馬宏飛++張雷++廖文科++顧榮華

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.165

摘 要：為了給乘客提供舒適的飛行體驗(yàn)，同時(shí)盡量減少乘客等待時(shí)間，提高機(jī)場(chǎng)安檢效率。把機(jī)場(chǎng)中安檢流程作為該文的研究對(duì)象，結(jié)合安檢流程的特性，選擇廣義Petri網(wǎng)作為研究工具，以單通道的安檢流程的簡(jiǎn)化情況建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析。在確認(rèn)模型可靠的基礎(chǔ)上，運(yùn)用廣義Petri網(wǎng)和馬爾科夫鏈的理論得出評(píng)價(jià)安檢系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)并進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)。最后以重慶江北機(jī)場(chǎng)中的安檢流程作為實(shí)例，在沒有限制資源的條件下，對(duì)重慶江北機(jī)場(chǎng)單通道安檢流程進(jìn)行分析，并引入到達(dá)率分析具有文化背景差異的乘客對(duì)安檢流程的影響，最后提出相關(guān)的改善策略。

關(guān)鍵詞：安檢流程 廣義Petri網(wǎng) 馬爾科夫鏈 到達(dá)率

中圖分類號(hào)：O23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（b）-0165-03

Optimization of Security Process Based on Petri Network

Ma Hongfei Zhang Lei* Liao Wenke Gu Ronghua

（Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074，China）

Abstract：In order to provide passengers with a comfortable flight experience， while minimizing passenger waiting time and improving the efficiency of airport security，this paper chooses the generalized Petri net as a research tool to establish a mathematical model and analyze it with the simplification of the single channel security process. This paper takes the security process in the airport as the research object and the characteristics of the security process. On the basis of confirming the model， the evaluation index of the performance of the security system is evaluated and evaluated by using the theory of generalized Petri net and Markov Chain. Finally， the process of security inspection in Chongqing Jiangbei Airport is taken as an example to analyze the single-channel security process of Chongqing Jiangbei Airport without restriction of resources， and the influence of passengers with different cultural backgrounds on the security process is introduced. Finally， Related improvement strategies will be proposed.

Key Words：Security process；Generalized Petri Net；Markov Chain；Arrival Rate

近年來，我國(guó)民用航空事業(yè)發(fā)展迅速，不僅航空貨運(yùn)運(yùn)輸量逐年增加，而且旅客吞吐量也在大幅度增長(zhǎng)，如何優(yōu)化安檢過程已經(jīng)成為一個(gè)普遍關(guān)注的問題。而安檢是服務(wù)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系著整個(gè)機(jī)場(chǎng)的運(yùn)作效率。提高安檢水平是保障乘客人身安全和減少乘客等待時(shí)間的一項(xiàng)重要措施[1]。Sun Olapiriyakul和他的同事們運(yùn)用排隊(duì)論理論，以給定的到達(dá)率推導(dǎo)了乘客安全檢查操作的最優(yōu)設(shè)計(jì)[2]。Ungsunan提出了一種服務(wù)組合模型方法，支持基于隨機(jī)Petris網(wǎng)（SPN）的定量計(jì)算，可用于簡(jiǎn)化內(nèi)部服務(wù)的復(fù)雜模型到外部服務(wù)的簡(jiǎn)單模型[3]。一套穩(wěn)定高效率的安檢系統(tǒng)，能在一定程度上提升安檢的效率，給乘客更好的飛行體驗(yàn)。

在現(xiàn)有的世界各地對(duì)安檢的優(yōu)化研究基礎(chǔ)上，基于Petri網(wǎng)和工作流網(wǎng)（WF-Net）的理論，研究人員應(yīng)用GSPN理論建立用于描述安檢的流程。為了簡(jiǎn)化分析，研究人員把Petri網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建同構(gòu)的馬爾科夫鏈對(duì)安檢流程進(jìn)行性能分析，分析模型的資源可用性以及安全系統(tǒng)的效率，以便能夠找出瓶頸的位置，實(shí)現(xiàn)安檢服務(wù)設(shè)施的合理分配。考慮到文化背景的差異，分析了不同乘客類型對(duì)安檢流程的影響。

1 問題描述與模型的建立

1.1 問題描述

安檢是乘客從陸側(cè)到空側(cè)轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵步驟，很大程度上影響機(jī)場(chǎng)服務(wù)的效率。安檢流程中的檢查人員，包括手檢員、X光機(jī)操作員、開包員等，乘客和其隨身行李同步、同地檢查。安檢的流程為：

