辜運燕 ，楊建華 ，謝 果 ，石 靜

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710129；2.深圳市機場股份有限公司，廣東 深圳 518128）

一、引言

航班大面積延誤時大量旅客滯留在航站樓，如果機場、航空公司發(fā)布航班取消或是改簽，滯留旅客辦理取消航班或改簽機票后，需到各應(yīng)急疏散口乘坐交通工具離開，此時合理規(guī)劃疏散路徑十分重要[1]?，F(xiàn)階段滯留旅客疏散路徑往往根據(jù)旅客所屬的航空公司這單一因素進行劃分，通過實踐發(fā)現(xiàn)該方式很多時候會導(dǎo)致單個疏散口異常擁堵，而其他疏散口并沒有實質(zhì)作用。由于航站樓滯留旅客應(yīng)急疏散路徑涉及旅客路徑控制、機票退改簽、行李提取、合適出口選擇等多方面，因此利用科學(xué)的方法，建立合理的疏散模型，對航站樓應(yīng)急路徑規(guī)劃有著重要的作用。

國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者研究公共場所人群應(yīng)急疏散等問題，很多研究是對疏散人群行為進行仿真，如社會力模型Anylogic、三維場景建模等[2-3]，這些研究主要從人群數(shù)量、疏散速度、疏散時間等方面找出影響因素并提出改進措施。將蟻群算法加以改進用于模擬大型場所人群疏散也有人進行研究[4]，但這些研究很少結(jié)合航站樓管理特點，利用蟻群算法針對民航航站樓滯留旅客疏散路徑研究的成果較少。根據(jù)民航現(xiàn)場保障經(jīng)驗，從復(fù)雜系統(tǒng)脆性特性出發(fā)，對傳統(tǒng)蟻群算法加以改進，剖析航站樓滯留人員應(yīng)急疏散路徑選擇問題，研究航站樓滯留旅客疏散路徑規(guī)劃方法，給出民航航站樓滯留旅客疏散管理工作新思路。

二、航站樓應(yīng)急疏散系統(tǒng)的脆性

（一）復(fù)雜系統(tǒng)的脆性

脆性：脆性是復(fù)雜系統(tǒng)的固有屬性，一個復(fù)雜系統(tǒng)在某些外部因素干擾作用下部分子系統(tǒng)會發(fā)生崩潰，與它密切聯(lián)系子系統(tǒng)也會受其影響發(fā)生崩潰，同時系統(tǒng)內(nèi)其他的子系統(tǒng)也會相繼受影響，最終可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生崩潰，如果系統(tǒng)規(guī)模越大，子系統(tǒng)之間關(guān)系越來越復(fù)雜，這種崩潰的性質(zhì)就越來越突出[5-6]。

系統(tǒng)崩潰[7]：設(shè)某一復(fù)雜系統(tǒng)有輸入xi（i=1，2，…，m），輸出為yj（j=1，2，…，n），當?1≤j≤n，yj=0時，則表示系統(tǒng)為安全狀態(tài)，該系統(tǒng)輸出功能正常，當?yj=1，1≤j≤n時，則表示系統(tǒng)為崩潰狀態(tài)，該系統(tǒng)輸出功能不正常。對于?xi[（xi）min，（xi）max]，系統(tǒng)的狀態(tài)是穩(wěn)定的；只要?xi?[（xi）min，（xi）max]，系統(tǒng)便將出現(xiàn)崩潰趨勢。

（二）航站樓應(yīng)急疏散系統(tǒng)的構(gòu)成及脆性分析

航站樓應(yīng)急疏散系統(tǒng)主要由旅客子系統(tǒng)、值機子系統(tǒng)、行李提取子系統(tǒng)、疏散道路子系統(tǒng)、地面交通子系統(tǒng)和管理與控制子系統(tǒng)等組成，每個子系統(tǒng)獨立又相互聯(lián)系、相互作用，具體如圖1所示，其中的任意一個子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不暢將影響整個應(yīng)急疏散系統(tǒng)。

