徐慧智，張文會(huì)，王連震，夏浩棟

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

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地鐵安檢設(shè)施布局方案仿真及優(yōu)化

徐慧智，張文會(huì)，王連震*，夏浩棟

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

地鐵一般位于城市繁華區(qū)，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜。建設(shè)運(yùn)營過程中消防、疏散、防恐和防爆等條件均有所限制。地鐵安檢設(shè)備的布局和設(shè)置，需考慮地鐵車站空間、安檢設(shè)備購置費(fèi)用和旅客進(jìn)站效率等因素的綜合影響，力求達(dá)到設(shè)備費(fèi)用最小、安全系數(shù)最大、進(jìn)站效率最高的目標(biāo)。本文采用Extendsim系統(tǒng)仿真軟件，針對(duì)單安檢設(shè)備和雙安檢設(shè)備兩種布局方式，采用了排隊(duì)長度和延誤時(shí)間作為主要評(píng)判指標(biāo)，對(duì)布局方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在給定旅客到達(dá)率的前提下，對(duì)布局方案進(jìn)行了優(yōu)化和效果仿真。

地鐵車站；安檢設(shè)備；系統(tǒng)仿真；布局優(yōu)化

0　引　言

截至2014年底，我國共計(jì)22個(gè)城市開通軌道交通線路，運(yùn)營總里程3 173 km，32個(gè)城市正在建設(shè)軌道交通項(xiàng)目，值得注意的是，除了傳統(tǒng)北京、上海、廣州、深圳以及副省級(jí)城市外，蘇州、杭州、無錫、寧波、佛山、青島、常州、徐州和東莞等城市，也正在開展軌道交通建設(shè)。2015年12月30日，根據(jù)官方數(shù)據(jù)，上海、北京、廣州、深圳、南京、武漢、成都的日客流量分別達(dá)到956.9萬人次、895.9萬人次、680.3萬人次、272.11萬人次、229.9萬人次、191.43萬人次和122.52萬人次?？梢灶A(yù)見，隨著大規(guī)模的軌道交通線路建設(shè)并陸續(xù)投入運(yùn)營，未來客流量還會(huì)有較大的增長，運(yùn)營單位將面臨較大的客流壓力[1]。地鐵位于城市地下，消防、疏散、防恐和防爆等條件均有所限制。作為公共運(yùn)輸工具，地鐵為廣大居民提供便捷出行服務(wù)的同時(shí)，也存在較大的恐怖襲擊安全隱患?？紤]短時(shí)間內(nèi)人群密集大、進(jìn)出通道有限、通風(fēng)條件有限等因素，地鐵車站是恐怖分子制造無差別殺傷案件的理想場所。如1995年日本東京地鐵沙林毒氣襲擊(奧姆真理教)、2005年倫敦地鐵炸彈襲擊案、2010年莫斯科黑寡婦人彈襲擊、2011年白俄羅斯的炸彈襲擊案等，每起案件對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)均造成了深刻的影響。綜合考慮日常安全檢查的需求，安檢設(shè)備已經(jīng)成為了地鐵安全運(yùn)營的必要環(huán)節(jié)[2-6]。綜上所述，從運(yùn)營和安全角度分析，地鐵工程具有客流大、安全隱患高的雙重特點(diǎn)，地鐵站設(shè)置安檢設(shè)備已經(jīng)是大勢所趨。安檢設(shè)備在提升運(yùn)營安全性的同時(shí)，對(duì)客流進(jìn)站的效率造成一定影響。安檢設(shè)備的布局和設(shè)置考慮因素較多，如地鐵站空間、設(shè)備費(fèi)用和旅客進(jìn)站效率等。安檢設(shè)備布局力求達(dá)到費(fèi)用最小、安全系數(shù)最高、進(jìn)站效率最高的目標(biāo)和效果，因此有必要進(jìn)行效果評(píng)價(jià)和優(yōu)化研究[7]。

1　地鐵安檢設(shè)施的布局方案

1.1地鐵安檢設(shè)備

安檢設(shè)備主要包含：安檢門、手持金屬探測儀、安檢X光機(jī)、危險(xiǎn)液體檢測儀、車底視頻檢查鏡、鞋內(nèi)金屬探測儀和軟管內(nèi)窺鏡等。

