基于元胞自动机模型的航空枢纽微观仿真框架

技术领域

本发明属于交通运输站场规划设计和管理技术领域，具体讲，涉及基于元胞自动机模型 的航空枢纽微观仿真框架。

背景技术

航空枢纽是包含道路与公共交通、航空运输、枢纽内部人员步行与排队等待等一系列过 程的复杂网络系统，对航空枢纽进行仿真是其规划设计和运营管理方案优化的基础。从国内 外相关文献阅读可知，现阶段对于航空枢纽仿真研究主要是应用Promodel、ServiceModel、 VISSIM、Petri等现有仿真软件对航空枢纽进行具体仿真实验。如Sam使用混合仿真的方法， 即联合区域的宏观交通仿真、道路的中观交通仿真和陆侧的微观仿真来研究机场的地面交通 问题；Kuo对三车道的路边交通进行仿真研究，提出了交通产生、车道选择、车辆移动、上 下客、行人穿行等模型；Trans研发了能模拟陆侧交通、航站内旅客和行李系统的集成仿真系 统；Michel通过对机场航站楼内部客流和行李运行特性的研究，建立了机场航站楼内部客流 和行李运行的动态、静态仿真模型；Craig Leiner使用VISSIM对机场陆侧交通进行了仿真研 究；倪桂明，杨东援对机场航站楼的客流进行了计算机仿真研究。

从已有相关文献阅读分析可知，航空枢纽仿真研究的已有技术具有以下特点：

(1)现有技术偏重于对航空枢纽的某些模块进行独立研究分析，不能系统化的将对各个 模块有效的整合在一起，不能反映航空枢纽各个模块间复杂的关系。

(2)现有技术对航空枢纽的仿真大都停留在宏观、中观层面，即使采用微观仿真，也是 使用现有仿真软件(如VISSIM)进行，尚未应用多主体(Agent)微观仿真技术，对航空枢 纽的研究达不到精细化程度，不能反映出该复杂网络系统的非线性和网络复杂性的特点。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，为航空运输站场规划设计中各个节点容量如值机柜台 数量和长度容量、办理安全检查手续柜台数量和长度容量、停车场容量、车道边容量的优化 设计提供量化依据，为运营管理时航班时刻表的优化确定及其动态更新、各个手续柜台开放 数量、应急管理等方面方案的确定提供具体量化依据。为达到上述目的，本发明采取的技术 方案是，基于元胞自动机模型的航空枢纽微观仿真框架，包含的模块分别归属于离港流和交 通流、到港客流和交通流和中转客流三大部分，离港和到港两部分间通过接送客人流进行模 块连接；

离港客流和交通流包含的模块及其整个运行过程：按照航班时刻表或者动态调整后的航 班时刻表，通过机场客运与交通量生成模块生成到达机场的总交通量，具体按照交通分担、 分配的原则生成乘公共交通的客运量和乘出租车、其它汽车的交通量，其中乘公共交通的客 运量输入到公交站模块，乘出租车、其它汽车的交通量输入到车道边模块、停车场模块；车 道边模块、停车场模块与公共交通模块输出按时间分布的客运量，输入到候机外厅模块、值 机模块；候机外厅模块、值机模块输出按时间分布的客运量，输入到安全检查模块，通过候 机内厅模块，进入停机坪模块，滑行道模块，机场跑道模块；

到港客流和交通流包含的模块及其整个运行过程：按照航班时刻表或者动态调整后的航 班时刻表，产生空中模块的抵达飞机及其客流，通过停机坪模块、滑行道模块和跑道模块产 生下飞机按时间分布的客流量，通过入关手续办理模块、行李传送与到港手续办理模块，以 及接人、送人客流及其交通流产生陆域载运工具离开机场的客流和交通流，通过交通分担与 分配产生抵达车道边、停车场欲离开机场的客运量，抵达公交站欲离开机场的客运量；

中转客流包含的模块及其整个运行过程：中转的旅客或直接经过候机内厅模块或离开机 场后经过安检系统再进入候机内厅模块，之后通过停机坪模块，滑行道模块，机场跑道模块 等离开机场。

登机手续办理模块元胞自动机模型：

元胞的选择

将每一个登机手续办理窗口前的排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为手续办 理窗口；办理窗口分为两类：自助值机系统、柜台人工值机窗口；

元胞的构成

使用自助值机系统乘客的值机时间服从随机分布，均值时间为30秒，使用柜台人工值机 的值机时间同样服从随机分布，均值为80秒。

元胞自动机的运行

仿真初始时刻t₀，每一个元胞仿真长度为0.7m，排队区域的长度为100×0.7m，乘客的步 行速度根据文献定为每秒行走一个元胞的距离，即0.7m/s。在队列的最最前端，每30s或80s 放行一个元胞，来仿真办理值机手续的过程；

(1)元胞的初始化

为空一维元胞进行初始化，一维元胞队列根据车道边模块、停车场模块与公共交通模块、 候机外厅模块输出的按时间分布的需要办理登记手续的客运量，产生每一个仿真步长对应的 到达旅客需要办理登记手续的数量；

