机场航空管制模拟实验报告

数据结构大型实验实验报告

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数据结构大型实验实验报告

实验题目

假设机场有一条跑道，每架飞机需花费一定时间着陆，花费一定时间起飞，飞机的起降满足一定的概率。一般来讲，机场存在两个队列，一个等待着陆的飞机队列和一个等待起飞的飞机队列，同样等待时间下，等待着陆的飞机比准备起飞的飞机具有更高的优先级。试编写程序模拟这个机场的运行。要求使用队列或优先队列实现；要求可以变换起飞和着陆频率来模拟一天中的飞行高峰期和空闲期；要求可以改变着陆和起飞时间以模拟不同的效果。

1. 实验内容分析

1.1实验目的

实验模拟了机场的航空管制，通过程序，来模拟管理飞机的起飞与着陆。它要求我们考虑起飞与着陆的优先级不同，以及根据飞机起飞/着陆时间，起飞/着陆频率模拟机场一天的运营情况。并计算出跑道的繁忙程度、着陆飞机的总的等待时间和平均等待时间、起飞飞机的总的等待时间和平均等待时间, 计算每架飞机花费在一个队列中的平均时间。

1.2内容分析

系统主要模拟了机场一天的运营。所以，需要一个计时器（以分钟计时）来计算机场的运营时间。同时，为了管理飞机的起飞与着陆，需要两个队列来存放着陆和起飞的飞机。 设计用户输入的数据为：机场开始、结束运营时间；高峰期开始、结束时间；空闲期开始、结束时间；着陆飞机最长等待时间；高峰期、空闲期以及一般时期每小时起飞、着陆的飞机数，飞机起飞、着陆需要的时间。

考虑到机场的高峰期，与空闲期，设计了Workslot类，设定不同时期的飞机起飞、着陆率。

设计Timer类，其主要方法是实现计时功能和返回当前工作时间。Plane类主要功能是记录飞机开始等待时间，开始工作时间以及起飞、着陆所需时间。

飞机起飞/着陆都需要花费一定的时间，并不是马上就完成的。所以在起飞/着陆服务函数中，不仅要调用spend（），还需要判断takeoff/landing是否结束。当t.now-startworktime<workTime时，说明飞机还在准备着陆/起飞，占用了跑道。当t.now-startworktime==workTime时，表示飞机着陆/起飞成功。调用pop方法，从队列中删除一架等待服务的飞机，并获取当前时间，减去飞机接受服务的时间，得到该飞机的等待服务时间。我们就可以计算出所有飞机的等待服务时间。

等待起飞/着陆队列总长度，等待服务总时间，以及服务起飞/着陆的飞机总数，我们就可以得出起飞/着陆飞机的平均等待时间，平均等待队列长度。同时根据当天的的工作时间，跑道的忙碌时间，可以计算得到跑道的繁忙程度。

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1.3程序基本流程

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图 1 实验基本流程

1.4基本数据结构，类设计

1.4.1类 Airport

输入:

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输出

成员

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1.4.2类Plane

成员：

1.4.3类Timer

成员：

1.4.4类Workslot

成员：

1.4.5结构 Busy

成员：

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1.5基本函数功能

1.5.1 类Simulation

setTimer():

设定计时器函数

setTakeoffTime(int t1):

设定起飞所需时间函数

setLandingTime(int t2):

设定着陆所需时间函数

setMaxlandingwaitTime(int mlwd):

设定着陆飞机最大等待时间

setStartworkTime(string s):

设定机场开始工作时间函数

setEndworkTime(string s):

设定机场结束工作时间函数

setHighslot(Workslot h):

设定高峰期机场属性

setLowslot(Workslot l):

设定空闲期机场属性

setOtherslot(Workslot o):

设定一般时段机场属性

run()：

模拟飞机场运营。

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display()：

该函数主要用于计算一些值，并输出在屏幕上。

跑道的繁忙程度= workTime/(endworkTime-startworkTime) 着陆飞机平均等待时间=landingwaitTime/landingNum 着陆飞机在队列中的平均等待时间=LwaitTime/landingNum 起飞飞机总的等待时间=takeoffwaitTime

