基于ARENA的通航飞行服务流程仿真与优化

方 勇 ，朱丹彤 ，武文杰，罗喜伶

（1.北京化工大学 经济管理学院，北京 100029；2.北京航空航天大学，北京 100191）

通用航空飞行服务站系统是对在通用航空中执行飞行任务的各类通用航空器进行监视并为其提供必要的飞行计划、航空气象、航空情报、飞行情报、告警-应急救援和其他相关的空中交通服务的系统[1]。它的主要任务是保证通用航空器能够安全、有序、高效的执行飞行任务[2]。通用航空飞行服务站能够把对通用航空器的地面空中服务和空中服务有机地结合起来，是通用航空发展的基石，是一个国家的通用航空飞行市场走向成熟的标志之一。

随着我国通航事业的发展，通航公司和通航机场的大量出现，迫切需要同步建立完善的通用航空飞行服务保障体系。但我国目前仅有4个飞行服务站的试点运行，飞行服务站的建设严重滞后，不能为快速发展的通航飞行提供运行控制服务，致使大量的通航飞行处于无法管控的状况[3]。因此，建设通用航空飞行服务站系统对促进通用航空服务保障体系的发展具有十分重要的意义。

为应对飞行服务站建设所面对的挑战，真实并科学地呈现飞行服务站的服务与运行过程，合理地构建飞行服务站的运营流程并对其仿真优化是一种有效的应对方法。通航飞行服务站的服务流程属于较为复杂的系统，难以用数学解析模型定量描述[4]，故本文依据飞行服务站的功能建立了飞行服务站的飞行服务流程模型，并应用Arena 仿真[5]不同时段、不同资源配置模式下飞行服务站的运行，然后根据仿真结果提出了飞行服务站优化服务资源配置、提高工作效率的优化方案。

1 飞行服务站服务系统分析

1.1 飞行服务站基本服务功能总述

飞行服务站是连接飞行用户与飞行管制中心的重要枢纽，其地位相当于互联网体系中的客户服务终端。飞行服务站可以根据需要灵活分布，不限制于机场的分布情况。当面对飞行管制中心与飞行用户时，飞行服务站将提供不同服务与信息：

（1）管制中心。在卫星与网络化时代，飞行管制中心是一个保存无数信息的巨大系统。一方面，飞行服务站需要及时从管制中心下载更新的信息，如查看空域使用情况，收集空域内气象信息、航行情报资料等；另一方面，飞行服务站也需要及时上传有关飞行任务的一切信息，用于管制中心备案。

（2）飞行用户。飞行用户可以通过多种渠道连接呼叫飞行服务站，获取相关飞行服务。按照飞行阶段主要分为飞行前服务、飞行中服务以及飞行后服务；而按照服务类别进行划分则主要包括飞行计划服务、飞行气象服务、航空情报服务以及告警救援服务等。

因此，飞行服务站应当具备如下功能：提交和管理飞行计划，获取空域内航空器飞行信息；收集与发布飞行气象信息；管理与提供航空情报资料等，如图1所示。

图1 飞行服务站的组成与基本功能

1.2 飞行服务站基本服务流程总述

根据飞行用户需求，飞行服务站为每个通航飞行任务提供全面服务。按照飞行任务阶段划分，服务过程分为飞行前服务、飞行中服务与飞行后服务[6]，如图2所示。

图2 按阶段划分的飞行服务站基本服务内容

（1）飞行前信息讲解与飞行计划提交。在与飞行服务站建立连接前，飞行用户应当通过网络、广播等自助渠道进行相关内容的搜集与整理，对于飞行航线、起落点的确定以及飞行器飞行人员的选择具有初步判断，并明确存在问题的地方。然后，飞行用户可以通过邮件、广播、网络、传真、电话以及无线电对讲等方式与飞行服务站进行连接。

当飞行服务站接收到飞行用户服务请求时，将根据用户需求提供飞行前信息讲解服务。信息讲解服务按照内容不同，分为标准讲解、简报讲解与展望讲解3种类型[7]。

飞行前信息讲解服务完成后，飞行用户依据就近原则向所在范围内飞行服务站提交飞行计划，飞行计划服务客户端将接受到的飞行计划上报飞行管制中心（或称飞行服务站枢纽）进行备案，中心将按照流程将飞行计划信息通知整个航线所涉及的所有飞行服务站。

