專利名稱：基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交通運輸站場規(guī)劃設(shè)計和管理技術(shù)領(lǐng)域，具體講，涉及基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架。
背景技術(shù)：
航空樞紐是包含道路與公共交通、航空運輸、樞紐內(nèi)部人員步行與排隊等待等一系列過程的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對航空樞紐進行仿真是其規(guī)劃設(shè)計和運營管理方案優(yōu)化的基礎(chǔ)。從國內(nèi)外相關(guān)文獻閱讀可知，現(xiàn)階段對于航空樞紐仿真研究主要是應(yīng)用Promodel、ServiceModel、VISSIM、Petri等現(xiàn)有仿真軟件對航空樞紐進行具體仿真實驗。如Sam使用混合仿真的方法，即聯(lián)合區(qū)域的宏觀交通仿真、道路的中觀交通仿真和陸側(cè)的微觀仿真來研究機場的地面交通問題；Kuo對三車道的路邊交通進行仿真研究，提出了交通產(chǎn)生、車道選擇、車輛移動、上下客、行人穿行等模型；Trans研發(fā)了能模擬陸側(cè)交通、航站內(nèi)旅客和行李系統(tǒng)的集成仿真系統(tǒng)；Michel通過對機場航站樓內(nèi)部客流和行李運行特性的研究，建立了機場航站樓內(nèi)部客流和行李運行的動態(tài)、靜態(tài)仿真模型；Craig Leiner使用VISSIM對機場陸側(cè)交通進行了仿真研究；倪桂明，楊東援對機場航站樓的客流進行了計算機仿真研究。從已有相關(guān)文獻閱讀分析可知，航空樞紐仿真研究的已有技術(shù)具有以下特點:(I)現(xiàn)有技術(shù)偏重于對航空樞紐的某些模塊進行獨立研究分析，不能系統(tǒng)化的將對各個模塊有效的整合在一起，不能反映航空樞紐各個模塊間復(fù)雜的關(guān)系。(2)現(xiàn)有技術(shù)對航空樞紐的仿真大都停留在宏觀、中觀層面，即使采用微觀仿真，也是使用現(xiàn)有仿真軟件(如VISSIM)進行，尚未應(yīng)用多主體(Agent)微觀仿真技術(shù)，對航空樞紐的研究達不到精細化程度，不能反映出該復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的非線性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為航空運輸站場規(guī)劃設(shè)計中各個節(jié)點容量如值機柜臺數(shù)量和長度容量、辦理安全檢查手續(xù)柜臺數(shù)量和長度容量、停車場容量、車道邊容量的優(yōu)化設(shè)計提供量化依據(jù)，為運營管理時航班時刻表的優(yōu)化確定及其動態(tài)更新、各個手續(xù)柜臺開放數(shù)量、應(yīng)急管理等方面方案的確定提供具體量化依據(jù)。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架，包含的模塊分別歸屬于離港流和交通流、到港客流和交通流和中轉(zhuǎn)客流三大部分，離港和到港兩部分間通過接送客人流進行模塊連接；離港客流和交通流包含的模塊及其整個運行過程:按照航班時刻表或者動態(tài)調(diào)整后的航班時刻表，通過機場客運與交通量生成模塊生成到達機場的總交通量，具體按照交通分擔(dān)、分配的原則生成乘公共交通的客運量和乘出租車、其它汽車的交通量，其中乘公共交通的客運量輸入到公交站模塊，乘出租車、其它汽車的交通量輸入到車道邊模塊、停車場模塊；車道邊模塊、停車場模塊與公共交通模塊輸出按時間分布的客運量，輸入到候機外廳模塊、值機模塊；候機外廳模塊、值機模塊輸出按時間分布的客運量，輸入到安全檢查模塊，通過候機內(nèi)廳模塊，進入停機坪模塊，滑行道模塊，機場跑道模塊；到港客流和交通流包含的模塊及其整個運行過程:按照航班時刻表或者動態(tài)調(diào)整后的航班時刻表，產(chǎn)生空中模塊的抵達飛機及其客流，通過停機坪模塊、滑行道模塊和跑道模塊產(chǎn)生下飛機按時間分布的客流量，通過入關(guān)手續(xù)辦理模塊、行李傳送與到港手續(xù)辦理模塊，以及接人、送人客流及其交通流產(chǎn)生陸域載運工具離開機場的客流和交通流，通過交通分擔(dān)與分配產(chǎn)生抵達車道邊、停車場欲離開機場的客運量，抵達公交站欲離開機場的客運量；中轉(zhuǎn)客流包含的模塊及其整個運行過程:中轉(zhuǎn)的旅客或直接經(jīng)過候機內(nèi)廳模塊或離開機場后經(jīng)過安檢系統(tǒng)再進入候機內(nèi)廳模塊，之后通過停機坪模塊，滑行道模塊，機場跑道模塊等離開機場。登機手續(xù)辦理模塊元胞自動機模型:元胞的選擇將每一個登機手續(xù)辦理窗口前的排隊隊列用一列元胞代表，隊列最前方的元胞為手續(xù)辦理窗口 ；辦理窗口分為兩類:自助值機系統(tǒng)、柜臺人工值機窗口 ；元胞的構(gòu)成使用自助值機系統(tǒng)乘客的值機時間服從隨機分布，均值時間為30秒，使用柜臺人工值機的值機時間同樣服從隨機分布，均值為80秒。元胞自動機的運行仿真初始時刻h，每一個元胞仿真長度為0.7m，排隊區(qū)域的長度為100X0.7m，乘客的步行速度根據(jù)文獻定為每秒行走一個元胞的距離，即0.7m/s。