(2)元胞自动机的运行

①运行规则。该元胞自动机仿真乘客办理值机系统的情况，以每个仿真时刻为一个步长， 固定该元胞自动机以恒定速度v＝1运行；

②乘客换队列规则：当乘客发现，旁边队列中排队的人数少于当前队列的人数时，此乘 客会从当前队列换至乘客期望的队列；

③排队队列的更新：对于某一时刻t_p队列中的元胞，其下一秒的位置状态为： x(i，t_p+1)＝x(i，t_p)+v(i，t_p+1)

x(i，t_p)：表示第i个元胞在第t_p秒这一时刻的位置；

x(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的位置；

v(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的速度。

安全检查模块

元胞的选择

将安检排队区域的每一队列表示为一列元胞，仿真中根据安检口旅客放行方式将安检办 理程序分为单队列单人受检和单队列双人受检两种类型，则相应地用队列最前方的一个或两 个元胞代表正在接受安检的旅客；

元胞的构成

每个元胞代表安检区域中一个0.7m×0.7m的区域，每个安检排队区域等待安检或正在接 受安检的旅客占据一个元胞，与单队列单人受检和单队列双人受检情况相对应，队列最前方 的一个或两个元胞表示正在接受安检的旅客，将旅客步行速度设定为0.7m/s，即旅客每秒前 进一个元胞长度的距离；

元胞自动机的运行

将最大排队长度定为50×0.7m，仿真步长为1秒，总仿真时长为4小时：

(1)元胞的初始化

最大排队长度与开放的安检柜台数目n形成50×n的元胞空间，代表完整的安检排队区域， 初始时刻整个元胞空间内各元胞均未被占用；

根据每五分钟的安检旅客总量得到300×n的五分钟内安检旅客生成矩阵，不区分航空公 司，即相应总量的旅客在五分钟内进入安检排队区域的正态分布矩阵；此后5分钟仿真时间 300个仿真步长内，逐行读取该矩阵，五分钟内进入安检排队区域的所有旅客随机地在仿真 时间内从元胞空间末尾进入安检排队区域；

(2)元胞自动机的运行

①基本演化规则

元胞的基本演化规则为若正前方相邻元胞为空，则向正前方前进一个元胞。这种演化规 则适用于以下几种情况：(1)旅客进入安检排队区域但仍未前进至进入某一队列；(2)旅客排 在某一队列中且其相邻队列不短于其所在队列，按照这种规则进行演化的前提是不允许存在 插队现象；

②旅客换队规则

相邻两队列中有一侧队长短于旅客当前所在队列时，若同时满足该侧与旅客对应元胞相 邻的元胞为空，则该旅客对应的元胞将会从当前队列换至队长较短的一列；若旅客相邻两队 列均短于其当前所在队列且其左右相邻元胞均为空，则旅客随机选择换入两侧队列中较短的 一队；

③边界条件

本仿真中假设所有旅客均可通过安检，则队首的旅客接受完安检后，即其对应元胞保持 在该位置的时长达到安检时间后，便从系统边界离开系统。

候机内厅模块

候机内厅模块元胞自动机模型

候机内厅视为一个单一元胞，若干安检口汇总后视为入口，看作一维元胞并与候机厅元 胞相连，候机厅出口登机通道汇总后视为出口，看作一维元胞并与候机厅元胞相连，构建为 某一具有单个入口与单个出口并连接到某单个元胞的一维元胞自动机模型；

元胞的构成

出入口一维元胞均由若干元胞所构成，每个元胞表示一组仿真步长t1内通过所有安检口 的旅客，元胞值为该组人的数量；

入口一维元胞的初始化是以仿真步长为单位，根据安全检查模块输出的按时间分布的客 流，出口一维元胞根据航班时刻表起飞时刻，提前半小时开始登机，按照每位乘客平均延误 4-6秒通过出口初始化出口一维元胞；

元胞自动机的运行

候机大厅人数为room_origin，仿真时间为t_n个步长。入口一维元胞people_come由1×t_n个元胞组成，元胞people_come(n)表示在第n个仿真时刻通过安检进入候机大厅的人数，出 口people_out一维元胞由1×t_n个元胞组成，元胞people_out(n)表示在第n个仿真时刻离开候 机大厅登机的人数；

(1)初始化元胞

如图11所示，为空一维元胞进行初始化，一维元胞people_come根据安全检查模块输出 的按时间分布的客流数，得出每个仿真步长people_come(n)、people_come(n+1)、 people_come(n+2)......对应到达旅客数a₁、a₂、a₃......；根据航班时刻表起飞时刻，及提前半 小时开始登机的规则，并按照每位乘客通过出口时的平均延误初始化出口一维元胞，得出每 个仿真步长people_out(n)、people_out(n+1)、people_out(n+2)......对应旅客离开候机厅登机人 数b1、b2、b3......；

