and data organization programs, and eventually developed the airfield simulation and capacity evaluation system. finally, according to the chengdu shuangliu airport running datas and the operation rules, as input parameters, constructed the chengdu shuangliu airport simulation model, and used the system for simulation, the simulation results were analyzed to be the capacity of the chengdu shuangliu airport and the delay that were compared with the related report data. the results show that the system is feasible. key words: airfield; computer simulation; aircraft flowing simulation; airport capacity evaluation; components gis 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1.1 机场系统组成示意图.2 图 2.1 系统实现软硬件平台.13 图 2.2 系统总体框架.14 图 2.3 系统仿真总体流程.15 图 2.4 动态仿真模拟流程.16 图 2.5 仿真系统模块划分.17 图 3.1 机场地面系统网络.22 图 3.2 跑道仿真模型链路示意图.24 图 3.3 脱离口类型示意图.24 图 3.4 航班停机位分配流程图.26 图 3.5 离场队列示意图.27 图 3.6 离场队列容量示意图.27 图 3.7 耦合点示意图.29 图 3.8 三类滑行冲突.31 图 3.9 敌对路径示意图.32 图 3.10 dsdpaths 解脱冲突流程图.33 图 3.11 仿真飞机流的数据需求与处理图.39 图 3.12 仿真飞机流模块与流程图.40 图 3.13 仿真飞机流结果.41 图 3.14 仿真结果分析对比图.42 图 3.15 地面运行仿真流程图.43 图 4.1 地理数据库图层.47 图 4.2 gis 环境的仿真数据库.48 图 4.3 静态数据库管理结构图.49 图 4.4 sdb 数据存储体系结构.50 图 4.5 数据集显示为图层.50 图 4.6 系统功能结构图.53 图 4.7 系统主界面.54 图 4.8 地图显示（主操作）窗.55 机场地面运行仿真评估系统研究 vi 图 4.9 坐标系统设置框.55 图 4.10 机场地图导入框.56 图 4.11 机场地图配准界面.56 图 4.12 机场参数设置界面.57 图 4.13 滑行道编辑界面.57 图 4.14 机场编辑功能菜单.58 图 4.15 仿真飞机流参数设置.58 图 4.16 仿真参数设置.59 图 4.17 仿真复现控制面板.60 图 4.18 仿真结果分析界面.60 图 5.1 成都机场停机位布局图.63 图 5.2 仿真数据实时状态记录表.67 图 5.3 实际容量关系曲线分析图.68 图 5.4 进离场架次关系分析图.68 图 5.5 仿真架次与延误关系分析图.69 图 5.6 仿真架次与各延误关系分析图.69 表 3.1 节点数据结构.23 表 3.2 链路数据结构.23 表 3.3 跑道锁定时间长度.24 表 3.4 移位负指数分布拟合观测数据.37 表 3.5 进离场各走廊口流量比率.41 表 3.6 进离场各走廊口机型比率.41 表 5.1 机场容量模型主要输入参数表.65 表 5.2 仿真结果统计表.67 表 5.3 容量评估结果.70 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 注释表 atm 空中交通管理（air traffic management） icao 国际民航组织（international civil aviation organization） faf 最后进近定位点（final approach fix） simmod 机场及空域仿真模型（airport and airspace simulation model） taam 空域及机场总体模拟器（total airspace and airfield modeller） faa 美国联邦航空局（federal aviation administration） etoa 预计到达时间 (estimated time of arrival） etod 预计起飞时间 (estimated time of departure） etop 预计推出时间 (estimated time of push-out） dsdpaths 动态单向路径（dynamic single direction paths） lcs 最长公共子串（longest common substring） gis 地理信息系统（geographic information system） tin 三维不规则网络（triangular