基于虚拟排队系统的机场分类安检最优通道数量研究.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4788-4798 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125435 文章引用文章引用:陈燕婷,李梦琪.基于虚拟排队系统的机场分类安检最优通道数量研究J.建模与仿真,2023,12(5):4788-4798.DOI:10.12677/mos.2023.125435 基于虚拟排队系统的机场分类安检最优通道基于虚拟排队系统的机场分
2、类安检最优通道 数量研究数量研究 陈燕婷陈燕婷,李梦琪李梦琪*上海理工大学管理学院,上海 收稿日期:2023年8月17日;录用日期:2023年9月18日;发布日期:2023年9月25日 摘摘 要要 由于出行方式的多样化、出行成本的降低和人民生活水平的提高,人们选择乘飞机出行的概率不断增大,由于出行方式的多样化、出行成本的降低和人民生活水平的提高,人们选择乘飞机出行的概率不断增大,机场旅客吞吐量快速增长,安检工作人员的压力不断攀升,旅客的等待时间也逐渐增加,传统安检模式机场旅客吞吐量快速增长,安检工作人员的压力不断攀升,旅客的等待时间也逐渐增加,传统安检模式已显现出其局限性。为了应对这一挑战,本
3、文提出了一种新的解决方案,即采用基于虚拟排队系统的分已显现出其局限性。为了应对这一挑战,本文提出了一种新的解决方案,即采用基于虚拟排队系统的分类安检模式。该模式通过引入虚拟排队系统和分类安检,为旅客提供了更便捷的安检体验,能够有效缓类安检模式。该模式通过引入虚拟排队系统和分类安检,为旅客提供了更便捷的安检体验,能够有效缓解传统安检模式下的排队压力。为了评估两种安检模式之间的差异,本文通过建立两种安检模式下的成解传统安检模式下的排队压力。为了评估两种安检模式之间的差异,本文通过建立两种安检模式下的成本函数,得到使得成本最低的各类安检通道数量,同时综合考虑旅客本函数,得到使得成本最低的各类安检通道
4、数量,同时综合考虑旅客等待时间的需求。通过数值模拟,等待时间的需求。通过数值模拟,研究结果充分表明了虚拟排队分类安检模式在成本方面的优势。尽管其实施需要一定的投资成本,但从研究结果充分表明了虚拟排队分类安检模式在成本方面的优势。尽管其实施需要一定的投资成本,但从长远来看,这种新模式将为机场带来显著的成本节约和效率提升,进而提高旅客的满意度,增强机场的长远来看,这种新模式将为机场带来显著的成本节约和效率提升,进而提高旅客的满意度,增强机场的竞争力。竞争力。关键词关键词 分类安检,旅客风险等级,虚拟排队系统,最优安检通道数量分类安检,旅客风险等级,虚拟排队系统,最优安检通道数量 Research
5、on the Optimal Number of Lanes for Airport Classification Security Check Based on Virtual Queueing System Yanting Chen,Mengqi Li*Business School,University of Shanghai for Science&Technology,Shanghai Received:Aug.17th,2023;accepted:Sep.18th,2023;published:Sep.25th,2023 *通讯作者。陈燕婷,李梦琪 DOI:10.12677/mos
6、.2023.125435 4789 建模与仿真 Abstract Due to the diversification of travel options,reduced travel costs,and increased living standards,the likelihood of people choosing air travel has been consistently rising.As a result,airport pas-senger throughput has been rapidly increasing,placing escalating pressur
7、e on security screening personnel and leading to progressively longer passenger waiting times.The limitations of tradi-tional security screening methods have become evident.To tackle this challenge,this paper in-troduces a novel solution:a classification security screening mode based on a virtual qu
8、eueing system.This mode incorporates virtual queueing and classification-based security screening to offer passengers a more convenient screening experience,effectively alleviating the queueing pressures associated with traditional methods.To assess the differences between the two screen-ing modes,t