(2)元胞自动机的运行

①运行规则：该元胞自动机仿真乘客进出候机厅情况，以每个仿真时刻为一步长。故该 元胞自动机以恒定速度v＝1运行，则仿真时间由t_p变化到t_p+1的元胞变化；

②候机厅中候机人数的更新，初始时刻t₀候机厅中候机人数为room_origin，出入口元 胞为people_come、people_out。则初始时刻1秒后机厅中候机人数room_people(t₀+1)为：

room_people(t₀+1)＝room_origin+people_come(1)-people_out(1)；

room_people(t₀+1)：初始时刻1秒后时候机厅中候机人数；

room_origin：初始时刻t₀候机厅中候机人数；

people_come(1)：初始时刻1秒后进入侯机厅的人数；

people_out(1)：初始时刻1秒后离开侯机厅的人数；

运行至t_p+1时刻，候机厅中候机人数room_people为：

room_people(t₀+t_p+1)＝room_people(t₀₊t_p)+people_come(t_p)-people_out(t_p)。

room_people(t₀+t_p+1)：在t_p+1时刻候机厅中候机人数；

room_people(t₀+t_p)：在t_p时刻候机大厅人数；

people_come(t_p)：在第t_p个仿真时刻进入候机大厅的人数；

people_out(t_p)：在第t_p个仿真时刻离开候机大厅的人数。

下机离开模块，主要为拿行李过程：

元胞自动机模型

建立a₁、a₂、b₁、b₂、c₁的5列元胞，代表机场交汇的行李传送带，每一个元胞代表可以 放置一件行李的空间，元胞值为空态或占据态，为占据态时元胞值为该空间中行李的速度v；

(1)初始化元胞

根据通过航班时刻表或调整后的航班时刻表生成的到港客运量，通过行李预测产生行李 量，对a₁、a₂、b₁、b₂4个连接入口的支线传送带进行初始化，行李在传送带上的位置按照时 间分布；

(2)元胞自动机的运行

①运行规则。该元胞自动机仿真飞机到港后，乘客下机后提取行李的整个过程，行李在传 送带上以v＝1的速度运行，仿真时间由t_p变化到t_p+1的元胞变化；

②传送带接口运行规则，如果a₁、b₁中的行李会在传送带接口处发生交汇，若a₁中的行 李首先到达传送带接口处，则b2中的行李在接口处前等待6秒钟，再通过接口处进入主线传 送带；

③传送带队列元胞的更新。对于某一时刻t_p队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：

x(i，t_p+1)＝x(i，t_p)+v(i，t_p+1)。

x(i，t_p)：表示第i个元胞在第t_p秒这一时刻的位置；

x(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的位置；

v(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的速度。

本发明的技术特点及效果：

1)以往对于航空枢纽的研究，多为航空枢纽的某一部分或模块，没有从系统层面上对整 个机场枢纽的各个模块进行反馈与协调。本发明从整体上对机场枢纽进行研究，运用中微观 结合的方式，研究在机场枢纽中各个模块之间的相互影响关系，清晰地显示出了各模块的制 约关系。

2)以往对于交通枢纽的研究中，部分是应用相关的仿真软件，无法对仿真中的每个决策 主体进行的目标与行为进行研究。本发明应用中观与微观结合的元胞自动机模型，采用多主 体的Agent模型进行仿真，能够对航空枢纽中各个模块中的每个主体进行仿真，能够定义其 目标，对影响其决策因素进行限制，仿真其在不同条件下的不同决策，并观察其决策对整个 系统造成的影响。使得仿真更加贴近实际。

