離散事件仿真模型在機場航站樓（lóu）設計中（zhōng）的應用

摘要：隨著（zhe）現代機場規（guī）模的不斷擴大、功能逐漸完（wán）善，機場前期建設和（hé）後期運營亟需新（xīn）型智能化技術的（de）應用。離散（sàn）事（shì）件（jiàn）仿真模型可（kě）以利用機場內交通流規律性強、標準化程度高的特點（diǎn）對其進（jìn）行模擬。模型可以準確量化機場內的需求和供給，充分考慮旅客體驗，在建設階段對各項設備設施的合理（lǐ）規劃設計進行指導，在（zài）運（yùn）營（yíng）階段（duàn）可以實時（shí）根（gēn）據機場用戶需（xū）求的變化（huà），提前評價設（shè）備設施表現的變化，為機場決策（cè）提供輔助（zhù）。離散事件仿真模（mó）型在機場領域的應用對加快“四型”機場的建設有著積極的意義。
 
目前，我國（guó）航空業發展迅速，2017年全國民航運輸機場旅（lǚ）客吞吐總量達11.48億人次（cì），增（zēng）長率（lǜ）達12.9%。為適應航空出行需求的增長，機場建設規模逐（zhú）漸增大（dà），功（gōng）能也越來（lái）越完善，以致機場新建或者改擴建工（gōng）程難度增大。如果按照傳統規劃設（shè）計方法和（hé）經驗，則（zé）已無法（fǎ）有效預判機場（chǎng）各係統容量及相互匹配情況。
旅客是機場航站樓（lóu）的用（yòng）戶，高效、舒適是客流組織的關鍵。民航局提出推進建（jiàn）設平安機場、綠色機場、智慧機場（chǎng）、人文機場，其中人文機場（chǎng）要求（qiú）目標管理以人為本。我國現階段機場設計規劃和運營中缺乏對旅（lǚ）客舒（shū）適度（dù）和高效性定量的指標。《IATA機場設計參（cān）考手冊第十版》（《IATA Airport Design Reference Manual 10^th Edition》，以下簡稱“ADRM10”）對機場不同設施為旅客提供的（de）服務水平提出了定量的標準，如表1、表2所示（shì）。
 
表1 ADRM10機場人均麵積服務水平標（biāo）準

航站樓區域	等候區域人均麵積
	A	B	C	D	E
	過度設計		最（zuì）優設計	設計不足
出發廳	>2.3m2		2.3m2	<2.3m2
值機區	>19.4m2		14.0-19.4m2	<14.0m2
安檢區（qū）-普（pǔ）通	>12.9m2		10.8-12.9m2	<10.8m2
安檢區-無障礙	>18.3m2		16.1-18.3m2	<16.1m2

表（biǎo）2 ADRM10機場設施（shī）等候時間服務水平標準

航站樓區域	設施等候時間					高峰小時（shí）關鍵旅客百分位數
	A	B	C	D	E
	過度設計		最優設計	設計不足
自助值機（jī）區	0min		0-2min	>2min		95th
行（háng）李托運	0min		0-5min	>5min		95th
普（pǔ）通值機	<10min		10-20min	>20min		85th
安檢區	<5min		5-10min	>10min		95th