9、his paper formulates cost functions for both methods and determines the optimal number of security lanes for each,considering the passengers waiting time requirements.Nu-merical simulations conclusively demonstrate the cost advantages of the virtual queueing classi-fication security screening mode.W
10、hile its implementation may require initial investment,this new mode is poised to yield substantial cost savings and efficiency improvements for airports in the long run,ultimately enhancing passenger satisfaction and bolstering airport competitiveness.Keywords Categorized Screening,Passenger Risk L
11、evel,Virtual Queueing System,Optimal Number of Screening Lanes Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 在当今全球化和快节奏的生活方式下,越来越多的人选择乘坐飞机出行。中国民用航空局2022
12、 年全国民用运输机场生产统计公报 1数据表明,2013 年至 2019 年,机场旅客吞吐量逐年增长,从 75430.9万人次增加至 135162.9 万人次。2020 年至 2022 年,由于受到新冠肺炎疫情的影响,机场旅客吞吐量有较大程度上的减少,但乘坐飞机出行仍然是一个不可替代的选择。并且随着生产、生活的逐步恢复,机场的旅客吞吐量迅速恢复到之前的增长趋势。然而,随着恐怖袭击和其他安全问题的频发,机场安检变得越来越重要。机场安检是保障国家安全、旅客生命财产安全和维护社会稳定的必要手段之一。“十四五”民用航空发展规划坚持安全发展底线和智慧民航建设主线,加快构建更为安全、更高质量、更有效率、更加
13、公平、更可持续的现代民航体系2。在机场,旅客需要排队值机、安检和登机等程序,这不仅会耗费大量的时间和精力,还可能对旅客及机场的工作人员的身体和心理造成压力3。同时,由于安检程序的复杂性和旅客流量的不稳定性,安检排队拥堵问题也时常发生。安检排队时间长不仅会降低旅客的满意度,还会对机场的效率和经济效益造成负面影响。因此,机场旅客安检排队问题一直是困扰旅客和机场管理方的一个重要问题。为了改善这种情况,本文提出一种解决方案基于虚拟排队系统的机场分类安检,并进行数值模拟以验证其效果。本文的工作主要与两类文献相关。第一类是关于机场分类安检问题的文献:上世纪末,美国机场海关使用一种带有选择性的预先检查系统,
14、当旅客出示证件时,旅客的信息被上传到该系统,安检工作人Open AccessOpen Access陈燕婷,李梦琪 DOI:10.12677/mos.2023.125435 4790 建模与仿真 员根据旅客的身份背景、历史乘机数据等信息给每个旅客分配风险值,作为后续安检系统的决策参考值4;王嘉宏和陈荣庆5通过进行敏感度分析,研究了安检设备数量配置和正确报警率对分类安检系统的安全水平和旅客的平均等待时间的影响;陈晓红等6提出了分类安检模式,建立了分类安检模型;赵振武,唐玉丽,麻建军7针对机场旅客数量增加、排队等待时间长等问题,在国内外研究的基础上,建立了具有中国特色的分类安检系统;Nie 等8研究
15、如何通过对旅客分类来提高安检效率。综合考虑旅客等待时间和正确报警率这两个因素,做出最佳的分配决策;Wang 9将安检通道分为两种不同等级,在该模型中,风险值较高的旅客接受更严格的安检流程;Nie 和 Parab 10通过结合历史数据中的正确报警率和所需安检人员数量,并采用旅客分组策略,提高旅客安检系统的效率;McLay 等11在差异化安检系统中,将安检系统分为两类。在总成本和安检人员数量的限制下,研究了最大化识别危险乘客的概率问题;Papa 12梳理了美国和欧洲海关的检查策略,主要包括均等检查和选择性检查两种方法。结果表明采用基于风险值的分类安检系统比对所有旅客和物品都进行严格检查更为高效;V
16、irta 等13考虑了一个安检能力不同的动态分类安检系统,旅客在通过安检设备后,系统会实时更新其风险值。分类安检在传统安检模式的基础上进行了改良,它能够合理的分配安检资源,减少旅客的等待时间,提高安检效率,分类安检为民航业的发展带来了巨大的收益。第二类是关于虚拟排队系统的文献:赵振武和麻建军14在单阶段多层次服务系统的基础上引入虚拟排队的概念,对无虚拟排队、部分虚拟排队和完全虚拟排队三种情形进行了数值研究,结果表明采用虚拟排队系统有助于降低旅客的等待时间;杨媛元等15提出利用虚拟排队系统缩短旅客安检的排队等待时间。杨媛元等16开发了一款基于 Android 平台的机场安检虚拟排队系统,该系统有