起飞飞机平均等待时间=takeoffwaitTime/takeoffNum

起飞飞机在队列中的平均等待时间=TwaitTime/takeoffNum 起飞队列中剩余未起飞飞机数量=intakeoffNum-takeoffNum 再使用输出语句输出这些值。

1.5.2 类Plane

Plane()

用于初始化飞机的startwaitTime,startworkTime,workTime。

Plane(int a,int b,int c)

同上。

1.5.3 类Timer

Timer()

初始化当前时间。

Timer(int n)

同上。

void spend()

计时累加函数。

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2. 实验验证分析

2.1输入的形式和输入值的范围

2.2输出的形式

控制台下运行，结果输出形式：

时间: XX: XX X号起飞飞机进入起飞队列

时间: XX: XX X号起飞飞机开始起飞; 等待时间: XXmin ……

本日机场运营情况：

跑道的繁忙程度: XX 着陆飞机总的等待时间: XXh 着陆飞机平均等待时间: XXmin 着陆飞机在着陆队列中的平均等待时间: XXmin 起飞飞机总的等待时间: XXh 起飞飞机平均等待时间: XXmin 起飞飞机在起飞队列中的平均等待时间: XXmin 起飞队列中剩余未起飞飞机数量： XX

2.3程序所能达到的功能

程序实现了如下的功能：

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设置机场的工作时间 模拟机场的运营

模拟机场的高峰期和空闲期

计算出机场当天起飞/着陆的飞机数目

计算出等待队列（起飞/着陆）的平均长度 计算队列的平均等待时间 简单表示跑道的繁忙程度

2.4测试数据

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3. 调试分析

3.1遇到的问题及解决方法

3.1.1问题一

问题：在模拟结果中只有起飞飞机或着陆飞机。 解决方案：算法出现问题，重新写主程序。

3.1.1问题二

问题：机场的忙碌情况大于1。

解决方案：检查后发现，跑道功能工作时间的实现有问题，将代码进行改进。

3.1.1问题三

问题：产生随机数太过规则。

解决方案：发现是产生随机数的函数位置有问题，进行调整。

3.2技术难点分析

3.2.1难点一

一架飞机完成起飞/着陆花费一般超过一分钟，那么随着时间的累积，该如何来判断对当前飞机的服务结束了呢。

解决办法是给Plane类添加开始工作时间的参数，这样是要判断当前时间与开始工作时间的差值是否已到达起飞/着陆所耗时，即可判断起飞/着陆是否完成。

3.2.2难点二

单单用bool busy数据记录跑道是否忙碌会出现：当跑道忙碌时，不能判断跑道上运行的是起飞飞机还是着陆飞机这种情况。因此，我构造了Busy结构，里面不仅包括对跑道是否忙碌的的记录（bool busy）还包括对跑道上运行的是否为起飞飞机的记录（is_takeoff）。这样就可以判断跑道上忙碌时运行的是哪种飞机了。

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3.2.3难点三

由于未采用优先队列，故起飞和着陆队列是分别独立的，那么如何联系这两个队列是一大难点。由于本题我们采用着陆飞机优先的思想。故在跑道空闲的时候，先判断着陆队列是否为空，不为空就进行飞机着陆，为空则查看起飞队列是否为空，不为空则进行飞机起飞，为空则该时段不进行起飞。这样就可以不在优先队列中实现着陆飞机优先的思想。

3.3印象最深刻的错误及修正方法

3.3.1问题1

问题：着陆/起飞飞机的在队列中的平均等待时间与实际不符存在矛盾。

解决方法：查看原先对是否有等待飞机的判断语句为： if(takeoffq.size()>2) TwaitTime++; if(landingq.size()>2) LwaitTime++;

