機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化

陳 飛，劉 鵬，凌若鴻，廉 冠，李 彪

（1.中國(guó)民航大學(xué)a.航空工程學(xué)院；b.電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著新冠肺炎疫情防控進(jìn)入常態(tài)化以及世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，航空運(yùn)輸逐步恢復(fù)高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，高密度、大流量運(yùn)行成為機(jī)場(chǎng)航站樓的新常態(tài)[1]。安檢作為航站樓旅客服務(wù)的重要環(huán)節(jié)之一，需在保障安全性的基礎(chǔ)上提升安檢效率，從而減少大范圍人員集中等待和停留的時(shí)間[2]。因此，動(dòng)態(tài)優(yōu)化機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行策略，對(duì)于保障民航高質(zhì)量安全運(yùn)行具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓安檢流程分析及資源優(yōu)化開(kāi)展了一定研究。在機(jī)場(chǎng)航站樓安檢流程建模方面：文獻(xiàn)[3]基于實(shí)際數(shù)據(jù)分析并獲取了航站樓安檢隊(duì)列模型的各種參數(shù)指標(biāo)及演化變化規(guī)律，同時(shí)構(gòu)建了不同狀態(tài)下的安檢隊(duì)列模型，但未考慮特殊安檢通道條件下安檢排隊(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率；文獻(xiàn)[4]結(jié)合機(jī)場(chǎng)航站樓實(shí)際構(gòu)型，研究了基于社會(huì)力模型的機(jī)場(chǎng)安檢過(guò)程優(yōu)化方法，并運(yùn)用Anylogic 軟件開(kāi)展實(shí)景仿真，從而得出更符合安檢區(qū)域高峰時(shí)段的實(shí)際運(yùn)行規(guī)則；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于同構(gòu)馬爾科夫鏈的Petri 網(wǎng)和排隊(duì)論優(yōu)化模型以得到機(jī)場(chǎng)安檢流程的限制因素和瓶頸，但并未考慮旅客流量隨航班時(shí)刻的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。在機(jī)場(chǎng)航站樓旅客行為分析及安檢資源優(yōu)化方面：文獻(xiàn)[6]綜合值機(jī)、安檢等旅客服務(wù)過(guò)程數(shù)據(jù)，建立了基于旅客行為偏好的機(jī)場(chǎng)航站樓構(gòu)型優(yōu)化及控制方法，并結(jié)合實(shí)際機(jī)場(chǎng)案例進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[7]面向機(jī)場(chǎng)安檢過(guò)程的混沌時(shí)間序列，提出了基于遺傳算法優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航站樓安檢旅客流量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，采用實(shí)際數(shù)據(jù)開(kāi)展驗(yàn)證，但計(jì)算量較大且穩(wěn)定性較差；文獻(xiàn)[8]通過(guò)調(diào)研不同航班密度下旅客的行為規(guī)律，設(shè)計(jì)了基于多智能體演化決策的機(jī)場(chǎng)安檢資源效能評(píng)估方法，但無(wú)法精確感知安檢資源的運(yùn)行態(tài)勢(shì)并制定合理的運(yùn)行策略。

上述方法仍存在均衡性及動(dòng)態(tài)性較差的不足之處，故本文面向航站樓安檢資源提出了一種基于改進(jìn)模型預(yù)測(cè)控制（MPC，model predictive control）的機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化方法。面向機(jī)場(chǎng)實(shí)際安檢過(guò)程系統(tǒng)性分析安檢資源的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)基于離港安檢旅客流量狀態(tài)預(yù)測(cè)的滾動(dòng)優(yōu)化模型及反饋校正策略以提升安檢系統(tǒng)整體效能，并驗(yàn)證該方法的有效性。

1 機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行特性分析

結(jié)合機(jī)場(chǎng)航站樓的運(yùn)行保障流程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)可知，離港旅客在執(zhí)飛航空公司指定的區(qū)域值機(jī)結(jié)束后下一步到達(dá)安檢區(qū)排隊(duì)等候接受安檢服務(wù)，其主要內(nèi)容為檢查旅客自身和行李中是否攜帶影響航空安全的違禁品，具體安檢流程如圖1 所示。

