基于AnyLogic 仿真的無紙質檢票時間研究

張光遠 ，胡 悅 ，胡 晉1，，杜靜霜

ZHANG Guangyuan1，2, HU Yue1，2, HU Jin1，2, DU Jingshuang1，2

（1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 綜合交通運輸 智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031）

大型客運站大廳的檢票排隊時長是秩序水平的重要評判標準，無紙質車票的推廣提高了大型客運樞紐車站的人員運輸效率、節(jié)省了物料人力，是鐵路檢票系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。無紙質檢票進入站臺的過程中仍然有流程不成熟、旅客不適應、臨時身份證不識別、機器故障、出站閘機不能檢身份證、小規(guī)?？驼拘枰褂密嚻边M站等問題，對檢票過程造成一定的不利影響，因而優(yōu)化檢票過程、加強旅客引導、降低機器故障率十分重要?，F(xiàn)有的鐵路客運站檢票系統(tǒng)研究，旅客分布[1-2]、客運站仿真[3-4]、檢票口通過能力[5-6]、閘機布置[2，5]、 檢票排隊模型[2，7]的研究已經較為成熟，目前還沒有對無紙質檢票時間和模型進行研究。因此，針對客運檢票現(xiàn)場人員臨時調配緊張、檢票不規(guī)范等問題需要進行數(shù)據(jù)收集和分析，計算閘機服務時間分布，基于排隊論，結合AnyLogic 仿真建模提出檢票口檢票時間算法并驗證，同時計算無紙質和紙質檢票閘機檢票口的檢票時間并進行比較研究，對閘機開放、人員安排和現(xiàn)場工作進行優(yōu)化。

1 無紙質檢票時間數(shù)據(jù)的采集與分析

1.1 無紙質檢票系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

旅客通過網上購票購得的車票為“電子票”，在支持電子客票檢票的檢票口即可使用電子客票乘車[8]，無需使用紙質車票。西南某客運站使用2 種可以進行無紙質檢票的檢票閘機，一種支持身份證和紙質車票檢票，一種支持身份證和二維碼檢票。旅客無紙質檢票流程如圖1 所示，旅客使用身份證或手機、車票上的二維碼進行檢票，將身份證或二維碼放置在檢票閘機的識別區(qū)域，閘機識別成功后閘門打開，旅客通過閘機，完成單次無紙質檢票。

根據(jù)現(xiàn)場調研，對于二維碼檢票，存在旅客不適應，配套設施不成熟，老年旅客不方便查詢票面信息、依賴工作人員指導使用等問題；對于身份證檢票，存在部分旅客在身份證、紙質車票兩用閘機使用紙質車票、身份證識別失敗以及無法識別臨時身份證等問題。

圖1 旅客無紙質檢票流程Fig.1 Process of e-ticket check-in

1.2 旅客到達分析

旅客到達分布函數(shù)是仿真行人流、計算檢票時間的必要參數(shù)，通過建立候車區(qū)仿真模型應對旅客在檢票前提前到達的時間進行分布擬合[2]。

（1）旅客到達數(shù)據(jù)。抽樣統(tǒng)計2019 年7 月西南某鐵路客運站部分車次的旅客到達情況，對距檢票開始不同時間的旅客到達數(shù)進行統(tǒng)計，計算其與最終檢票的總人數(shù)之間的比例關系，檢票前的旅客到達比如表1 所示。

表1 檢票前的旅客到達比Tab.1 Passenger arrival rate before check-in

（2）旅客到達分布函數(shù)。根據(jù)函數(shù)擬合得出旅客累積到達分布與負指數(shù)分布類似。將旅客到達人數(shù)轉換為百分比，使用MATLAB 進行分布函數(shù)擬合，得出旅客到達過程服從泊松分布，旅客累積到達率服從%/min 的負指數(shù)分布，旅客到達分布圖如圖2 所示。

