基于多队列的机场旅客安检流程仿真研究.pdf

第42 卷第1期2024年2 月中国民航大学学报JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINAVol.42 No.1February 2024基于多队列的机场旅客安检流程仿真研究赵振武，郑文悦，张沉沉（中国民航大学安全科学与工程学院，天津30 0 30 0）摘要：为改善机场旅客安检现状，在不改变安检物理格局的前提下，结合排队论提出6 种安检验证服务台的排队方式。根据某机场的安检布局及空间尺寸，在以社会力模型为基础的AnyLogic软件中，构建机场旅客安检流程模型。按照低、中、高峰时段的旅客到达率40 2、6 2 38 0 2 人/h对6 种排队方式进行仿真，得到安检总时间、平均单队列人数、旅客平均等待时间和安检平均服务时间4个性能指标用来衡量安检效率，发现1对1型且验证服务台远离安检通道的排队方式表现效果更好。再对比验证服务台远离安检通道1 2 0 m，每隔1m放置时的性能指标，结果表明：1对1型且验证服务台远离安检通道2 0 m，队列为S形的排队方式更适用于目前机场旅客安检的需求。关键词：安检流程；排队方式；旅客到达率；安检效率；AnyLogic仿真中图分类号：V328.3;X949Simulation of airport passenger security check process based on multi-queueAbstract:In order to improve the current situation of airport passenger security check,six kinds of queuing methods of secu-rity check verification service desk were proposed based on queuing theory without changing the physical pattern ofsecurity check.According to the security check layout and space size of a certain airport,an airport passenger secu-rity check process model was constructed in the AnyLogic software based on the social force model.Six kinds ofqueuing methods were simulated based on the passenger arrival rates of 402 people/h,623 people/h,and 802 peo-ple/h during low,medium,and peak hours.Four performance indicators were obtained to measure the efficiency ofsecurity check,including total security check time,average number of people in a single queue,average waitingtime for passengers,and average service time of security check.It was found that the queuing method of one-to-onetype with the verification service desk far away from the security check channel performed better.Comparing theperformance indicators of the validation service desk being placed every 1 m away from the security channel by 1-20 m,the results showed that one-to-one type with the verification service desk being 20 m away from the securitychannel and the S-shape queue was more suitable for the current need of airport passenger security check.Key words:security check process;queuing method;passenger arrival rate;security check efficiency;AnyLogic simula-文献标志码：AZHAO Zhenwu,ZHENG Wenyue,ZHANG Chenchen(College of Safety Science and Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China)tion文章编号：16 7 4-559 0(2 0 2 4)0 1-0 0 40-0 7近年来，随着机场旅客吞吐量逐渐增长，传统安检方式下的旅客安检时间已无法满足旅客对于机场安检快速、便捷的需求。