圖1 航站樓安檢過(guò)程Fig.1 Check process of terminal security

機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源主要包括：安檢通道開(kāi)放數(shù)和單通道工作人員配置等?？紤]機(jī)場(chǎng)安檢區(qū)域大小及構(gòu)型、旅客排隊(duì)方向、安全距離限制、隊(duì)列長(zhǎng)度等場(chǎng)景因素，在保證安檢系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上滿(mǎn)足服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)以保證機(jī)場(chǎng)服務(wù)滿(mǎn)意度。機(jī)場(chǎng)航站樓安檢服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 機(jī)場(chǎng)安檢服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Reference standard for quality evaluation of airport security check service

目前各機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行策略主要存在繁忙時(shí)段安檢通道開(kāi)放時(shí)間較短導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量大幅降低，空閑時(shí)間安檢資源浪費(fèi)情況嚴(yán)重，旅客數(shù)量陡增時(shí)安檢資源反應(yīng)較慢等問(wèn)題。由實(shí)際航站樓安檢區(qū)域的基本情況可知，一般情況下每個(gè)安檢通道配置左右各1 臺(tái)安檢機(jī)，允許兩人同時(shí)安檢，常態(tài)下控制安檢口開(kāi)放后隊(duì)列長(zhǎng)度為每個(gè)隊(duì)列30～40 人，在平均隊(duì)列長(zhǎng)度為50 人左右時(shí)，即使出現(xiàn)少量意外情況導(dǎo)致個(gè)別旅客安檢時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)有一定緩沖裕度，不會(huì)對(duì)安檢系統(tǒng)造成過(guò)多影響。

航站樓繁忙期間旅客數(shù)量陡增時(shí)，隊(duì)列長(zhǎng)度可能會(huì)在10 min 內(nèi)突破60 人，此時(shí)若是其他安檢通道開(kāi)放不及時(shí)或出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致旅客安檢通過(guò)效率降低，將對(duì)安檢系統(tǒng)造成極大壓力。因此，結(jié)合國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA，International Air Transport Association）機(jī)場(chǎng)航站樓安檢區(qū)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示，設(shè)定常態(tài)安檢資源優(yōu)化目標(biāo)為控制平均隊(duì)列長(zhǎng)度在40～50 人。

表2 IATA 機(jī)場(chǎng)航站樓安檢區(qū)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criteria for airport terminal security check area proposed by IATA

由于新冠肺炎疫情防控的常態(tài)化，交通運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)成為特殊狀態(tài)下重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。為了保證離港旅客安檢隊(duì)列保持安全間距，并給機(jī)場(chǎng)航站樓的安檢時(shí)間留出一定裕度。綜合考慮IATA 服務(wù)質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定特殊時(shí)期安檢資源優(yōu)化目標(biāo)為控制平均隊(duì)列長(zhǎng)度在30～40 人。

2 基于改進(jìn)MPC 的安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化

近年來(lái)，模型預(yù)測(cè)控制在工業(yè)工程系統(tǒng)優(yōu)化控制等方面應(yīng)用廣泛，其核心為以狀態(tài)空間預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正最大程度提升控制性能和控制精度的同時(shí)保證計(jì)算效率，所展現(xiàn)出的隱式解耦能力可有效面對(duì)傳統(tǒng)控制方法不足[9]。結(jié)合機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行特性，構(gòu)建了基于隊(duì)列狀態(tài)精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化方法[10]，基本框架如圖2 所示。

圖2 安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化框架Fig.2 Principles of optimizing security check resource operation strategy

2.1 問(wèn)題描述及目標(biāo)函數(shù)

基于機(jī)場(chǎng)航站樓離港旅客安檢資源運(yùn)行特性分析結(jié)果，將安檢通道開(kāi)放數(shù)、離港旅客到達(dá)數(shù)和旅客安檢狀態(tài)作為輸入，安檢平均等待時(shí)間、隊(duì)列平均長(zhǎng)度作為輸出，構(gòu)建一個(gè)三輸入二輸出的多輸入多輸出（MIMO，multiple input multiple output）系統(tǒng)[11]。機(jī)場(chǎng)安檢資源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)空間模型為