在隊列的最最前端，每30s或80s放行一個元胞，來仿真辦理值機手續(xù)的過程；(I)元胞的初始化為空一維元胞進行初始化，一維元胞隊列根據(jù)車道邊模塊、停車場模塊與公共交通模塊、候機外廳模塊輸出的按時間分布的需要辦理登記手續(xù)的客運量，產(chǎn)生每一個仿真步長對應(yīng)的到達旅客需要辦理登記手續(xù)的數(shù)量；(2)元胞自動機的運行①運行規(guī)則。該元胞自動機仿真乘客辦理值機系統(tǒng)的情況，以每個仿真時刻為一個步長，固定該元胞自動機以恒定速度V = I運行；②乘客換隊列規(guī)則:當(dāng)乘客發(fā)現(xiàn)，旁邊隊列中排隊的人數(shù)少于當(dāng)前隊列的人數(shù)時，此乘客會從當(dāng)前隊列換至乘客期望的隊列；③排隊隊列的更新:對于某一時刻tp隊列中的元胞，其下一秒的位置狀態(tài)為:x(i, tp+l) = x(i, tp) +v(i, tp+l)x(i, tp):表示第i個元胞在第tp秒這一時刻的位置；x(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的位置；v(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的速度。安全檢查模塊元胞的選擇將安檢排隊區(qū)域的每一隊列表示為一列元胞，仿真中根據(jù)安檢口旅客放行方式將安檢辦理程序分為單隊列單人受檢和單隊列雙人受檢兩種類型，則相應(yīng)地用隊列最前方的一個或兩個元胞代表正在接受安檢的旅客；元胞的構(gòu)成每個元胞代表安檢區(qū)域中一個0.7mX0.7m的區(qū)域，每個安檢排隊區(qū)域等待安檢或正在接受安檢的旅客占據(jù)一個元胞，與單隊列單人受檢和單隊列雙人受檢情況相對應(yīng)，隊列最前方的一個或兩個元胞表示正在接受安檢的旅客，將旅客步行速度設(shè)定為0.7m/s,即旅客每秒前進一個元胞長度的距離；元胞自動機的運行將最大排隊長度定為50X0.7m，仿真步長為I秒，總仿真時長為4小時:(I)元胞的初始化最大排隊長度與開放的安檢柜臺數(shù)目η形成50Xn的元胞空間，代表完整的安檢排隊區(qū)域，初始時刻整個元胞空間內(nèi)各元胞均未被占用；根據(jù)每五分鐘的安檢旅客總量得到300Xn的五分鐘內(nèi)安檢旅客生成矩陣，不區(qū)分航空公司，即相應(yīng)總量的旅客在五分鐘內(nèi)進入安檢排隊區(qū)域的正態(tài)分布矩陣；此后5分鐘仿真時間300個仿真步長內(nèi)，逐行讀取該矩陣，五分鐘內(nèi)進入安檢排隊區(qū)域的所有旅客隨機地在仿真時間內(nèi)從元胞空間末尾進入安檢排隊區(qū)域；(2)元胞自動機的運行①基本演化規(guī)則元胞的基本演化規(guī)則為若正前方相鄰元胞為空，則向正前方前進一個元胞。這種演化規(guī)則適用于以下幾種情況:(I)旅客進入安檢排隊區(qū)域但仍未前進至進入某一隊列；
(2)旅客排在某一隊列中且其相鄰隊列不短于其所在隊列，按照這種規(guī)則進行演化的前提是不允許存在插隊現(xiàn)象；②旅客換隊規(guī)則相鄰兩隊列中有一側(cè)隊長短于旅客當(dāng)前所在隊列時，若同時滿足該側(cè)與旅客對應(yīng)元胞相鄰的元胞為空，則該旅客對應(yīng)的元胞將會從當(dāng)前隊列換至隊長較短的一列；若旅客相鄰兩隊列均短于其當(dāng)前所在隊列且其左右相鄰元胞均為空，則旅客隨機選擇換入兩側(cè)隊列中較短的一隊；③邊界條件本仿真中假設(shè)所有旅客均可通過安檢，則隊首的旅客接受完安檢后，即其對應(yīng)元胞保持在該位置的時長達到安檢時間后，便從系統(tǒng)邊界離開系統(tǒng)。候機內(nèi)廳模塊候機內(nèi)廳模塊元胞自動機模型候機內(nèi)廳視為一個單一元胞，若干安檢口匯總后視為入口，看作一維元胞并與候機廳元胞相連，候機廳出口登機通道匯總后視為出口，看作一維元胞并與候機廳元胞相連，構(gòu)建為某一具有單個入口與單個出口并連接到某單個元胞的一維元胞自動機模型；元胞的構(gòu)成出入口一維元胞均由若干元胞所構(gòu)成,每個元胞表示一組仿真步長tl內(nèi)通過所有安檢口的旅客，元胞值為該組人的數(shù)量；入口一維元胞的初始化是以仿真步長為單位，根據(jù)安全檢查模塊輸出的按時間分布的客流，出口一維元胞根據(jù)航班時刻表起飛時刻，提前半小時開始登機，按照每位乘客平均延誤4-6秒通過出口初始化出口一維元胞；元胞自動機的運行候機大廳人數(shù)為room_origin,仿真時間為1^個步長。入口一維元胞people_come由I X tn個元胞組成,元胞people_come (η)表示在第η個仿真時刻通過安檢進入候機大廳的人數(shù)，出口 people_out—維元胞由I X tn個元胞組成,元胞people_out (η)表示在第η個仿真時刻離開候機大廳登機的人數(shù)；(I)初始化元胞如圖11所示，為空一維元胞進行初始化,一維元胞people_come根據(jù)安全檢查模塊輸出的按時間分布的客流數(shù)，得出每個仿真步長people_come (η)、people_come (η+1)、
people_come (η+2)......對應(yīng)到達旅客數(shù)a2、a3......;根據(jù)航班時刻表起飛時刻，及
提前半小時開始登機的規(guī)則，并按照每位乘客通過出口時的平均延誤初始化出口一維元
胞，得出每個仿真步長 people_o ut (η)、people_out (η+1)、people_out (η+2)......對應(yīng)旅