irregular network） rdbms 关系型数据库管理系统（relational database management system） gui 图形化用户界面（graphic user interface） odbc 开放数据库互连标准（open data connectivity） dao 数据库访问对象（databaseaccess object） 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学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、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 前言 经济的迅猛发展带动了我国民用航空运输量的持续快速增长。改革开放以来，我国航空运 输业以平均每年近 15%的速度迅猛增长。目前，我国民用航空运输总转量已越入世界前列， 从主要机场的飞机起降架次看，飞行流量也大幅度增加。根据预测，今后 5 年内我国民航将以 每年 100150 架的速度引进飞机，从“十一五”开始，中国民航将启动建设新一代工程，并 将实现 2010 年航空运输总周转量、旅客运输量和货邮运输量均比 2005 年翻一番，航空运输和 机场建设均面临着良好的发展前景。 航空运输量的快速增长导致空中交通网络负荷加大，引起交通拥挤，结果不仅给管制员带 来繁重的工作负荷，形成事故隐患，还有航班延误，给航空公司造成巨大损失，给旅客带来诸 多不便。对机场增容的各项改扩建方案进行评估，分析比较各自的优劣，可以给机场管理者的 决策提供建设性参考意见，实现资源效益的最大化，最大限度地利用机场系统的容量，保障空 中交通在机场安全、快捷、有序地流动。机场容量评估是量化空域资源，缓解空域使用紧张的 有效途径。因此，对于我们目前的民航运行及发展状况，迫切需要对我国主要机场当前和未来 的运行状况进行分析评估，并寻求提高空中交通和机场地面系统的运行效率，扩充系统容量的 可行方案。通过评估将找出影响航班运行的瓶颈、薄弱环节和解决办法，为制定机场近期、中 期和长期发展规划寻找科学依据，为更加合理地进行机场、空域和航线等方面的设计规划打下 坚实基础，以最大限度地满足机场场对航班容量的需求，实现机场运行的持续发展。 机场系统是由许多子系统组成的复杂系统，按照功能不同，可分为飞行区、航站区和进出 机场的地面交通系统，如图 1.1 所示。其中，飞行区系统主要是飞机在地面的活动区，其范围 包括跑道系统、滑行道系统、机坪门位系统和航站空域；航站区包括了航站楼、机场内部道路 交通系统以及停车场等；进出机场地面交通系统是联系机场与外界的通道。因此整个机场大系 统的运行都与它的容量息息相关。 本文的研究对象是关于航空器在机场停机位/停机坪、滑行道系统和跑道上的一系列有序、 协调、安全的运行仿真，即机场地面运行仿真。 机场地面运行仿真评估系统研究 2 机场航站楼 机场地面交通系统 停机坪滑行道滑行道系统 跑道系统 航站空域 航站区 机场地面 终端区 飞行区 航路空域 停车场 图 1.1 机场系统组成示意图 1.2 研究发展状况 1.2.1 计算机仿真技术 计算机仿真（computer simulation） （或称系统仿真system simulation）是作为分析和研 究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法，随着系统科学研究的 深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科 1 。 1.计算机仿真的发展 计算机仿真技术主要是随着计算机技术、计算技术、图形图像技术、复杂系统建模技术和 专业建模技术的发展而发展的。从历史上看，计算机仿真大致经历了四个发展阶段 2 ： （1）模型试验。最原始的仿真思想，其模型试验是基于物理模型进行的，缺乏柔性和精 度。 （2）数字化仿真。采用计算机进行分析计算，但是计算结果表达局限于记录文件和图表 上，缺乏直观形象。 （3）图像化仿真。大量采用丰富的图形图像技术来表达仿真结果，如三维图形。 （4）虚拟现实技术。不光采用三维图形技术表达计算结果，而且采用特殊装置，如戴上 三维数据头盔，触摸仪器等，使人有身临其境的效果。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2.仿真方法学研究 成功进行仿真研究的关键是有机、协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动 1 。这里 的“各类活动” ，就是“系统建模” 、 “仿真建模” 、 “仿真实验” ，而联系这些活动的要素是“系 统” 、 “模型” 、 “计算机” 。其中系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的 实验来达到研究的目的。 现代仿真技术的重要进展主要体现在 1 ： （1）系统建模方面：传统上，多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来，系统辩识 技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等；在技术手 段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。