式中：x（k）、u（k）、y（k）分別為系統(tǒng)在k 時(shí)刻的狀態(tài)變量、輸入觀測(cè)量和輸出觀測(cè)量；A′、B′、C′、D′為系統(tǒng)矩陣；考慮安檢場(chǎng)景在非空閑狀態(tài)下有隊(duì)列長(zhǎng)度不為0的特性，為提高預(yù)測(cè)效果和場(chǎng)景擬合度，加入初始隊(duì)列長(zhǎng)度d0。

考慮航站樓安檢系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化屬性構(gòu)建安檢資源滾動(dòng)優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型的主要目標(biāo)是獲取安檢資源運(yùn)行策略，提高資源利用率，同時(shí)在一定程度上提高安檢資源調(diào)控響應(yīng)速度。結(jié)合構(gòu)建的安檢隊(duì)列狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，使其在每一個(gè)控制時(shí)域內(nèi)求解最優(yōu)的安檢口開(kāi)放數(shù)量，即求解有限時(shí)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題[12]。

為了更好地描述所提出的問(wèn)題，將式（1）轉(zhuǎn)化為增量描述形式，即

式中：Δ 為增量符號(hào)；w（t）和v（t）分別為狀態(tài)增量和輸出增量的擾動(dòng)量。

綜上，結(jié)合安檢資源運(yùn)行策略隨時(shí)域的變化構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表示如下

式中：J 為機(jī)場(chǎng)安檢資源系統(tǒng)整體優(yōu)化目標(biāo)；k 表示變量的取值范圍；M 為控制時(shí)域；y（t）為控制時(shí)域下t 時(shí)刻安檢資源運(yùn)行策略的實(shí)時(shí)輸出量；yd為期望輸出量；Δu 為未來(lái)控制變量；對(duì)角矩陣Q、R 為正定或半正定加權(quán)矩陣。設(shè)定當(dāng)前場(chǎng)景下控制時(shí)域M 和預(yù)測(cè)時(shí)域P相等，考慮系統(tǒng)輸出和輸出增量二者關(guān)系可得

式中：u（t）為對(duì)應(yīng)控制時(shí)域內(nèi)t 時(shí)刻實(shí)時(shí)輸入量。為了動(dòng)態(tài)優(yōu)化安檢資源運(yùn)行策略，需通過(guò)令輸入變量差值Δu（t）最小，達(dá)到控制時(shí)域內(nèi)目標(biāo)函數(shù)差值最小的效果。考慮輸出增量Δy（t），系統(tǒng)輸出y（t）和控制、預(yù)測(cè)時(shí)域的關(guān)系，遞推可得

整理為矩陣形式為

式中：Yf、ΔYf分別為未來(lái)時(shí)刻輸出矩陣和未來(lái)時(shí)刻輸出增量矩陣；Im為m×m 階矩陣，m 為安檢資源系統(tǒng)輸出變量個(gè)數(shù)；Fm為m 階單位向量。同理可得

式中：Uf、ΔUf分別為未來(lái)時(shí)刻輸入矩陣和輸入增量矩陣；In為n×n 階矩陣，n 為安檢資源運(yùn)行系統(tǒng)輸入變量個(gè)數(shù)；Fn為n 階單位向量。

由安檢資源系統(tǒng)控制變量演化規(guī)律，可確定未來(lái)時(shí)刻輸入增量矩陣和未來(lái)時(shí)刻輸出增量矩陣，即

式中，Γ 和H 為當(dāng)前時(shí)域下的系統(tǒng)矩陣，可由歷史數(shù)據(jù)辨識(shí)而得出，綜上可將目標(biāo)函數(shù)J 轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)二次型的形式，即

式中：Lw和Lu為控制器參數(shù)；ΔWP表示過(guò)去輸入輸出增量；ΔUf將看作二次型函數(shù)的一個(gè)變量，令

通過(guò)式（11）最小化安檢資源運(yùn)行策略目標(biāo)函數(shù)，即可得出控制變量ΔUf，即

2.2 安檢資源約束條件

結(jié)合機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源實(shí)際狀況以及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范[13]可得，影響其運(yùn)行策略的主要約束條件如下。

