天津站旅客進(jìn)站系統(tǒng)仿真優(yōu)化研究

劉亮，王霄

（天津工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300387）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，火車作為一種便捷的公共交通工具，已受到越來越多關(guān)注。鐵路客運(yùn)站應(yīng)以提升運(yùn)營水平、提高旅客出行舒適度與滿意度、盡量實(shí)現(xiàn)不用排隊(duì)、避免產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象為服務(wù)目標(biāo)。在旅客選擇鐵路出行的過程中，旅客進(jìn)站安檢以及實(shí)名制身份信息驗(yàn)證環(huán)節(jié)通常耗時(shí)最長，同時(shí)這也是火車站容易產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象的原因之一。

目前已有一些關(guān)于改善火車站旅客進(jìn)站排隊(duì)擁堵現(xiàn)象的研究成果。張曉磊等利用排隊(duì)理論和模特法對(duì)高峰期服務(wù)窗口的擁堵情況進(jìn)行了分析與優(yōu)化，同時(shí)利用WinQSB軟件建模運(yùn)算得到了不同時(shí)期服務(wù)窗口需求量。姜耀武運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論分析出旅客到達(dá)時(shí)間和服務(wù)時(shí)間服從的數(shù)學(xué)分布規(guī)律，采用蒙特卡羅模擬方法建立安檢排隊(duì)模擬模型并利用MATLAB進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。楊林正等對(duì)M/M/1/∞/∞/FCFS排隊(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化，并重新合并了實(shí)名認(rèn)證和安檢過程。宋衛(wèi)斌等以客戶的滿意程度為條件，測(cè)算出了在穩(wěn)定平衡狀況下排隊(duì)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，還分析了具有優(yōu)先權(quán)的多級(jí)顧客服務(wù)模式。然而，上述文獻(xiàn)沒有提出在非高峰期和高峰期車站需要的安檢以及實(shí)名制驗(yàn)證設(shè)備數(shù)量優(yōu)化。

因此，本文針對(duì)火車站排隊(duì)擁堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重的實(shí)名制身份信息驗(yàn)證和安檢這兩個(gè)環(huán)節(jié)，以天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用排隊(duì)論和仿真建模思想對(duì)問題進(jìn)行建模與分析研究，并利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，提出車站增設(shè)安檢設(shè)備的具體數(shù)目以及一些改進(jìn)措施，以提升車站進(jìn)站效率，提高旅客的滿意度和服務(wù)質(zhì)量，對(duì)以后客運(yùn)高峰時(shí)期的準(zhǔn)備工作也有借鑒意義。

1 旅客進(jìn)站流程

火車站旅客進(jìn)站流程如圖1所示。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)購票已非常普遍，又由于電子客票的大力推廣與實(shí)現(xiàn)，因此火車站售票廳基本不會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)擁堵現(xiàn)象。根據(jù)前期調(diào)調(diào)查研究與分析，進(jìn)站時(shí)的安檢以及實(shí)名制身份信息驗(yàn)證過程耗時(shí)很長，容易產(chǎn)生擁堵排隊(duì)現(xiàn)象，因此，本文選擇這兩處的排隊(duì)擁堵情況進(jìn)行研究優(yōu)化。

圖1 旅客進(jìn)站流程

2 旅客進(jìn)站排隊(duì)模式

2.1 排隊(duì)過程分析

經(jīng)過前期調(diào)查分析，天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站排隊(duì)模型屬于混合排隊(duì)模式，這種進(jìn)站排隊(duì)模式目前在很多車站是非常常見的。旅客經(jīng)過實(shí)名認(rèn)證和安檢兩個(gè)環(huán)節(jié)才可順利進(jìn)站。天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站需先經(jīng)過安檢，自行選擇某一安檢隊(duì)列排隊(duì)等待安檢，通過安檢之后再自行選擇一隊(duì)列排隊(duì)進(jìn)行實(shí)名制驗(yàn)證，最后順利進(jìn)站。