客離開候機廳登機人數(shù)bl、b2、b3......；(2)元胞自動機的運行①運行規(guī)則:該元胞自動機仿真乘客進出候機廳情況，以每個仿真時刻為一步長。故該元胞自動機以恒定速度V = I運行，則仿真時間由tp變化到tp+l的元胞變化；②候機廳中候機人數(shù)的更新，初始時刻h候機廳中候機人數(shù)為room_origin,出入口元胞為peopIe_come、peopIe_out。則初始時刻I秒后機廳中候機人數(shù)room_people (t0+l)為:room_people(t0+l) = room_origin+people_come(I)-people_out(I)；room_people (t0+l):初始時刻I秒后時候機廳中候機人數(shù)；room_origin:初始時刻tQ候機廳中候機人數(shù)；people_come⑴:初始時刻I秒后進入侯機廳的人數(shù)；people_out(l):初始時刻I秒后離開侯機廳的人數(shù)；運行至tp+l時刻,候機廳中候機人數(shù)room_people為:room_people (t0+tp+l) = room_people (t0+tp)+people_come (tp)-people_out (tp)。room_people (t0+tp+l):在tp+l時刻候機廳中候機人數(shù)；room_people(t0+tp):在 tp 時刻候機大廳人數(shù)；people_come(tp):在第tp個仿真時刻進入候機大廳的人數(shù)；people_out(tp):在第tp個仿真時刻離開候機大廳的人數(shù)。下機離開模塊，主要為拿行李過程:元胞自動機模型建立apaybpbyCi的5列元胞，代表機場交匯的行李傳送帶，每一個元胞代表可以放置一件行李的空間，元胞值為空態(tài)或占據(jù)態(tài)，為占據(jù)態(tài)時元胞值為該空間中行李的速度V ;(I)初始化元胞根據(jù)通過航班時刻表或調(diào)整后的航班時刻表生成的到港客運量，通過行李預(yù)測產(chǎn)生行李量，對apaybpb#個連接入口的支線傳送帶進行初始化，行李在傳送帶上的位置按照時間分布；(2)元胞自動機的運行①運行規(guī)則。該元胞自動機仿真飛機到港后，乘客下機后提取行李的整個過程，行李在傳送帶上以V = I的速度運行，仿真時間由tp變化到tp+l的元胞變化；②傳送帶接口運行規(guī)則，如果Bpb1中的行李會在傳送帶接口處發(fā)生交匯，若中的行李首先到達傳送帶接口處，則b2中的行李在接口處前等待6秒鐘，再通過接口處進入主線傳送帶；③傳送帶隊列元胞的更新。對于某一時刻tp隊列中的元胞，其下一秒的位置狀態(tài)為:x(i,tp+l) = x(i, tp)+v(i, tp+l)。x(i, tp):表示第i個元胞在第tp秒這一時刻的位置；x(i, tp+1):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的位置；v(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的速度。本發(fā)明的技術(shù)特點及效果:I)以往對于航空樞紐的研究，多為航空樞紐的某一部分或模塊，沒有從系統(tǒng)層面上對整個機場樞紐的各個模塊進行反饋與協(xié)調(diào)。本發(fā)明從整體上對機場樞紐進行研究，運用中微觀結(jié)合的方式，研究在機場樞紐中各個模塊之間的相互影響關(guān)系，清晰地顯示出了各模塊的制約關(guān)系。2)以往對于交通樞紐的研究中，部分是應(yīng)用相關(guān)的仿真軟件，無法對仿真中的每個決策主體進行的目標(biāo)與行為進行研究。本發(fā)明應(yīng)用中觀與微觀結(jié)合的元胞自動機模型，采用多主體的Agent模型進行仿真，能夠?qū)娇諛屑~中各個模塊中的每個主體進行仿真，能夠定義其目標(biāo)，對影響其決策因素進行限制，仿真其在不同條件下的不同決策，并觀察其決策對整個系統(tǒng)造成的影響。使得仿真更加貼近實際。3)本發(fā)明所研究的內(nèi)容，不但能為航空運輸站場規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)，還能為航空站場在運行管理階段提供決策依據(jù)，適用性較廣。


圖1基于元胞自動機模型的到港乘機微觀仿真系統(tǒng)基本框架。圖2基于元胞自動機模型的離港乘機微觀仿真系統(tǒng)基本框架。圖3基于元胞自動機模型的中轉(zhuǎn)乘機微觀仿真系統(tǒng)基本框架。圖4運輸與交通量生成模塊。圖5元胞自動機模型示意圖。圖6排隊隊列一維元胞運動規(guī)則。圖7乘客更換隊列示意圖。圖8旅客安全檢查系統(tǒng)流程圖。圖9單隊列單人受檢和單隊列雙人受檢情況示意圖。圖10安檢排隊區(qū)域元胞基本演化規(guī)則。圖11乘客更換隊列示意圖。
圖12候機廳元胞自動機示意圖。圖13出入口一維元胞初始化。圖14出入口一維元胞運動。圖15機場行李傳送系統(tǒng)元胞自動機模型示意圖。圖16傳送帶運動規(guī)則。圖17天津航空公司開設(shè)I個窗口的自助值機系統(tǒng)4小時仿真圖。圖18天津航空公司開設(shè)3個窗口的柜臺人工值機系統(tǒng)4小時仿真圖。圖19天津航空公司開設(shè)4個窗口的柜臺人工值機系統(tǒng)4小時仿真圖。圖20天津航空公司開設(shè)5個窗口的柜臺人工值機系統(tǒng)4小時仿真圖。圖21天津航空公司開設(shè)3個、4個窗口時平均排隊長度隨時間變化統(tǒng)計圖。圖22中國國際航空公司開設(shè)2個、3個窗口時平均排隊長度隨時間變化統(tǒng)計圖。圖23中國東方航空公司開設(shè)2個、3個窗口時平均排隊長度隨時機變化統(tǒng)計圖。圖24正常情況下開放不同安檢通道數(shù)旅客平均等待時間對比圖。圖25正常情況下開放不同安檢通道數(shù)平均排隊隊長對比圖。圖26單隊列 單人/雙人受檢方式下旅客平均等待時間對比圖。圖276/7個安檢通道單隊列單人/雙人受檢方式下平均排隊隊長對比圖。圖28各級別安檢平均排隊隊長對比圖。圖29特殊安檢通道和正常安檢通道平均排隊隊長對比圖。圖30候機廳旅客數(shù)量變化。圖319:00-11:00提取行李處最大人數(shù)。圖32各航班旅客提取行李平均等待時間。