由于设备、安检人员操作、安检空间、法律法规等多方面的限制，不易通过改变旅客安检流程来提高安检效率。排队是旅客安检过程中不可或缺的活动,受到国内外学者的广泛研究。Li等川收稿日期：2 0 2 1-11-30；修回日期：2 0 2 2-0 1-13基金项目：天津市教委科研计划项目（2 0 2 1SK025）；民航安全能力建设项目（140 0 2 50 0 0 0 0 0 19 J013）作者简介：赵振武（19 7 7 一），男，山东潍坊人，副教授，博士，研究方向为机场安全、民航旅客安检、航空货运安保.首次建立了不同的旅客安检排队策略模型，展示了其潜在的网络结构,并比较了其在机场安检点排队中应用的不同性能情况。彭凯贝等2 基于旅客风险等级分类的安检流程，提出安检排队优化策略，但其研究对象为铁路旅客安检。Mao等3 使用排队模型检查机场的安检点和人员配备，找出影响旅客吞吐量的潜在瓶第42 卷第1期颈，并通过数学公式推导出提高交通量和减少旅客等待时间的方法。Regattieri等4提出了一种基于M/M/m排队模型的方法，根据不同的输人参数范围对系统性能进行参数分析，帮助解决生产系统和服务中的几个典型问题。Naji 等5提出了一种基于排队理论和粒子群优化(QT-PSO,queueing theory augmented with particleswarm optimisation)的预测旅客安检等待时间的新方法，在预测旅客平均等待时间方面优于现有方法。上述研究大多是对旅客安检排队进行理论分析，而探索不同排队方式对安检效率的影响并采用仿真方法对其进行分析的研究较少。经典排队论的解析法在求解时容易忽略随机性因素对系统的影响。而系统仿真的方法不局限于数学公式，通过建模展现研究对象的物理特性与逻辑结构，不仅贴合实际，还可以更好地处理随机性因素的影响。本文利用AnyLogic软件，结合排队论和社会力模型，使用机场安检通道的实际数据并参考相关文献，对6 种机场旅客安检排队方式进行建模仿真，通过计算、分析和对比找到效果最优的排队方式，以期为提高机场安检效率及后续机场旅客安检改进提供参考。1M/M/n和n个M/M/1排队模型的对比排队系统的基本组成部分主要有输入过程、排队规则和服务机构。机场旅客安检的排队规则属于等待制系统，即先到先服务的排队规则，而等待制排队系统中最常见的模型为M/M/n/o，因此选择研究M/M/n和n个MIM/1排队模型。本节主要研究在相同的旅客到达、服务台数目和先到先服务规则的前提下，两种排队系统在性能上的差异。理论上，利用利特尔法则(Littleslaw)求解可知，多个并列服务台的排队系统，排成单队比排成并列多队的方式具有显著优越性，即M/M/n比n个M/M/1排队模型的性能表现优越。仿真上，在AnyLogic软件中建立M/M/n和n个M/M/1两种排队模型的仿真模型,并进行分析。理论研究的案例是M/M/3和3个M/M/1排队模型的对比，仿真分析选取同样的模型进行对比，如图1所示。模型中设置初始旅客总数为50 0 人，仿真模型的步长等于相继到达的2 个旅客的时间间隔。该时间间隔服从1/0.9的指数分布,因此旅客到达率为0.9。随着模型运行时间增加，旅客按照设定状态进入模型中，直到旅客总数减少为0,模型运行结束。运行结果如表1所示。赵振武，郑文悦，张沉沉：基于多队列的机场旅客安检流程仿真研究结束进人服务务时间服务(a）M/M/3排队模型旅客接受接受服务结束进人1服务1时间1服务1.旅客接受接受服务结束进入2服务2时间2服务2旅客接受接受服务结束进人3服务3时间3服务3(b）3个M/M/1排队模型图1排队模型的仿真模型Fig.1 Simulation model of queuing model表1M/M/3和3个M/M/1排队模型的仿真运行结果Tab.1 Simulation results of M/M/3 and 3 M/M/1 queuing model性能指标平均队长/人最大队长人服务台利用率/%服务台空闲概率/%仿真研究发现，M/M/3和3个M/M/1排队模型相比，在平均队长、最大队长和服务台利用率3个性能指标上都呈劣势。