（2）飞行中气象情报信息与告警救援服务。飞行用户可以在地面或空中通过无线电通讯联系区域内飞行服务站，打开飞行计划，飞行计划的打开意味着通航飞行任务状态的改变。飞行过程中，飞行服务站将为飞行用户提供飞行气象、航空情报等航路咨询服务。

当飞行用户在应当接受到航空信息的30 min后仍未能与飞行服务站建立联系，飞行服务站应当密切关注并为进入到飞行计划不确定阶段做准备。而当飞行服务站继续尝试与飞行用户建立通信均都失效时，飞行服务站应当将事件上升为飞行任务的告警阶段。如果情况更严重时，飞行服务站应当提供最大限度协助展开告警救援服务[8]。

（3）飞行后数据统计与飞行报告生成。当飞行用户完成既定航路飞行时，依旧通过无线电通讯通知所在区域内飞行服务站关闭飞行计划，飞行服务站对飞行活动有关数据进行记录，生成飞行报告。飞行报告也可作为航空情报资料的一部分，为今后通航飞行任务提供数据支持。

根据各部分飞行服务的内容，整个飞行服务流程如图3所示。

图3 飞行服务站全航线服务流程

2 飞行服务流程模型

2.1 飞行服务流程

飞行用户需要在起飞前6 h与飞行服务站管制员建立连接，连接成功后，飞行服务站的飞行服务工作正式开始。飞行服务站将根据飞行用户需求运用飞行气象服务端、航空情报服务端以及监视通信系统为用户提供标准讲解、简报讲解或展望讲解。

飞行服务站将为用户提供完整的天气和航空情报信息、目视飞行注意事项、飞行场地简报、飞行计划建议、航路预报、目的地预报、高空风况预报以及航行通告等信息。在播报过程中，飞行用户可以对任何不理解地方进行提问，标准讲解是每个用户都要使用到的飞行服务。

标准讲解之后，飞行用户可以与飞行服务站管制员之间断开连接。根据服务站所提供信息，飞行用户需要认真填写飞行计划表。在起飞前，若有情况变更或服务信息更新情况，飞行用户可以再次甚至多次与飞行服务站管制员建立连接，并由飞行服务站提供简报讲解服务。简报讲解可在节省时间的前提下，完善早前接收到的服务信息情况。

在起飞前，飞行用户必须完成一项重要的任务，即向飞行服务站提交飞行计划。飞行服务站将飞行计划上传到飞行管制中心备案，并由管制中心向航路所有飞行服务站传达飞行计划。

如果飞行用户在约定好的时间内未能起飞（即在接收到标准讲解之后6 h），那么，早前由飞行服务站所提供的标准讲解将不再具有任何参考价值。此时，飞行用户需要重新接受飞行服务站所提供的展望讲解服务。

飞行用户提交飞行计划后可以在地面或空中通过无线电通信联系区域内飞行服务站，打开飞行计划，飞行计划的打开意味着通航飞行任务状态的改变。飞行过程中，飞行服务站将为飞行用户提供飞行气象、航空情报等航路咨询服务，可以根据用户需求具体提供冰冻、湍流、雷雨、地形条件等信息。

当飞行用户在应当接受到航空信息的30 min后仍未能与飞行服务站建立联系，飞行服务站应当密切关注并为进入到飞行计划不确定阶段做准备。而当飞行服务站继续尝试与飞行用户建立通信均失效时，飞行服务站应当将事件上升为飞行任务的告警阶段。如果情况更严重时，飞行服务站应当提供最大限度协助展开告警救援服务。

当飞行中出现变更或突发情况，飞行服务站可以尽快做出跟踪服务。根据飞行用户实时需求，提供相应高度、状态下的气象以及情报信息服务，飞行用户也可以将航路上相应信息反馈回飞行服务站，以弥补飞行服务站状况不明确的缺憾。同时，飞行服务站会对各个航路上所有飞行器进行飞行数据保存，包括通信内容，以便建立相关资料库进行信息储存备案。