圖2 旅客到達分布圖Fig.2 Passenger arrival distribution

1.3 無紙質檢票時間分析

列車開始檢票時間的確定需要綜合發(fā)車時間、檢票口檢票時間和旅客從檢票口到站臺的時間，其中檢票口檢票時間難以量化，是確定列車開始檢票時間的關鍵。無紙化檢票閘機的檢票速度主要取決于電子客票信息讀取和反饋速度、旅客對檢票閘機的熟悉程度和閘機性能(如閘門開啟速度)[8-9]。分別采集旅客單次檢票時間和檢票口檢票總時間，對單次檢票時間分布進行分析和檢驗，其結果用于仿真建模[10-13]，最后利用檢票口檢票總時間驗證模型的正確性。

對該站具有一般性的車次的單個檢票口進行計時和通過旅客數(shù)統(tǒng)計，現(xiàn)場調研時僅對通過閘機的旅客進行計數(shù)。調查的車次中，非城際列車檢票開始的時間為發(fā)車前15 ～ 20 min；城際列車檢票開始時間為發(fā)車前10 min。所有檢票口開放時均有工作人員在檢票口附近解決檢票問題。高速鐵路列車在發(fā)車前2 min 停止檢票，其他列車在發(fā)車前 3 min 停止檢票。根據(jù)現(xiàn)場觀測，檢票工作應在發(fā)車前5 min 基本完成，部分車次無紙質檢票時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2 所示，其中無紙質檢票平均識別失敗率8.51%，識別失敗平均延誤閘機使用時間12.18 s。

表2 部分車次無紙質檢票時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.2 Information of ticket checking for part of intercity trains

對單個旅客的檢票服務進行計時，計時從旅客到達閘機且閘機可使用閘機時起，至閘機可被下一位乘客使用時止。由于2 種無紙質檢票方式通常進行混合使用，且檢票操作相似，故不進行區(qū)分統(tǒng)計。共記錄單次無紙質檢票時間有效數(shù)據(jù)650 個，分布在[0.5，4.0]區(qū)間的數(shù)據(jù)個數(shù)為606 個，分布集中在1.9 s /人，單次無紙質檢票時間分布如圖3所示；分布在[4.0，+∞)區(qū)間的數(shù)據(jù)個數(shù)為44 個，為閘機無法識別等服務機構故障，已有對閘機檢票服務時間的研究[1]多數(shù)采用正態(tài)分布或平均分布擬合，根據(jù)對樣本分布直方圖的分析得出樣本分布與正態(tài)分布類似，可表示為

圖3 單次無紙質檢票時間分布Fig.3 Time distribution of single ID card check-in

式中：μ為檢票時間的均值；σ為檢票時間的標準差。

使用t 檢驗對擬合曲線進行可信度檢驗，單次無紙質檢票時間分布的t 檢驗如圖4 所示，得單次檢票時間的0.95 的置信區(qū)間為[1.80，2.01] s /次，p-value 為0.73 ＞ 0.5，接受假設，即無紙質檢票時間服從的正態(tài)分布。

圖4 單次無紙質檢票時間分布的t 檢驗Fig.4 T-test of time distribution of single ID card check-in

2 基于AnyLogic的無紙檢票時間仿真實驗

2.1 基于AnyLogic仿真平臺的建模方法

AnyLogic 是一款常應用于行人交通仿真的建模和仿真軟件，其行人庫是一個行人仿真及人群分析工具，可模擬“真實”環(huán)境中的人流，適用于鐵路和鐵路樞紐規(guī)劃。使用AnyLogic 行人仿真模型有助于評估設施對實際計劃的負荷能力。通過采用AnyLogic 軟件建立仿真模型，用于計算檢票時間，模型中旅客按照社會力模型進行移動[14]，分析當前環(huán)境中的最短路徑，避免與其他物體相撞，移動過程為馬爾科夫過程。