（1）離港旅客到達(dá)情況。離港旅客動(dòng)態(tài)流量隨航班到達(dá)密度呈現(xiàn)復(fù)雜性和多樣性，存在一定的峰值。

（2）安檢通道開(kāi)放數(shù)。機(jī)場(chǎng)航站樓在不同時(shí)間段內(nèi)根據(jù)所承受的安檢壓力決定開(kāi)放安檢通道的數(shù)量，以防止安檢系統(tǒng)流量出現(xiàn)阻塞的情況。

（3）旅客安檢狀態(tài)。旅客在通過(guò)安檢時(shí)，攜帶的行李有差別，辦理行李托運(yùn)的旅客，安檢通過(guò)時(shí)長(zhǎng)更短，這也會(huì)對(duì)安檢資源的運(yùn)行策略造成影響。

（4）各安檢口的平均通過(guò)時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，旅客進(jìn)入安檢口后的安檢時(shí)長(zhǎng)一般為1 min左右，一些特殊情況，如檢測(cè)衣物有問(wèn)題將導(dǎo)致安檢時(shí)間延長(zhǎng)，即占用了安檢資源。

綜上，根據(jù)典型MPC 過(guò)程約束推導(dǎo)出機(jī)場(chǎng)安檢資源運(yùn)行約束，即

式中：umin和umax為安檢口開(kāi)放數(shù)量最小值和最大值；Δumin和Δumax為安檢口開(kāi)放數(shù)量變化量的最小值和最大值；ymin和ymax為安檢口的連續(xù)運(yùn)行最短時(shí)間和最長(zhǎng)時(shí)間；Δymin和Δymax為安檢口的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間變化量的最小值和最大值；Fm和Fn是安檢資源輸入和輸出形式的約束。因此，輸入約束包括安檢口總數(shù)量限制，同時(shí)考慮調(diào)動(dòng)資源合理性，可將這些約束條件以矩陣不等式形式表現(xiàn)如下

式中，I 為單位矩陣。

從而可得式（12）的對(duì)應(yīng)約束條件為KΔUf＜M，基于二次規(guī)劃（QP，quadratic programming）函數(shù)求解可得ΔUf，即得出當(dāng)前時(shí)域下機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源的實(shí)時(shí)運(yùn)行策略。

2.3 安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化方法

一般情況下，機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源會(huì)出現(xiàn)資源過(guò)?；蛸Y源緊張的狀態(tài)，繁忙時(shí)段離港旅客接近高峰但安檢口開(kāi)放不及時(shí)，導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、剛進(jìn)入安檢系統(tǒng)排隊(duì)旅客等待時(shí)間上升等，從而導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)滿(mǎn)意度下降；在旅客流到達(dá)高峰期后逐漸下降進(jìn)入空閑時(shí)段出現(xiàn)安檢口開(kāi)放較多，造成安檢資源浪費(fèi)[14]。

針對(duì)上述情況，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前狀態(tài)下歷史繁忙起始時(shí)刻為t0，繁忙時(shí)長(zhǎng)為ΔT，即安檢資源繁忙時(shí)段為[t0，t0+ΔT]，同時(shí)將繁忙時(shí)段離散化處理，均勻分割為長(zhǎng)度Δt 的N 個(gè)時(shí)段，統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)段內(nèi)離港旅客實(shí)時(shí)流量，判斷當(dāng)前繁忙度變化并預(yù)測(cè)未來(lái)短時(shí)間內(nèi)旅客流量和隊(duì)列長(zhǎng)度變化趨勢(shì)，基于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成安檢隊(duì)列狀態(tài)預(yù)測(cè)模型的輸入矩陣。建立的面向安檢隊(duì)列狀態(tài)改進(jìn)的模型預(yù)測(cè)控制方法具體步驟如下：

步驟1數(shù)據(jù)預(yù)處理，基于海量機(jī)場(chǎng)航站樓安檢運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)建立異常數(shù)據(jù)識(shí)別方法，刪除異常和冗余數(shù)據(jù)，構(gòu)建安檢流量歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；

