一篇简单的建造机场指南
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对，上次的造火箭坑我还没有填完，因为发现轨道设计能写的还挺多，目前我还没有能力&时间继续写下去，于是，我打算挖一个新坑了，造机场。
机场看起来是个很好玩的建筑，依照这篇指南，大家平时没事在家也可以建造属于自己的机场了，或者至少可以理解为什么机场是这么设计的。前段时间我在steam上买了一款叫Airport CEO的游戏，基本上就是一个可以建造，运营机场的管理类游戏了，设计的核心概念就是“动线设计”和“物料流分析”。作为2Dholic，我看到这个画风就已经欲罢不能了（x
概念还挺好的，但是最近这个游戏还在开发阶段，还有几点不完善，1.没有转机的设定。2.服务车辆的AI有点奇怪，经常会绕远路（怀疑是因为设定最短路线被占用定义为断路，选择更远路线而非等待）3.如果因为晚点登机口被占用，无法手动设定后面一家飞机去其他空闲登机口只能选择等待或者取消。不过总体而言还是蛮好的。
下面来说说看该怎么设计一座飞机场。
（一）概念定义
首先是概念定义，机场涉及的主要元素包括三大类：
1.流 Flow，包括乘客，工作人员，发生服务车辆（摆渡车，），行李，飞机。这些是在机场中发生功能性位移的主要元素。既然是Flow就可以通过流量，方向等进行定义和计算。
2.区域 Area，可以理解为流每一流程出发和结束的节点。包括开放区域Open Area（航站楼出发到达区），安全区Security Area（出发乘客安检后和到达乘客出关前），行李中转站（Baggage Bay）,停机坪（Stand），Runway（起飞跑道）。
3.通道 Channel，连接不同区域的通道，是流在不同区域之间转移的路径，包括公共区域通道，公共道路（Public road），服务车辆道路（Service road），传送带（Baggage Belt），转移跑道（Taxi Way）。
(二）流程定义
笼统的来说包含两大流程：出发流程，到达流程，按照不同的流还可以对流程进一步细分，飞机出发流程，乘客到达流程等。
接下来我们看一下整个流程 （点击可以放大），泳道按照功能区域和通道划分，按照流向可以分为出发和到达两个子流程，按照流，可以分为乘客，行李，飞机三个子流程。
（三）需求定义
作为机场，主要目的是为了：赚钱。
接下来是定义需求：机场作为服务提供方，客户按照需求主要有3类，
1.乘客，希望不误点的乘坐飞机，候机时希望有完善的餐厅，商铺，洗手间等服务，不希望太长的步行距离和排队等待时间。机场不从乘客身上直接赚钱（除非你和我一样利用游戏bug收天价厕所使用费），但乘客与另外两类客户带来的收益直接相关。
2.航空公司，希望飞机可以准时到达起飞，有完善的行李传送，加油，飞机餐供应，飞机清洁，除冰等额外服务。起飞降落，以及其他额外服务都是机场的价值链增值项目。
3.商铺，有足够的客流量，机场环境清洁。商铺的收益是机场的增值项目。这3类需求总结一下就是1.通道通畅，流程时间短。2.流与商铺与足够的接触。3.节点流密度不能过大。其中1和2,2和3存在一定程度的相互矛盾需要平衡。
所以造机场的核心任务可以表达为通过布局设计对流进行引导，从而尽可能满足以上三个需求。
（四）机场动线设计
机场动线设计按照流基本可以分为三块，航站楼设计，跑道设计，行李传送带设计。
航站楼承载了绝大部分乘客流通勤，服务功能和部分行李流通勤服务功能，同时与三大需求都密切相关。因此航站楼设计是机场设计的重点。按照不同功能区域，航站楼可以被划分为开放区和安全区（安检后，出关前）。
第一个需求：（乘客流通道通畅，排队时间短）。
乘客流总时间（一个人从进入机场到登机）=Σ距离/流速+Σ排队时间+Σ等待时间。当时间充裕时，等待时间就是流总时间减去Σ距离/流速和Σ排队时间，当时间不足时等待时间为0，因为等待时顾客可能回去逛商店，吃饭，给我们的机场带来收益，因此通过减少排队和步行时间可以增加这部分时间带来的收益。
因为人步行速度基本一致，因此流速可以假定恒定，因此通过尽可能减少步行距离可以减少步行时间，当然还有另外一种方法，做摆渡车，skyline啊。
登机流程造成排队时间的流瓶颈在于1.托运行李checkin，2.安检。因为属于排队过程，因此我们至少可以通过增加服务台的方式来解决&控制排队时间。另外，这部分时间不会为机场带来任何价值增长，因此需要极力避免。另外当动线交叉时，或者某一区域流密度过大会造成额外的等待，因此机场动线设计的原则是尽量减少交叉。
把check in，安检，登机视为节点，把之间的通路视为边，避免动线交叉的问题可以转化为图论中的平面图问题（Planer Graph）。
当机场只有一个check in区，一个安检口，一个登机口的时候，这是一个简单的单连通图，因此不会出现交叉。但当机场有多个安检口，check in区，登机口的时候，因为过安检过程是随机的，即当一个安全区有多个安检口（而不是安检服务台）乘客完全随机选择安检口和登机口的匹配。根据 Kuratowski’s theorem，当一个图包含K3,3（2部分，每部分各3个节点如第二个图例）或K5(有5个节点的完全图），该图不是平面图，或者说必然存在边相交。
K4可以通过将对角线一边向外拖拽取消交叉，K5以上则必然交叉