这时就遗漏了当队列只有一架飞机但由于跑道此时为忙碌，所以该飞机仍处于等待状态这种情况，故敬爱那个代码修改为：

if(takeoffq.size()>1 || (takeoffq.size()==1&&takeoffq.front().startworkTime==-1)) TwaitTime++;

if(landingq.size()>1 || (landingq.size()==1&&landingq.front().startworkTime==-1)) LwaitTime++;

更改前运行结果：

修正后运行结果：

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3.3.2问题2

问题：一开始的程序没有加入deQueue.h文件，而是直接用了#include <deque>，后面加入程序后一直没有调试成功 。

调试过程：

有报错框可知，因为程序开始设定的时候用了模版类，因此。队列类里也需要加入模版函数。在队列类的函数调用过程中修改了需要用到的函数，确保其运行成功。

解决方法： 完善了队列类

3.3.3问题3

问题：

要求机场24:00结束，但是程序只模拟到21:23分左右，之后再无飞机产生。而且之后的几小时内只有起飞飞机，无着陆飞机。多次模拟，均是类似结果。

解决方法：

首先分析该问题产生的可能原因，由于这种结果的太过规律性，怀疑是产生的随机数的问题，因此对产生随机数的语句进行分析，发现是将srand((int)time(0))语句放在for循环内造成的，故将srand((int)time(0))语句放到for循环外面。

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4. 测试结果

4.1正常运行

4.1.1输入数据正确的情况：

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4.1.2输入数据错误的情况：

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4.2边界数据测试

输入全部为

5. 后期扩展

1. 目前程序只模拟了一个跑道的情况，后期可以使用优先队列管理跑道，实现多跑道的飞

机场运营模拟。

2. 由于实验要求先处理完着陆队列再处理起飞队列，可能会导致模拟出来的情况与实际不

符，期中可能要考虑更多因素，目前的实现上来说还有待提高。

6. 源代码

6.1类设计

deQueue.h

#ifndef DEQUEUE #define DEQUEUE

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#include<iostream> using namespace std;

template <typename T> class node {

public:

T nodeValue; node<T> *next; node() : next(NULL) {}

node(const T& item, node<T> *nextNode = NULL) : nodeValue(item), next(nextNode) {} };

template <typename T> class Queue {

public: Queue(); void push_back(const T& item); void pop_front(); T& front(); const T& front() const; int size() const; bool empty() const; private: node<T> *qfront,*qback; int count; };

template <typename T>

Queue<T>::Queue():qfront(NULL), qback(NULL), count(0) {}

template <typename T>

void Queue<T>::push_back(const T& item) { node<T> *newNode=new node<T>(item, NULL); if(qfront==NULL){ qfront=newNode; qback=newNode; } else{ qback->next=newNode; qback=newNode;

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count++; }

template <typename T> void Queue<T>::pop_front() { if (empty()) //count==0 cout<<"Queue pop_front(): empty queue"<<endl; node<T> *tmp=qfront; qfront=qfront->next;

if (qfront == NULL) qback = NULL; delete tmp; count--; }

template <typename T> T& Queue<T>::front() { if (empty() ) cout<<"Queue front(): empty queue"<<endl; return qfront->nodeValue; }

template <typename T> int Queue<T>::size() const { return count; }

template <typename T>

bool Queue<T>::empty() const { return count==0; } #endif

Timer.h

#ifndef TIMER #define TIMER

class Timer{

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int now; //计时器当前时间 Timer(){} Timer(int n){ now=n; } void spend(){ //计时累加函数 now++; } };

#endif

Plane.h

#ifndef PLANE #define PLANE

class Plane{ public: int startwaitTime; int startworkTime; int workTime; Plane(){} Plane(int a,int b,int c){ startwaitTime=a; startworkTime=b; workTime=c; } };

#endif

Workslot.h

#include <iostream> #include <string> using namespace std; #ifndef WORKSLOT #define WORKSLOT

class Workslot{ public: int startTime; int endTime; int takeoffRate; //开始等待时间 //开始起飞/着陆时间 //起飞/着陆时间 //该时间段开始时间 //该时间段结束时间 //起飞频率（每小时起飞数）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pifq.html