2.2 旅客進(jìn)站排隊(duì)模型構(gòu)建

排隊(duì)系統(tǒng)，由一個(gè)或多個(gè)服務(wù)臺(tái)構(gòu)成。一般來說，根據(jù)排隊(duì)系統(tǒng)定義及特點(diǎn)，可以將排隊(duì)系統(tǒng)分為輸入過程、排隊(duì)規(guī)則、服務(wù)機(jī)構(gòu)。

2.2.1 輸入過程

輸入過程指在某一確定的排隊(duì)系統(tǒng)中顧客到達(dá)排隊(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)及規(guī)律，顧客的總體數(shù)量稱為顧客源，有限的顧客源指顧客數(shù)量是有上限的，無限的顧客源指顧客數(shù)量沒有上限可以無限增多；到達(dá)模式指在一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)中顧客到達(dá)排隊(duì)系統(tǒng)的規(guī)律和特征。由于客流量大，本文所見模型的旅客源是無限的，旅客輸入過程服從參數(shù)為的泊松分布，表示系統(tǒng)的平均到達(dá)率。

2.2.2 排隊(duì)規(guī)則

排隊(duì)規(guī)則指在一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)中顧客經(jīng)過輸入過程進(jìn)入系統(tǒng)之后以怎樣的方式和規(guī)則進(jìn)行排隊(duì)等候服務(wù)，其類型包括損失制、等待制和混合制三種。本文所建的天津站旅客進(jìn)站系統(tǒng)仿真模型采取先到先服務(wù)規(guī)則，即先服務(wù)較早到達(dá)排隊(duì)系統(tǒng)的顧客，本文所建排隊(duì)模型的排隊(duì)規(guī)則服從參數(shù)為的負(fù)指數(shù)分布，表示平均服務(wù)率。

2.2.3 服務(wù)機(jī)構(gòu)

服務(wù)機(jī)構(gòu)指排隊(duì)系統(tǒng)中服務(wù)臺(tái)的數(shù)量分布以及服務(wù)的特點(diǎn)和規(guī)律，其中服務(wù)臺(tái)數(shù)量只有一個(gè)的排隊(duì)系統(tǒng)稱為單服務(wù)臺(tái)排隊(duì)系統(tǒng)，服務(wù)臺(tái)數(shù)量大于一的稱為多服務(wù)臺(tái)排隊(duì)系統(tǒng)。本文所研究的模型中服務(wù)機(jī)構(gòu)包括實(shí)名制驗(yàn)證、和安檢兩個(gè)部分。

經(jīng)過上述分析，個(gè)旅客在時(shí)間內(nèi)到達(dá)排隊(duì)系統(tǒng)的概率P()為：

系統(tǒng)的平均到達(dá)率的極大似然估計(jì)值為：

表示旅客數(shù)量，X表示在第個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)到達(dá)排隊(duì)系統(tǒng)的旅客人數(shù)；表示在單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)排隊(duì)系統(tǒng)的平均旅客人數(shù)。

行李安檢是整個(gè)排隊(duì)過程中最復(fù)雜的過程，因此這一過程在很大程度上影響了了行李安檢速度。當(dāng)旅客數(shù)量為，行李掃描儀的數(shù)量為，排隊(duì)的長度L為：

表示系統(tǒng)只有一個(gè)服務(wù)臺(tái)時(shí)的服務(wù)強(qiáng)度；

ρ表示系統(tǒng)有個(gè)服務(wù)臺(tái)時(shí)的服務(wù)強(qiáng)度；

表示系統(tǒng)空閑的概率，即沒有旅客到達(dá)的概率；

P表示系統(tǒng)中有個(gè)旅客在排隊(duì)等待的概率。

3 旅客進(jìn)站情況仿真分析

3.1 天津站概況

天津站始建于19世紀(jì)，位于河北區(qū)和河?xùn)|區(qū)的交界，是一個(gè)高鐵和普通列車的混合站。從天津站建成已超過一百年，歷經(jīng)多次人為翻新改建，天津站交通樞紐現(xiàn)有鐵路客站、交通廣場(chǎng)等五大功能區(qū)。如今作為天津市大型交通樞紐的重要組成部分之一，天津站有著重要地位。天津站包括南廣場(chǎng)和北廣場(chǎng)兩個(gè)廣場(chǎng)，由于地理位置以及商業(yè)規(guī)劃等原因，在天津站乘車的旅客大部分選擇從南廣場(chǎng)進(jìn)站乘車，這也導(dǎo)致南廣場(chǎng)客流量遠(yuǎn)大于北廣場(chǎng)，因此，本文是以天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站排隊(duì)進(jìn)行研究。