具體實施例方式根據(jù)上述背景技術(shù)分析可知，現(xiàn)有國內(nèi)外航空樞紐多為對機場某個模塊的研究，本發(fā)明按照系統(tǒng)工程方法對機場樞紐進行系統(tǒng)分析，運用中微觀結(jié)合的方式，研究機場樞紐中各個模塊之間的相互影響關(guān)系，具體應(yīng)用元胞自動機模型對航空樞紐中的各個模塊進行微觀仿真，克服其它仿真軟件無法對每個決策主體Agent的微觀行為進行具體描述與仿真的弊端，使航空樞紐內(nèi)部各個環(huán)節(jié)交通流的非線性動力學(xué)行為及其產(chǎn)生的混沌狀態(tài)得以深入理解和分析，為航空運輸站場規(guī)劃設(shè)計中各個節(jié)點容量如值機柜臺數(shù)量和長度容量、辦理安全檢查手續(xù)柜臺數(shù)量和長度容量、停車場容量、車道邊容量的優(yōu)化設(shè)計提供量化依據(jù)，為運營管理時航班時刻表的優(yōu)化確定及其動態(tài)更新、各個手續(xù)柜臺開放數(shù)量、應(yīng)急管理等方面方案的確定提供具體量化依據(jù)。1.1仿真系統(tǒng)基本框架基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真系統(tǒng)框架及其流程見圖1至圖3所示。具體系統(tǒng)由各個模塊以及其模塊之間的弧(按離散化時間分布的流量及其屬性)組成，其中各個模塊采用元胞自動機模型進行仿真，由于各個模塊的特點不同，元胞的定義、元胞的特性、演化規(guī)則均有所不同。上一個模塊產(chǎn)生的客流、交通流按照時間通過弧輸出到下一個模塊中。考慮到航空樞紐的復(fù)雜性，具體流程圖分為到離港流和交通流、到港客流和交通流和中轉(zhuǎn)客流三大部分，離港和到港兩部分間通過接送客人流等進行連接。
離港客流和交通流的整個運行過程見圖1所示。按照航班時刻表或者動態(tài)調(diào)整后的航班時刻表，通過機場客運與交通量生成模塊生成到達機場的總交通量，具體按照交通分擔(dān)、分配的原則生成乘公共交通的客運量和乘出租車、其它汽車的交通量，其中乘公共交通的客運量輸入到公交站模塊，乘出租車、其它汽車的交通量輸入到車道邊模塊、停車場模塊。車道邊模塊、停車場模塊與公共交通模塊輸出按時間分布的客運量，輸入到候機外廳模塊、值機模塊；候機外廳模塊、值機模塊輸出按時間分布的客運量，輸入到安全檢查模塊，通過候機內(nèi)廳模塊，進入停機坪模塊，滑行道模塊，機場跑道模塊等。到港客流和交通流整個過程見圖2中紅色箭頭部分。按照航班時刻表或者動態(tài)調(diào)整后的航班時刻表，產(chǎn)生空中模塊的抵達飛機及其客流，通過停機坪模塊、滑行道模塊和跑道模塊產(chǎn)生下飛機按時間分布的客流量，通過入關(guān)手續(xù)辦理模塊、行李傳送與到港手續(xù)辦理模塊，以及接人、送人客流及其交通流產(chǎn)生陸域載運工具離開機場的客流和交通流，通過交通分擔(dān)與分配產(chǎn)生抵達車道邊、停車場欲離開機場的客運量，抵達公交站欲離開機場的客運量。中轉(zhuǎn)客流整個過程如圖3所示。中轉(zhuǎn)的旅客或直接經(jīng)過候機內(nèi)廳模塊或離開機場后經(jīng)過安檢系統(tǒng)再進入候機內(nèi)廳模塊。之后通過停機坪模塊，滑行道模塊，機場跑道模塊等離開機場。5.2交通量和運輸量生成模塊如圖4所示，通過航班時刻表或調(diào)整后的航班時刻表，從生成和吸引兩個部分，生成到達機場客運量，離港客運量與到港客運量。到港客運量通過到達機場邊模塊與公共交通車站模塊得到不同交通分擔(dān)下到達機場交通量或客運量。到港客運量與送人后離開機場客運量組成了離開機場客運量，通過選擇不同的交通方式，分配成為離開車道邊交通量與離開公共交通客運量。最后通過車道邊模塊與公共交通車站模塊離開。5.3登機手續(xù)辦理模塊5.3.1元胞的選擇將每一個登機手續(xù)辦理窗口前的排隊隊列用一列元胞代表，隊列最前方的元胞為手續(xù)辦理窗口。辦理窗口分為兩類:自助值機系統(tǒng)、柜臺人工值機窗口。如圖5所示:5.3.2元胞的構(gòu)成如圖5所示，列中每一個元胞代表辦理值機手續(xù)的乘客，隊列最前方為值機辦理窗口。使用自助值機系統(tǒng)乘客的值機時間服從隨機分布，均值時間為30秒，使用柜臺人工值機的值機時間同樣服從隨機分布，均值為80秒。5.3.3元胞自動機的運行仿真初始時刻h，每一個元胞仿真長度為0.7m，排隊區(qū)域的長度為100X0.7m，乘客的步行速度根據(jù)文獻定為每秒行走一個元胞的距離，即0.7m/s。在隊列的最最前端，每30s或80s放行一個元胞，來仿真辦理值機手續(xù)的過程。(I)元胞的初始化為空一維元胞進行初始化。一維元胞隊列根據(jù)車道邊模塊、停車場模塊與公共交通模塊、候機外廳模塊輸出的按時間分布的需要辦理登記手續(xù)的客運量。產(chǎn)生每一個仿真步長對應(yīng)的到達旅客需要辦理登記手續(xù)的數(shù)量。(2)元胞自動機的運行