仿真结果表明3个M/M/1排队模型在性能表现上优于M/M/3排队模型，与理论结果相反。实际上，基于解析法求解的排队理论存在部分缺陷,排队系统中的随机因素难以用解析法实现,导致理论结果与仿真运行的结果存在偏差。通常研究排队问题的学者从理论出发，关注旅客到达和接受服务过程服从的分布。然而实际的旅客到达过程不是简单的泊松分布，安检系统有多个服务节点，旅客接受服务的过程也不是简单的k阶爱尔朗分布，并且机场旅客安检排队是串并联混合的状态，各个服务节点难以用数学模型描述。因此，仿真的方法能够更加贴合实际情况，利用该方法探索更有效的机场安检排队方式具有现实意义。2仿真模型建立2.1建立流程模型机场旅客安检系统的主要流程如图2 所示，包括验证旅客证件、随身行李检查和人身检查。其中验证旅客证件的服务位置定义为验证服务台。安检过程中，旅客会受到人与人、人与障碍物及人与周围环境之间的相互作用，这3种力的合力称为-41一旅客接受接受服旅客服务台离开容量服务台容量1旅客离开服务台容量2服务台容量3排队模型M/M/33个M/M/12.350.9827.006.0076.3878.6423.6221.36-42-中国民航大学学报2024年2 月旅客安检排队0000验证旅客证件旅客根据规定将随身行李放人物品筐中000000001随身物品通过X光机否报警是开包检查文违禁品是没收或暂存通过随身物品检查通过人身检查旅客整理物品，完成安检图2 机场旅客安检流程Fig.2Security check process for airport passenger社会力。AnyLogic软件的行人库是基于社会力模型的。本文选择利用仿真软件对机场旅客安检进行仿真，既可以直观全面地得到旅客安检的数据，也可以将社会力模型的影响考虑在内。考虑到M/M/n/排队模型在机场安检中的现实可行性，本文选择1对1且验证服务台靠近安检通道放置（A）、1对1且验证服务台远离安检通道放置（A2）、1对2 且验证服务台靠近安检通道放置（B,）、1对2 且验证服务台远离安检通道放置（B2）、1对4且验证服务台靠近安检通道放置（Ci）、1对4且验证服务台远离安检通道放置(C2)6种排队方式。首先固定一个验证服务台远离安检通道放置的距离，分别找到低、中、高峰时段性能表现最优的排队方式，如果最优排队方式的验证服务台远离安检通道放置，则考虑最优距离。由于机场安检空间及安检费用的限制,并且验证服务台与安检通道的距离越远，旅客此段路程耗费的时间越久。因此，本文选择将验证服务台远离安检通道120m,每隔1m放置，找到最优距离。目前大部分机场旅客安检的传统排队方式为 A1。1 对1、1 对2、1 对4的排队方式如图3所示。验证服务台靠近和远离安检通道放置如图4所示。靠近时，旅客验证身份后，只能进人该验证服务台对应的安检通道；远离时，旅客验证身份后，可以自主选择安检通道进行安检。旅客agent模型的设计是保证仿真结果与现实情况相符的重点环节,首先确定旅客agent模型处于整个机场安检环境中,其次确定旅客agent模型的属性和行旅客通过金属探测门文否报警是人身检查文违禁品是没收或暂存(a)1对 1Fig.4Placement of verification service desk为。旅客agent的属性包括旅客的行走速度、个体直径、是否携带随身行李；旅客agent的行为包括旅客到达安检通道的速率、经过安检后旅客和行李的匹配、安检通道内人数的控制。在AnyLogic软件中利用“Split和“Match”两个模块结合java语言实现旅客与行李的一一匹配，“Split”模块的功能是将人与行李分离，利用“agent.id=original.id语句赋予每位旅客与每个行李对应的id,此后旅客与行李分别进行安检,再通过“Match”模块中设定的“agentl.id=agent2.id语句，使每位旅客在安检后能够与自已的行李正确匹配;利用“hold模块结合java语言实现安检通道内人数的控制，建立条件变量 variable及事件 event,在 event中输人程序如式(1)的 java语言,即if(通道内人数 7)(variable=true;)else(variable=false;)hold.recalculateConditions();再将 variableevent与“hold关联起来，即可控制正常运行时安检通道内的人数。在AnyLogic软件中绘制出旅客到达、排队等待进人安检通道、旅客放下随身行李、旅客及随身行李通过安检（旅客安检按性别分开）、旅客拿起随身行李（涉及到初检报警和开包检查的概率）旅客退出安检等机场旅客安检流程。最终建立的机场旅客安检单通道流程模型如图5所示。