離散事件仿真模型在機(jī)場航站樓設(shè)計中的應(yīng)用

■ 瑞康道（北京）科技有限公司 張洋

1.背景

目前，我國航空業(yè)發(fā)展迅速，2017年全國民航運(yùn)輸機(jī)場旅客吞吐總量達(dá)11.48億人次，增長率達(dá)12.9%。為適應(yīng)航空出行需求的增長，機(jī)場建設(shè)規(guī)模逐漸增大，功能也越來越完善，以致機(jī)場新建或者改擴(kuò)建工程難度增大。如果按照傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方法和經(jīng)驗，則已無法有效預(yù)判機(jī)場各系統(tǒng)容量及相互匹配情況。

旅客是機(jī)場航站樓的用戶，高效、舒適是客流組織的關(guān)鍵。民航局提出推進(jìn)建設(shè)平安機(jī)場、綠色機(jī)場、智慧機(jī)場、人文機(jī)場，其中人文機(jī)場要求目標(biāo)管理以人為本。我國現(xiàn)階段機(jī)場設(shè)計規(guī)劃和運(yùn)營中缺乏對旅客舒適度和高效性定量的指標(biāo)?！禝ATA機(jī)場設(shè)計參考手冊第十版》（《IATA Airport Design Reference Manual 10thEdition》，以 下 簡 稱“ADRM10”）對機(jī)場不同設(shè)施為旅客提供的服務(wù)水平提出了定量的標(biāo)準(zhǔn)，如表1、表2所示。

傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方法難以對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的量化，但是機(jī)場模擬仿真可以在規(guī)劃設(shè)計以及運(yùn)營階段，對機(jī)場各類設(shè)施的表現(xiàn)進(jìn)行量化分析，從而對服務(wù)水平進(jìn)行定量評價。

機(jī)場客流的仿真模擬包括進(jìn)港旅客和離港旅客兩個流程。其中，離港流程模型需要包含進(jìn)場道路、到達(dá)車道邊、出發(fā)大廳值機(jī)設(shè)施、海關(guān)邊檢（國際出發(fā)）、安檢設(shè)施、候機(jī)區(qū)域、機(jī)坪、滑行道和跑道；到港流程模型需要包含跑道滑行道、機(jī)坪、旅客到達(dá)通道、行李提取廳、海關(guān)邊檢（國際到達(dá)）、出發(fā)車道邊、出場道路。一個良好的機(jī)場系統(tǒng)，需要各步驟設(shè)施均能提供與旅客需求相匹配、相協(xié)調(diào)的容量，提供合理的服務(wù)水平，避免過度設(shè)計和供給不足。

在運(yùn)用離散事件仿真模型于客流仿真領(lǐng)域中，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列學(xué)術(shù)研究。Siikonen, Susi 和Hakonen(2000)使用離散事件仿真模型對高層建筑內(nèi)人流豎向交通進(jìn)行了模擬。Nahke(2001)為亞特蘭大哈茲菲爾德—杰克遜國際機(jī)場搭建了由9列火車構(gòu)成的航站樓間旅客移動系統(tǒng)仿真模型。在模型中他們測試了提升火車數(shù)量和系統(tǒng)旅客通行能力的關(guān)系，驗證了從投入產(chǎn)出比角度九列火車是當(dāng)時規(guī)劃旅客需求條件下的最優(yōu)火車數(shù)量。Chen,Guo和Zhu(2009)運(yùn)用離散事件仿真模型優(yōu)化了高峰小時機(jī)場擺渡車排班。Liu和Tan(2009)利用仿真模型模擬了旅客流在機(jī)場車道邊的行為。Gatersleben和van der Weij(1999)搭建了機(jī)場航站樓內(nèi)客流仿真模型。雖然該研究有效地利用了仿真模型根據(jù)航班排班生成旅客流以模擬機(jī)場客流，但模型忽視了旅客行為的差異性，在許多設(shè)備設(shè)施處生成了不準(zhǔn)確的瓶頸。同時，該模型忽視了旅客因為對航班熟悉程度、行動能力和是否攜帶兒童等因素而導(dǎo)致的行為差異。這些差異將極大地影響機(jī)場客流特性。Andersen(2003)利用離散事件航站樓客流仿真模型評價了機(jī)場的應(yīng)急疏散措施。這些早期的研究受限于當(dāng)時的機(jī)場設(shè)備設(shè)施性能以及旅客需求等級，在現(xiàn)今的機(jī)場設(shè)計規(guī)劃和運(yùn)營過程中的應(yīng)用，具有一定的局限性。

