基于排隊(duì)論和Anylogic仿真的車站進(jìn)站排隊(duì)優(yōu)化

戴建強(qiáng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著實(shí)名制售票的全路推廣，旅客進(jìn)站時(shí)的實(shí)名制核驗(yàn)，不僅給車站工作人員帶來(lái)不小的工作壓力，而且旅客進(jìn)站時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)擁堵、排隊(duì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況，給旅客出行帶來(lái)不好的體驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)排隊(duì)論和軟件仿真研究深度不夠，大多數(shù)只停留在簡(jiǎn)單模型的建立和分析上[1-7]。國(guó)外學(xué)者針對(duì)簡(jiǎn)單的排隊(duì)問(wèn)題，提出擁堵指標(biāo)k[8]；針對(duì)長(zhǎng)短兩種休假策略，提出一般隨機(jī)變量分布[9]，排隊(duì)問(wèn)題也停留在單層排隊(duì)優(yōu)化上。針對(duì)鐵路實(shí)名制售票下的旅客進(jìn)站，除了實(shí)名制驗(yàn)證檢票的排隊(duì)外，還要進(jìn)行行李的安檢、車站工作人員的手檢和危險(xiǎn)品的開(kāi)包檢驗(yàn)，都涉及排隊(duì)等待問(wèn)題[10-11]。

本文以旅客排隊(duì)進(jìn)站的全流程為研究對(duì)象，通過(guò)收集車站排隊(duì)進(jìn)站旅客數(shù)量、排隊(duì)等待時(shí)間等數(shù)據(jù)，采用排隊(duì)論和Anylogic軟件仿真對(duì)目前車站通道設(shè)置和旅客排隊(duì)方式進(jìn)行優(yōu)化，為車站運(yùn)營(yíng)決策和提高進(jìn)站效率提供理論支撐。

1 基于排隊(duì)論的旅客排隊(duì)研究

1.1 排隊(duì)論

排隊(duì)論也稱隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)理論，主要是研究各種服務(wù)系統(tǒng)隨機(jī)規(guī)律的學(xué)科，屬于運(yùn)籌學(xué)的分支。本文通過(guò)深入研究鐵路旅客進(jìn)站的特殊性、旅客到達(dá)車站隨機(jī)性和旅客攜帶行李的不確定性，并根據(jù)站房空間，選用不同的排隊(duì)方式，通過(guò)對(duì)旅客到來(lái)規(guī)律及實(shí)名制驗(yàn)證檢票、行李安檢、手檢的時(shí)間統(tǒng)計(jì)研究，得出旅客排隊(duì)等待時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度、驗(yàn)票時(shí)長(zhǎng)等的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，然后根據(jù)這些規(guī)律來(lái)改進(jìn)排隊(duì)的方式和實(shí)名制驗(yàn)證的數(shù)量、行李安檢的數(shù)量匹配，既能滿足旅客驗(yàn)票進(jìn)站的需要，又能使車站資源配置達(dá)到最優(yōu)。

1.2 進(jìn)站排隊(duì)的影響因素

旅客集中到達(dá)的時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度等；進(jìn)站口設(shè)置數(shù)量；實(shí)名制驗(yàn)證檢票速度；行李安檢速度；手檢速度。

1.3 鐵路旅客排隊(duì)方式

根據(jù)對(duì)既有站和部分高鐵站的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于受站房和行李安檢儀價(jià)格昂貴的限制，目前大客流車站普遍采用混合式排隊(duì)方式，即：多個(gè)進(jìn)站核驗(yàn)通道和少量行李安檢儀，而一臺(tái)安檢儀一般都匹配兩臺(tái)金屬探測(cè)儀和兩名人工手檢人員，如圖1所示。

圖1 混合式排隊(duì)模式

對(duì)于客流量較小的車站，普遍采用并聯(lián)式排隊(duì)進(jìn)站的模式，如圖2所示。甚至在淡季，客流量少的時(shí)候，車站還可以采用串聯(lián)式單通道進(jìn)站模式。