使用AnyLogic 行人庫建立候車大廳及檢票閘機仿真模型的步驟如下。

（1）繪制仿真環(huán)境。根據(jù)候車大廳的構造情況繪制墻體、檢票口和候車區(qū)。

（2）構建旅客行為邏輯圖。根據(jù)候車大廳中旅客的行為流程（包括旅客產生、等待、排隊行為和時間先后關系）連接行程邏輯圖。

（3）設置參數(shù)。根據(jù)無紙質檢票數(shù)據(jù)的分析結果設置旅客產生速率、運動速度、發(fā)車時間、排隊方式和檢票時間參數(shù)。

（4）輸入變量旅客人數(shù)，求解模型，得到排隊過程仿真動畫和排隊時間數(shù)據(jù)。

2.2 仿真物理模型構建和參數(shù)設置

（1）使用Anylogic 繪制候車大廳物理模型，候車大廳為旅客可以進入并進行等待的區(qū)域，圍欄為不可穿過的墻面。候車大廳布置與人員排隊情況參考該站實際情況設置，在檢票口前設置轉彎圍欄，檢票模型平面布置如圖5 所示，其中紅色實線為不可穿越的墻體，綠色虛線為可穿越的候車區(qū)域，檢票口處的綠色短線為無紙質檢票閘機或檢票人員。

圖5 檢票模型平面布置Fig.5 Plane layout of check-in model

（2）使用AnyLogic 排隊模型模擬檢票口排隊情況，待檢票旅客選擇最短隊列進行排隊，參照常規(guī)客運站檢票口對檢票設施進行布置，采用3 或4臺檢票閘機和0 或1 名檢票工作人員，根據(jù)不同車次檢票時的具體使用情況進行仿真實驗，仿真模型中旅客到達和閘機服務時間的參數(shù)設置如表3 所示。

表3 仿真模型參數(shù)設置Tab.3 Simulation model parameters

2.3 無紙質檢票仿真模型求解和檢驗

無紙質檢票排隊仿真運行過程如圖6 所示，由于模型中的旅客自動選擇最短路徑，因此旅客大多滯留在圍欄轉彎處內側，轉彎處外側則無旅客滯留。設計實驗模擬無紙質檢票情況驗證模型的正確性挑選具有一般性的車次進行模擬，實驗⑴模擬車次C6127 的檢票情況，模型設置旅客242 人，無紙質檢票閘機4 臺。實驗 ⑵ 模擬車次C6129 的檢票情況，模型設置旅客142 人，無紙質檢票閘機4臺。實驗 ⑶ 模擬車次C6167 的檢票情況，模型設置旅客118 人，無紙質檢票閘機4 臺，試驗方案仿真結果如表4 所示。

圖6 無紙質檢票排隊仿真運行過程Fig.6 Queuing simulation

由仿真結果和采集數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場檢票時間處于仿真結果的95%置信區(qū)間內，該仿真模型能正確求解檢票時間。

2.4 無紙質檢票時間仿真結果分析

仿真求解設置不同閘機數(shù)量的無紙質檢票口的檢票時間，分析在檢票閘機數(shù)量確定時，檢票時間與旅客數(shù)的關系。對旅客數(shù)和檢票時間平均值進行函數(shù)擬合，得到檢票時間與旅客數(shù)的線性擬合結果如圖7 所示。

檢票時間與旅客數(shù)的線性擬合殘差如圖8 所示，在旅客數(shù)少于100 時殘差值較大，旅客數(shù)超過100時殘差值在[-20，20]區(qū)間內，且分布無序，擬合程度良好，可反應檢票時間與旅客數(shù)之間的關系。

表4 實驗方案仿真結果Tab.4 Simulation result of experimental scheme (1)

圖7 檢票時間與旅客數(shù)的線性擬合結果Fig.7 Linear fitting results of check-in time and number of passengers

圖8 檢票時間與旅客數(shù)線性擬合殘差Fig.8 Linear fitting residual of check-in time and the number of passengers