本文的研究目的是探討離散仿真模型在機(jī)場航站樓設(shè)計時的應(yīng)用方法和意義。建模使用的是ARENA離散事件仿真軟件，這是一款使用規(guī)則基離散事件仿真內(nèi)核，并運(yùn)用隨機(jī)過程模擬現(xiàn)實的軟件。模型中，旅客輸入文件，即模型個體的生成是基于機(jī)場和航空公司提供數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計結(jié)果的時序隨機(jī)過程。個體在模型中的移動是基于與機(jī)場實際流程相一致的預(yù)設(shè)規(guī)則。旅客在各項設(shè)施的處理時間同時是基于數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計結(jié)果的隨機(jī)時間。每個個體在整個系統(tǒng)或者每個設(shè)施中的等待時間、移動時間、排隊長度等關(guān)鍵參數(shù)被記錄，并在輸出文件中匯報用于確定客流瓶頸。

2.建模過程

2.1 建模基礎(chǔ)材料

建模的基礎(chǔ)材料包含：計算機(jī)、ARENA軟件、機(jī)場航站樓內(nèi)平面圖等。建模需要的基礎(chǔ)文檔文件包含：機(jī)場和航空公司提供的航班、登機(jī)口分配、售票情況、旅客行為相關(guān)數(shù)據(jù)和機(jī)場設(shè)備設(shè)施運(yùn)營相關(guān)數(shù)據(jù)等。

2.2 模型模塊部件

仿真模型主要包括以下幾個主要部件，這些部件功能上相互獨(dú)立，但在整個系統(tǒng)中又相互影響。

2.2.1 生成模塊

生成模塊的核心是基于前期機(jī)場和航空公司提供的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計結(jié)果的時序隨機(jī)過程，生成模型主體的輸入文件。生成模塊生成的輸入文件一般包含模型旅客的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如旅客到達(dá)時間、旅客類型（出發(fā)/到達(dá)）、航班號、航班時刻、航空公司、航班類型（國內(nèi)/國際）、機(jī)票類型（經(jīng)濟(jì)艙/頭等/商務(wù)艙）、托運(yùn)行李數(shù)量、登機(jī)行李數(shù)量、離開/到達(dá)機(jī)場交通模式、團(tuán)隊人數(shù)、是否需要無障礙設(shè)施等。

2.2.2 分配模塊

由于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的歷史原因，以傳輸控制協(xié)議（TCP）/網(wǎng)際協(xié)議（IP）為核心的互聯(lián)網(wǎng)模型將“盡力而為”的可達(dá)性作為網(wǎng)絡(luò)的首要任務(wù)，這使得報文攜帶的目的地址在路由過程中成為了唯一的決定因素。這種僅依靠目的地址的路由方式，大大限制了對報文轉(zhuǎn)發(fā)控制的靈活性。并且隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的迅速增長和用戶業(yè)務(wù)的多樣化，傳統(tǒng)路由協(xié)議越來越難以滿足許多業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的要求。

分配模塊一般是模型主體的第一模塊，當(dāng)模型主體讀取生成模塊產(chǎn)生的輸入文件后，分配模塊會根據(jù)模型個體的各項參數(shù)，結(jié)合機(jī)場設(shè)施的數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計結(jié)果分配一些衍生參數(shù)，如不同航空公司、不同機(jī)票類型、不同航班類型的值機(jī)耗時，不同航空公司、不同機(jī)票類型、不同行李數(shù)量的托運(yùn)耗時，頭等、商務(wù)艙旅客是否使用休息室和停留時長，不同登機(jī)行李數(shù)量的旅客的安檢耗時、行走速度和使用扶梯概率，不同航班類型對海關(guān)邊檢設(shè)施的過關(guān)耗時等。

2.2.3 決定模塊

決定模塊由大量的條件邏輯構(gòu)成，將不同類型的旅客導(dǎo)入模型處理模塊的不同部分，如前往出發(fā)或到達(dá)部分、到達(dá)旅客是否前往行李提取廳、是否需要使用海關(guān)邊檢設(shè)施、前往停車庫、到達(dá)車道邊還是公共交通車站，出發(fā)旅客由停車庫、車道邊、公共交通車站進(jìn)入機(jī)場，前往哪個航站樓，是否需要使用值機(jī)柜臺，是否需要使用海關(guān)邊檢設(shè)施，是否前往休息室以及前往哪個登機(jī)口。