1.2安檢布置方案

主要安檢設(shè)備(X光行李檢查機(jī))規(guī)格比較大，布置原則為[8]：

(1)與售票區(qū)相隔適當(dāng)?shù)木嚯x。

(2)盡可能小的影響乘客進(jìn)、出站。

(3)不應(yīng)占據(jù)人流疏散通道。

圖1至圖4是地鐵車站最可能采用的安檢設(shè)備布置方案。旅客到達(dá)安檢設(shè)備前端后，將自動(dòng)選擇旅客通道，受到設(shè)備檢測能力的影響，雙側(cè)排隊(duì)進(jìn)入安檢設(shè)備前端可等同于單側(cè)排隊(duì)效果，從運(yùn)營組織和安檢效果出發(fā)，圖1和圖2、圖3和圖4的旅客進(jìn)站效率和安檢效果幾乎相同。

當(dāng)采用雙安檢設(shè)備時(shí)，圖3和圖4采用了橫列的布局方式。理論上還可以采用縱列的布局方式，但由于設(shè)備長度較大(16 m左右)，受到地鐵車站空間影響且客流組織難度較高，地鐵車站一般不會(huì)采納。

設(shè)備布置方案1、方案2以及方案3、方案4的區(qū)別在于旅客通過安檢時(shí)通道位置的差異，對(duì)旅客的進(jìn)站效率、安檢效果的影響較小，因此本文僅對(duì)方案1(單安檢設(shè)備)和方案3(雙安檢設(shè)備)進(jìn)行仿真分析。

圖1　單側(cè)客流通過布置方案(單安檢設(shè)備)Fig.1 The layout scheme with single passenger flow(single safety check equipment)

圖2　雙側(cè)客流通過布置方案(單安檢設(shè)備)Fig.2 The layout scheme with double passenger flows(single safety check equipment)

圖3　雙側(cè)客流通過布置方案(雙安檢設(shè)備)Fig.3 The layout scheme with double passenger flows(double safety check equipment)

圖4　雙側(cè)客流通過布置方案(雙安檢設(shè)備)Fig.4 The layout scheme with double passenger flows(double safety check equipment)

1.3仿真環(huán)境和客流到達(dá)率

(1)仿真環(huán)境。ExtendSim仿真軟件由美國Imagine That公司開發(fā)，采用C語言開發(fā)，能夠?qū)﹄x散事件系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，具有較高的靈活性和可拓展性。ExtendSim軟件通過對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的仿真分析，可以直觀地評(píng)價(jià)和改進(jìn)影響系統(tǒng)性能的因素，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳的配置、運(yùn)行模式或經(jīng)營策略等[9]。

(2)客流到達(dá)情況。在建模的過程當(dāng)中，考慮到由于天氣、節(jié)假和上下班高峰期坐地鐵人數(shù)的變化過大，參照哈爾濱地鐵1號(hào)線一期工程運(yùn)行初期某車站平均旅客到達(dá)情況，設(shè)置不同時(shí)間段旅客到達(dá)分布，如圖5和圖6所示。

圖5和圖6分別從旅客到達(dá)時(shí)間間隔和人流量兩個(gè)角度出發(fā)，給出了車站的旅客到達(dá)率。此車站6點(diǎn)至8點(diǎn)、11點(diǎn)至13點(diǎn)、16點(diǎn)至18點(diǎn)分別出現(xiàn)客流高峰，旅客到達(dá)率較高，其它時(shí)刻旅客到達(dá)率較低，符合城市居民出行規(guī)律[7]。

圖5　不同時(shí)段旅客達(dá)到分布情況(時(shí)間間隔)Fig.5 Distribution of passengers arrived at different time(time interval)

圖6　不同時(shí)段旅客達(dá)到分布情況(人流量)Fig.6 Distribution of passengers arrived at different time(number of travelers)

2　仿真模塊

2.1安檢流程

地鐵安檢的基本流程為：引導(dǎo)、檢查、定性、處理。在比較明顯的位置設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)識(shí)，并結(jié)合安檢人員的工作讓乘客順利進(jìn)入安檢區(qū)域進(jìn)行安檢。安檢過程中若通過電腦圖像判斷出有可疑物或不清楚物品，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行規(guī)范開包檢查，需要時(shí)刻進(jìn)行多次檢查來確保檢查正確性[10]。