3 檢票時間比較及檢票設施安排

3.1 紙質與無紙質檢票口檢票時間比較

使用MATLAB 對實測數(shù)據(jù)進行服務時間分布函數(shù)擬合得出單次人工檢票時間服從[0.8，2.2]的均勻分布；單次車票閘機檢票時間服從的正態(tài)分布；單次無紙質檢票時間服從的正態(tài)分布。使用上述參數(shù)，進行AnyLogic 仿真求解得到常規(guī)檢票口閘機布置狀況下的檢票時間，仿真求解得出的檢票口檢票時間如表5 所示，表5 中的旅客數(shù)為單個檢票口的旅客數(shù)。

表5 檢票口檢票時間Tab.5 Check-in time of gate

仿真結果顯示，旅客數(shù)相同時，無紙質檢票較有紙質檢票所需檢票時間減少13.76% ～ 28.69%，紙質車票檢票所需時間為無紙質檢票所需時間的1.2 倍以上，隨著檢票人數(shù)的增加，紙質車票檢票時間穩(wěn)定在無紙質檢票時間的1.3 倍。

紙質檢票口在旅客數(shù)超過500 時需要安排人工檢票員，在旅客數(shù)超過800 時需要安排2 名人工檢票員；無紙質檢票口在旅客數(shù)超過600 時需要安排人工檢票員，在旅客數(shù)超過1 000 時需要安排2 名人工檢票員。無紙質檢票對人工檢票員的需求較低。在候車大廳旅客分布上，紙質車票和無紙質車票旅客的總體分布較為接近，紙質車票旅客在排隊區(qū)域分布較無紙質旅客更分散，旅客密度更大。

3.2 檢票設施安排分析

（1）根據(jù)仿真結果和現(xiàn)場調研，單個檢票口待檢票旅客超過400 人時，應盡量安排在僅可進行無紙質檢票的檢票口進行檢票，在旅客數(shù)超過600 人的檢票口安排人工檢票，確保檢票按時完成。

（2）無紙質檢票操作較紙質車票檢票更簡單易行，對人工檢票員的需求較低，現(xiàn)場工作人員可于多個檢票口間移動解決檢票問題，以緩解工作人員調配緊張。

（3）可使用無紙質檢票的部分乘客進站前仍選擇取票，一是規(guī)模較小的車站無人臉識別系統(tǒng)，二是車票有輔助記憶車次信息、用于報銷等用途。在身份證、車票兩用檢票閘機前，仍有旅客先嘗試使用車票檢票，目前二維碼、身份證兩用檢票閘機必須有工作人員指導使用。應盡快普及無紙質檢票相關設施，加大對無紙質檢票的宣傳力度，引導旅客進行無紙質檢票。

4 研究結論

（1）檢票時間的量化對旅客疏導、檢票口和工作人員安排起關鍵作用，通過對無紙質檢票時間數(shù)據(jù)的采集、擬合和K-S 檢驗，得出單次無紙質檢票時間的分布服從的正態(tài)分布?；跈z票時間分布，構建基于AnyLogic 仿真平臺的旅客檢票仿真模型，求解并驗證模型，擬合無紙質檢票所需總時間與旅客人數(shù)的線性關系。

（2）根據(jù)車站的常規(guī)閘機布置模式，建立紙質車票檢票和無紙質檢票的仿真模型，求解得出與紙質檢票相比，無紙質檢票時間減少13.76%以上，基于仿真結果給出閘機數(shù)量和人員安排，為車站的管理及客流組織優(yōu)化提供數(shù)據(jù)及模型支持。

（3）針對檢票時間進行計算，對旅客個體、車站和檢票閘機型號、布置等實際情況進行了簡化，但由于實際的旅客流線、檢票設施布局及工作人員部署的復雜性，還應通過其他相關數(shù)學模型對車站檢票設施布置、人員流動特征等信息細化，實現(xiàn)對無紙質檢票模式下的設施及人員布置方案系統(tǒng)的優(yōu)化。