2.2.4 處理模塊

處理模塊的核心部分由排隊論而搭建的排隊—等候—處理單元（圖1）。旅客在機(jī)場各項設(shè)施中，按此模式接受設(shè)施服務(wù)。旅客進(jìn)入隊伍、隊伍長度、通過隊伍、開始接受服務(wù)、服務(wù)終了時間節(jié)點被一一記錄。部分設(shè)施，系統(tǒng)還會記錄設(shè)施狀態(tài)（繁忙/空閑），設(shè)施前最大隊長。一般機(jī)場模型處理模塊包含：車道邊、扶梯電梯、值機(jī)柜臺、海關(guān)邊檢柜臺、安檢通道、自動人行道、衛(wèi)生間、休息室、候機(jī)座椅區(qū)、行李提取轉(zhuǎn)盤等。

圖1 Arena軟件中排隊-等候-處理單元基礎(chǔ)邏輯

2.2.5 輸出模塊

輸出模塊主要功能是寫出模型中個體的關(guān)鍵時間節(jié)點和設(shè)施關(guān)鍵狀態(tài)，并進(jìn)行基礎(chǔ)計算，輸出對機(jī)場設(shè)計規(guī)劃運(yùn)營有重要意義的結(jié)果，這其中包含旅客在各項設(shè)施的排隊時長（平均值/95百分位/最大值），旅客最大步行長度，旅客被電梯拒載次數(shù)，候機(jī)時是否有座位，旅客通過設(shè)施總時長，各項設(shè)施空閑比例、最大排隊長度。對于復(fù)雜模型，一般輸出模塊輸出文件過于龐大，高階輸出模塊也會被搭建。高階輸出模塊中，預(yù)警條件被設(shè)定，當(dāng)輸出文件中包含觸發(fā)預(yù)警條件數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)會被寫出。

2.3 數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計

數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠度直接影響模型輸入文件的準(zhǔn)確性。輸入文件的準(zhǔn)確性又直接決定模型對系統(tǒng)的評價的有效性。仿真模型的數(shù)據(jù)有些在現(xiàn)實中已被機(jī)場或者航空公司記錄，例如，航班數(shù)據(jù)和航班機(jī)票銷售情況決定了模型中個體數(shù)量，不同類型旅客托運(yùn)行李數(shù)量，不同旅客值機(jī)時間和登機(jī)時間，旅客使用休息室情況等。而有些數(shù)據(jù)需要根據(jù)建模需求進(jìn)行采樣調(diào)查。傳統(tǒng)的方法包含針對旅客相關(guān)參數(shù)的現(xiàn)場問卷調(diào)查，針對現(xiàn)場或視頻設(shè)施服務(wù)時間的時間節(jié)點調(diào)查等。隨著電子設(shè)備的普及以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的利用，越來越多的新技術(shù)，例如手機(jī)mac地址追蹤、熱感攝像頭、人臉識別等技術(shù)被應(yīng)用到機(jī)場數(shù)據(jù)收集工作中。此類技術(shù)極大地簡化了數(shù)據(jù)收集工作，降低了工作難度的同時也提升了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠度。

在獲取抽樣調(diào)查得到甚至非抽樣總體大數(shù)據(jù)后，合理地利用統(tǒng)計模型去處理數(shù)據(jù)也非常關(guān)鍵。準(zhǔn)確的統(tǒng)計模型的使用，有助于確保模型生成的輸入文件和關(guān)鍵參數(shù)的可靠性。

3.模型應(yīng)用實例

3.1 項目目的

美國某機(jī)場對現(xiàn)有航站樓的出發(fā)廳值機(jī)安檢區(qū)進(jìn)行改、擴(kuò)建。他們運(yùn)用仿真模型對改擴(kuò)建項目中值機(jī)柜臺和擴(kuò)建值機(jī)柜臺計算數(shù)量要求和進(jìn)行重新排布，設(shè)計和計算擴(kuò)建航站樓安檢設(shè)施位置和數(shù)量。

3.2 評價指標(biāo)

仿真模型中，將參照ADRM10對建筑設(shè)計方案進(jìn)行評價，并調(diào)整方案以達(dá)到ADRM10中“最優(yōu)設(shè)計”（替代前版中服務(wù)水平C）指標(biāo)。模型評價值機(jī)柜臺排隊時間、值機(jī)柜臺排隊區(qū)域人均面積、安檢通道排隊時間、安檢通道排隊區(qū)域人均面積。