2.2單安檢設(shè)備

采用Extendsim軟件進(jìn)行模擬(下同)，單安檢設(shè)備客流通過仿真模塊及構(gòu)建方案如圖7所示，對(duì)圖1和圖2的布局方式進(jìn)行仿真。

2.3雙安檢設(shè)備

雙安檢設(shè)備客流通過仿真模塊及構(gòu)建方案如圖8所示，對(duì)圖3和圖4的布局方式進(jìn)行仿真。

考慮地鐵運(yùn)營初期客流存在高峰和平峰，應(yīng)該適當(dāng)考慮提高安檢設(shè)備利用率，在人流量較小的時(shí)間段，只讓一臺(tái)安檢機(jī)器工作，在人流高峰期，讓兩臺(tái)安檢設(shè)備同時(shí)工作。在雙安檢設(shè)備方案仿真模型的基礎(chǔ)上加入了Math模塊，將Math模塊的功能設(shè)為Not，即求反，再加入Gate模塊充當(dāng)門的作用。當(dāng)人流量較多的時(shí)候，Math模塊將輸入的0轉(zhuǎn)換為1，要求Gate模塊開門，兩安檢設(shè)備同時(shí)工作；當(dāng)人流較少的時(shí)候，Math模塊將輸入的1轉(zhuǎn)換為0，要求Gate模塊關(guān)門，只讓一臺(tái)安檢設(shè)備工作，這樣就能達(dá)到要求。對(duì)雙安檢設(shè)備客流通過方案進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的仿真模型如圖9所示。

2.4模塊及參數(shù)

建模過程放置Executive仿真時(shí)鐘模塊，自動(dòng)推進(jìn)事件發(fā)展。

使用Lookup Table模塊和Create模塊模擬實(shí)體(此處為旅客，下同)非平穩(wěn)泊松分布到達(dá)過程，數(shù)據(jù)按照?qǐng)D5和圖6旅客到達(dá)規(guī)律設(shè)置。

使用Set模塊、Random Number模塊以及Equation模塊定義實(shí)體的屬性，在安檢過程中存在少量開包檢查，到達(dá)的乘客中有一定概率需要開包檢查，導(dǎo)致安檢的時(shí)間將變長，在此設(shè)有0.002概率的乘客需要開包安檢，安檢時(shí)間平均為5 min，其余乘客正常安檢時(shí)間為0.04 min。

圖7　安檢流程模塊及構(gòu)建(單安檢設(shè)備)Fig.7 The security-check process module and construction(single safety check equipment)

圖8　安檢流程模塊及構(gòu)建(雙安檢設(shè)備)Fig.8 The security-check process module and construction(double safety check equipment)

圖9　優(yōu)化后的雙安檢設(shè)備客流通過仿真模型Fig.9 The process and security of construction module after optimization(double safety check equipment)

History模塊用來查看實(shí)體屬性和模型調(diào)試。

Select Item out模塊表示不同的路徑選擇，實(shí)體達(dá)到安檢區(qū)域后自動(dòng)選擇隊(duì)伍排隊(duì)，并用Queues模塊表示等待安檢隊(duì)列。

Activity模塊表示安檢過程所消耗的時(shí)間，它會(huì)根據(jù)實(shí)體的屬性自動(dòng)讀取Set模塊設(shè)定安檢時(shí)間。

Exit模塊表示單次安檢過程的結(jié)束。

Plotter模塊隨著仿真的運(yùn)行會(huì)顯示指定性能指標(biāo)的曲線圖。

主要功能模塊設(shè)置見表1。

2.5仿真效果分析

(1)通過人數(shù)和排隊(duì)長度。采用通過設(shè)備人數(shù)和平均延誤時(shí)間兩個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)安檢設(shè)備的利用情況[11-14]。采用前文構(gòu)建的模型進(jìn)行仿真，運(yùn)行10次，得到數(shù)據(jù)見表2。

表1　主要功能模塊設(shè)置

續(xù)表1　主要功能模塊設(shè)置

表2　仿真數(shù)據(jù)

在仿真的運(yùn)行期間，Plotter模塊隨著仿真的運(yùn)行會(huì)顯示指定性能指標(biāo)的曲線圖。分別得到兩方案如圖10和圖11所示。

圖10　單安檢設(shè)備通過人數(shù)指標(biāo)圖Fig.10 The number of indicators(single safety check equipment)