檢查乘客的有效證件。

將身份證、登機(jī)牌、行李和個(gè)人物品放入塑料籃中，準(zhǔn)備通過X光機(jī)檢查。

乘客通過微波檢測(cè)門。

若檢測(cè)門發(fā)出警告，乘客則需接受手檢員的探測(cè)器檢查。若探測(cè)器檢查后仍有問題，乘客則需到隔離區(qū)接受手檢員的二次人工檢查。

通過以上的檢查環(huán)節(jié)后，若都沒有問題，乘客則可以取回其行李，進(jìn)入候機(jī)區(qū)。若行李經(jīng)過X光機(jī)檢查后被發(fā)現(xiàn)可疑物品，還需要在隔離區(qū)進(jìn)行開包檢查。

1.2 建立單通道安檢流程Petri網(wǎng)模型

Petri網(wǎng)是一個(gè)定向二分圖，其中節(jié)點(diǎn)表示變遷（即可能發(fā)生的事件，由方形框架表示）和庫(kù)所（即條件，由圓圈表示）[5]。Petri網(wǎng)是一種用于描述和分析后續(xù)和同步系統(tǒng)的有效模型工具?；诎踩珯z查系統(tǒng)的實(shí)際情況，研究人員計(jì)劃選擇廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)作為安全檢查過程的數(shù)學(xué)模型，引入時(shí)間作為參數(shù)來分析該模型的時(shí)間行為。

由Petri網(wǎng)的相關(guān)定義，結(jié)合乘客安檢流程，建立一個(gè)簡(jiǎn)化的單通道Petri網(wǎng)模型，即在只有1個(gè)證件驗(yàn)證臺(tái)、2個(gè)檢測(cè)門、2臺(tái)X光機(jī)和2個(gè)位手檢員的條件下建模。

2 模型分析

根據(jù)有關(guān)定義和定理[6]，可以知道所建立的安檢流程Petri網(wǎng)模型是可靠的，滿足結(jié)構(gòu)可靠性要求，因此可將其作為安檢流程性能分析的工具。

在Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上，在輸入庫(kù)所和輸出庫(kù)所之間添加時(shí)間變遷和平均引發(fā)速率，得到一個(gè)廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)（GSPN）。隨機(jī)Petri網(wǎng)模型等同于連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈[3]。基于上述規(guī)則，先前建立的Petri網(wǎng)可以被視為連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈（Markov Chain MC）。

利用MC來求解穩(wěn)態(tài)的概率。此外，能夠獲得標(biāo)記的概率密度，庫(kù)所中標(biāo)記的平均Token數(shù)，變遷利用率的比率。然后運(yùn)用這些結(jié)果來評(píng)估安全系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并尋求突破，以優(yōu)化系統(tǒng)。

（1）建立安檢系統(tǒng)的廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)。

建立一個(gè)加入時(shí)間參數(shù)的隨機(jī)Petri模型，則需為系統(tǒng)的每個(gè)時(shí)間變遷引入一個(gè)服從指數(shù)分布的延遲時(shí)間。根據(jù)安檢系統(tǒng)的實(shí)際意義，為建立一個(gè)存在邏輯意義瞬時(shí)變遷的GSPN模型，還要為該系統(tǒng)每個(gè)瞬時(shí)變遷確定一個(gè)引發(fā)概率[6]。乘客安檢系統(tǒng)GSPN模型如圖1所示。

在該模型中，時(shí)間變遷集，給每個(gè)時(shí)間變遷確定一個(gè)引發(fā)速率，瞬時(shí)變遷集。如果庫(kù)所存在Token數(shù)，則和會(huì)分別生成概率為與1-α的瞬時(shí)方差。同樣地，如果庫(kù)所存在Token數(shù)，則和會(huì)分別生成概率為β和1-β的瞬時(shí)方差。為了保證GSPN一個(gè)連續(xù)的過程，在人流輸入至庫(kù)所INPUT或人流輸出至倉(cāng)室OUTPUT時(shí)，啟動(dòng)率為的時(shí)間方差則被加入其中。

為了保證廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)是一個(gè)保持強(qiáng)連通性的連續(xù)過程，在庫(kù)所和庫(kù)所中加入時(shí)間變遷，相應(yīng)地引發(fā)速率為λ。

（2）構(gòu)造同構(gòu)的MC，并建立密度矩陣。

實(shí)存狀態(tài)：（MC0，MC1，MC2，MC3，MC4，MC5，...，MC19）；

消失狀態(tài)：沒有。

經(jīng)過變遷，，后續(xù)變遷為邏輯判斷的瞬時(shí)變遷。據(jù)此，對(duì)GSPN進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到同構(gòu)MC。

（3）求解MC的穩(wěn)定狀態(tài)概率。

假設(shè)各個(gè)狀態(tài)的概率為X，聯(lián)立密度矩陣Q，利用方程X·Q=0，求穩(wěn)定狀態(tài)的概率分布。

（4）檢系統(tǒng)性能分析。

由穩(wěn)定狀態(tài)下的概率分布確定每個(gè)庫(kù)所的平均Token數(shù)和變遷利用率，對(duì)安檢系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分析，找出安檢系統(tǒng)中的瓶頸。