3)本发明所研究的内容，不但能为航空运输站场规划设计提供依据，还能为航空站场在 运行管理阶段提供决策依据，适用性较广。

附图说明

图1  基于元胞自动机模型的到港乘机微观仿真系统基本框架。

图2  基于元胞自动机模型的离港乘机微观仿真系统基本框架。

图3  基于元胞自动机模型的中转乘机微观仿真系统基本框架。

图4  运输与交通量生成模块。

图5  元胞自动机模型示意图。

图6  排队队列一维元胞运动规则。

图7  乘客更换队列示意图。

图8  旅客安全检查系统流程图。

图9  单队列单人受检和单队列双人受检情况示意图。

图10  安检排队区域元胞基本演化规则。

图11  乘客更换队列示意图。

图12  候机厅元胞自动机示意图。

图13  出入口一维元胞初始化。

图14  出入口一维元胞运动。

图15  机场行李传送系统元胞自动机模型示意图。

图16  传送带运动规则。

图17  天津航空公司开设1个窗口的自助值机系统4小时仿真图。

图18  天津航空公司开设3个窗口的柜台人工值机系统4小时仿真图。

图19  天津航空公司开设4个窗口的柜台人工值机系统4小时仿真图。

图20  天津航空公司开设5个窗口的柜台人工值机系统4小时仿真图。

图21  天津航空公司开设3个、4个窗口时平均排队长度随时间变化统计图。

图22  中国国际航空公司开设2个、3个窗口时平均排队长度随时间变化统计图。

图23  中国东方航空公司开设2个、3个窗口时平均排队长度随时机变化统计图。

图24  正常情况下开放不同安检通道数旅客平均等待时间对比图。

图25  正常情况下开放不同安检通道数平均排队队长对比图。

图26  单队列单人/双人受检方式下旅客平均等待时间对比图。

图27  6/7个安检通道单队列单人/双人受检方式下平均排队队长对比图。

图28  各级别安检平均排队队长对比图。

图29  特殊安检通道和正常安检通道平均排队队长对比图。

图30  候机厅旅客数量变化。

图31  9:00-11:00提取行李处最大人数。

图32  各航班旅客提取行李平均等待时间。

具体实施方式

根据上述背景技术分析可知，现有国内外航空枢纽多为对机场某个模块的研究，本发明 按照系统工程方法对机场枢纽进行系统分析，运用中微观结合的方式，研究机场枢纽中各个 模块之间的相互影响关系，具体应用元胞自动机模型对航空枢纽中的各个模块进行微观仿真， 克服其它仿真软件无法对每个决策主体Agent的微观行为进行具体描述与仿真的弊端，使航 空枢纽内部各个环节交通流的非线性动力学行为及其产生的混沌状态得以深入理解和分析， 为航空运输站场规划设计中各个节点容量如值机柜台数量和长度容量、办理安全检查手续柜 台数量和长度容量、停车场容量、车道边容量的优化设计提供量化依据，为运营管理时航班 时刻表的优化确定及其动态更新、各个手续柜台开放数量、应急管理等方面方案的确定提供 具体量化依据。

1.1仿真系统基本框架

基于元胞自动机模型的航空枢纽微观仿真系统框架及其流程见图1至图3所示。具体系 统由各个模块以及其模块之间的弧(按离散化时间分布的流量及其属性)组成，其中各个模 块采用元胞自动机模型进行仿真，由于各个模块的特点不同，元胞的定义、元胞的特性、演 化规则均有所不同。上一个模块产生的客流、交通流按照时间通过弧输出到下一个模块中。 考虑到航空枢纽的复杂性，具体流程图分为到离港流和交通流、到港客流和交通流和中转客 流三大部分，离港和到港两部分间通过接送客人流等进行连接。

离港客流和交通流的整个运行过程见图1所示。按照航班时刻表或者动态调整后的航班 时刻表，通过机场客运与交通量生成模块生成到达机场的总交通量，具体按照交通分担、分 配的原则生成乘公共交通的客运量和乘出租车、其它汽车的交通量，其中乘公共交通的客运 量输入到公交站模块，乘出租车、其它汽车的交通量输入到车道边模块、停车场模块。车道 边模块、停车场模块与公共交通模块输出按时间分布的客运量，输入到候机外厅模块、值机 模块；候机外厅模块、值机模块输出按时间分布的客运量，输入到安全检查模块，通过候机 内厅模块，进入停机坪模块，滑行道模块，机场跑道模块等。

到港客流和交通流整个过程见图2中红色箭头部分。按照航班时刻表或者动态调整后的 航班时刻表，产生空中模块的抵达飞机及其客流，通过停机坪模块、滑行道模块和跑道模块 产生下飞机按时间分布的客流量，通过入关手续办理模块、行李传送与到港手续办理模块， 以及接人、送人客流及其交通流产生陆域载运工具离开机场的客流和交通流，通过交通分担 与分配产生抵达车道边、停车场欲离开机场的客运量，抵达公交站欲离开机场的客运量。

中转客流整个过程如图3所示。中转的旅客或直接经过候机内厅模块或离开机场后经过 安检系统再进入候机内厅模块。之后通过停机坪模块，滑行道模块，机场跑道模块等离开机 场。

5.2交通量和运输量生成模块

如图4所示，通过航班时刻表或调整后的航班时刻表，从生成和吸引两个部分，生成到 达机场客运量，离港客运量与到港客运量。到港客运量通过到达机场边模块与公共交通车站 模块得到不同交通分担下到达机场交通量或客运量。到港客运量与送人后离开机场客运量组 成了离开机场客运量，通过选择不同的交通方式，分配成为离开车道边交通量与离开公共交 通客运量。最后通过车道边模块与公共交通车站模块离开。

5.3登机手续办理模块

5.3.1元胞的选择

将每一个登机手续办理窗口前的排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为手续办 理窗口。办理窗口分为两类：自助值机系统、柜台人工值机窗口。如图5所示：

5.3.2元胞的构成

如图5所示，列中每一个元胞代表办理值机手续的乘客，队列最前方为值机办理窗口。 使用自助值机系统乘客的值机时间服从随机分布，均值时间为30秒，使用柜台人工值机的值 机时间同样服从随机分布，均值为80秒。

5.3.3元胞自动机的运行

仿真初始时刻t₀，每一个元胞仿真长度为0.7m，排队区域的长度为100×0.7m，乘客的步 行速度根据文献定为每秒行走一个元胞的距离，即0.7m/s。在队列的最最前端，每30s或80s 放行一个元胞，来仿真办理值机手续的过程。

(1)元胞的初始化

为空一维元胞进行初始化。一维元胞队列根据车道边模块、停车场模块与公共交通模块、 候机外厅模块输出的按时间分布的需要办理登记手续的客运量。产生每一个仿真步长对应的 到达旅客需要办理登记手续的数量。