17、效减少了旅客的时间成本,提高了旅客的满意度;麻建军17在机场安检流程的基础上,根据机场安检的特点,设计出符合机场安检的虚拟排队系统;并且虚拟排队系统在游乐园也得到了广泛应用,Cope 等18和 Lutz 等19介绍了在迪士尼部分顾客可以获得所谓的 FASTPASS,他们可以在指定的时间段内使用 FASTPASS 到某些娱乐设施游玩,而不必排长队等待。游乐园通过充分利用人们时间安排灵活性的特点,成功缩减了顾客排队时间。同样地,机场的虚拟排队系统通过将高峰期的一部分安检需求转移到非高峰期,使整体安检需求趋于平缓。这可以有效避免旅客在短时间内集中到达而导致的排队拥堵,从而减少高峰期旅客的平均等待时间
18、。基于虚拟排队系统的机场分类安检问题是指通过对机场安检流程进行优化和改进,实现更加高效和精确的安检服务。在传统的机场安检中,旅客按照先到先服务的顺序进行安检。而在虚拟排队分类安检系统中,旅客可以使用手机等移动设备在线上进行值机并依据历史乘机数据、身份信息、犯罪记录等4 7被分类,收到对应等级的安检通道及安检时间,并在指定的时间段内到达机场进行安检,否则取消此次排队资格。这样,旅客就可以在安检前处理其他事情,避免了长时间的排队等待。针对机场安检排队时间长这一瓶颈问题,以最小化成本前提下的最优安检通道数量为目标,分析基于虚拟排队系统的机场分类安检模式的特点并得出最优安检通道数量。与现存的研究相比本
19、文的主要创新之处在于将分类安检与虚拟排队系统结合起来,以期在更大程度上减少旅客安检的等待时间。本研究的结果可为机场安检排队问题的解决提供一种新的思路和方法,对于提高机场的安检效率和减少旅客等待时间具有重要的实际意义。2.模型建立及分析模型建立及分析 2.1.传统安检排队模型的构建传统安检排队模型的构建 定义定义:若顾客的到达间隔服从参数为i的指数分布(从而到达的人数服从泊松分布),每位顾客的服务时间服从参数为i的指数分布,且顾客的到达与服务时间独立,系统有is个服务台,称这样的模型为M/M/is排队模型20。陈燕婷,李梦琪 DOI:10.12677/mos.2023.125435 4791 建
20、模与仿真 安检作为机场服务的重要一环,旅客的到达过程是泊松过程,服务时间服从独立同分布的指数随机变量,是典型的多服务台排队系统。因此,可以用 M/M/is模型来对本文所研究的问题进行建模。图 1 为传统登机流程示意图。Figure 1.Traditional boarding process 图图 1.传统登机流程 本文采用的符号如表 1 所示。Table 1.Description of notations 表表 1.符号说明 符号 含义 is 安检通道的数量,,iH N T=in 旅客数,,iH N T=i 安检通道服务率,,iH N T=i 旅客到达安检通道的到达率,,iH N T=i
21、占用率,即系统中机场旅客的到达率与服务率之比,,iH N T=每个旅客在系统中逗留单位时间的费用 i 每个服务台单位时间内的费用,,iH N T=x 每条安检通道安检设备每小时的使用成本 y 每位安检工作人员每小时工资 加入虚拟排队系统的旅客比例,01 0P i 类系统中存在 0 个旅客的均衡概率,0in=inP i 类系统中存在in个旅客的均衡概率,iins iisnP+i 类系统中存在in个旅客的均衡概率,iins W 延迟概率 qL 系统中排队的平均旅客数 W 系统中旅客的平均等待时间,iH N T=分别表示分类安检模式高风险安检通道、普通安检通道和传统模式下的安检通道 由经典排队论21
22、可得 M/M/is系统如下几个数量指标:iiiis=(1)()()11001!1iiiinssiiiiniiissPns=+(2)()0,0,1,2,!iiniiniiisPP nsn=(3)陈燕婷,李梦琪 DOI:10.12677/mos.2023.125435 4792 建模与仿真 ()00,1,2,!iiiiiisiinnsnisiiisPPP ns+=(4)()()()()1101!iiiiisnssiiiiiWiniiissssns=+(5)1iqWiL=(6)()1WqiiWLs=+(7)传统安检模式中,各个安检通道相同,服务率、单位安检成本均相等。在平稳状态下单位时间内总费用(旅
23、客等待时间成本与安检服务成本)为()iqi iZ sLs=+(8)其中为每位旅客在系统中逗留单位时间的费用,在本文中取为 265.33(元/小时),为 2021 年 8 月北京首都民航时间成本 TOP15 市场22的均值,qL是平均队长,i是每个安检通道单位时间的费用,is是安检通道的数量。由于,i是给定的,故安检通道数is是唯一的变量,求出使()iZ s最小的is。因为is取整数,()iZ s不是连续函数,不能用经典的微分法,故采用边际分析法。根据()iZ s应为最小的特点,有()()()()11iiiiZ sZ sZ sZ s+(9)依次求当1,2,3,is=时()iZ s的值,即可定出最
24、优的is。2.2.基于虚拟排队系统的分类安检排队模型的构建基于虚拟排队系统的分类安检排队模型的构建 在基于虚拟排队系统的分类安检模式中,旅客可以在线上(虚拟排队系统)或线下值机时依据历史记录被分配到高风险安检通道或普通安检通道,这两类通道在服务能力、单位安检成本、旅客等待时间上具有差异性。基于虚拟排队系统的分类安检模式流程图如图2所示(加入虚拟排队系统的旅客可以在指定时间到达机场安检,而不必过早到达机场;类似于文献4,高风险旅客依据旅客的历史乘机数据、身份信息、犯罪记录等判定):Figure 2.Flow diagram of the virtual queueing and sorting
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