3.2 AnyLogic仿真軟件介紹

Anylogic軟件是一款直觀簡單、用途多樣廣泛的仿真軟件，包括基礎(chǔ)平臺(tái)、行人庫、流程庫等部分，可視化程度較高，可以進(jìn)行動(dòng)畫、3D動(dòng)畫仿真演示，目前已經(jīng)在全世界廣泛采用，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。Anylogic軟件可以進(jìn)行離散事件、基于智能體以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模，能夠支持企業(yè)庫、軌道庫、交通庫等混合仿真。因此本文選擇AnyLogic仿真平臺(tái)來進(jìn)行旅客進(jìn)站排隊(duì)系統(tǒng)的建模與仿真。

3.3 AnyLogic仿真模型搭建流程

本文在AnyLogic仿真平臺(tái)建模流程如圖2所示。

圖2 仿真模型搭建流程

3.4 仿真邏輯

天津站南廣場(chǎng)候共有1個(gè)入口進(jìn)入安檢以及實(shí)名制驗(yàn)票區(qū)域，從南廣場(chǎng)進(jìn)站口進(jìn)入之后有6臺(tái)行李安檢設(shè)備以及配備6個(gè)人工安檢區(qū)域、通過安檢以后有14臺(tái)實(shí)名制驗(yàn)證機(jī)器以供旅客刷身份證打開閘機(jī)順利進(jìn)站。本文所建模型的仿真邏輯地圖如圖3所示，其中，service1、service2、service3、service4、service5、service6表示6處安檢區(qū)域，service7、service8、service9表示通過安檢后要經(jīng)過的16臺(tái)實(shí)名制驗(yàn)票機(jī)器。

圖3 天津站旅客進(jìn)站仿真地圖

本文在AnyLogic仿真平臺(tái)建立的天津站旅客進(jìn)站系統(tǒng)仿真優(yōu)化模型如圖4所示，PedSource指旅客出現(xiàn)，即顧客源，PedSelectOutput指任意選擇一處安檢隊(duì)列以及實(shí)名制驗(yàn)票隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，即選擇排隊(duì)隊(duì)列，PedService表示旅客接受安檢服務(wù)和實(shí)名制驗(yàn)票服務(wù)，即接受服務(wù)，進(jìn)行安檢和實(shí)名制驗(yàn)票之后，PedGoTo表示旅客進(jìn)入候車室，最后在PedSink消失。

圖4 天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站仿真邏輯流程圖

3.5 仿真參數(shù)

根據(jù)前期調(diào)研數(shù)據(jù)，在非高峰期，天津站日均旅客發(fā)送量大約為三萬人次，旅客到達(dá)量約為1 200人/時(shí)，旅客到達(dá)率約為20人/分。在春節(jié)、國慶、小長假等節(jié)假日等高峰期，天津站日均旅客發(fā)送量大約是九萬人次，進(jìn)站旅客到達(dá)量約3 500人/時(shí)，旅客到達(dá)率約為58人/分。實(shí)名制驗(yàn)證過程服從時(shí)間參數(shù)為3 s和9 s 的均勻分布Uniform（3，9）；安檢過程時(shí)間服從三角分布Triangle（20，29，25）。因此本文所建立的的AnyLogic旅客進(jìn)站排隊(duì)仿真模型參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站仿真模型參數(shù)