(2)元胞自动机的运行

①运行规则。该元胞自动机仿真乘客办理值机系统的情况，以每个仿真时刻为一个步长， 固定该元胞自动机以恒定速度v＝1运行。如图4所示。

②乘客换队列规则。当乘客发现，旁边队列中排队的人数少于当前队列的人数时，此乘 客会从当前队列换至乘客期望的队列。如图5所示。

③排队队列的更新。对于某一时刻t_p队列中的元胞，其下一秒的位置状态为： x(i，t_p+1)＝x(i，t_p)+v(i，t_p+1)

x(i，t_p)：表示第i个元胞在第t_p秒这一时刻的位置；

x(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的位置；

v(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的速度。

5.4安全检查模块

5.4.1基本流程图

5.4.2元胞的选择

将安检排队区域的每一队列表示为一列元胞，仿真中根据安检口旅客放行方式将安检办 理程序分为单队列单人受检和单队列双人受检两种类型(如图6所示)，则相应地用队列最前 方的一个或两个元胞代表正在接受安检的旅客。元胞自动机安检排队模型示意图如图7所示：

5.4.3元胞的构成

如图7所示，本仿真中每个元胞代表安检区域中一个0.7m×0.7m的区域，每个安检排队 区域等待安检或正在接受安检的旅客占据一个元胞，与单队列单人受检和单队列双人受检情 况相对应，队列最前方的一个或两个元胞表示正在接受安检的旅客。根据相关文献将旅客步 行速度设定为0.7m/s，即旅客每秒前进一个元胞长度的距离。

5.4.4元胞自动机的运行

本仿真中将最大排队长度定为50×0.7m，仿真步长为1秒，总仿真时长为4小时。

(1)元胞的初始化

最大排队长度与开放的安检柜台数目n形成50×n的元胞空间，代表完整的安检排队区域， 初始时刻整个元胞空间内各元胞均未被占用。

根据每五分钟的安检旅客总量(不区分航空公司)得到300×n的五分钟内安检旅客生成 矩阵，即相应总量的旅客在五分钟内进入安检排队区域的正态分布矩阵。此后300个仿真步 长(5分钟仿真时间)内，逐行读取该矩阵，五分钟内进入安检排队区域的所有旅客随机地 在仿真时间内从元胞空间末尾进入安检排队区域。

(2)元胞自动机的运行

①基本演化规则

元胞的基本演化规则为若正前方相邻元胞为空，则向正前方前进一个元胞。这种演化规 则适用于以下几种情况：(1)旅客进入安检排队区域但仍未前进至进入某一队列；(2)旅客排 在某一队列中且其相邻队列不短于其所在队列。按照这种规则进行演化的前提是不允许存在 插队现象。

②旅客换队规则

相邻两队列中有一侧队长短于旅客当前所在队列时，若同时满足该侧与旅客对应元胞相 邻的元胞为空，则该旅客对应的元胞将会从当前队列换至队长较短的一列；若旅客相邻两队 列均短于其当前所在队列且其左右相邻元胞均为空，则旅客随机选择换入两侧队列中较短的 一队。具体情况如下图11所示：

③边界条件

本仿真中假设所有旅客均可通过安检，则队首的旅客接受完安检后，即其对应元胞保持 在该位置的时长达到安检时间后，便从系统边界离开系统。

5.5候机内厅模块

5.5.1候机内厅模块元胞自动机模型

候机内厅视为一个单一元胞，若干安检口汇总后视为入口，看作一维元胞并与候机厅元 胞相连。候机厅出口登机通道汇总后视为出口，看作一维元胞并与候机厅元胞相连。构建为 某一具有单个入口与单个出口并连接到某单个元胞的一维元胞自动机模型。如图8所示。

5.5.2元胞的构成

如图10所示，出入口一维元胞均由若干元胞所构成。每个元胞表示一组仿真步长t₁内通 过所有安检口的旅客，元胞值为该组人的数量。

入口一维元胞的初始化是以仿真步长为单位，根据安全检查模块输出的按时间分布的客 流。出口一维元胞根据航班时刻表起飞时刻，提前半小时开始登机。按照每位乘客平均延误 4-6秒通过出口初始化出口一维元胞。

5.5.3元胞自动机的运行

候机大厅人数为room_origin，仿真时间为t_n个步长。入口一维元胞people_come由1×t_n个元胞组成，元胞people_come(n)表示在第n个仿真时刻通过安检进入候机大厅的人数。出 口people_out一维元胞由1×t_n个元胞组成，元胞people_out(n)表示在第n个仿真时刻离开候 机大厅登机的人数。

(1)初始化元胞

如图11所示，为空一维元胞进行初始化。一维元胞people_come根据安全检查模块输出 的按时间分布的客流数，得出每个仿真步长people_come(n)、people_come(n+1)、 people_come(n+2)......对应到达旅客数a₁、a₂、a₃......如下图3所示。根据航班时刻表起飞时 刻，及提前半小时开始登机的规则，并按照每位乘客通过出口时的平均延误初始化出口一维 元胞，得出每个仿真步长people_out(n)、people_out(n+1)、people_out(n+2)......对应旅客离开 候机厅登机人数b1、b2、b3......如下图13所示。