圖2 并列式排隊(duì)模式

1.4 車站旅客排隊(duì)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

（1）車站排隊(duì)系統(tǒng)。車站的排隊(duì)系統(tǒng)分為旅客和車站實(shí)名制驗(yàn)證檢票人員（或設(shè)備）、行李安檢儀、人工手檢。車站進(jìn)站排隊(duì)系統(tǒng)模型，如圖3所示。排隊(duì)系統(tǒng)包括輸入過(guò)程、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu)。其中，輸入過(guò)程是指旅客隨機(jī)到達(dá)，然后進(jìn)入排隊(duì)系統(tǒng)；排隊(duì)規(guī)則是指旅客排隊(duì)過(guò)程中要遵循先到先服務(wù)的規(guī)則。車站旅客排隊(duì)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)構(gòu)分為3個(gè)：實(shí)名制核驗(yàn)服務(wù)、行李安檢服務(wù)和人工手檢服務(wù)。

圖3 進(jìn)站排隊(duì)模型

（2）輸入過(guò)程。旅客到達(dá)的時(shí)間為隨機(jī)型，即在時(shí)間t內(nèi)顧客到達(dá)數(shù)n(t)服從一定的隨機(jī)分布。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)，其分布服從泊松分布，在時(shí)間t內(nèi)到達(dá)n個(gè)顧客的概率為：

當(dāng)旅客數(shù)量n大于實(shí)名制核驗(yàn)通道數(shù)量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)情況。實(shí)名制驗(yàn)證檢票時(shí)間一般固定在一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)。

由于鐵路安保需要，行李安檢一般還采用人工屏幕識(shí)別的方式，這就制約了安檢的速度，目前，安檢儀的速度一般采用0.2 m/s，安檢儀的長(zhǎng)度一般為3.5 m左右，因此行李安檢成為進(jìn)站過(guò)程中排隊(duì)時(shí)間最長(zhǎng)的環(huán)節(jié)。只有當(dāng)系統(tǒng)的顧客數(shù)n≥c時(shí)，其中，c為行李安檢儀的數(shù)量，才有n–c個(gè)顧客進(jìn)入系統(tǒng)隊(duì)列等待服務(wù)，因此旅客排隊(duì)的長(zhǎng)度為：

計(jì)算λ的最大似然估計(jì)值為：

即：

2 基于Anylogic車站旅客進(jìn)站排隊(duì)仿真

Anylogic旅客仿真主要通過(guò)行人庫(kù)中的功能實(shí)現(xiàn)，它不同于傳統(tǒng)的排隊(duì)論簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，而是綜合利用社會(huì)力模型進(jìn)行仿真建模，通過(guò)軟件仿真，直觀地顯現(xiàn)出旅客排隊(duì)進(jìn)站3個(gè)環(huán)節(jié)上的密度情況。

2.1 模型中的主要數(shù)據(jù)

根據(jù)Anylogic軟件仿真的要求，在旅客進(jìn)站排隊(duì)的3個(gè)環(huán)節(jié)中，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 車站旅客進(jìn)站排隊(duì)參數(shù)

2.2 車站數(shù)據(jù)收集

通過(guò)實(shí)地跟蹤收集高鐵站和既有站旅客排隊(duì)進(jìn)站整體情況，采用人工驗(yàn)證檢票通過(guò)時(shí)間為4～10 s，統(tǒng)計(jì)100人平均時(shí)間為6.7 s；采用自助核驗(yàn)閘機(jī)驗(yàn)票通過(guò)時(shí)間為4～10 s，統(tǒng)計(jì)100人平均時(shí)間為6 s。由于行李安檢是制約點(diǎn)，現(xiàn)根據(jù)實(shí)地收集數(shù)據(jù)，由于旅客攜帶行李的不同，統(tǒng)計(jì)安檢時(shí)間如表2所示。

表2 車站旅客行李安檢時(shí)間統(tǒng)計(jì)

行李安檢完成后，旅客取行李進(jìn)入金屬探測(cè)和手檢階段，根據(jù)旅客攜帶行李的多少，時(shí)間上也有差異，純粹手檢時(shí)間經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間為7 s。

2.3 旅客排隊(duì)仿真

2.3.1 Anylogic仿真圖形構(gòu)建

目前，國(guó)內(nèi)車站按客流量的大小，一般分為并列式（包括串行）排隊(duì)和混合式排隊(duì)。其中，混合式排隊(duì)，車站為了節(jié)約開(kāi)支，一般采用兩個(gè)或更多的人工核驗(yàn)口對(duì)應(yīng)一臺(tái)行李安檢儀的方式。現(xiàn)針對(duì)不同情況，利用Anylogic仿真軟件的SpaceMakeup模塊和表1、表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行車站圖形建模，如圖4所示。