①運行規(guī)則。該元胞自動機仿真乘客辦理值機系統(tǒng)的情況，以每個仿真時刻為一個步長，固定該元胞自動機以恒定速度V = I運行。如圖4所示。②乘客換隊列規(guī)則。當(dāng)乘客發(fā)現(xiàn)，旁邊隊列中排隊的人數(shù)少于當(dāng)前隊列的人數(shù)時，此乘客會從當(dāng)前隊列換至乘客期望的隊列。如圖5所示。③排隊隊列的更新。對于某一時刻％隊列中的元胞，其下一秒的位置狀態(tài)為:x(i，tp+l) = x(i, tp) +v(i, tp+l)x(i, tp):表示第i個元胞在第tp秒這一時刻的位置；x(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的位置；v(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的速度。5.4安全檢查模塊5.4.1基本流程圖5.4.2元胞的選擇將安檢排隊區(qū)域的每一隊列表示為一列元胞，仿真中根據(jù)安檢口旅客放行方式將安檢辦理程序分為單隊列單人受檢和單隊列雙人受檢兩種類型(如圖6所示)，則相應(yīng)地用隊列最前方的一個或兩個元胞代表正在接受安檢的旅客。元胞自動機安檢排隊模型示意圖如圖7所示:5.4.3元胞的構(gòu)成如圖7所示，本仿真中每個元胞代表安檢區(qū)域中一個0.7mX0.7m的區(qū)域，每個安檢排隊區(qū)域等待安檢或正在接受安檢的旅客占據(jù)一個元胞，與單隊列單人受檢和單隊列雙人受檢情況相對應(yīng)，隊列最前方的一個或兩個元胞表示正在接受安檢的旅客。根據(jù)相關(guān)文獻將旅客步行速度設(shè)定為0.7m/s,即旅客每秒前進一個元胞長度的距離。5.4.4元胞自動機的運行本仿真中將最大排隊長度定為50X0.7m，仿真步長為I秒，總仿真時長為4小時。(I)元胞的初始化最大排隊長度與開放的安檢柜臺數(shù)目η形成50Xn的元胞空間，代表完整的安檢排隊區(qū)域，初始時刻整個元胞空間內(nèi)各元胞均未被占用。根據(jù)每五分鐘的安檢旅客總量(不區(qū)分航空公司)得到300Xn的五分鐘內(nèi)安檢旅客生成矩陣，即相應(yīng)總量的旅客在五分鐘內(nèi)進入安檢排隊區(qū)域的正態(tài)分布矩陣。此后300個仿真步長(5分鐘仿真時間)內(nèi)，逐行讀取該矩陣，五分鐘內(nèi)進入安檢排隊區(qū)域的所有旅客隨機地在仿真時間內(nèi)從元胞空間末尾進入安檢排隊區(qū)域。(2)元胞自動機的運行①基本演化規(guī)則元胞的基本演化規(guī)則為若正前方相鄰元胞為空，則向正前方前進一個元胞。這種演化規(guī)則適用于以下幾種情況:(I)旅客進入安檢排隊區(qū)域但仍未前進至進入某一隊列；
(2)旅客排在某一隊列中且其相鄰隊列不短于其所在隊列。按照這種規(guī)則進行演化的前提是不允許存在插隊現(xiàn)象。②旅客換隊規(guī)則相鄰兩隊列中有一側(cè)隊長短于旅客當(dāng)前所在隊列時，若同時滿足該側(cè)與旅客對應(yīng)元胞相鄰的元胞為空，則該旅客對應(yīng)的元胞將會從當(dāng)前隊列換至隊長較短的一列；若旅客相鄰兩隊列均短于其當(dāng)前所在隊列且其左右相鄰元胞均為空，則旅客隨機選擇換入兩側(cè)隊列中較短的一隊。具體情況如下圖11所示:③邊界條件本仿真中假設(shè)所有旅客均可通過安檢，則隊首的旅客接受完安檢后，即其對應(yīng)元胞保持在該位置的時長達到安檢時間后，便從系統(tǒng)邊界離開系統(tǒng)。5.5候機內(nèi)廳模塊5.5.1候機內(nèi)廳模塊元胞自動機模型候機內(nèi)廳視為一個單一元胞，若干安檢口匯總后視為入口，看作一維元胞并與候機廳元胞相連。候機廳出口登機通道匯總后視為出口，看作一維元胞并與候機廳元胞相連。構(gòu)建為某一具有單個入口與單個出口并連接到某單個元胞的一維元胞自動機模型。如圖8所示。5.5.2元胞的構(gòu)成 如圖10所示，出入口一維元胞均由若干元胞所構(gòu)成。每個元胞表示一組仿真步長ti內(nèi)通過所有安檢口的旅客,元胞值為該組人的數(shù)量。入口一維元胞的初始化是以仿真步長為單位，根據(jù)安全檢查模塊輸出的按時間分布的客流。出口一維元胞根據(jù)航班時刻表起飛時刻，提前半小時開始登機。按照每位乘客平均延誤4-6秒通過出口初始化出口一維元胞。5.5.3元胞自動機的運行候機大廳人數(shù)為room_origin,仿真時間為1^個步長。入口一維元胞people_come由I X tn個元胞組成,元胞people_come (η)表示在第η個仿真時刻通過安檢進入候機大廳的人數(shù)。出口 people_out—維元胞由I X tn個元胞組成,元胞people_out (η)表示在第η個仿真時刻離開候機大廳登機的人數(shù)。(I)初始化元胞如圖11所示，為空一維元胞進行初始化。一維元胞people_come根據(jù)安全檢查模塊輸出的按時間分布的客流數(shù)，得出每個仿真步長people_come (n)、people_come (η+1)、
people_come (η+2)......對應(yīng)到達旅客數(shù)a2、a3......如下圖3所示。根據(jù)航班時
