疫情下基于Petri网的值机流程仿真建模与分析_韦潇.pdf
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1、文章编号:1009 444X(2022)04 0418 10疫情下基于 Petri 网的值机流程仿真建模与分析韦潇,石丽娜(上海工程技术大学 航空运输学院,上海 201620)摘要:疫情下机场航站楼增设的健康检测环节使值机流程用时变久,效率低下.对某机场航站楼值机流程现状分析,建立基于 Petri 网值机流程的过程模型,可靠性试验验证模型的正确性.研究发现:1)自助值机、网上值机和柜台值机方式均使旅客托运行李的时间过长;2)与柜台值机相比,其他两种值机方式旅客等待服务的时间更短,更多旅客选择.最后提出通过增设自助托运设备或值机柜台的方式减少旅客排队等待时间,缓解和改善值机流程中的瓶颈环节.关键
2、词:航站楼;Petri 网;值机流程;性能分析;疫情常态化中图分类号:TP301.1 文献标志码:ASimulation modeling and analysis of check-in process based onPetri network under epidemicWEIXiao,SHILina(School of Air Transportation,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract:Under the normalization of the epidemic,th
3、e additional health detection link in the airport terminalhas made the check-in process longer and inefficient.On the basis of analysis for current situation of check-inprocess of an airport terminal in China,a process model based on Petri network check-in process wasestablished,and the correctness
4、of the model was verified by reliability test.It is found that:1)Self-servicecheck-in,online check-in and counter check-in all make passengers check in their baggage for too long;2)Compared with counter check-in,the other two check-in methods have a shorter waiting time for passengersto serve and mo
5、re passengers choose.Finally,it is proposed to reduce the waiting time of passengers in line byadding self-service check-in machines or check-in counters,so as to alleviate and improve the bottleneck in thecheck-in process.Key words:terminal building;Petri network;check-in process;performance analys
6、is;epidemic normalization 自疫情以来,为确保安全运行和满足防疫要求,机场和航空公司通过多项制度来规范疫情下的安全工作,如在进入航站楼旅客服务环节前,增加健康检查,鼓励旅客进行自助值机,减少人员接触,缓解人工值机环节的拥堵,避免疫情发生.但检查环节带来值机等待时间过长的问题,对后面各环节造成滞留和干扰.Petri 网在建模和性能分析方面研究较多,但实际用于航站楼流程方面较少,顾广辉等1 2针对国内机场的离港流程,使用 Service Mode 进行仿真建模,并给出流程优化方法;Soemon 等3开发了一套应用于航站楼旅客离港流程的模拟系统;何川4借鉴电力系统预测方法,引
7、入“相似日”预测思想,在 K 近邻算法基础上增加航班计划状 收稿日期:2021 11 29作者简介:韦潇(1996 ),女,在读硕士,研究方向为交通运输规划与管理.E-mail:通信作者:石丽娜(1977 ),女,副教授,硕士,研究方向为交通运输规划与管理.E-mail: 第 36 卷 第 4 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol.36 No.42022 年 12 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEDec.2022态模式匹配方法,构建 SDK 近邻模型,能够预测当天旅客到达规律.在 Petri 网的建模和性能分
8、析方面,朱正月5基于层次颜色 Petri 网(HCPN),在HCPN 理论基础上构建模型,并利用 CPN Tools 对系统模型进行仿真分析;肖军等6利用随机 Petri网理论和排队论计算工作流模型的时间性能指标,并提出扩展时延 Petri 网;王晶等7提出一种基于对象 Petri 网和公共视图并结合跨组织工作建模与对象网之间相似性的跨组织工作流建模方法.还有学者研究了 Petri 网在其他领域的应用和旅客离港流程值机部分的相关内容8 12.综上,将Petri 网的建模与分析应用于航站楼流程实际场景的研究中仍有很大的发展空间.1 航站楼值机流程概述值机是旅客办理登机手续的环节,根据旅客使用服务