圖10和圖11中，灰線表示通過安檢人數(shù)的總和，黑線表示等待安檢旅客隊(duì)伍的平均長度。從圖中不難看出，雙安檢設(shè)備通過客流人數(shù)和單安檢設(shè)備幾乎相同，但在等待隊(duì)長方面卻小于單安檢設(shè)備，現(xiàn)象也符合設(shè)備越多、通行能力越大、排隊(duì)時(shí)間越短的規(guī)律[15-17]。

圖11　雙安檢設(shè)備通過人數(shù)指標(biāo)圖Fig.11 The number of indicators(double safety check equipment)

(2)設(shè)備利用率。根據(jù)雙安檢設(shè)備仿真模塊及構(gòu)建方案(如圖8所示)運(yùn)行結(jié)果，雙安檢設(shè)備(未優(yōu)化前)的利用率，如圖12所示，其中黑線和灰線分別表示不同的安檢設(shè)備。但仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)，不同安檢設(shè)備的利用率(黑線和灰線)相重合或十分接近的點(diǎn)，且利用率均小于0.5。這說明，在那些時(shí)間點(diǎn)，雙安檢設(shè)備做著單安檢設(shè)備相同的工作，這從另一方面來說在這時(shí)間點(diǎn)雙安檢設(shè)備同時(shí)開機(jī)是一種浪費(fèi)。

圖12　雙安檢設(shè)備利用率(未優(yōu)化前)Fig.12 The utilization rate of equipment(initial)

經(jīng)優(yōu)化后，雙安檢設(shè)備仿真模塊及構(gòu)建方案(如圖9所示)運(yùn)行結(jié)果，運(yùn)行優(yōu)化后的仿真，得到兩安檢設(shè)備在一天中的利用率，如圖13所示。

圖13　雙安檢設(shè)備利用率(優(yōu)化后)Fig.13 The utilization rate of equipment(optimization)

圖13可以看出，當(dāng)旅客到達(dá)率較高時(shí)，單安檢設(shè)備和雙安檢設(shè)備的利用率相差無幾；當(dāng)旅客到達(dá)率較低時(shí)，雙安檢設(shè)備存在資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。此時(shí)關(guān)停1個(gè)安檢設(shè)備，單獨(dú)運(yùn)行的安檢設(shè)備利用率有所升高，且旅客排隊(duì)長度無顯著增長。

3　結(jié)　論

通過本文的研究，安檢設(shè)備的布局和運(yùn)行效率取決于旅客到達(dá)率和車站的空間，旅客到達(dá)率較高的情況下，雙安檢設(shè)備和單安檢設(shè)備的利用率均較高，但雙安檢設(shè)備的旅客排隊(duì)長度明顯小于單安檢設(shè)備。具體設(shè)計(jì)安檢設(shè)備布局時(shí)，需要綜合考慮下列影響條件：

(1)僅從安全檢查角度出發(fā)，雙安檢設(shè)備和單安檢設(shè)備的效果幾乎相同。旅客到達(dá)率高于單安檢設(shè)備通過能力時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生旅客排隊(duì)現(xiàn)象。此時(shí)安檢設(shè)備降低了車站的進(jìn)站效率，但是起到一定的緩解車站內(nèi)集聚客流的作用。

(2)不同地鐵車站日均上、下客量的絕對(duì)值差異較大，甚至可能出現(xiàn)全天高旅客到達(dá)率的現(xiàn)象，安檢設(shè)備的布局和評(píng)價(jià)需要根據(jù)客流現(xiàn)狀和規(guī)劃年預(yù)測結(jié)果進(jìn)行具體分析。

(3)國內(nèi)已經(jīng)建成運(yùn)營的地鐵線路，設(shè)計(jì)過程中很少考慮安檢設(shè)備，均為后期在旅客通道中設(shè)置，且地鐵工程多位于城市繁華區(qū)，建設(shè)條件較為苛刻，可供安檢設(shè)備布局的空間較狹小，故此普遍采用了單安檢設(shè)備布局方案。建議地鐵工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)過程中，考慮安檢設(shè)備的布局及對(duì)車站運(yùn)營的影響。

(4)本文旅客到達(dá)率采用了某一車站的平均旅客到達(dá)數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了早、中、晚三個(gè)高峰時(shí)段，較為符合城市居民出行規(guī)律，但由于仿真輸入條件的單一性，研究結(jié)論具有一定的局限性，本文研究結(jié)果僅能對(duì)仿真流程和方法進(jìn)行初步探索。

(5)對(duì)安檢設(shè)施布局方案仿真及優(yōu)化，不能簡單的從設(shè)備利用情況考慮，而應(yīng)該從可靠性、通過效率和服務(wù)水平等方面綜合考慮，應(yīng)進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

[1]徐慧智.關(guān)于城市軌道交通建設(shè)前期項(xiàng)目管理的探討[J].都市快軌交通，2010(5)：52-56.