刻表起飛時刻，及提前半小時開始登機的規(guī)則，并按照每位乘客通過出口時的平均延誤初始化出口一維元胞，得出每個仿真步長people_out (η)、people_out (η+1)、people_out (η+2)......對應(yīng)旅客離開候機廳登機人數(shù)bl、b2、b3......如下圖13所示。(2)元胞自動機的運行①運行規(guī)則。該元胞自動機仿真乘客進出候機廳情況，以每個仿真時刻為一步長。故該元胞自動機以恒定速度V = I運行。則仿真時間由tp變化到tp+l的元胞變化，如下圖14所示。②候機廳中候機人數(shù)的更新，初始時刻h候機廳中候機人數(shù)為roomorigin出入口元胞為peop I e_come、peop I e_out。則初始時刻I秒后機廳中候機人數(shù)room_people (t0+l)為:room_people(t0+l) = room_origin+people_come(I)-people_out(I)；room_people (t0+l):初始時刻I秒后時候機廳中候機人數(shù)；room_origin:初始時刻tQ候機廳中候機人數(shù)；
pedple_come (I):初始時刻I秒后進入侯機廳的人數(shù)；pedple_out(l):初始時刻I秒后離開侯機廳的人數(shù)；運行至tp+l時刻,候機廳中候機人數(shù)room_people為:room_people (t0+tp+l) = room_people (t0+tp) +people_come (tp) -people_out (tp)。room_people (t0+tp+l):在tp+l時刻候機廳中候機人數(shù)；room_people(t0+tp):在 tp 時刻候機大廳人數(shù)；people_come(tp):在第tp個仿真時刻進入候機大廳的人數(shù)；peopleout(tp):在第tp個仿真時刻離開候機大廳的人數(shù)。5.7下機離開模塊(主要為拿行李過程)5.7.1元胞自動機模型本實驗中建立的元胞自動機模型如圖153所示，建立如圖15中&1、a2、bpb2、C1的5列元胞，代表機場交匯的行李傳送帶，每一個元胞代表可以放置一件行李的空間，元胞值為空態(tài)或占據(jù)態(tài)，為占據(jù)態(tài)時元胞值為該空間中行李的速度V。(3)初始化元胞根據(jù)通過航班時刻表或調(diào)整后的航班時刻表生成的到港客運量，通過行李預(yù)測產(chǎn)生行李量，對apaybpb#個連接入口的支線傳送帶進行初始化，行李在傳送帶上的位置按照時間分布。(4)元胞自動機的運行①運行規(guī)則。該元胞自動機仿真飛機到港后，乘客下機后提取行李的整個過程。行李在傳送帶上以V = I的速度運行，仿真時間由tp變化到tp+l的元胞變化，如圖14所示。②傳送帶接口運行規(guī)則。如圖16所示，如果a1、bi中的行李會在傳送帶接口處發(fā)生交匯，若B1中的行李首先到達傳送帶接口處，則b2中的行李在接口處前等待6秒鐘，再通過接口處進入主線傳送帶。③傳送帶隊列元胞的更新。對于某一時刻tp隊列中的元胞，其下一秒的位置狀態(tài)為:x(i,tp+l) = x(i, tp)+v(i, tp+l)x(i, tp):表示第i個元胞在第tp秒這一時刻的位置；x(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的位置；v(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的速度。5.8仿真實驗及分析I)仿真條件某航空樞紐某天9:00-11:00中個航班的起降時間及實際載客數(shù)如表I所示:表I某機場部分航班時刻表
權(quán)利要求
1.一種基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架，其特征是，包含的模塊分別歸屬于離港流和交通流、到港客流和交通流和中轉(zhuǎn)客流三大部分，離港和到港兩部分間通過接送客人流進行模塊連接； 離港客流和交通流包含的模塊及其整個運行過程:按照航班時刻表或者動態(tài)調(diào)整后的航班時刻表，通過機場客運與交通量生成模塊生成到達機場的總交通量，具體按照交通分擔(dān)、分配的原則生成乘公共交通的客運量和乘出租車、其它汽車的交通量，其中乘公共交通的客運量輸入到公交站模塊，乘出租車、其它汽車的交通量輸入到車道邊模塊、停車場模塊；車道邊模塊、停車場模塊與公共交通模塊輸出按時間分布的客運量，輸入到候機外廳模塊、值機模塊；候機外廳模塊、值機模塊輸出按時間分布的客運量，輸入到安全檢查模塊，通過候機內(nèi)廳模塊，進入停機坪模塊，滑行道模塊，機場跑道模塊； 到港客流和交通流包含的模塊及其整個運行過程:按照航班時刻表或者動態(tài)調(diào)整后的航班時刻表，產(chǎn)生空中模塊的抵達飛機及其客流，通過停機坪模塊、滑行道模塊和跑道模塊產(chǎn)生下飛機按時間分布的客流量，通過入關(guān)手續(xù)辦理模塊、行李傳送與到港手續(xù)辦理模塊，以及接人、送人客流及其交通流產(chǎn)生陸域載運工具離開機場的客流和交通流，通過交通分擔(dān)與分配產(chǎn)生抵達車道邊、停車場欲離開機場的客運量，抵達公交站欲離開機場的客運量; 中轉(zhuǎn)客流包含的模塊及其整個運行過程:中轉(zhuǎn)的旅客或直接經(jīng)過候機內(nèi)廳模塊或離開機場后經(jīng)過安檢系統(tǒng)再進入候機內(nèi)廳模塊，之后通過停機坪模塊，滑行道模塊，機場跑道模塊等離開機場。
2.如權(quán)利要求所述的基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架，其特征是，登機手續(xù)辦理模塊元胞自動機模型: 元胞的選擇 將每一個登機手續(xù)辦理窗口前的排隊隊列用一列元胞代表，隊列最前方的元胞為手續(xù)辦理窗口 ；辦理窗口分為兩類:自助值機系統(tǒng)、柜臺人工值機窗口 ； 元胞的構(gòu)成 使用自助值機系統(tǒng)乘客的值機時間服從隨機分布，均值時間為30秒，使用柜臺人工值機的值機時間同樣服從隨機分布，均值為80秒。