(2)元胞自动机的运行

①运行规则。该元胞自动机仿真乘客进出候机厅情况，以每个仿真时刻为一步长。故该 元胞自动机以恒定速度v＝1运行。则仿真时间由t_p变化到t_p+1的元胞变化，如下图14所示。

②候机厅中候机人数的更新，初始时刻t₀候机厅中候机人数为roomorigin出入口元 胞为people_come、people_out。则初始时刻1秒后机厅中候机人数room_people(t₀+1)为：

room_people(t₀+1)＝room_origin+people_come(1)-people_out(1)；

room_people(t₀+1)：初始时刻1秒后时候机厅中候机人数；

room_origin：初始时刻t₀候机厅中候机人数；

pedple_come(1)：初始时刻1秒后进入侯机厅的人数；

pedple_out(1)：初始时刻1秒后离开侯机厅的人数；

运行至t_p+1时刻，候机厅中候机人数room_people为：

room_people(t₀+t_p+1)＝room_people(t₀+t_p)+people_come(t_p)-people_out(t_p)。

room_people(t₀+t_p+1)：在t_p+1时刻候机厅中候机人数；

room_people(t₀+t_p)：在t_p时刻候机大厅人数；

people_come(t_p)：在第t_p个仿真时刻进入候机大厅的人数；

peopleout(t_p)：在第t_p个仿真时刻离开候机大厅的人数。

5.7下机离开模块(主要为拿行李过程)

5.7.1元胞自动机模型

本实验中建立的元胞自动机模型如图153所示，建立如图15中a₁、a₂、b₁、b₂、c₁的5 列元胞，代表机场交汇的行李传送带，每一个元胞代表可以放置一件行李的空间，元胞值为 空态或占据态，为占据态时元胞值为该空间中行李的速度v。

(3)初始化元胞

根据通过航班时刻表或调整后的航班时刻表生成的到港客运量，通过行李预测产生行李 量，对a₁、a₂、b₁、b₂4个连接入口的支线传送带进行初始化，行李在传送带上的位置按照时 间分布。

(4)元胞自动机的运行

①运行规则。该元胞自动机仿真飞机到港后，乘客下机后提取行李的整个过程。行李在传 送带上以v＝1的速度运行，仿真时间由t_p变化到t_p+1的元胞变化，如图14所示。

②传送带接口运行规则。如图16所示，如果a₁、b₁中的行李会在传送带接口处发生交汇， 若a₁中的行李首先到达传送带接口处，则b2中的行李在接口处前等待6秒钟，再通过接口 处进入主线传送带。

③传送带队列元胞的更新。对于某一时刻t_p队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：

x(i，t_p+1)＝x(i，t_p)+v(i，t_p+1)

x(i，t_p)：表示第i个元胞在第t_p秒这一时刻的位置；

x(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的位置；

v(i，t_p+1)：表示第i个元胞在第t_p+1秒这一时刻的速度。

5.8仿真实验及分析

1)仿真条件

某航空枢纽某天9:00-11:00中个航班的起降时间及实际载客数如表1所示：

表1某机场部分航班时刻表

2)仿真实验

(1)登机手续办理模块

根据车道边模块、停车场模块与公共交通模块、候机外厅模块和中转模块输出的按时间 分布的需要办理登记手续的客运量，具体见表2所示。

表2各仿真时间段进入各航空公司值机系统旅客数量

由于机场的值机系统分为自助值机系统和柜台人工值机系统，到达的乘客按照31％和 69％的比例进入自助值机系统和柜台人工值机系统，自助值机系统的办理仿真时间为30s，人 工值机的办理仿真时间为80s。得到的旅客到达分布如下表所示：

表3各仿真时间段进入各航空公司自助值机系统旅客数量

表4各仿真时间段进入各航空公司柜台人工值机系统旅客数量

根据元胞自动机模型对值机系统进行仿真，对各航空公司自助值机系统仿真结果如下：

上图中，每一个黑点代表一位旅客，横轴代表排队区域；纵轴代表时间，由图可以看出， 在1个自助值机窗口的服务下，到达的旅客可以顺利通过值机系统，并没有出现堆积滞留现 象。因此在当前旅客数量和自助-人工值机比例下，天津航空公司只需设置一个自助值机窗口 就可以满足旅客自助办理值机手续的需求；另外，中国国际航空公司和中国东方航空公司在 此时间段的客流量都小于天津航空公司，通过对自助值机系统进行仿真，可以看出这两个航 空公司在该机场也只需要设置一个自助值机窗口，篇幅所限，不再赘述。

根据元胞自动机模型，对柜台人工值机系统的仿真结果如下：

由上图可以看出，利用元胞自动机模型对天津航空在该机场开设3个窗口的人工值机系 统进行4小时的仿真，从500s开始在值机办理窗口前出现了严重的旅客堆积滞留现象，并且 不断向上游蔓延，排队队列的长度超出了旅客忍耐的极限。因此天津航空公司在该机场开设 3个窗口不能满足旅客通过柜台人工办理值机手续的需求。