步驟2獲取當(dāng)日航站樓安檢區(qū)域繁忙時(shí)間范圍，根據(jù)離港旅客到達(dá)情況及狀態(tài)實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，設(shè)定安檢口初始開(kāi)放數(shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)安檢隊(duì)列狀態(tài)并判斷安檢狀態(tài)變化；

步驟3構(gòu)造Hankel 矩陣ΔWP、ΔUf和ΔYf，并進(jìn)行QR 分解如式（16），由此計(jì)算Lw和Lu；

步驟4根據(jù)設(shè)定的安檢資源優(yōu)化目標(biāo)（常態(tài)和特殊），構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)及約束條件，基于QP 優(yōu)化求解未來(lái)控制量ΔUf，獲得機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行策略；

步驟5將ΔUf的第一行和Δu（t）當(dāng)前輸入u（t）結(jié)合，并與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合構(gòu)建新的輸入變量u（t+1），代入模型計(jì)算獲取對(duì)應(yīng)的新的輸出變量y（t+1），判斷是否滿(mǎn)足安檢資源優(yōu)化目標(biāo)要求，更新ΔWP并返回步驟4，直至滿(mǎn)足約束條件，完成安檢資源優(yōu)化。

基于改進(jìn)MPC 的機(jī)場(chǎng)航站樓安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化方法基本流程圖Fig.3 Basic flow chart of the optimization method for security check resource operation strategy

3 仿真驗(yàn)證及分析

3.1 數(shù)據(jù)分析及預(yù)處理

本文以中國(guó)某樞紐機(jī)場(chǎng)為場(chǎng)景展開(kāi)分析，其離港旅客安檢及資源運(yùn)行數(shù)據(jù)基本情況如表3 所示，為了便于后續(xù)計(jì)算，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理。

表3 離港旅客安檢及資源運(yùn)行數(shù)據(jù)樣例Tab.3 Sample of security check and resource operation data for departing passengers

基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)得出單位時(shí)間（30 min）內(nèi)該機(jī)場(chǎng)平均安檢離港旅客數(shù)量如圖4 所示，結(jié)合機(jī)場(chǎng)繁忙度設(shè)定23 ∶00—06 ∶00 為空閑狀態(tài)，06 ∶00—09 ∶00、12 ∶00—15 ∶30 和19 ∶00—22 ∶00 為一般繁忙狀態(tài)，09 ∶00—12 ∶00 和15 ∶30—19 ∶00 為繁忙狀態(tài)。

圖4 機(jī)場(chǎng)平均安檢離港旅客數(shù)量Fig.4 The average number of departing passengers at the airport

空閑狀態(tài)下（即每日的深夜時(shí)段）機(jī)場(chǎng)的航班量會(huì)較小，離港旅客的流量隨航班密度減少而減少，基本上不會(huì)出現(xiàn)安檢資源緊張的情況，因此對(duì)該時(shí)段特征數(shù)據(jù)不予考慮?；跉v史數(shù)據(jù)辨識(shí)的安檢隊(duì)列狀態(tài)空間方程系統(tǒng)矩陣表示如下，其中：式（17）～式（20）為安檢離港旅客流量高峰趨近時(shí)段結(jié)果，式（21）～式（24）為安檢離港旅客流量高峰遠(yuǎn)離時(shí)段結(jié)果。分別將系統(tǒng)矩陣代入式（1），即可獲取各時(shí)段的安檢隊(duì)列狀態(tài)預(yù)測(cè)模型。

（1）高峰趨近時(shí)段

（2）高峰遠(yuǎn)離時(shí)段

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景分析得出，常態(tài)安檢資源優(yōu)化目標(biāo)（隊(duì)列長(zhǎng)度40～50 人）和特殊時(shí)期安檢資源優(yōu)化目標(biāo)（隊(duì)列長(zhǎng)度30～40 人），為保證模型運(yùn)行后優(yōu)化效果在目標(biāo)范圍內(nèi)，給出對(duì)應(yīng)設(shè)定值分別為45 人和35 人，使其有最大容錯(cuò)率，將設(shè)定值放在同一組仿真實(shí)驗(yàn)中，判斷是否具有可調(diào)節(jié)性。不同狀態(tài)下隊(duì)列長(zhǎng)度預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換的安檢隊(duì)列長(zhǎng)度變化Fig.5 Changes in the security queue length for different status transitions