  
傳統規劃設（shè）計方法難（nán）以對此類數（shù）據進行精（jīng）確的量化，但（dàn）是機場模擬仿真可以在規劃設計以（yǐ）及運營階段（duàn），對機場各類設施的表現（xiàn）進行量化分析，從而對服（fú）務（wù）水平進行定（dìng）量評價。
機場客流（liú）的仿真模擬包括進港旅客和（hé）離港旅客兩個流程。其中，離（lí）港流程（chéng）模型需（xū）要包含進場道路、到達車道邊、出（chū）發（fā）大廳值機設施、海關邊檢（國際出發）、安檢設（shè）施、候機區域、機坪、滑行道和跑道；到港流（liú）程模型需要包含跑道滑行道、機坪、旅客到達通道、行（háng）李提取廳、海關邊檢（國際到（dào）達）、出（chū）發車道（dào）邊、出場道路。一個良（liáng）好的機場係統，需要（yào）各步驟設施均能提供與旅客需（xū）求相匹配（pèi）、相協調的容量，提供合理的服務水平，避（bì）免過度設計和供給不足。
航站樓內旅客動線序列性很強，離散事件仿真模型可以較為準（zhǔn）確地模擬客流（liú）。雖然（rán）客流動線序列性很強，但是機場各設施實際運行中受到兩種方麵人（rén）為因素的影響，即機（jī）場旅客和設施操作者，如值機櫃台、登機口航空公司工作人（rén）員，安檢口安保人員等。仿真模型通常會使用統計方法將人的行為中對係（xì）統影響顯著且（qiě）易於測量的因素進行統計，並在模型中添加隨機變量以模擬人因（yīn）影響。對於人因影響中一些難以統計的因素，尤其是在細節中如行走時的路徑選擇、候機時在航（háng）站樓內的漫遊行為等，這部分對整個係統（tǒng）的影響較（jiào）小，但對特定研究（jiū）的影響可能（néng）較大。因此，一般機場仿真模擬模型不會考慮這部分人因影響模型，模（mó）型運（yùn）行中隻需基於（yú）預設運行規則，稱為（wéi）規則基離散事件仿真（zhēn）模型。一些特定研究（jiū）會建立代理基離散事件仿真（zhēn）模型，這（zhè）類模型中，每個個體具備有限智能，在做決策時會基於（yú）類似人類思維的過程，但因技術難度較大，這類模型和現實差距還是（shì）較大，應用領域有限。
在運用離（lí）散事件仿真模型於客流仿真領域中，國內外學者（zhě）進行了一係列學術研究。Siikonen, Susi 和Hakonen(2000)使（shǐ）用離散（sàn）事件仿真模型對高層建築內人（rén）流豎向交通進行了模擬。Nahke(2001)為亞特蘭（lán）大哈茲菲（fēi）爾德—傑克遜國際機場搭（dā）建了由（yóu）9列（liè）火車構成的航站樓間旅客移動係統（tǒng）仿真模型。在模型中他們測試（shì）了提（tí）升火車數量和係統旅客（kè）通行能力的關係，驗證了從投（tóu）入產出比角度九列火車是當時（shí）規劃旅客需求條件下的最優火車數量。Chen,Guo和（hé）Zhu(2009)運（yùn）用離散事件仿（fǎng）真模型優化了高峰小時機（jī）場擺渡（dù）車（chē）排班（bān）。Liu和Tan(2009)利用仿真（zhēn）模型模擬了旅客流在機場車道邊的行為。Gatersleben和van der Weij(1999)搭建了機場航站樓內（nèi）客流仿（fǎng）真模型。雖然該研究有效地（dì）利用了仿真模型（xíng）根據航班排班（bān）生成旅客流以模擬機場客流，但模型忽（hū）視了旅客行為的差異性，在許多設備設施處生成了不準確的瓶頸（jǐng）。同時，該模型忽視了旅客因為對航班熟悉程度、行動能力（lì）和是否攜帶兒童等因素而導致的行為（wéi）差異。這些差異將極（jí）大地（dì）影（yǐng）響機場客流特性。Andersen(2003)利用離散事件航站樓（lóu）客流仿真模型評（píng）價了機場的應急疏散措施。這些早（zǎo）期的（de）研究受限於當時的機（jī）場設（shè）備（bèi）設施性能以及旅客需（xū）求等級，在現今的機場設計規劃和運營過程中的應用，具有一定（dìng）的局限性（xìng）。
本文的研究目的是探討離散仿真模型在機場航站樓設計時的應用方法（fǎ）和意義。建模使用的是ARENA離散事件仿真軟件，這是一款使用規則基離散事（shì）件仿（fǎng）真內核，並運用隨機過程模擬現實的軟件。模型（xíng）中（zhōng），旅客輸入（rù）文件，即模型個體的（de）生成是基（jī）於（yú）機場和航空公司提供數據、現場數據調查和統計結（jié）果的時序（xù）隨機過程。個體在模型中的移動是基於與機場實際流程相一致的（de）預設（shè）規則。旅客在各項設施的（de）處（chù）理時間同時是基（jī）於數據（jù）調查和統計（jì）結果的隨機時間。每個個體在整個係統或者每個設（shè）施中的等待時間、移（yí）動時間、排隊（duì）長度等關鍵參數被記錄，並在輸出（chū）文件中（zhōng）匯報用於確定客流瓶頸。
2.1 建模基（jī）礎材料
建模的基礎材料（liào）包含：計算機、ARENA軟件（jiàn）、機場航站樓內平麵圖等。建（jiàn）模（mó）需要的基礎文檔文件包（bāo）含（hán）：機場和航空公司提供的航班、登機口分配（pèi）、售票情（qíng）況、旅客（kè）行為相關數據和機場設備設施運營相關數據等。
2.2 模型模塊部（bù）件
仿真模型主要包括以下幾個主要部件，這些部件（jiàn）功能上相互獨立，但在整個係統中又相互影響。
2.2.1 生成模塊
生成模塊的核心是基於（yú）前期機（jī）場和航空公司提供的數據、數據（jù）調查和統計結果的時序隨機過程，生（shēng）成模型主體（tǐ）的輸入文件。生成模塊生成的輸入文件（jiàn）一般（bān）包含模型旅客的基礎數據，如旅客到達（dá）時間、旅客類型（出發/到達）、航班號、航（háng）班時刻、航空公司、航班類型（國內/國際）、機票類型（經濟艙/頭等/商務（wù）艙（cāng））、托運行李數量（liàng）、登機行李數（shù）量、離開/到達機（jī）場（chǎng）交通（tōng）模（mó）式、團隊人數、是否需（xū）要無障礙（ài）設施等。
2.2.2 分配模塊
分配（pèi）模塊一般是模型主體（tǐ）的第一模塊，當模型主體讀（dú）取生成模塊產生的輸入文件後，分配（pèi）模塊會根據模型個體的各項參數（shù），結合機場設施的數據調查和統計結果分配一些衍生參數，如不同（tóng）航空公司、不同機票類型、不同航班類型的值機耗時，不同航空公司、不同機票類（lèi）型、不同行李數量的（de）托運耗時，頭等、商務艙旅客是否使用休息室和停留時長，不同登機行李數量的旅客的（de）安檢耗時（shí）、行走速度和使用扶梯概率，不同航班類型對海關邊檢設施（shī）的過關耗（hào）時等。
2.2.3決定模（mó）塊
決定模塊由大量的條件邏輯構成，將（jiāng）不同類（lèi）型的旅客導入模型處理模塊的不同部分，如前往出（chū）發或到達部分、到達（dá）旅客（kè）是否前往行李提取廳、是否需（xū）要使用海關邊檢設施、前往（wǎng）停車庫、到（dào）達車道邊還是（shì）公（gōng）共交通車站，出發旅客由停車庫、車道（dào）邊、公共交通車站進入機場，前往哪個航站樓，是否需要使用值機櫃台，是否需要使用海關邊檢設施，是否前（qián）往休息室以及前往哪（nǎ）個登機（jī）口。
2.2.4 處（chù）理模塊
處理模（mó）塊的核心部分由排隊論而搭建的排隊—等（děng）候—處理單元（圖1）。旅客在機場（chǎng）各項（xiàng）設施中，按此模式接受設施服務。旅客進入隊伍、隊（duì）伍長度、通（tōng）過隊伍、開始接受服務、服務終了時間節點被一一記錄。部分（fèn）設施（shī），係統（tǒng）還會記錄設施狀態（繁忙/空閑），設施前最大隊長。一般機場模型處理模塊包含：車（chē）道邊、扶梯（tī）電梯、值機櫃台、海關邊檢櫃台、安檢通道、自動人行道（dào）、衛生間、休息室、候機座椅區、行李（lǐ）提取轉盤等（děng）。
 