利用元胞自动机模型对天津航空公司在该机场开设4个窗口的人工值机系统进行4小时 的仿真，由上图可以看出，在1000-2500s、7500-9000s、12500-14000s出现了轻微的旅客堆 积，但是并不严重，能控制在旅客忍受范围内。

利用元胞自动机模型对天津航空公司在该机场开设5个窗口的人工值机系统进行4小时 的仿真，由上图可以看出，值机手续办理窗口前并没有出现旅客堆积滞留现象，旅客无需排 队等待，可以直接办理。但是与开设4个窗口的方案相比，成本会增长，效率并没有显著提 高，因此开设4个窗口是比较合适的方案

经过对多种方案下柜台人工值机系统的仿真，根据仿真结果，统计出各方案下值机办理 窗口前排队队列长度的变化情况，统计结果如下图21：

由于开设5个窗口值机柜台不会产生排队队列，因此在上图中不做统计，图中可以看出， 当窗口数为3的情况下，值机手续办理窗口前产生了排队队列，并且随着时间的推移，排队 队列的长度不断增加；反映出在这种情况下，值机手续办理窗口前出现了旅客堆积滞留现象， 并且随着时间的推移，堆积滞留现象不断加剧。可以得出结论，机场开设3个以下窗口并不 能满足到达旅客通过柜台人工办理值机手续的需求。在窗口数为4的情况下，值机手续办理 窗口前出现了很短的排队队列，但是队列长度并没有增长的趋势。能够稳定在2个元胞左右， 说明在开设4个办理窗口的情况下，柜台的服务水平可以满足该机场中旅客办理值机手续的 需求。综合考虑，天津航空公司在该机场开设4个值机手续办理窗口是最合理的方案。

另外对中国国际航空公司和中国东方航空公司的柜台人工值机系统也分别进行了4小时 的系统仿真，研究的方法与天津航空公司的情况相同，篇幅所限，只做简要分析。

通过仿真，得出这两个航空公司柜台人工值机系统的各方案平均排队长度统计图：

由上面两个统计图可以看出，在该机场开设3个人工值机窗口是中国国际航空公司和中 国东方航空公司的最优方案，由于研究、分析方法与天津航空公司相同，在此不再赘述。

(2)安全检查模块

正常状态组实验：

图24为正常情况下开放不同安检通道数旅客平均等待时间对比图。正常情况即每个安检 通道前排有一个队列，每次放行一人进入安检流程，安检流程严格程度不高，命令旅客打开 箱包或脱鞋、腰带的情况较少，这里根据相关文献设定旅客安检时间服从均值为35、标准差 为5的正态分布。由图24可以看出，开放6个安检通道时，旅客平均等待时间接近600秒， 而增设一个安检通道后，旅客平均等待时间大幅减少，旅客对安检过程的满意度必然随之大 幅提升；继续增设安检通道，旅客平均等待时间继续减少，但幅度相对较小。考虑资源代价， 在此问题背景下，开设7个或8个安检通道较为合适。

图25为正常情况下开放不同安检通道数旅客平均等待时间对比图，由图可以看出，仿真 时长内，若开放6个安检通道，平均排队队长随时间的推移不断增加，高峰时达到35人/队 的平均队长，极易造成安检排队区域的大面积拥堵；增设安检通道至7个后，拥堵情况得到 了一定程度的缓解，但高峰时段仍然可达到10人/队的平均队长；继续增设安检通道至8个、 9个，高峰时段的平均排队队长亦不会多于5人/队，基本能够实现旅客的“随到随检”。考虑 资源代价，在此问题背景下，开设8个安检通道较为合适。

单、双检组实验：

图26为分别采用单队列单人受检和单队列双人受检的放行方式下旅客平均等待时间随 开放安检通道数量的变化。从图中可看出，同样开放5个安检通道，单队列单人受检模式下 旅客平均等待时间远大于单队列双人受检模式；而开放6到7个安检通道时，这种情况虽有 所缓解但差距仍然较大；开设8个安检通道时，两种放行方式下的旅客平均等待时间差别较 小，但从旅客的角度来看，由于单队列双人受检模式下的平均等待时间相对更短，其对该种 模式的满意度必然更高。另外，单队列双人受检的放行方式下开设5到9个安检通道的旅客 平均等待时间差别不大，可见这种方式下的安检效率明显较高。

图27为开放6个或7个安检通道的情况下，分别采用单队列单人受检和单队列双人受检 的放行方式时系统平均排队队长随时间的变化。从图中可明显看出，采用6个安检通道单队 列单人受检模式时大部分仿真时间内队列拥堵情况严重，且平均排队队长随时间大致呈上升 趋势；较之而言，7安检通道单队列单人受检模式下非高峰时段基本能够保证平均排队队长 保持在较短水平，仅在11:30到13:00出现了轻微的拥堵情况。而单队列双人受检的放行方式 下系统几乎没有出现队长较长的情况，基本能够实现旅客“随到随检”，若不考虑资源代价， 双人受检模式显然能够大幅提高安检效率。