9、设备的不同,值机分为人工值机、自助值机和网上值机 3 类,主要包括“登机牌办理”和“行李托运”.旅客在到达航站楼前,可以选择通过手机或者电脑进行网上值机.当旅客进入航站楼时,旅客可根据自身情况选择自助值机或人工值机,将相关证件放到自助机器上或交给柜台值机人员进行核对查验.完成“登机牌办理”的旅客可选择是否托运,若托运行李超重,需缴纳超重费才能打印行李牌;若扫描托运行李时发出警报,需对行李开箱检查,确认无误后再传至行李分拣大厅准备登机.旅客办理好值机手续后到安检口进行安检,安检无误后到登机口等待登机.疫情前,大部分旅客倾向选择柜台值机.而疫情常态化下,旅客进入航站楼值机前,增加了健康检查环节,因
10、此鼓励旅客分流选择除柜台值机外的其他值机方式.常态化下值机流程如图 1 所示.健康码、行程码及健康检查提供身份证是否托运选座机器打印登机牌取到登机牌提交机票及身份证值机人员核对值机人员打印登机牌将行李放至传送带是否超重打印条码缴纳超重费将条码贴于登机牌和行李是是否否是否柜台值机是否有可疑物开包检验传至行李房是否旅客等待服务行李安检是否自助值机网上选座是否人工打印是否否是否是图 1 航站楼值机流程Fig.1 Terminal check-in process第 4 期韦潇 等:疫情下基于 Petri 网的值机流程仿真建模与分析 419 2 基于Petri 网的航站楼值机流程模型 2.1 前提条件
11、为保证对值机流程的分析更加精确,本研究给出值机流程模型前提条件:1)旅客在进入流程前已完成购票;2)托运行李中部分装有机场规定的违禁品;3)托运行李中部分存在超重的现象;4)值机人员的工作效率是一样的;5)行李检查设备运行正常;6)旅客严格遵守机场防控要求.2.2 模型构建在设定相关条件和依据值机流程中的各个环节的前提下,构建基于 Petri 网的航站楼值机流程模型,如图 2 所示.it1p1t2p2t3t22p22t23p23t24t25p24t26p25t27t21p21p26t28p27t29t31t30p29t32p30t33p31p3t4p4t16t18p13t19p18p19t20
12、p20p28t34ot5p5t6t8t7p9p6p8p7t9t10t11t12t13t14p10p11p12t15t17p14p15p16p17图 2 航站楼值机流程的 Petri 网模型Fig.2 Petri network model of terminal check-in process 图中:t1为旅客等待接受服务;t2为健康检测;t3为旅客思考是否柜台值机;t4为旅客未选择柜台值机方式;t5为旅客思考是否自助值机;t6为旅客选择自助值机方式;t7为旅客提供身份证;t8为旅客进行选座;t9为自助值机机器打印登机牌;t10为旅客选择网上值机方式;t11为旅客进行网上选座;t12为旅客思
13、考登机牌打印方式;t13为旅客选择自助值机机器打印登机牌;t14为旅客选择柜台打印登机牌;t15为选择柜台值机方式;t16为旅客提交机票及身份证;t17为值机人员进行核对;t18为值机人员打印登机牌;t19为值机人员将条码贴于登机牌上;t20为旅客思考是否需要托运;t21为旅客选择不托运;t22为旅客选择托运;t23为将行李放至 传 送 带;t24为 行 李 未 超 重;t25为 行 李 超 重;t26为旅客缴纳超重费;t27为值机人员打印行李条码;t28为值机人员将条码贴于行李;t29为行李安检;t30为安检系统未报警;t31为安检系统报警;t32为开包检验;t33为行李分拣;t34为将证件
14、还给旅客.2.3 模型的可靠性分析为 确 保 流 程 的 正 确 性,对 构 建 的 值 机 流 程Petri 网进行可靠性分析.该工作流网在结构上满足以下条件:1)初始标识 i 经过一系列变迁,一定能够到达结束标识 o;2)初始标识 i 经过一系列变迁到达结束标识 o 的同时,输出库所中至少有一个托肯的标识;3)工作流网中不含有死变迁.根据上述条件和可靠性定义可知,该工作流网是可靠的,建立的模型也是正确的.3 性能分析对工作流模型进行性能分析时,一般有资源数量受限和不受限两种情况,本研究设定为资源受限情况.旅客值机服务需要花费时间,由于资源受限,如花费时间较长、服务柜台或设备相对较少、人力资
15、源不充足时,旅客就会出现排队等候情况,直到前一位旅客值机完毕,服务资源变成可用状态后才能对排队中下一位旅客进行值机服务.3.1 性能分析的过程与结果tTAt7、t8tTBt16、t17tTCt24、t25、t26tTDt30、t31、t32对值机过程 Petri 模型的性能进行分析,值机过程 Petri 网模型如图 2 所示.对值机流程 SPN 模型进行简化,用复合变迁代替,代替,代替,代替,替代后值机过程模型如图 3 所示.420 上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 36 卷 3.2 时间变迁分类Ti=t1,t2,t3,t5,tTA,t9,t11,t12,tTB,t18,t19,t20
16、,t23,tTC,t27,t28,t29,tTD,t33,t34Ti=t4,t6,t10,t13,t14,t15,t21,t22=1,2,3,5,TA9,11,12,TB,18,19,20,23,TC,27,28,29,TD33,34p3p5p11p20t4t15t6t10t13t14t21t22t41t1511t62t103t131t14t21t221值机流程 SPN 模型中同时含有时间变迁和瞬时变迁.模型中时间变迁集为,瞬时变迁集为,对每个时间变迁定义一个引发速率,,,由此转化为 GSPN 模型,如图 3 所示.当库 所、有 托 肯 时,与、与、与、与都是使能的.设引发的概率为,则引发的概