圖1  Arena軟件中排隊-等候-處理單元基礎邏輯
2.2.5 輸（shū）出模塊
輸出模塊主（zhǔ）要功能是寫（xiě）出模型（xíng）中個體的關（guān）鍵時間節（jiē）點和設施關（guān）鍵狀態，並進行基礎（chǔ）計算，輸出對機場設計規劃運營有重要意義的結果，這其中包含旅客在各項設施的排隊時長（平均值（zhí）/95百分位（wèi）/最大值（zhí）），旅客最大步行長度，旅客被電梯拒載（zǎi）次（cì）數，候（hòu）機時是否有座位，旅客通過設施總時長，各（gè）項設施空閑（xián）比例、最（zuì）大排隊長度。對於複雜模型，一（yī）般輸出模塊輸出文（wén）件過於龐大，高階輸出模塊也會被搭建。高階輸出模（mó）塊中，預警條件被設定，當（dāng）輸出文件中包含觸發預警條件（jiàn）數據時，數據會（huì）被寫出。
2.3 數（shù）據收集和統計
數據的質量和可靠度直接影響模型輸入（rù）文件的準確性。輸入（rù）文件的準確性又直接決定（dìng）模型對係統的評價的有效性。仿真模型的數據有些在現實中已被機場或者航（háng）空公司記錄，例如，航班數據（jù）和航班機票銷售情況決定了模型中個體數量，不同類型旅客托運行李數量，不同旅客值（zhí）機時間和登（dēng）機時間，旅客使用（yòng）休息室情況等（děng）。而有些（xiē）數據需要根據建模需求進行采樣調查。傳統（tǒng）的方法包含針對（duì）旅客相關參數的現場問卷（juàn）調（diào）查，針對現（xiàn）場或（huò）視頻設施服務時間的時間節點調查（chá）等。隨著電子設備的普及以及大（dà）數據技術的利用，越來越多的新技術（shù），例如手機mac地址追蹤、熱感攝像頭、人臉識別等技術被應用到機場數（shù）據收集工作中。此類技術極大地簡化了（le）數（shù）據收集工（gōng）作，降低了工作難度的同時（shí）也（yě）提升了數據的質量和（hé）可靠度。
在獲（huò）取（qǔ）抽樣調查得到甚至非抽樣總體大數據後，合理地利用統計模型去處理數據也非（fēi）常關鍵（jiàn）。準（zhǔn）確的統計模型的使用，有助於確保模型生成的輸入文件和關鍵參（cān）數的可靠性。
3.1 項（xiàng）目目的
美國某機場對現有航站樓的出發廳值（zhí）機安檢區（qū）進行改、擴建。他（tā）們運用仿真模型對改（gǎi）擴建項目中值機櫃台（tái）和擴建值機櫃台計（jì）算數量要求（qiú）和進行（háng）重新排布，設計（jì）和計算擴建航站樓安檢設（shè）施位置和數量。
3.2 評價指標（biāo）
仿（fǎng）真模型中，將參照ADRM10對建築設計方案進行評價，並調整方案以達到ADRM10中“最優設計”（替代前版中服務水平C）指標。模型評價值機櫃台排（pái）隊（duì）時間、值機櫃台排隊區域人均麵積、安（ān）檢通道排隊時間、安檢通道排隊區域人均麵積（jī）。
3.3 建模過程
建模工作階段主要流程包括：
（1）根（gēn）據（jù）機場提（tí）供的（de）現有航（háng）班數據，預測目標年設計日（rì）航班。
（2）根據航空公司提供的售票情況和旅客（kè）行為數據，生成進港旅客到（dào）達機場航站樓輸入文（wén）件，如圖2所示。
 