除此之外， 近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法；基于模型库的结构化建模方法：面向对 象建模（object oriented modelling）方法等。特别是对象建模，可在类库基础上实现模型的拼 合与重用。 （2）仿真建模方面：除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究新算法和开发新软 件外，现代仿真技术采用模型与实验分离技术，即模型数据驱动（data driven） 。将模型分为参 数模型和参数值，以便提高仿真的灵活性和运行效率。 （3）仿真实验方面：现代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开。其中，实验架用 来定义条件，包括模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、输出说明。这样，当需要不同 形式的输出时，不必重新修改仿真模型，甚至不必重新仿真运行。 正是由于现代仿真方法学的建立， 特别是模拟可重用性 （reusability） 、 面向对象方法 （ob- ject oriented）和应用集成（application intesration）等新技术的应用，使得仿真、建模与实验统一 到一个集成环境这中，构成一个和谐的人机交互界面。 3.计算机仿真的步骤及技术核心 一般计算机仿真的步骤为 2 ： （1）建立数据模型。建立数据模型主要是通过演绎法、归纳法、综合集成法等分析方法， 建立一个特定对象的有限边界的数学模型。要建立好数学模型，通常要考虑到特定对象仿真研 究的预定目标和边界、先验知识（包括已被验证的定理、定律、理论和模型） 、观测数据、特 定领域专家的经验等因素。 （2）数学模型的实现，也称的数据模型的程序化。数学模型的实现包括两个方面的内容， 即设计仿真算法及编制仿真程序。传统的模型程序化活动是一个十分繁琐和复杂的工作。由于 大量算法的研究成果及软件技术的进步，目前对于某些特定领域，已能提供面向对象、可交互 操作、具有自动编程能力和算法库的商品化产品，如：cssl、csmp、acsl、slmcript、 gpss、simulaslam、gasp、dynamo 等。 机场地面运行仿真评估系统研究 4 （3）仿真实验。仿真实验（包括分析）是系统仿真另一个十分重要的活动，它主要是按 照预先设置的实验方案来运行仿真模型得到一系列的仿真结果。 4.仿真可信度与可靠性研究 仿真可信度。仿真可信度研究是随着建模与仿真（modeling and simulation，简称 m santen l; schadschneider a . statistical physics of vehicular traffic and some related systemj.physics reports, 2000. 38yang qi, koutsopoulos h n.a microscopic traffic simulator for evaluation of dynamic traffic management systemsj. transportation research c, 1996,4(3):113- 129. 39余劲,张玮,姜继红等. 西江航道船舶流的概率分布特性j. 交通运输工程学报.2006,6(2):88- 93. 40邹智军,杨东援.城市交通仿真实验系统的面向对象开发j.系统仿真学报,2002,14(7):844- 848. 机场地面运行仿真评估系统研究 76 41廖鹏,张玮.船闸日到船概率分布参数估计j.交通运输工程学报. 2004,4(2):115- 118. 42刘维,陈崚.最长公共子序列的快速算法及其并行实现j.计算机应用.2006, 26(6):1422- 1427. 43顾启泰.系统设计与仿真m.北京：清华大学出版社，1998. 44北京超图地理信息技术有限公司.supermap objects 开发教程z.2008. 45赵英良等.编著软件开发技术基础m. 北京：机械工业出版社，2006.2. 46石红国.列车运行过程仿真及优化研究d. 成都：西南交通大学博士学位论文，2006.9. 47靳文舟,张 杰,郑英力.交通流模拟中的随机输入模型j.华南理工大学学报(自然科学 版).2001,29(11):92- 97. 48齐欢,王小平.统建模与仿真m.北京：清华大学出版社，2004.228- 241. 49潘金山.基于gis的列车运行仿真系统研究与设计d.成都：西南交通大学，2007. 50毕硕本.软件工程的原理与方法m.北京：电子工业出版社，2002. 51严蔚敏,吴伟民.数据结构c语言版m. 北京：清华大学出版社，2001.2. 52王宇.交通流仿真系统研究与软件开发d.武汉：武汉理工大学，2005. 53朱凌.高速公路动态交通流仿真及应用研究d.南京：东南大学，2006. 54王炜,过秀成等. 交通运输工程学m.南京：东南大学出版社，2000. 南京航空航天大学硕士学位论文 77 致 谢 本论文是在导师韩松臣教授的悉心指导下完成的。在课题研究和论文撰写过程中，从开题 到查找资料、从研究内容的初步分析到具体实施，从拟定论文提纲到论文最终修改完成，都得 到韩老师的全力支持和帮助。他渊博的知识和严谨的态度，诲人不倦的作风和求实创新的精神， 使我在增长科学知识的同时也懂得了许多做人的道理，受益匪浅。同时韩