由圖5 可知，優(yōu)化后的隊(duì)列長(zhǎng)度均控制在優(yōu)化目標(biāo)范圍內(nèi)，符合預(yù)期目標(biāo)，并在離港旅客到達(dá)人數(shù)變化幅度不大的情況下，表現(xiàn)出了良好的跟蹤能力。在進(jìn)入高峰時(shí)段時(shí)數(shù)量變化較大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)會(huì)有一定的超調(diào)，但總體仍在設(shè)定目標(biāo)范圍內(nèi)。在設(shè)定值確定并進(jìn)行更改時(shí)，系統(tǒng)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)會(huì)有較大的超調(diào)量出現(xiàn)，這和采用最小化二次型目標(biāo)函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行求解有關(guān)，為此引入的QP 算法對(duì)系統(tǒng)有更好的優(yōu)化效果和控制效果。

以相同單位時(shí)間連續(xù)獲取高峰趨近時(shí)段60 組數(shù)據(jù)，以常態(tài)安檢資源優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行隊(duì)列長(zhǎng)度優(yōu)化，基于隊(duì)列狀態(tài)改進(jìn)MPC 的安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化結(jié)果如表4 所示。同時(shí)，在實(shí)際場(chǎng)景中，安檢口變化只能為整數(shù)，同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)不可能有多次安檢口變化情況，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和篩選。篩選條件設(shè)定為對(duì)安檢口開(kāi)放數(shù)據(jù)四舍五入取整后，有連續(xù)3 次數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化則決定更改安檢口開(kāi)放，且每10 個(gè)單位時(shí)間允許更改一次安檢口開(kāi)放數(shù)。按照篩選條件和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，即可獲取安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化方案，如表5 所示。

表4 安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化結(jié)果Tab.4 Optimization result of security check resource operation strategy

表5 篩選優(yōu)化的安檢資源運(yùn)行策略Tab.5 Screen optimized operation strategy of security check resource

將安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化結(jié)果導(dǎo)入機(jī)場(chǎng)安檢過(guò)程，平均隊(duì)列長(zhǎng)度變化情況如圖6 所示，可以看出，在構(gòu)建符合實(shí)際安檢場(chǎng)景的資源優(yōu)化方案后，設(shè)定旅客隊(duì)列長(zhǎng)度目標(biāo)范圍為40～50 人的情況下，優(yōu)化后的隊(duì)列長(zhǎng)度整體處于較好的狀態(tài)，只有在極個(gè)別高峰時(shí)段，隊(duì)列長(zhǎng)度會(huì)超出1～2 人，其他時(shí)間均控制在40～50 人的優(yōu)化目標(biāo)范圍內(nèi)，且多數(shù)時(shí)間保持在45 人附近小范圍波動(dòng)，具有良好的均衡性和動(dòng)態(tài)性，達(dá)到了安檢資源優(yōu)化的研究效果。

圖6 安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化后平均隊(duì)列長(zhǎng)度的變化Fig.6 Changes in the average queue length after the optimization of the security check resource operation strategy

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)性分析了常態(tài)及特殊時(shí)間安檢資源的運(yùn)行特性，研究了面向離港安檢隊(duì)列狀態(tài)變化的狀態(tài)空間方程，設(shè)計(jì)了基于隊(duì)列狀態(tài)改進(jìn)MPC 的安檢資源運(yùn)行策略?xún)?yōu)化方法，通過(guò)結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)開(kāi)展仿真驗(yàn)證并獲取安檢資源的運(yùn)行策略。后續(xù)將細(xì)化離港旅客狀態(tài)及行為偏好對(duì)安檢資源運(yùn)行策略的影響，在提升安檢資源利用率的同時(shí)考慮提升服務(wù)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)航站樓安全高效運(yùn)行。