(b)1 对 2图3排队方式Fig.3Way of queuing一安检通道安检通道（a）服务台靠近安检通道安检通道安检通道(b）服务台远离安检通道图4验证服务台放置方式(c)1对 4(1)第42 卷第1期赵振武，郑文悦，张沉沉：基于多队列的机场旅客安检流程仿真研究43金属探进入放下随身行李测门区分性别人身检查女限制排队人数7是否开包是否存在没收违整理报警是是检查违禁品是禁品行李前行退出人身检查男人与行李分离行李队列Fig.5Model of single-channel security check process for airport passenger2.2建立环境模型依据国内某大型机场的安检布局及空间尺寸，如表2 所示,建立流程模型对应的环境模型。1对4的排队方式机场旅客安检系统至少有4个安检通道，因此，本文建立的仿真模型有4个安检通道。机场旅客安检环境模型的3D效果如图6 所示，此图中的验证服务台靠近安检通道放置。表2 国内某机场的安检布局及空间尺寸Tab.2 Security check layout and space size of an airport in China安检布局数值检测点X光机前桌子长度/mX光机后桌子长度/mX光机长度/m安检通道长度/m安检通道宽度/m人员验证人员/人放下随身行李处的服务人员/人人身女安检员/人人身男安检员/人X光机处安检人员/人开包检查处的服务人员/人服务点验证服务台处的服务点/个旅客放下随身行李处的服务点/个旅客整理随身行李处的服务点/个开包检查的服务点/个人身检查/整理随身待李处，开包检查处金属X光机探测门放下随身行李处立验证服务台图6 机场旅客安检环境模型的3D效果Fig.63D effect of security check environment model forairportpassenger3输入数据3.1旅客参数旅客参数包括行走速度和个体直径。本文结合旅X光机图5机场旅客安检单通道流程模型客在机场中的实际情况以及相关文献进行设置。旅客正常的行走速度会受到性别、年龄、身体状况、习惯等多方面的影响,将初始速度设置为0.3 0.7 m/s,服从均匀分布，舒适速度设置为1.15 1.55m/s，服从均匀分布。旅客个体直径受到旅客自身体型及随身携带的行李影响，将旅客个体直径设置为0.5 0.6 m，服从均匀分布。3.2运行参数结合机场实际运行情况及相关文献对运行参数参数设置进行设置。对放下随身行李时间、通过金属探测门的时1.5间、男性人身安检员检查时间、女性人身安检员检查时1.5间、X光机检查时间、整理行李时间、开包检查时间数2.516.05.01111111122行李匹配人与行李合并据进行拟合，对于拟合后的分布及计算后得到的分布进行检验，以上时间分布全部通过检验，则最终建立的安检通道流程中各个模块参数18-15如表3所示,其中：triangular()表示三角分布，uniform(）表示均匀分布。表3模型运行参数设置Tab.3Parameter setting of model operation运行参数验证服务台远离通道的距离/m安检通道内能容纳最多人数/人验证时间/s放下随身行李的时间/s通过金属探测门的时间/s男性人身安检员检查时间/s女性人身安检员检查时间/sX光机检查时间/s整理行李时间/s开包检查时间/s携带随身物品的概率初检报警概率开包报警概率3.3旅客到达率国内某机场一天内4个安检通道各时段的旅客到达情况如图7 所示。文中的旅客与运行参数设置来数值5.10、15、2 0712triangular(2,15,5)uniform(1,2)triangular(5,20,7.2)triangular(5,20,7.2)triangular(3,10,4)uniform(8,20)uniform(60,75)10.050.02-44-中国民航大学学报2024年2 月自于实际机场运行情况及相关文献，为了进一步验证仿真模型参数设置的准确性，选取9:0 0 一10:0 0 的客流量6 9 2 人对模型进行校验，运行结果与实际情况相符，由此证明仿真模型中旅客与运行参数设置准确。从图7 可以看出，全天客流量变化较大，存在低、中、高峰时段,并且未来机场吞吐量还会不断增加，为了综合考虑不同旅客流量的影响，选取低、中、高峰的旅客到达量进行仿真分析，由于30 0 人/h以下的低峰客流基本上不形成排队，如2 1:0 0 一2 2：0 0 的旅客到达量为272人，旅客无须排队即可进行安检，本文对30 0 人/h以上的旅客到达率进行研究。最终选取2 0:0 0 一2 1:0 0的低峰客流40 2 人、11:0 0 一12:0 0 的中峰客流6 2 3人、7:00一8:0 0 的高峰客流8 0 2 人作为仿真模型输人的旅客到达率。1000800F600F40020004:005:008:009:0012:0013:0016:0017:0020:00-23:000:00花费的总时间来衡量的，因此，安检总时间越少，系统的性能越好。