元胞自動機的運行 仿真初始時刻h，每一個元胞仿真長度為0.7m，排隊區(qū)域的長度為100X0.7m，乘客的步行速度根據(jù)文獻定為每秒行走一個元胞的距離，即0.7m/s。在隊列的最最前端，每30s或80s放行一個元胞，來仿真辦理值機手續(xù)的過程； (1)元胞的初始化 為空一維元胞進行初始化，一維元胞隊列根據(jù)車道邊模塊、停車場模塊與公共交通模塊、候機外廳模塊輸出的按時間分布的需要辦理登記手續(xù)的客運量，產(chǎn)生每一個仿真步長對應(yīng)的到達旅客需要辦理登記手續(xù)的數(shù)量； (2)元胞自動機的運行 ①運行規(guī)則。該元胞自動機仿真乘客辦理值機系統(tǒng)的情況，以每個仿真時刻為一個步長，固定該元胞自動機以恒定速度V = 運行； ②乘客換隊列規(guī)則:當(dāng)乘客發(fā)現(xiàn)，旁邊隊列中排隊的人數(shù)少于當(dāng)前隊列的人數(shù)時，此乘客會從當(dāng)前隊列換至乘客期望的隊列； ③排隊隊列的更新:對于某一時刻tp隊列中的元胞，其下一秒的位置狀態(tài)為:x(i，tp+l) = x(i, tp) +v(i, tp+l) x(i, tp):表示第i個元胞在第tp秒這一時刻的位置； x(i，tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的位置； v(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的速度。
3.如權(quán)利要求所述的基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架，其特征是，安全檢查模塊: 元胞的選擇 將安檢排隊區(qū)域的每一隊列表不為一列兀胞，仿真中根據(jù)安檢口旅客放行方式將安檢辦理程序分為單隊列單人受檢和單隊列雙人受檢兩種類型，則相應(yīng)地用隊列最前方的一個或兩個元胞代表正在接受安檢的旅客； 元胞的構(gòu)成 每個元胞代表安檢區(qū)域中一個0.7mX0.7m的區(qū)域，每個安檢排隊區(qū)域等待安檢或正在接受安檢的旅客占據(jù)一個元胞，與單隊列單人受檢和單隊列雙人受檢情況相對應(yīng)，隊列最前方的一個或兩個元胞表示正在接受安檢的旅客，將旅客步行速度設(shè)定為0.7m/s,即旅客每秒前進一個元胞長度的距離； 元胞自動機的運行 將最大排隊長度定為50X0.7m，仿真步長為I秒，總仿真時長為4小時: (1)元胞的初始化 最大排隊長度與開放的安檢柜臺數(shù)目η形成50Χη的元胞空間，代表完整的安檢排隊區(qū)域，初始時刻整個元胞空間內(nèi)各元胞均未被占用； 根據(jù)每五分鐘的安檢旅客總量得到300Χη的五分鐘內(nèi)安檢旅客生成矩陣，不區(qū)分航空公司，即相應(yīng)總量的旅客在五分鐘內(nèi)進入安檢排隊區(qū)域的正態(tài)分布矩陣；此后5分鐘仿真時間300個仿真步長內(nèi)，逐行讀取該矩陣，五分鐘內(nèi)進入安檢排隊區(qū)域的所有旅客隨機地在仿真時間內(nèi)從元胞空間末尾進入安檢排隊區(qū)域； (2)元胞自動機的運行 ①基本演化規(guī)則 元胞的基本演化規(guī)則為若正前方相鄰元胞為空，則向正前方前進一個元胞。這種演化規(guī)則適用于以下幾種情況:(I)旅客進入安檢排隊區(qū)域但仍未前進至進入某一隊列；(2)旅客排在某一隊列中且其相鄰隊列不短于其所在隊列，按照這種規(guī)則進行演化的前提是不允許存在插隊現(xiàn)象； ②旅客換隊規(guī)則 相鄰兩隊列中有一側(cè)隊長短于旅客當(dāng)前所在隊列時，若同時滿足該側(cè)與旅客對應(yīng)元胞相鄰的元胞為空，則該旅客對應(yīng)的元胞將會從當(dāng)前隊列換至隊長較短的一列；若旅客相鄰兩隊列均短于其當(dāng)前所在隊列且其左右相鄰元胞均為空，則旅客隨機選擇換入兩側(cè)隊列中較短的一隊； ③邊界條件 本仿真中假設(shè)所有旅客均可通過安檢，則隊首的旅客接受完安檢后，即其對應(yīng)元胞保持在該位置的時長達到安檢時間后，便從系統(tǒng)邊界離開系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求所述的基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架，其特征是，候機內(nèi)廳模塊: 候機內(nèi)廳模塊元胞自動機模型 候機內(nèi)廳視為一個單一元胞，若干安檢口匯總后視為入口，看作一維元胞并與候機廳元胞相連，候機廳出口登機通道匯總后視為出口，看作一維元胞并與候機廳元胞相連，構(gòu)建為某一具有單個入口與單個出口并連接到某單個元胞的一維元胞自動機模型； 元胞的構(gòu)成 出入口一維元胞均由若干元胞所構(gòu)成，每個元胞表示一組仿真步長內(nèi)通過所有安檢口的旅客，元胞值為該組人的數(shù)量； 入口一維元胞的初始化是以仿真步長為單位，根據(jù)安全檢查模塊輸出的按時間分布的客流，出口一維元胞根據(jù)航班時刻表起飛時刻，提前半小時開始登機，按照每位乘客平均延誤4-6秒通過出口初始化出口一維元胞； 元胞自動機的運行 候機大廳人數(shù)為room_origin,仿真時間為1^個步長。入口一維元胞people_come由1父1^個元胞組成,元胞？