3.6 仿真結(jié)果分析及改善措施

3.6.1 初始狀態(tài)下非高峰與高峰期旅客排隊(duì)情況

根據(jù)前期的參數(shù)設(shè)置，在AnyLogic仿真平臺(tái)進(jìn)行建模仿真，得到天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站排隊(duì)系統(tǒng)建模仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 非高峰期旅客進(jìn)站仿真結(jié)果

圖6 高峰期旅客進(jìn)站仿真結(jié)果

由圖5可知，在非高峰期，安檢和實(shí)名制驗(yàn)證兩個(gè)過程幾乎不會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)擁堵現(xiàn)象，說明當(dāng)前的設(shè)備配置可以滿足非高峰期旅客出行的需求。

從圖6可以看出，在高峰期，安檢處隊(duì)列較長，擁堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重，當(dāng)旅客通過安檢進(jìn)入實(shí)名制驗(yàn)票環(huán)節(jié)后，也容易產(chǎn)生排隊(duì)擁堵現(xiàn)象，說明此時(shí)的設(shè)備配置無法滿足高峰期旅客出行的需求。

3.6.2 增加設(shè)備數(shù)量后高峰期旅客排隊(duì)情況

根據(jù)以上仿真結(jié)果可知，目前的設(shè)備配置無法滿足高峰期旅客出行的需求，因此考慮增加設(shè)備數(shù)量。增加兩臺(tái)安檢設(shè)備，仿真結(jié)果如圖7所示，排隊(duì)擁堵現(xiàn)象有所改善。增加四臺(tái)安檢設(shè)備，仿真結(jié)果如圖8所示，排隊(duì)擁堵現(xiàn)象幾乎不會(huì)出現(xiàn)。

圖7 高峰期旅客進(jìn)站仿真結(jié)果

圖8 高峰期旅客進(jìn)站仿真結(jié)果

3.6.3 高峰期提高服務(wù)效率后旅客排隊(duì)情況

為縮短旅客進(jìn)站時(shí)間，提高旅客進(jìn)站的效率，除了增加設(shè)備數(shù)量，也可以考慮提高安檢效率從而縮短安檢時(shí)間以緩解旅客排隊(duì)情況。因此提高安檢設(shè)服務(wù)效率之后，仿真結(jié)果如圖9所示，排隊(duì)擁堵情況有所改善。但是對(duì)比圖9與圖7可知，改善效果不如增加四臺(tái)安檢設(shè)備的效果。

圖9 高峰期旅客進(jìn)站仿真結(jié)果（提高安檢服務(wù)效率）

3.6.4 仿真結(jié)果分析

由以上仿真結(jié)果可知，天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站目前主要存在以下問題：（1）安檢設(shè)備數(shù)量不足以應(yīng)對(duì)高峰期客流，高峰期安檢環(huán)節(jié)擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重。（2）安檢服務(wù)效率還需要進(jìn)一步提高，尤其是高峰期，以緩解安檢處的排隊(duì)擁堵情況。（3）高峰期至少需要增加4臺(tái)安檢設(shè)備以滿足旅客舒適出行的需求，并且增加安檢設(shè)備數(shù)量比提高安檢效率對(duì)于緩解排隊(duì)擁堵現(xiàn)象的效果好。

4 結(jié) 論

本文從滿足旅客的實(shí)際需求出發(fā)，運(yùn)用排隊(duì)理論和仿真建模思想，對(duì)天津站南廣場(chǎng)旅客進(jìn)站流程和車站設(shè)施布局工作進(jìn)行優(yōu)化，分析解決了面對(duì)高峰期和非高峰期應(yīng)如何調(diào)整安檢設(shè)備數(shù)量以減少排隊(duì)擁堵現(xiàn)象，提高了服務(wù)效率和顧客滿意度，優(yōu)化了資源設(shè)施，增強(qiáng)了鐵路部門的綜合實(shí)力。由于鐵路客運(yùn)的復(fù)雜性和規(guī)模性，要進(jìn)一步緩解整個(gè)客運(yùn)站的擁堵現(xiàn)象還需要更深入地調(diào)查研究與改善。鐵路部門可以根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，為以后非高峰期以及高峰期安全高效地運(yùn)行提供參考。