3 實(shí)例驗(yàn)證與結(jié)果分析

以重慶江北機(jī)場(chǎng)為例，建立安檢系統(tǒng)流程Petri網(wǎng)絡(luò)模型。

3.1 安檢系統(tǒng)分析

解方程X·Q=0，得到穩(wěn)定狀態(tài)概率分布，進(jìn)一步確定安檢系統(tǒng)中各庫(kù)所的平均Token數(shù)和各個(gè)變遷的利用率。

倉(cāng)室和中平均Token數(shù)較大，所以這兩個(gè)倉(cāng)室容易形成瓶頸，是開包檢查環(huán)節(jié)，是乘客二次人工檢查環(huán)節(jié)，分析原因是二次檢查的細(xì)致程度較高，所以耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。變遷（二次人工檢查環(huán)節(jié)）的利用率為17.50%，變遷（乘客提取行李環(huán)節(jié)）的利用率為19.96%，是所有變遷中的利用率較高的，分析原因是手檢檢察人員不足及乘客提取行李時(shí)間較長(zhǎng)造成。

3.2 不同文化背景的乘客類型的影響

談及到文化背景的差異，可以以人口效應(yīng)作為切入點(diǎn)，分析不同文化背景的乘客的影響。

在此，研究人員定義到達(dá)率的數(shù)值λ1為2，6，12，分別對(duì)應(yīng)于中國(guó)人類型、美國(guó)人類型和瑞士人類型。然后，分別將它們代入原始模型和改進(jìn)的模型，獲得了每個(gè)地方的平均Token數(shù)和變遷利用率。

瑞士人組織性較好，因此在一些地方的平均Token數(shù)的數(shù)值低于美國(guó)和中國(guó)。例如，（證件檢查）和（二次人工檢查），表明能輕微地減輕系統(tǒng)的擁堵程度。但是在一些地方的平均Token數(shù)的值高于其他的Token數(shù)，例如（開包檢查）和（乘客取回自己的行李）這兩個(gè)地方可能存在著瓶頸。

對(duì)于中國(guó)人類型的，他們的行為是隨機(jī)的，這可能成為安全檢查點(diǎn)的障礙。結(jié)果顯示其ID檢查的Token值更大，可能成為瓶頸。

對(duì)于美國(guó)人類型的，他們選擇出去的同伴的數(shù)量多于中國(guó)人，少于瑞士人，因此研究人員可以發(fā)現(xiàn)（對(duì)乘客的二次人工檢查）環(huán)節(jié)有可能成為瓶頸。

變遷利用率反映了資源利用的效率。如圖1所示，假定為全部乘客都為瑞士人類型情況下的資源利用率，為全部乘客都為美國(guó)人類型情況下的資源利用率，為全部乘客都為中國(guó)人類型情況下的資源利用率。根據(jù)圖1，我們可以推斷出。

3.3 給安檢系統(tǒng)管理人員的優(yōu)化建議

基于得到的結(jié)果，可以對(duì)平均Token數(shù)大于其他地方的地方做出一些改進(jìn)。例如，可以添加安檢手檢人員的數(shù)量和更多的檢查地方，讓乘客在瑞士人類型的情況下取回行李。在中國(guó)人類型的情況下，可以添加更多的證件檢查柜臺(tái)或提高安檢工作人員在證件檢查環(huán)節(jié)中的效率。此外，還可以考慮增加更多地方供乘客二次人工檢查和高效率的檢查設(shè)備使用。

4 結(jié)語

文章在保證模型可靠性基礎(chǔ)上，運(yùn)用GSPN和MC的相關(guān)理論對(duì)安檢流程進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過應(yīng)用Petri網(wǎng)和馬爾科夫鏈，有助于處理安全檢查過程的并行結(jié)構(gòu)。文章從過程流的角度分析了系統(tǒng)，我們可以知道過程中的環(huán)節(jié)，更好地分配資源和優(yōu)化問題。同時(shí)文章分析不同文化背景的乘客對(duì)安全檢查過程的影響，并提出一些修改以改善瓶頸。因此，文章提出的模型可以適用于不同的國(guó)家和不同的文化背景。但研究中還存在一些不足，文章只研究了沒有資源限制條件下單通道安檢流程，后續(xù)可以收集世界上其他具有典型的機(jī)場(chǎng)安檢時(shí)間數(shù)據(jù)，用大量的數(shù)據(jù)分析此過程，會(huì)使得結(jié)果更加客觀和模型的適用性更強(qiáng)。

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