3.3 建模過程

建模工作階段主要流程包括：

（1）根據(jù)機(jī)場提供的現(xiàn)有航班數(shù)據(jù)，預(yù)測目標(biāo)年設(shè)計日航班。

（2）根據(jù)航空公司提供的售票情況和旅客行為數(shù)據(jù)，生成進(jìn)港旅客到達(dá)機(jī)場航站樓輸入文件，如圖2所示。

圖2 旅客提前到達(dá)機(jī)場時間分布

（3）根據(jù)設(shè)計單位提供設(shè)計方案，結(jié)合航站樓旅客流程，搭建基礎(chǔ)模型。

（4）運(yùn)行仿真模型，得到對象設(shè)施特征表現(xiàn)輸出文件。比對設(shè)施表現(xiàn)和評價指標(biāo)，調(diào)整設(shè)施數(shù)量、客流動線、運(yùn)營方式等，使設(shè)施輸出表現(xiàn)接近最優(yōu)設(shè)計。

（5）重復(fù)步驟4得到符合評價指標(biāo)的基礎(chǔ)模型。

（6）根據(jù)機(jī)場運(yùn)營方提出的機(jī)場運(yùn)營期間的邊界條件，對設(shè)施進(jìn)行敏感性分析。

（7）生成仿真模擬報告，評價設(shè)計單位方案，并給出推薦方案。

3.4 仿真結(jié)果

仿真報告中主要包含以下幾部分內(nèi)容：

（1）根據(jù)機(jī)場和各航司提供的航班和售票數(shù)據(jù)，預(yù)測出航站樓真實小時旅客數(shù)，如圖3所示。

圖3 機(jī)場滾動小時旅客數(shù)

（2）根據(jù)旅客數(shù)和機(jī)場設(shè)施運(yùn)營數(shù)據(jù)，以及仿真模型輸出文件，計算出各航空公司值機(jī)柜臺推薦數(shù)量和特征表現(xiàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各航空公司值機(jī)柜臺推薦數(shù)量和特征表現(xiàn)數(shù)據(jù)

表4 安檢設(shè)施設(shè)備推薦數(shù)量和特征表現(xiàn)數(shù)據(jù)

圖4 安檢設(shè)施旅客需求曲線

（3）根據(jù)旅客到達(dá)機(jī)場曲線、不同的值機(jī)方式，以及模型中值機(jī)設(shè)施對旅客流的影響，得到安檢設(shè)施旅客需求曲線，如圖4所示。

（4）根據(jù)安檢設(shè)施旅客需求和安檢設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，以及模型輸出文件和評價指標(biāo)的比對，得到安檢設(shè)施設(shè)備推薦數(shù)量，如表4所示。

4.結(jié)論

在機(jī)場建設(shè)階段，利用離散事件仿真模型可以對機(jī)場設(shè)備設(shè)施進(jìn)行合理地規(guī)劃和設(shè)計，提高設(shè)備設(shè)施利用率，避免過度設(shè)計和設(shè)計不足。同時，在機(jī)場仿真模型中，也可以對機(jī)場的設(shè)施容量進(jìn)行定量評估，為遠(yuǎn)期機(jī)場的改擴(kuò)建提供依據(jù)。

在機(jī)場運(yùn)營階段，離散事件仿真模型同樣有廣闊的應(yīng)用前景。隨著數(shù)據(jù)采集手段的不斷豐富，以及機(jī)場數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫走向大數(shù)據(jù)和云架構(gòu)，機(jī)場仿真模型的輸入數(shù)據(jù)可以以實時數(shù)據(jù)的形式替代建設(shè)階段的預(yù)測數(shù)據(jù)。建設(shè)階段搭建的仿真模型在經(jīng)受前期的使用和檢驗后，模型的可靠性和準(zhǔn)確性得到了保障。在運(yùn)營階段繼續(xù)使用該模型或其核心算法，可以大大節(jié)省模型搭建、校準(zhǔn)的成本。模型的輸出文件可以和機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM）有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)原有系統(tǒng)功能，使決策中的人文和智慧成分得到提升。

離散事件仿真模型在機(jī)場航站樓設(shè)計中的應(yīng)用，可以有效推進(jìn)平安機(jī)場、綠色機(jī)場、智慧機(jī)場、人文機(jī)場“四型”機(jī)場的建設(shè)。