当飞行用户完成既定航路飞行时，依旧通过无线电通信通知所在区域内飞行服务站关闭飞行计划，飞行服务站对飞行活动有关数据进行记录，生成飞行报告。飞行报告也可作为航空情报资料的一部分，为今后通航飞行任务提供数据支持。

2.2 飞行服务过程中的对象与事件

根据飞行服务流程设计，整个服务过程中包括两类对象：①实体，指待解决的飞行用户请求，主要参数设计包括数量、到达时间以及属性赋值；②服务资源，飞行服务站实施飞行服务过程中所需要的各种服务资源，如管制员、飞行气象服务端、航空情报服务端与低空监视与飞行计划服务端等，主要参数设计包括资源类型、数量、服务相关属性等。

而使服务对象相互关联的事件包括7种：

（1）服务状态改变。引起服务资源状态改变的行为，是在某一时间段内的实施行为，如飞行服务站管制员收到飞行用户请求后，飞行服务站便从空闲状态进入活动状态。

（2）服务实施条件。包括服务时间条件、服务资源有效性条件等。

（3）服务活动。飞行服务站对飞行用户请求实施某项类型服务的过程，主要参数设置包括数量、服务时间与属性等。

假手术组大鼠血清LDH、CK活力分别为990.12、516.33 U/L，模型组动物血清LDH、CK活力升高至2 784.60、1 688.41 U/L，与假手术组比较差异显著（P＜0.01）；与模型组比较，丹酚酸B预处理可显著降低动物血清LDH和CK活力，低、高剂量组血清LDH活力分别降低为1996.28、1890.77U/L（P＜0.05），CK活力分别降低为1123.80、1050.66U/L（P＜0.05、0.01）。见图2。

（4）服务判断。根据费用用户类型与请求判断所提供服务类型。

（5）记录。接受并记录服务活动过程中的各种信息，便于数据统计分析。

（6）到达。飞行用户请求进入。

（7）离开。飞行前服务结束。

对象间的关系如图4、5所示。当飞行用户请求到达（Arrive）时，产生飞行前服务实体（Entity），飞行服务站将根据服务实施条件（Condition）对用户请求类型进行判断（Decide1，2），并根据服务事件（Event）调用适当的服务资源（Resource）展开信息服务活动（Activity），当信息服务活动完毕释放服务资源。然后飞行计划服务端将对是否提交飞行计划进行判断（Decide3），提供飞行计划提交服务并记录统计（Receiver）服务站在整个服务过程数据，最终释放请求实体，飞行器起飞后，飞行中服务流程启动。飞行服务站通过运用服务端（Condition）判断飞行过程中是否成功建立地空通信（Decide4），天气是否有突变（Decide5）以及飞行任务是否顺利完成（Decide6）等，并根据各个事件特征调用合适服务资源（Resource）对飞行中用户请求给予帮助，如提供及时气象信息、航空情报，确认飞行器飞行状态并在必要时刻采取告警救援措施等。飞行中服务完成后，应当生成飞行记录，作为航空情报的一部分，最终释放飞行任务实体，完成整个飞行服务。

图4 飞行前服务过程中各对象的逻辑关系

图5 飞行中以及飞行后服务过程中各对象的逻辑关系

3 飞行服务流程仿真

Arena仿真软件是Rockwell公司开发的仿真软件，主要用于离散随机事件的仿真[9]。软件不仅保留了SIMAN/CINEMA 强大功能，而且还提供刻画模型的层次结构，为流程仿真提供了建模的灵活性与方便性[10]。因此，Arena仿真软件适用于飞行服务站的服务流程仿真，并能根据建立的仿真模型提出资源配置的优化方案。

3.1 仿真参数设置

运用Arena软件仿真时，首先对飞行服务活动中的用户请求、服务活动等参数与属性进行设置，主要包括请求实体、特性定义、服务类型、服务队列、资源计划、服务判断。参数设置参考美国联邦航空管理局的统计数据，为了符合实际情况，在多个过程中预设部分架次飞机无法完成该过程，所以仿真结果中会有一部分架次无法完成整个服务流程，具体参数如表1、2所示。