圖2   旅客提前到達機場時間分布
（3）根據設計單位提供設計方案，結合航站樓旅客流程，搭建基礎模型。
（4）運行仿真模型，得到（dào）對象（xiàng）設施特征表現（xiàn）輸出文件（jiàn）。比對設施表現和評（píng）價指標，調整設施數量、客流動線、運營方式（shì）等，使設施輸出表現接近最優設計（jì）。
（5）重複步驟4得到符合評價指標的基礎模（mó）型。
（6）根據（jù）機場運營方（fāng）提出的（de）機場運營期間的邊界條件，對設施進行敏感性分析。
（7）生成仿真模擬報告，評價設計單位方案，並給出推薦方案。
3.4 仿（fǎng）真結果
仿真報（bào）告中主要包含以下幾部（bù）分（fèn）內（nèi）容：
（1）根據機場和各航司提供的航班和售（shòu）票數據，預測（cè）出航（háng）站樓真實小（xiǎo）時旅客（kè）數，如（rú）圖3所示。
 
圖3   機場滾動小時旅客數
（2）根據旅（lǚ）客數和機場設施運營數據，以及仿真模型輸出文件，計算出各航空公司（sī）值（zhí）機櫃台推薦數量和特征表現數據，如表3所示。
表3 各航（háng）空公司值機櫃台推薦數量和特征表（biǎo）現數據