因为Checkin是乘客到达机场的第一站，也是需要尽快疏导的第一站，因此大多数机场选择分布多个checkin区或者将Check in呈线型布置以求更大“服务台面积”，同时也有分布在不同区域的多个登机口，因此如果对应设置多个安检区，则几乎必然会存在动线的交叉。为了解决这个问题可以1.用墙将不同动线分割，人为强制去掉乘客随机匹配checkin柜台，安检区登机口的过程。或者如图4将中间的安检区集中使图成为碟型图。事实上，世界上大多数的机场都采取了第四个选择，原因有3个。1.没有墙的物理分割在后期空间利用上有更多拓展可能。2.可以减少重复基建，如果飞机涉及到更换登机口也方便乘客转移到其他登机口。3.图例三在排队论中相当于3个M/M/1服务台，图四相当于M/M/3,而根据排队论的知识，我们可以知道M/M/3因为是真正的first in first out服务效率远远高于3个M/M/1之和。具体论证参考排队论或者之前写的日志： https://www.douban.com/note/702743524/ 。当然这么做的副作用就是造成安检口流密度过大，LOC(Level of servce)超过舒适标准，事实上，大多数机场最拥堵，排队时间最长的也恰恰就是安检区。
但机场不仅有出发也有到达顾客。当同时考虑出发和到达流程的时候，这个图就变成了双向图，即便是刚刚的蝶形图，流的交叉或面对面相遇就会变得不可避免。为了解决这个问题，需要在平面增加一个维度。例如，想象提起K5的一个角，将其变为四棱锥，将底边对角线之一拖拽到外围，将没有交叉边。机场设计同样如此，因此大多数现代机场的出发层和到达层都是分开的。
另一种更简单粗暴，但有效的方案是对流进行时间上分隔，不需要进行多层立体设计，当到达乘客完全离开安全区后才放行出发乘客，这样可以尽可能节省机场建设成本，但大大增加飞机停留时间。
机场内通勤步行距离也是衡量机场优劣的重要因素，平均步行距离=Σ步行距离/n，主要分为check in区到安检区，安检区到目标登机口这两段。一般从登机口的layout有线型，星型等不同layout。当不考虑转机时，星型是效率最高的layout，有最短的平均步行距离，安检口的高LOC流也可以被迅速疏散到不同的安检口。缺点在于当不同安检口距离较远时，有更高的最高和平均转机步行距离，同时当需求增加时，航站楼拓展性被限制。因此在圆形卫星航站楼中更常见。例如下图的戴高乐机场1号航站楼。
第二个需求：流与商铺有充分接触。这个需求包含了两个层面，1.与商铺接触的流径有足够的流量。2.流径增加与商铺接触面。因为第二个需求和第三个需求息息相关，因此就一起说了。结合2,3需求，实际商铺需要的是高密度的流量通过，但分散停留时间。
在图形上，安检后经过通道，进入商场或直接前往登机口形成有向无环图。当顾客有充裕时间逛街吃饭的时候，客户选择进一家特定商店消费是一种随机过程。一个顾客实际进入某一商店的概率与2个因素有关。1.顾客进入一家商店的隐藏概率，只与某一路径（商店）对乘客的吸引力有关。2.距离登机的剩余时间。因素1和2与最终进入某商店概率正相关。
当不同商店在流径具有先后顺序时，根据公式可以知道，处于下游的商店在吸引力相同的情况下一个顾客访问的概率适中小于上游商店。为了解决这个问题一般存在3个方法。1.进行提前分流，使得不同店铺不流径位置等价。2.对顾客进行引流，使得下游商铺流径有更大客流。3.对顾客进行引流，使得下游商铺有更大吸引力。如戴高乐机场这样将商铺设置在卫星岛的中央，并设置至少2个出口。或者如果是线性登机口layout，在出安检区后提前分流，和这个环形方案在图形上等价。
滑行跑道Taxiway是飞机流的通道。起飞跑道和停机坪S是节点，机场跑道将节点相连，因为起飞跑道具有方向，因此机场跑道分为两个节点到达端Ra,机场跑道出发端Rd，整个流程表示为Ra-T-S-Rd。形成一个环，这是最基本具有完整功能的跑道系统。
理论上来说飞机从Rd到目标停机坪的距离除以平均速度是最短taxiing流程时间。但一般来说跑道会存在2种等待情况造成流程时间增加。1.当飞机流出现交叉时会出现等待。2.因为跑道具有独占性和服务率（单位时间内可起降飞机数量），存在到达率（单位时间内计划进入跑道的飞机数量），因此taxiing流程时间可以看做是M/M/1的排队问题，不考虑飞机流交叉的情况下，实际流程时间为最短taxiing时间加平均排队等待时间。
为了减少飞机流交叉，一个方法是设置单行道，分离出发飞机流和到达飞机流。另一个方法是在容易发生飞机流交叉的点设置匝道。
因为飞机型号区别需要最短起飞/降落距离不同，因此大多数飞机不需要跑完整个跑道从跑道的末端离开，不少机场的一个跑道都设有多个exit taxiway，相当于减少跑道独占(服务时间)，以减少平均排队等待。另一方面，排队等待并不总是增加额外的滑行时间，滑行与排队实际可以同时进行。以上图为例，此时跑道被降落飞机占用。登机口e的飞机出发前往Ra准备进入跑道起飞。在这种情况下，只要节点B不被占用，飞机就可以同时完成转移滑行和排队的动作以减少流程总时间。因此实际上绝大多数机场都设有平行滑行道，平行滑行道使得降落流程和起飞流程可以在跑道的两端同时进行。因为线性航站楼存在最大转移滑行时间，为了让飞机就近进入跑道&离开跑道，以节约滑行转移时间，在不少线型航站楼布置的机场甚至会设置双向起飞跑道，以法兰克福为例，缺点在于容易造成飞机动线交叉，对航空指挥有很高的要求。
未完待续