表1 仿真基本参数设置

表2 请求实体到达情况（24 h/d）

3.2 飞行服务流程仿真

假设对某一飞行服务站进行为期7 d、每天24 h的仿真。飞行用户请求实体通过Arena中的Create模块实现，Create模块的工作属性按照资源计划中的Create Schedule进行安排。Decide模块会根据用户的不同需求进行飞行前服务类别判断，Process模块会完成具体服务工作。仿真过程中的时间变量会由Assign模块进行记录，实体数量则有Record模块进行记录。最终，Dispose模块会释放已完成服务的实体。

飞行器起飞后，飞行中服务流程启动。飞行服务站与飞行器尝试建立初次连接判断飞行器是否正常飞行，能够应答服务站视为飞行状态正常，起飞30 min后仍不能与服务站建立通信连接则视为飞行状态不确定，为了简化仿真流程，服务站在初次未能建立通信连接后便启动飞行救援活动。服务站根据飞行人员请求提供相应信息服务，为判断飞行路线天气是否正常，遇到突发异常天气，飞行人员可以通过通信设备向飞行服务站请求提供实时气象信息以及航空情报信息。当飞行任务完成时，飞行器按照规定时间于规定地点降落，如果在预计着落后5 min还未降落，则认为飞行状态为告警阶段，仿真时同样将其简化为需要实施搜寻救援活动。所有正常完成飞行任务的飞行活动都要在降落后提交飞行报告，并部分生成航空情报，以备后续飞行使用。

4 仿真结果分析及优化

4.1 仿真结果分析

经过初步仿真得到统计报告可知，飞行请求数平均为87个/d，飞行前服务完成数45个/d，飞行服务完成数43 个/d；标准讲解服务平均等待队列为7，简报讲解服务平均等待队列为4，展望讲解平均等待队列为0，提交飞行计划平均等待队列为10，起飞初次连接平均等待队列为7，空中信息服务平均等待队列为1，飞行记录平均等待队列为0，告警救援平均等待队列为1；而在资源利用率方面，飞行气象信息设备利用率0.53（基准为1），航空情报信息设备利用率0.53，通信系统设备利用率为0.87。

由分析数据可以看出，在基准仿真条件下，虽然服务资源利用率较高，但服务效率却不尽如人意。而且在平均等待队列方面，标准讲解服务、提交飞行计划、起飞初次连接以及飞行记录平均等待队列较长，等待任务数均在5个以上，其他服务除展望讲解以外，也均有等待服务现象，分析原因得知正是由于大多数服务均会使用通信系统设备，这使得通信系统设备资源出现繁忙现象，在遵循Seize-Delay-Release原则下，平均等待队列较长也是资源供给不合理的体现。因此，只追求资源利用率是不能满足实际使用需求的，还需对飞行服务站的服务资源供给与分配做出更加合理的安排。

4.2 服务资源优化方案

在服务资源的配置中，各资源的数量均为整数，所以分布属于离散型。使用Arena中optQuest优化工具进行优化计算，得到的结果可以分为如下类型：

（1）服务资源同时增加的情况。在可利用的服务资源为基准单位1时，由于个别服务项目的平均等待队列太长，而对服务资源的供给与安排提出了新的要求。首先，在服务逻辑、服务时间和服务类型等参数不变的情况下，将飞行气象服务端、航空情报服务端以及监视通信系统的可利用数量在仿真全时段均调整为2。

再次进行仿真得到飞行用户请求到达数平均为112个/d，飞行前服务完成数93个/d，完成飞行服务数为59个/d；标准讲解服务平均等待队列为9，简报讲解服务平均等待队列为4，展望讲解平均等待队列为0，提交飞行计划平均等待队列为9，起飞初次连接平均等待队列为6，空中信息服务平均等待队列为0，飞行记录平均等待队列为0，告警救援平均等待队列为0；而在资源利用率方面，飞行气象信息设备利用率0.48，航空情报信息设备利用率0.48，通信系统设备利用率为0.86。

（2）只增加监视通信服务端数量。在提供3种飞行前讲解服务时，飞行气象服务端、航空情报服务端以及监视通信系统共同工作提供相关信息服务，而在提交飞行计划时，只有监视通信系统参与其中。因此，在方案2中，只将监视通信系统的可利用数量增加为2，其他两种服务资源的可使用数全时段保持1不变。

