P5：机场起降模拟系统

马誉航、王振宇、王意伟、宋岱瑾

摘要：随着航空运输和长途旅游业的迅速发展，飞机的需求量在日常生活中逐渐增多，机场航班的起降协调工作也变得越来越重要。而随着时代发展，充满着主观性，不确定性的传统塔楼式人工调度已经无法满足机场的现代化需求，并且在机场规模逐渐增大，飞机班次逐渐增多的今天，使用传统的调度方式也容易出现调度冲突和信息延误等问题。针对这些问题，我们设计了这个模拟机场调度的代码，有效模拟了单位时间内飞机起降的各类数据。同时，为了进一步提高模拟数据的真实性，我们通过生成随机数，使用泊松分布等方法使得模拟结果更具有参考价值。

任务分工及完成情况。

任务	人员
文档资料查询	马誉航 、王意伟
文档汇总	王振宇、马誉航
代码资料查询	王振宇、宋岱瑾、王意伟
代码开发	宋岱瑾、王振宇、马誉航、王意伟
代码测试	王意伟、宋岱瑾

工作量占比。

宋岱瑾  王振宇   王意伟  马誉航
 25      25      25      25 

1. 系统分析

1.1 问题描述

考虑一个繁忙的小型机场仅有一个跑道。在每个单位时间内，只有一架飞机可以降落或起飞，但不能同时进行。随时有飞机准备着降落或起飞，因此在任何给定的时刻，跑道可能是空闲的，或者一架飞机正在降落或起飞，也可能有几架飞机等待着降落或起飞。在模拟中，我们特别关注飞机在起飞或降落时需要排队等待的时间，因此，测量时间对我们的程序至关重要。我们将模拟时间划分为单位，使得在任何给定的时间单位内，只有一架飞机可以利用跑道进行起飞或降落。

（1）模拟开始前，用户应设定模拟时长，等待起飞或降落的队列最大容量，单位时间内到达的飞机数量期望值，单位时间内离开的飞机数量期望值。 （2）每一个时间单位内，随机生成准备起飞或降落的飞机，并进入等待队列；若等待降落队列已满，则拒绝降落，引导到其他机场降落；若等待起飞队列已满，则拒绝起飞，安排其他时间起飞。 （3）若有飞机等待降落，则优先处理飞机降落，若没有飞机等待降落，才允许等待的飞机起飞；既没有飞机降落，也没有飞机起飞时，跑道空闲。 （4）模拟结束后，给出统计数据，至少包括处理的飞机总数，请求降落的飞机数，请求起飞的飞机数，接受降落的飞机数，接受起飞的飞机数，拒绝降落的飞机数，拒绝起飞的飞机数，实际降落的飞机数，实际起飞的飞机数，仍在等待降落的飞机数，仍在等待起飞的飞机数，跑道空闲时间占比，平均等待降落时间，平均等待起飞时间。要求系统运行正常、功能完整；数据结构使用得当，算法有较高的效率；代码 规范、可读性高，结构清晰；具备一定的健壮性、可靠性和可维护性。

1.2 可行性分析

机场只有一个跑道，准备降落的飞机和准备起飞的飞机分别组成一个队列，排队等待降落和起飞。本项目涉及的对象主要包括飞机、跑道，等待降落和起飞的队列。假设每个单位时间内，平均起飞（降落）的飞机数为 ，则下一个单位时间内起飞（降落）的飞机数服从参数为 的泊松分布（Poisson distribution）

1.3 需求分析

（1）输入和输出

用户首先输入自主设定的数据，如飞机场运行时间，起飞和降落队列最多容纳的飞机数目，和单位时间内请求起飞和降落的飞机的频数，为程序设定计算的条件和初始值。程序在经过运行后输出根据输入数据所得的，本次运行的统计数据和具体情况，分析各类不同情况下的飞机的数目，跑道空闲时间占比，平均落地时间等用户所需求数据。