每种情况仿真模型运行10 次产生10 个安检总时间取平均值，通过计算得到旅客到达率为402、6 2 3、8 0 2 人/h时的不同排队方式箱线图，如图8 一图10 所示。52005000F48004600440042001A1图8 旅客到达率为40 2 人/h的不同排队方式安检时间Fig.8 Security check time at passenger arrival rate of 402 p/h withdifferentqueuing methods3.40032003.000F21:002.800上A2BB2C排队方式C2时段图7 一天内4个安检通道各时段的旅客到达情况Fig.7Passenger arrivals at all times of the day at the foursecuritycheck4仿真结果及分析本文统计6 种排队方式运行后的4个性能指标，用来比较分析每种排队方式的性能,分别为：(1)安检总时间，表示第一个旅客进人系统和最后一个旅客离开系统之间的时间间隔；(2)平均单队列人数，表示旅客排队时单个队列人数的平均值；(3)旅客平均等待时间，表示从旅客进入队列到验证开始所用的平均时间；（4)安检平均服务时间，表示旅客从进入验证到整理行李结束所用的平均时间，不包含旅客从验证服务台走到安检通道口的时间。4.1最优排队方式分析安检总时间为旅客到达率选取40 2.6 2 3、8 0 2 人/h时，通过建立的仿真模型分别检查50 0 名旅客安检所2.600F2.400A1图9 旅客到达率为6 2 3人/h的不同排队方式安检时间Fig.9 Security check time at passenger arrival rate of 623 p/h withdifferent queuing methods2.8002.7002.6002.5002.4002.3002.20021002000A1图10 旅客到达率为8 0 2 人/h的不同排队方式安检时间Fig.10 Security check time at passenger arrival rate of 802 p/h withdifferentqueuingmethods从图8 一图10 可以看出，在低、中、高峰客流量的情况下，A2的安检总时间始终保持最少。王A2BI排队方式A2BI排队方式B2B2CiCiC2C2第42 卷第1期对其余3个性能指标进行分析，固定验证服务台到安检通道的距离为15m，旅客到达率分别选取402、6 2 3、8 0 2 人/h，对6 种排队方式各进行2 0 次仿真，运行结果如表4一表6 所示。表4旅客到达率为40 2 人/h的运行结果Tab.4 Results at passenger arrival rate of 402 p/h平均单队列旅客平均等待安检平均服务排队方式人数/人A17.90A22.35BI11.41B22.49CI19.10C215.92表5旅客到达率为6 2 3人/h的运行结果Tab.5 Results at passenger arrival rate of 623 p/h平均单队列旅客平均等待安检平均服务排队方式人数人A110.71A23.73BI17.43B23.96CI28.10C223.36表6 旅客到达率为8 0 2 人/h的运行结果Tab.6Results at passenger arrival rate of 802 p/h平均单队列旅客平均等待安检平均服务排队方式人数人A116.01A26.19BI24.98B26.88CI57.84C236.36对表4一表6 的数据对比分析得到,在旅客到达率为40 2、6 2 3、8 0 2 人/h时，A2的旅客平均等待时间和安检平均服务时间的总计用时比其他5种排队方式更短，且A2的旅客平均等待时间更短，说明将验证服务台前提可以缓解此处的服务压力，从而提高旅客安检效率。且A2的队列长度表现最好,因此,A,的表现效果更好。通过上述分析，可以得到最优排队方式是A2，即1对1且验证服务台远离安检通道放置。4.2验证服务台与安检通道最优距离分析在排队方式为A2的前提下，分析验证服务台与安检通道的最优距离。旅客到达率分别选取40 2、6 2 3、赵振武，郑文悦，张沉沉：基于多队列的机场旅客安检流程仿真研究时间s时间/s19.6977.9413.2579.5881.8279.6115.5779.41142.0978.42143.9578.81时间s时间/s19.8978.4617.3880.0687.4280.8923.0485.34146.8079.83149.3082.53时间/s时间/32.8783.7328.6187.05105.6984.5638.3687.27244.9582.77186.0585.61-45-802人/h，对1 2 0 m的距离，验证服务台每隔1m放置的情况，各进行2 0 次仿真，得到的平均单队列人数变化如图11所示，安检平均服务时间变化如图12 所示。