重新进行仿真得到飞行用户请求到达数平均为121个/d，飞行前服务完成数101个/d，完成飞行服务数为62个/d；标准讲解服务平均等待队列为0，简报讲解服务平均等待队列为5，展望讲解平均等待队列为5，提交飞行计划平均等待队列为8，起飞初次连接平均等待队列为5，空中信息服务平均等待队列为0，飞行记录平均等待队列为0，告警救援平均等待队列为0；而在资源利用率方面，飞行气象信息设备利用率0.63，航空情报信息设备利用率0.63，通信系统设备利用率为0.88。

（3）分时段变化服务资源数量。结合实际情况进行分析，在飞行服务站提供服务的全天24 h内，晚间与凌晨时段的飞行用户请求数量要少于白天时段，而白天时段的早晚上下班以及作业时间又会成为服务高峰期。因此，优化方案3中将更加贴近实际情况按照时间段分别进行服务资源安排，用函数表示为

再次进行仿真得到飞行用户请求到达数平均为123个/d，飞行前服务完成数114个/d，完成飞行服务数为64个/d；标准讲解服务平均等待队列为2，简报讲解服务平均等待队列为5，展望讲解平均等待队列为0，提交飞行计划平均等待队列为7，起飞初次连接平均等待队列为0，空中信息服务平均等待队列为4，飞行记录平均等待队列为0，告警救援平均等待队列为0；而在资源利用率方面，飞行气象信息设备利用率0.71，航空情报信息设备利用率0.71，通信系统设备利用率为0.81。

4.3 优化方案分析

将基准仿真与3 次优化方案仿真数据进行对比，可以看出不同优化方式对不同方面的影响：

（1）图6所示为4次仿真结果中的平均等待队列长度进行比较。由图6可以发现，4种情况中未优化时的等待队列最长，随着资源数的增加等待队列变短，但是改变并不大。这说明，虽然提高资源数量会使得最终完成飞行数得到较大的提高，但是并不会改善等待队列的长度，只有分段优化的时候等待队列的长度才会有比较大的减少。

图6 平均等待服务队列对比

图7 资源利用率对比

（3）图7所示为4次仿真结果中的各项设备利用率。飞行服务站所提供各种飞行服务主要由飞行气象信息设备、航空情报信息设备以及通信系统设备完成，不同的服务项目需要3种服务端进行不同组合，合理安排与使用各服务端，不仅能够更好地提供服务，还能够提高提高资源利用率，避免资源浪费现象。当所围三角形面积越大且对称性越高时，说明服务服务完成率与资源利用率越理想，而且资源配置浪费现象较低。通过对比服务资源利用率可知，在基准与服务资源均为2单位的仿真模型中，飞行气象信息设备与航空情报信息设备的利用率远远低于通信系统设备，因此，图形呈现等腰三角形，说明通信系统设备供不应求，而其他两个服务端又供过于求，服务资源配置不合理。而在只有通信系统设备为2单位以及分时段变化通信系统设备的优化仿真模型中，3种服务资源利用率接近，图形呈现等边三角形，虽然绿色图线围成的三角形比紫色图线围成的三角形更接近于等边三角形，但紫色三角形的三边比绿色三角形的三边都长，说明在服务资源使用均衡的情况下，3种服务资源的利用率更高，服务完成率也更高。因此，分段优化在资源利用率中的优化效果更好。

5 结 语

飞行服务站是通用航空发展的重要组成部分，提高服务效率、优化服务资源是飞行服务站发展的基本保障。在飞行服务站服务流程的基本框架下，本文利用Arena软件对飞行服务流程进行仿真，并针对服务效率较低、服务资源安排不合理情况提出优化方案。对比仿真结果可知，分时段分配通信系统设备模型是3种优化方案中的最优解，飞行设备利用率提高33%，其服务效率更加均衡，服务等待时长大幅缩短，平均等待队列降低40%，在服务资源的使用上兼顾了合理性与均衡性。这说明，合理安排服务资源、提高资源利用均衡性有助于提高飞行服务站的服务效率，且能够避免服务资源闲置现象，为未来我国通航飞行服务站的建设运营提供理论与实际运行的建议。