（2）参数设定

1.飞机运行的时间。 2.降落和起飞队列最多容纳的飞机数。 3.平均每个单位时间请求降落的飞机数。 4.平均每个单位时间请求起飞的飞机数。

（3）生成随机数功能

rand()会返回一随机数值, 范围在0至RAND_MAX 间。RAND_MAX定义在stdlib.h, 其值为2147483647。

———————————————————————————
| # include <iostream>     |
|                          |
| using namespace std;     |
| int main()               |
| {                        |
|  for(int i=0;i<10;i++)   |
|  {                       |
|    cout<<rand()<<endl;   |
|  }                       |
|}                         |
————————————————————————————

（4）泊松分布功能

int Random::poisson(double mean)
{
 double limit=exp(-mean);
 double product=random_real();
 int count=0;
 while(product>limit){
  count++;
  product*=random_real();
 }
 return count;
}

2. 系统设计

2.1 概要设计

模块一：随机数的生成以及泊松分布的实现； 模块二：将起飞和降落的飞机分为两个队列并且分别处理请求； 模块三：使用printf函数输出过程。

2.2 数据结构设计

以下是用到的数据结构：

飞机：设计一个结构体或类来表示飞机，包括飞机的编号、起降状态、起飞时间、降落时间、所属航班等信息。

航线：设计一个结构体或类来表示航线，包括航班编号、起降机场、航班状态、预计起飞时间、预计降落时间等信息。

排队队列：设计一个队列结构来存储飞机的起飞或降落排队队列信息。

栈：用来存储已经起飞或降落的飞机信息，方便回退操作。

###（1）queue队列结构 设计一个队列结构来存储飞机的起飞或降落排队队列信息。

queue <struct plane> q1;        //q1是准备降落的飞机队列
queue <struct plane> q2;       //q2是准备起飞的飞机队列

###（2）Random结构 生成随机数：

class Random{
    public:
        Random(bool pseudo=true);
        double random_real();
        int poisson(double mean);
    private:
        int reseed();
        int seed,
            multiplier,add_on;
};

###(3)plane结构

struct plane{
    int name;
    int in_queue_time;
} plane;

2.3 算法设计

（1）泊松分布实现随机数生成算法

class Random{
 public:
  Random(bool pseudo=true);
  double random_real();
  int poisson(double mean);
 private:
  int reseed();
  int seed,
   multiplier,add_on;
};

int Random::reseed()
{
 seed=seed*multiplier + add_on;
 return seed;
}

Random::Random(bool pseudo)

{
 if(pseudo)
  seed=1;
 else
  seed=time(NULL)%INT_MAX;
 multiplier=2743;
 add_on=5923;
}

double Random::random_real()
{
 double max=INT_MAX + 1.0;
 double temp=reseed();
 if(temp<0)
  temp=temp+max;
 return temp/max;
}

int Random::poisson(double mean)
{
 double limit=exp(-mean);
 double product=random_real();
 int count=0;
 while(product>limit){
  count++;
  product*=random_real();
 }
 return count;
}

（2）排队算法

 if(!q1.empty()){
                temp=q1.front();
                wait_time=i-temp.in_queue_time-1;
                come_wait_time+=wait_time;
                printf("\n\n##%d号时间##\n%d号飞机降落了，等了%d个单位时间。\n", i, temp.name , wait_time);
                q1.pop();
            }
            else if(!q2.empty()){
                temp=q2.front();
                wait_time=i-temp.in_queue_time-1;
                go_wait_time+=wait_time;
                printf("\n\n##%d号时间##\n%d号飞机飞走了，等了%d个单位时间。\n", i, temp.name , wait_time);
                q2.pop();
            }
            else {
                printf("\n\n##%d号时间##\n没有飞机降落，也没有飞机起飞，此时跑道为空。\n",i);
                spare_time++;
            }

3. 系统实现

#####系统使用C++语言进行开发，使用VScode作为开发工具。 #####项目的文件结构如下： c.cpp：主程序文件，包含程序的主函数和主要逻辑。 README.md：项目文档，包含程序的介绍和使用说明。

#####程序的主要函数包括： Random()：构造函数，初始化随机数生成器。 random_real()：生成0~1之间的随机实数。 poisson()：生成泊松分布的随机数。 main()：主函数，包含程序的主要逻辑，如输入、处理、输出等。包括两个队列的入队和出队，以及每个飞机的等待时间计算和输出。