航空公司	值機方式	推（tuī）薦（jiàn）設備數量	高峰小時排隊時間		最大隊長	最優設計（jì）指標推薦排隊區域（yù）麵（miàn）積 （平方英尺）
			95分位	評價規範
西南 航空	車道邊托運	9	17.2	20	94	1,320
	自（zì）助托運	25	1.7	2	103	1,450
	人工托運	7	2.0	5	41	580
	自助值機	6	1.5	2	39	550
	人工值機	13	16.6	20	165	2,310
漢莎航（háng）空	自助托運	6	1.4	2	14	200
	人工托運	2	3.9	5	21	300
	自助（zhù）值機	1	0	2	2	30
	人工值機	5	13.4	20	66	930
挪威航空	自助托運	5	1.1	2	18	260
	人工托運	2	3.5	5	19	270
	自助值機	1	0.9	2	5	70
	人工值機	6	12.2	20	45	630
埃塞俄（é）比亞航空	自助（zhù）托運	4	1.8	2	11	160
	人工托運	2	0.8	5	23	330
	自（zì）助值機	1	0	2	2	30
	人工（gōng）值機（jī）	5	6.8	20	30	420
以色列航空	自助（zhù）托運	4	1.3	2	16	230
	人工（gōng）托運	2	1.9	5	15	210
	自助值機（jī）	1	0.1	2	3	50
	人工（gōng）值機	5	7.3	20	26	370
卡塔爾航空	自助托（tuō）運	4	1.9	2	19	270
	人工托運	2	1.5	5	15	210
	自（zì）助值（zhí）機	1	0.7	2	6	90
	人工（gōng）值機	4	14.8	20	39	550
大溪地航空你	自助（zhù）托運	5	0.9	2	13	190
	人工托（tuō）運	2	2.3	5	20	280
	自助值機	1	0	2	5	70
	人工值機	5	11.6	20	37	520

（3）根據（jù）旅（lǚ）客到達機場曲線、不同（tóng）的值機（jī）方式，以及模型（xíng）中值機設施對旅客流的影響，得到安檢設施旅客需求（qiú）曲線，如圖4所示。
 
圖4   安檢設施旅客需求（qiú）曲線
（4）根據安（ān）檢設（shè）施旅客（kè）需求（qiú）和安檢設備運行參數，以及模型（xíng）輸出文件（jiàn）和評價指標（biāo）的比對，得到安檢設施設（shè）備推薦數量，如表4所示。
表4 安檢設（shè）施設備推薦數量和特（tè）征（zhēng）表現數據

旅客類型	X-Ray 通道數量	接待能力(旅客/小時/X-ray 通（tōng）道)	高峰小時（shí）排隊時長 (min)		最大隊長	最優設計指標推薦排隊區域麵積（jī）（平方英尺）
			95分（fèn）位（wèi）	Max
Pre-Check	3	210	3.44	5.8	51	560
無（wú）障礙旅客/員工	15	150	1.4	3.3	19	210
常（cháng）規旅客		150	2.43	6.4	31	340

在機場建設階段，利（lì）用離散事件仿真（zhēn）模型可以對機場（chǎng）設備設施進行合理地規（guī）劃和設計，提高設備（bèi）設施利用率，避免過度設計和設（shè）計不（bú）足。同時，在機場仿真模型中，也可以對機場（chǎng）的設施容量進行定量評估，為遠期機場的改擴建提（tí）供依據。
在機場運營階（jiē）段，離散（sàn）事件仿真模型同（tóng）樣有廣闊的應用前景。隨著數（shù）據采集手段的不（bú）斷（duàn）豐富，以及機場數據從傳統數據庫走向大數據和雲架構，機（jī）場仿真模型（xíng）的輸入數據可以以實時數據的形式替代建設階段（duàn）的預（yù）測數據。建設階段搭建的仿真模型在經受（shòu）前期的使用（yòng）和（hé）檢驗後，模型的可靠性和準確性得到了保障。在運（yùn）營階段繼續使用該模型或其核心算法，可以大（dà）大節省模型搭建、校準的成本。模型的輸出文件可以和機場協（xié）同決策係統（A-CDM）有機（jī）結合，增強原有係統（tǒng）功能，使決（jué）策中的人文和智慧成分得到提升。
離散事件仿真模型在機場航站樓設計中的應用，可以有效推進平安機場、綠色機（jī）場、智慧機場、人文機場“四型”機場的建設。