圖4 車站圖形建模

2.3.2 Anylogic仿真結(jié)果

（1）大客流車站仿真。對(duì)于大客流站假設(shè)有兩個(gè)進(jìn)站口，單個(gè)進(jìn)站口每小時(shí)進(jìn)站100人，Anylogic模型仿真的單位時(shí)間為60 min，以表1、表2中的數(shù)據(jù)為參數(shù)進(jìn)行仿真，得出3種人流密度圖，如圖5所示。其中，顏色越趨于紅色表明人流密度越大，在客流量相同的情況下，并列式排隊(duì)方式最差，3個(gè)環(huán)節(jié)均有顏色較深的情況。

圖5 人流密度2D結(jié)果

（2）小客流車站仿真。對(duì)于小客流站假設(shè)有兩個(gè)進(jìn)站口，單個(gè)進(jìn)站口每小時(shí)進(jìn)站30人，Anylogic模型仿真的單位時(shí)間為60 min，以表1、表2中的數(shù)據(jù)為參數(shù)進(jìn)行仿真，得出如圖6所示的3種人流密度圖。其中，顏色越趨于紅色表明人流密度越大，從圖中可以看出，在客流量相同的情況下，并列式排隊(duì)方式即可滿足要求，而且現(xiàn)實(shí)中大部分小站也選擇并列式排隊(duì)方式。

2.3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)人流密度仿真圖可以看出，對(duì)于平?？土鬏^小的車站，比較適合并列式排隊(duì)。在客流量大時(shí)，車站可適當(dāng)加開(kāi)人工口來(lái)緩解。對(duì)于大客流車站，比較適合混合式排隊(duì)。根據(jù)目前行李安檢的運(yùn)行速度，最佳配比為2:1，即2個(gè)車票的實(shí)名制核驗(yàn)通道對(duì)應(yīng)1臺(tái)行李安檢儀。從仿真圖中可看出，3:1配比的在行李安檢環(huán)節(jié)的人流密度要遠(yuǎn)大于2:1配比的混合式排隊(duì)。對(duì)于春運(yùn)暑運(yùn)期間，客流量過(guò)大時(shí)，車站也可采用增加行李安檢儀或增開(kāi)通道的方式加以緩解。

圖6 人流密度2D結(jié)果

2.4 排隊(duì)優(yōu)化建議

（1）縮短實(shí)名制核驗(yàn)車票的排隊(duì)等待時(shí)間。采用實(shí)名制核驗(yàn)閘機(jī)替代目前的人工檢票，由于核驗(yàn)閘機(jī)具有占地小、速度快、旅客自助式的特點(diǎn)，既滿足了提高速度的需要，而且也為車站減員增效。（2）縮短行李安檢時(shí)間。車站可增加安檢儀的數(shù)量，但受場(chǎng)地和資金的限制；可采用提高安檢儀的速度，提高軟件報(bào)警的比例，降低人眼識(shí)別，但目前軟件識(shí)別違禁品的技術(shù)還不成熟，還需要海量數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)；另外車站可根據(jù)攜帶行李不同將旅客分類，設(shè)置小件行李快速通道，提高部分旅客的進(jìn)站速度。（3）改變目前串行進(jìn)站的方式。目前，鐵路普遍采用實(shí)名制核驗(yàn)、行李安檢、人工手檢串行的方式，如果采用新技術(shù)，如：太赫茲人體安檢儀和毫米波人體安檢儀，可將實(shí)名制核驗(yàn)、金屬探測(cè)和人工手檢合并，并可將人體安檢與行李安檢并行，這樣可縮短整個(gè)流程時(shí)間，也會(huì)提高旅客體驗(yàn)。

另外，在春運(yùn)暑運(yùn)階段，車站還可通過(guò)增開(kāi)臨時(shí)通道或快速通道來(lái)緩解旅客積壓過(guò)多的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以合理安排鐵路進(jìn)站口資源配置，提高旅客進(jìn)站體驗(yàn)為目的，通過(guò)收集實(shí)名制驗(yàn)證檢票、行李安檢和手檢（包括金屬探測(cè)及旅客拿取行李）3個(gè)環(huán)節(jié)的排隊(duì)時(shí)間，利用排隊(duì)論和Anylogic兩種方式建模，對(duì)旅客進(jìn)站全流程進(jìn)行模擬仿真對(duì)比，結(jié)果表明：大客流車站適合混合式排隊(duì)方式，小客流車站適合并列式排隊(duì)。