6(^16_(301]16(11)表示在第η個仿真時刻通過安檢進入候機大廳的人數(shù)，出口 people_out—維元胞由I X tn個元胞組成，元胞people_out (η)表示在第η個仿真時刻離開候機大廳登機的人數(shù)； (1)初始化元胞 如圖11所示，為空一維元胞進行初始化，一維元胞people_come根據(jù)安全檢查模塊輸出的按時間分布的客流數(shù)，得出每個仿真步長people_come (η)、people_come (η+1)、people_come (η+2)......對應(yīng)到達旅客數(shù)a” a2、a3......;根據(jù)航班時刻表起飛時刻，及提前半小時開始登機的規(guī)則，并按照每位乘客通過出口時的平均延誤初始化出口一維元胞，得出每個仿真步長 people_out (η)、people_out (η+1)、people_out (η+2)......對應(yīng)旅客離開候機廳登機人數(shù)bl、b2、b3......； (2)元胞自動機的運行 ①運行規(guī)則:該元胞自動機仿真乘客進出候機廳情況，以每個仿真時刻為一步長。故該元胞自動機以恒定速度V = I運行，則仿真時間由tp變化到tp+l的元胞變化； ②候機廳中候機人數(shù)的更新，初始時刻h候機廳中候機人數(shù)為room_origin,出入口元胞為people_come、people_out。則初始時刻I秒后機廳中候機人數(shù)room_people (1:。+1)為:room_people(t0+l) = room_origin+people_come(I)-people_out(I)；room_people (t0+l):初始時刻I秒后時候機廳中候機人數(shù)；room_orign:初始時刻tQ候機廳中候機人數(shù)；people_come (I):初始時刻I秒后進入侯機廳的人數(shù)；people_out (I):初始時刻I秒后離開侯機廳的人數(shù)； 運行至tp+l時刻,候機廳中候機人數(shù)room_people為:room_people (tO+tp+l) = room_people (t0+tp) +people_come (tp) -people_out (tp)。room_people (t0+tp+l):在tp+l時刻候機廳中候機人數(shù)；rrom_people(t0+tp):在tp時刻候機大廳人數(shù)； people_come(tp):在第tp個仿真時刻進入候機大廳的人數(shù)； peopleout(tp):在第tp個仿真時刻離開候機大廳的人數(shù)。
5.如權(quán)利要求所述的基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架，其特征是，下機離開模塊，主要為拿行李過程: 元胞自動機模型 建立&1、a2、bp b2、C1的5列元胞，代表機場交匯的行李傳送帶，每一個元胞代表可以放置一件行李的空間，元胞值為空態(tài)或占據(jù)態(tài)，為占據(jù)態(tài)時元胞值為該空間中行李的速度V ； (1)初始化元胞 根據(jù)通過航班時刻表或調(diào)整后的航班時刻表生成的到港客運量，通過行李預(yù)測產(chǎn)生行李量，對apaybpb#個連接入口的支線傳送帶進行初始化，行李在傳送帶上的位置按照時間分布； (2)元胞自動機的運行 ①運行規(guī)則。該元胞自動機仿真飛機到港后，乘客下機后提取行李的整個過程，行李在傳送帶上以V = I的速度運行，仿真時間由tp變化到tp+l的元胞變化； ②傳送帶接口運行規(guī)則，如果Bpb1中的行李會在傳送帶接口處發(fā)生交匯，若B1中的行李首先到達傳送帶接口處，則b2中的行李在接口處前等待6秒鐘，再通過接口處進入主線傳送帶； ③傳送帶隊列元胞的更新。對于某一時刻tp隊列中的元胞，其下一秒的位置狀態(tài)為: x(i, tp+l) = x(i, tp) +v(i, tp+l) o x(i, tp):表示第i個元胞在第tp秒這一時刻的位置； x(i，tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的位置； v(i, tp+l):表示第i個元胞在第tp+l秒這一時刻的速度。
全文摘要
本發(fā)明屬于交通運輸站場規(guī)劃設(shè)計和管理技術(shù)領(lǐng)域。為航空運輸站場規(guī)劃設(shè)計中各個節(jié)點容量如值機柜臺數(shù)量和長度容量、辦理安全檢查手續(xù)柜臺數(shù)量和長度容量、停車場容量、車道邊容量的優(yōu)化設(shè)計提供量化依據(jù)，為運營管理時航班時刻表的優(yōu)化確定及其動態(tài)更新、各個手續(xù)柜臺開放數(shù)量、應(yīng)急管理等方面方案的確定提供具體量化依據(jù)。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于元胞自動機模型的航空樞紐微觀仿真框架，包含的模塊分別歸屬于離港流和交通流、到港客流和交通流和中轉(zhuǎn)客流三大部分，離港和到港兩部分間通過接送客人流進行模塊連接。本發(fā)明主要應(yīng)用于交通運輸站場規(guī)劃設(shè)計和管理。
文檔編號G06N3/00GK103164581SQ20131008798
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者白子建, 柯水平, 劉治國, 王曉華, 王新岐, 馬紅偉, 趙巍, 鄭利, 申嬋, 韓敏 申請人:天津市市政工程設(shè)計研究院