考虑多级安检实验组：

内地民航乘客登机安检级别可大致分为三级：

一级安检：安检最高级别。所有的乘客都要接受最严格的安全检查。包括：人体要经多 重X光扫描探测、随身物品要100％经机器及人手双重检查。行李也要经过爆炸物检测器检 测。根据相关文献，这里设定旅客接受一级安检的时间服从均值为50、标准差为5的正态分 布。

二级安检：乘客要经过两道闸的X光身体扫描，要脱鞋、除皮带、接受手持探测器搜身。 随身箱包要严格抽检，几率提高到50％，即每2人中要有1人开箱检查。根据相关文献，这 里设定旅客接受一级安检的时间服从均值为40、标准差为5的正态分布。

三级安检：属于正常安检。根据相关文献，这里设定旅客接受一级安检的时间服从均值 为35、标准差为5的正态分布。

从图28可以看出，由于一级安检检查非常严格，耗费时间较长，因此若各安检通道均施 行一级安检，则随着时间的增加，平均排队队长将会不断增加，极易造成安检排队区域的大 面积拥堵；随着安检等级的降低，旅客平均安检时间减少，拥堵情况也随之得到缓解。

特殊航班航次单独安检实验组：

由于一些特殊原因，某些航空班次需要进行级别为二级甚至一级的特殊安检，特殊安检 流程复杂，因此旅客接受安检的平均时间较长。本仿真的航班时刻表中，含有9:30起飞的一 班需进行特殊安检的航班，由图29可以看出，为其单独开设一个安检通道，则在该班次旅客 到达安检区域的高峰期，该队列的排队队长与其它正常安检通道相比明显较长。针对此问题， 为保证旅客队安检过程的满意度，建议该通道实行单队列双人受检模式或开设两个特殊安检 通道。

(3)登机前等待模块

按照安全检查模块得到的按照时间分布的客流量，得到如表5所示仿真时间段各仿真步 长内进入候机厅的总人数：

表5仿真时间段各仿真步长进入候机厅总人数

根据上表5航班时刻表，候机厅旅客提前半小时开始登机，结合每位乘客通过出口时平 均延误4～6秒得出各仿真步长内不同航班在出口处所产生人数，如下表6所示：

表6各仿真步长内不同航班在出口处所产生人数

上表中，X1-X12为相应航班的旅客人数，A、B为该仿真步长内所产生的通过在候车厅 出口的人数。因人群平均延误为4-6秒，故取A＝round(50+25*rand())，B＝round(50+25*rand())； 不足步长5分钟的，规定其通过人数为：1分钟通过人数为10人，2分钟通过人数为20人， 3分钟通过人数为35人，4分钟通过人数为45人。计算中，以10航班为例。10航班起飞时 间为9:43，因提前半小时登机，则该航班旅客离开候机厅准备登机开始时间为9:13。则 9:10:00-9:15:00仿真步长内通过人数为20，9:15:00-9:20:00仿真步长内通过人数为A，当 20+A＜X1时，9:20:00-9:25:00仿真步长内通过人数为X1＝20-A；当20+A＞＝X1时，9:20:00-9:25:00 仿真步长内通过的人数为0，A＝X1-20。其他航班计算同理。

通过元胞自动机仿真，得出候机厅内人数随时间变化情况如图30所示：

由上图可见，在该仿真时间段内，9:30这一时刻，候机厅旅客数量最多。因此，为了 满足仿真时间内候机厅中所有旅客的需要，候机厅至少需要设置800个座椅。

(4)下机离开模块

通过对9:00-11:00到港航班乘客下机提取行李整个过程的仿真，反映出该过程的特性，得 出如下结果：

如图31所示，根据航班时刻表中的到港航班信息，通过仿真得出从9:00到11:00行李提 取处出现了6次客流高峰，不同航班的客运量产生了峰值不同的客流高峰，其中2号航班在 行李提取处产生了客流最高峰，峰值为68人。

不同的航班客流在行李提取处产生了峰值不同的客流高峰，旅客在提取行李时需要等待 的时间也随着客流峰值的不同而不同，如图32所示，其中2号航班的旅客需要等待的平均时 间最长，为170秒。

(六)有益效果

本发明的优点在于：

1)以在对于航空枢纽的研究，多为航空枢纽的某一部分或模块，没有从系统层面上对整 个机场枢纽的各个模块进行反馈与协调。本发明从整体上对机场枢纽进行研究，运用中微观 结合的方式，研究在机场枢纽中各个模块之间的相互影响关系，清晰地显示出了各模块的制 约关系。

2)以在对于交通枢纽的研究中，部分是应用相关的仿真软件，无法对仿真中的每个决策 主体进行的目标与行为进行研究。本发明应用中观与微观结合的元胞自动机模型，采用多主 体的Agent模型进行仿真，能够对航空枢纽中各个模块中的每个主体进行仿真，能够定义其 目标，对影响其决策因素进行限制，仿真其在不同条件下的不同决策，并观察其决策对整个 系统造成的影响。使得仿真更加贴近实际。

3)本发明所研究的内容，不但能为航空运输站场规划设计提供依据，还能为航空站场在 运行管理阶段提供决策依据，适用性较广。