3.1 核心数据结构的实现

在程序中，定义了两个queue对象，一个用于存储准备降落的飞机，另一个则用于存储准备起飞的飞机。每个队列中存储结构体类型的plane对象，表示每个飞机的编号和进入队列的时间。

3.2 核心算法的实现

系统的核心算法主要包括泊松分布实现随机数生成算法和排队算法

4. 系统测试

——————————————————————————————————————————————
请输入飞机场运行的时间。
20
请输入降落和起飞队列最多容纳的飞机数。
5
请输入平均每个单位时间请求降落的飞机数。
0.4
请输入平均每个单位时间请求起飞的飞机数。
0.5


##0号时间##
没有飞机降落，也没有飞机起飞，此时跑道为空。


##1号时间##
没有飞机降落，也没有飞机起飞，此时跑道为空。
0号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##2号时间##
0号飞机飞走了，等了0个单位时间。


##3号时间##
没有飞机降落，也没有飞机起飞，此时跑道为空。
1号飞机请求降落，并进入降落队伍。
2号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##4号时间##
1号飞机降落了，等了0个单位时间。


##5号时间##
2号飞机飞走了，等了1个单位时间。
3号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##6号时间##
3号飞机飞走了，等了0个单位时间。


##7号时间##
没有飞机降落，也没有飞机起飞，此时跑道为空。
4号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##8号时间##
4号飞机飞走了，等了0个单位时间。


##9号时间##
没有飞机降落，也没有飞机起飞，此时跑道为空。
5号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。
6号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##10号时间##
5号飞机飞走了，等了0个单位时间。
7号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##11号时间##
6号飞机飞走了，等了1个单位时间。
8号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。
9号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##12号时间##
7号飞机飞走了，等了1个单位时间。
10号飞机请求降落，并进入降落队伍。


##13号时间##
10号飞机降落了，等了0个单位时间。
11号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##14号时间##
8号飞机飞走了，等了2个单位时间。
12号飞机请求降落，并进入降落队伍。


##15号时间##
12号飞机降落了，等了0个单位时间。


##16号时间##
9号飞机飞走了，等了4个单位时间。


##17号时间##
11号飞机飞走了，等了3个单位时间。
13号飞机请求降落，并进入降落队伍。


##18号时间##
13号飞机降落了，等了0个单位时间。
14号飞机请求起飞，并进入起飞队伍。


##19号时间##
14号飞机飞走了，等了0个单位时间。
历经20个单位时间，机场停止接收请求。


一共收到了15架飞机的请求。
一共有4架请求降落。其中有4架被接受了，0架被拒绝了。
一共有11架请求起飞。其中有11架被接受了，0架被拒绝了。

成功降落了4架，还有0架在排队等待降落。
成功起飞了11架，还有0架在排队等待起飞

轨道有25.00%的时间是空闲的。
降落平均要等0.00个单位时间。
起飞平均要等0.60个单位时间。

这个机场平均每个单位时间收到0.20个降落请求。
这个机场平均每个单位时间收到0.55个起飞请求。
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5. 总结

通过本次实践作业，我们不但粗浅的了解了泊松分布的含义和使用，对于离散型分布等知识也有了一定的个了解。也更加深入的了解了课堂上的知识，比如结构体和队列的构建与使用。同时经过这次实践作业，我们也初步认识了合作的重要性，和程序设计的实践作业不同，本次数据结构的实践作业明显专业性更强，目的性更加的突出，难度也随之增大，对小组中每个人都有一定的挑战，需要小组成员团结合作，各自发挥自己的长处，从代码，排版，数据的搜集和使用等方面发挥不同的作用。

参考文献

[1] CSDN C语言生成符合泊松分布（离散型）的随机数（手写）—— 10生万物 [2] CSDN 《数据结构与程序设计》队列 case study ——— airport 模拟机场调度 ——超超超超超级菜 [3] CSDN 【数据结构笔记】 队列的应用——飞机场模拟 ——勇敢琪琪