[2]Peterman D R.Passenger rail security：Overview of issues[J].Congressional Research Service，2005(2)：13-14.

[3]Schurr A.Innovative station design：Practice makes perfect[J].Mass Transit，2011(2)：1-2.

[4]徐璐，施泉生.對(duì)上海地鐵安檢的幾點(diǎn)思考[J].科技視野，2014(17)：171.

[5]高雪香，楊其新.地鐵突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)措施初步研究[J].城市軌道交通研究，2006(5)：12-14.

[6]于瑞峰，程嶼晨.地鐵安檢作業(yè)環(huán)境調(diào)查與改善的實(shí)證研究[J].工業(yè)工程，2013，16(1)：14-15.

[7]張慧慧，陳峰，吳奇兵.北京地鐵進(jìn)出站設(shè)施通行瓶頸問題定量分析[J].都市快軌交通，2009，22(3)：20-23.

[8]羅慧，趙文龍.安檢系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].建設(shè)中華，2012(7)：174-175.

[9]梁廣深.城市軌道交通客流預(yù)測的不確定性分析[J].都市軌道交通研究，2007(5)：2-3.

[10]許心越，劉軍，李海鷹，等.基于RSM的地鐵車站集散能力仿真計(jì)算[J].鐵道學(xué)報(bào)，2013，35(1)：8-18.

[11]Fatch K，Said H，Abdellah.A.Hybrid petri nets-based simulation model for evaluating design of railway transit station[J].Simulation Modeling Practice and Theory，2007，15(8)：935-969.

[12]Cruza F R B，Smith J M G.Approximate analysis of M/G/c/c state-dependent queueing network[J].Computer and Operations Research，2007，34(8)：2332-2344.

[13]Cruza F R B，Smith J M G，Medeirios R O.An M/G/c/c state-dependent network simulation the model[J].Computer & Operations Research，2005，32(4)：919-941.

[14]Cruza F R B，Van Woensel T，Smith J M G.On the system the optimum of traffic assignment in M/G/c/c state-dependent queueing network[J].European Journal Operational Research，2010，201(1)：183-193.

[15]倪菊，張樹泉，童朝南.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的地鐵客流仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008，25(4)：258-261.

[16]喬文山，黃銀娣.基于ExtendSim的貨物配裝策略研究[J].森林工程，2010，26(1)：78-79.

[17]謝拴平，謝愛明.基于ExtendSim的公交調(diào)度系統(tǒng)仿真[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，20(4)：51-53.

Simulation and Optimization of SecurityEquipment Layout in Metro Station

Xu Huizhi，Zhang Wenhui，Wang Lianzhen*，Xia Haodong

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The metro is generally located in downtown city，and the construction environment is complicated，which is limited by fire control，evacuation，anti-terrorism，and explosion-prevention.The layout of security equipment must consider the factors such as space，purchase cost of the equipment，and passengers arriving rate.In order to achieve the target of minimum cost of equipment，the maximum safety，and highest efficiency of passengers arriving rate，the paper adopted the system simulation software of Extendsim to simulate the situation of single and double security equipment layout.Evaluating indicators were queue length and delay time.With the premise of given passengers arriving rate，the layout scheme was optimized and the results were simulated.

metro station；security equipment；system simulation；layout optimization

2016-03-16

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(DL13BBX01)

徐慧智，博士，講師。研究方向：軌道交通。

王連震，博士，講師。研究方向：駕駛員行為。

E-mail：278525449@qq.com

徐慧智，張文會(huì)，王連震，等.地鐵安檢設(shè)施布局方案仿真及優(yōu)化[J].森林工程，2016，32(5)：81-86.

U 231；X 34

A

1001-005X(2016)05-0081-06