由于验证服务台与安检通道的距离越远，旅客此段路程耗费的时间越久，当验证服务台前提到2 0 m时，按照设置的步速，旅客至少需要走30 s，接近平均服务时间的一半，因此，不再考虑2 0 m以上的情况。98764321.23456图11平均单队列人数变化情况Fig.11Change of average number of people in a single queue9088868482807876747223456788 9 1011121314151617181920距离/m图12 安检平均服务时间变化情况Fig.12Change of average service time of security check由图11和图12 得到,2 0 m的距离平均单队列人数及安检平均服务时间的2 项性能指标表现更好。同时可以看到旅客高峰期8 0 2 人/h时，在7 m左右出现了平均单队列人数和安检平均服务时间骤降的情况，这是因为旅客到达人数过多，出现了排队现象，同时也导致安检平均服务时间较长，而验证服务台提前到7m左右时,缓解了在验证服务台处旅客堆积的情况。因此，在排队方式为A2前提下，从平均单队列人数及安检平均服务时间考虑，选择验证服务台远离安检通道2 0 m放置。通过上述分析，发现1对1且验证服务台远离安检通道2 0 m的排队方式表现效果最好，队列可采用S形，充分利用机场旅客安检验证服务台前的空间面积。同时可推测出验证服务台和安检通道的距离越长,安检效率越高。然而受机场安检空间的限制,并且如果验证服务台与安检通道距离过长，则旅客此段路程耗费时间过多且无法保证旅客在经过验证服务台后会直接走向安检通道进行安检，因此，此段距离不802人/h623人/h402人/h89 1011121314151617181920距离/m802人/h623人/h402人/h-46-能无限大。在实际机场安检中，可根据现有空间，适当增大验证服务台与安检通道的距离，以此提高安检效率。5结语为了探索旅客排队方式对机场安检效率的影响，本文利用AnyLogic软件，结合排队论和社会力模型，根据机场安检实际情况建立6 种排队方式的机场旅客安检仿真模型，并输入实际数据运行模型，得到安检总时间、平均单队列人数、旅客平均等待时间和安检平均服务时间4个性能指标，结合实际情况，对运行结果进行对比分析，得到最优排队方式为1对1且验证服务台远离安检通道放置的结论。通过计算、对比和分析验证服务台远离安检通道120m，每隔1m放置时的运行结果,得到验证服务台远离安检通道2 0 m的效果更好。最终得出最优排队方式为1对1且验证服务台远离安检通道2 0 m的结论。这种排队方式的队列长度比传统安检排队方式更短，旅客平均等待时间和安检平均服务时间的总计用时比其他5种排队方式更短，可缓解验证服务台处的服务压力，从而提高安检效率。未来的研究工作可以在本文的基础上，加人关于旅客风险分类的内容，随着机场及旅客对于安检效率需求的提高，旅客安检分类可能会成为一个未来的发展趋势。对旅客的风险分类，采取不同程度的安检措施进行安检，研究不同的排队方式是否会对安检性能产生影响。这可作为相关部门探索更多关于中国机场安检系统研究的参考。参考文献：1 LI Y L,GAO X,XU Z W,et al.Network-based queuing model for中国民航大学学报simulating passenger throughput at an airport security checkpoint J.Journal of Air Transport Management,2018,66:13-24.2】彭凯贝,史天运,伍柳伊,等.基于旅客风险分类的安检流程研究中国安全生产科学技术,2 0 2 0,16(5):143-149.3 MAO X C,WU Z G.The optimizing of the passenger throughput at anairport security checkpointJ.Open Journal of Applied Sciences,2017,7(9):485-501.4REGATTIERI A,GAMBERINI R,LOLLI F,et al.Designing productionand service systems using queuing theory:principles and application toan airport passenger 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