17、率为;设引发的概率为,则引发的概率为;设引发的概率为,则引发的概率为;设引发的概率为,则引发的概率为.在构造马尔可夫链时,分柜台值机、自助值机、网上值机(自助打印登机牌)和网上值机(人工打印登机牌)4 种方式,并在 4 种值机方式下分别构造马尔可夫链.tAtBtCtDGSPNtAtBtCtDABCD在输入库所 i 和输出库所 o 之间添加 4 个时间变迁、和,使工作流模型为一个连续过程,设 4 个时间变迁、和分别的引发速率为、和.3.3 构造马尔可夫链GSPNGSPNGSPN建立工作流模型的可达标识图,首先要求出模型的可达标识,利用值机流程模型的可达标识表中的数据,对 3 种值机方式分别建立可
18、达标识图.分别构造 3 种值机方式下与同构的 4 条马尔可夫链,建立转移速率矩阵.1)柜台值机实 存 状 态 为 M1、M2、M3、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M23、M25、M26、M27、M28、M29、M30、M31、M32、M33、M35、M36、M37、M38、M39、M40、M41、M42、M43、M45、M46、M47、M48、M49、M50、M51、M52、M53、M54、M55、M56、M57、M58.消 失 状 态 为 M4、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M24、M34、M44.2)自助值机实 存
19、状 态 为 M1、M2、M3、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M23、M25、M26、M27、M28、M29、M30、M31、M32、M43、M45、M46、M47、M48、M49、M50、M51、M52、M53、M55、M56、M57、M58、M59、M60、M61、M62、M63、M65、M66、M67、M68、M69、M70、M71、M72、M73、M74、M75、M76、M77、M78.消 失 状 态 为 M4、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M24、M33、M34、M35、M36、M37、M38、M39、M40、M
20、41、M42、M44、M54、M64.3)网上值机(自助打印)实存状态为 M1、M2、M3、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M23、M25、M26、M27、M28、M29、M30、M31、M32、M43、M45、M46、M47、M48、M49、M50、M51、M52、M53、M55、M56、M57、M58、M59、M60、M61、M62、M73、M75、M76、M77、M78、M79、M80、M81、M82、M93、M95、M96、M97、M98、M99、M100、M101、M102、M103、M104、M105、M106、M107、M108.消 失 状 态 为 M4、M
21、13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M24、M33、M34、M35、M36、M37、M38、M39、M40、M41、M42、M44、M54、M63、M64、M65、M66、M67、M68、M69、M70、M71、M72、M74、M94.4)网上值机(人工打印)实 存 状 态 为 M1、M2、M3、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M23、M25、M26、M27、M28、it1p1t2p2t3t22p22t23p23tTCtTDp25t27t21p21p26t28p27t29p30t33p31p3t4p4tTBt18p13t19p18
22、p19t20p20p28t34ot5p5t6p9p6p8tTAt9t10t11t12t13t14p10p11p12t15t17p14p16p17图 3 替代后的值机流程 SPN 模型Fig.3 SPN model of replacement check-in process第 4 期韦潇 等:疫情下基于 Petri 网的值机流程仿真建模与分析 421 M29、M30、M31、M32、M43、M45、M46、M47、M48、M49、M50、M51、M52、M53、M55、M56、M57、M58、M59、M60、M61、M62、M83、M85、M86、M87、M88、M89、M90、M91、M9
23、2、M93、M95、M96、M97、M98、M99、M100、M101、M102、M103、M104、M105、M106、M107、M108.消 失 状 态 为 M4、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M24、M33、M34、M35、M36、M37、M38、M39、M40、M41、M42、M44、M54、M63、M64、M65、M66、M67、M68、M69、M70、M71、M72、M84、M94.GSPNGSPN由于有消失状态,需要对的状态空间进行化简.建立的化简后与同构的马尔可夫链MC,如图 4、图 5、图 6和图 7 所示.M1M2M3M6M
24、7M8M9M10M11M12M5M26M27M28M29M30M31M32M25M36M37M38M39M40M41M42M35M49M50M51M52M45M54M46M47M48M53M55M56M57M581213131313131313131323TC272829TD18181818181818181833193433TD292819191919AM23M33M43TBTBTBTBTBTBTBTBTB(1)2023TC272829TD33(1)2023TC272829TD33(1)2023TC272829TD33(1)2020202020GSPN图 4 与柜台值机过程模型同构的 MCG
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