圖1 航站樓滯留旅客應(yīng)急疏散系統(tǒng)構(gòu)成

航站樓滯留旅客應(yīng)急疏散系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，同時又具有脆性。它包含多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)包含多個元素，子系統(tǒng)之間相互影響，有很強的交互性，每個子系統(tǒng)的元素之間也有復(fù)雜的關(guān)系。當子系統(tǒng)受到不確定因素干擾時，由于子系統(tǒng)之間相互作用，其他子系統(tǒng)也會受到影響，干擾因素不斷加大導(dǎo)致子系統(tǒng)相繼崩潰，可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰[8]。航站樓滯留旅客疏散系統(tǒng)崩潰表現(xiàn)為航站樓內(nèi)擁擠不堪、排隊時間過長、發(fā)生旅客擾亂行為等。

三、航站樓滯留旅客疏散路徑分析

各子系統(tǒng)的疏散效率和擁堵程度大小，是決定整個疏散系統(tǒng)能否高效運行的核心。在航站樓滯留旅客應(yīng)急疏散模型中，根據(jù)航站樓旅客疏散的特點，容易引發(fā)擁堵的節(jié)點列為障礙物點，即為行李提取轉(zhuǎn)盤、值機柜臺及最后的交通疏散口，這些節(jié)點即為關(guān)鍵節(jié)點。每個關(guān)鍵節(jié)點所在子系統(tǒng)在一定容量內(nèi)不會發(fā)生擁堵，一旦超過該容量擁堵就會突顯，每個關(guān)鍵節(jié)點容量大小用擁堵因子表示。當其中一個發(fā)生擁堵時，將影響到整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)程度，機場管理者需要對航站樓內(nèi)聚集的旅客進行有效疏散，為避免擁堵，引發(fā)疏散系統(tǒng)癱瘓，因此找到合適的、高效的疏散路徑尤為重要。

根據(jù)旅客行李托運的情況，將航站樓滯留旅客疏散路徑分為兩類：

1.有行李托運退改簽旅客疏散路徑：行李已經(jīng)托運的旅客，需前行至航班到達層行李轉(zhuǎn)盤處取回行李，再前行至出發(fā)層柜臺進行機票退改簽，然后根據(jù)航空公司安排或旅客自行意愿前行至出口乘坐交通工具。

2.無行李托運退改簽旅客疏散路徑：未進行行李托運的旅客，只需前行至出發(fā)層柜臺進行機票退改簽，然后根據(jù)航空公司安排或旅客自行意愿前行至出口乘坐交通工具。

在航站樓應(yīng)急疏散流程中，從登機口到各疏散點有一定流程。航站樓疏散流程圖如圖2所示。

圖2 航站樓滯留旅客應(yīng)急疏散流程圖

四、改進蟻群算法在航站樓旅客疏散路徑規(guī)劃中的應(yīng)用

（一）改進的蟻群算法原理

傳統(tǒng)的蟻群算法是在螞蟻尋求實物的過程中，通過信息素的濃度不斷加強或是減少，螞蟻與螞蟻之間的交流直接追尋信息濃度進行路徑辨識，經(jīng)過多次選擇路徑，最終根據(jù)信息素濃度的大小螞蟻尋找到最優(yōu)路徑，然后將食物沿最優(yōu)路徑搬回。傳統(tǒng)蟻群算法中，算法初期每個節(jié)點的重要性都等同，算法核心在于根據(jù)信息素濃度的大小尋找下一個節(jié)點，每個節(jié)點的信息素濃度因螞蟻的聚集程度不同而不同。

在利用蟻群算法模擬航站樓滯留旅客疏散路徑時，將傳統(tǒng)蟻群算法進行改進，改進蟻群算法不僅要考慮該算法是單向有效，螞蟻不會回到原點，還需考慮復(fù)雜系統(tǒng)存在脆性特征，在關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置擁堵閾值，即擁堵因子W（列向量常數(shù)）。當關(guān)鍵節(jié)點信息素濃度在閾值內(nèi)，螞蟻根據(jù)信息素濃度選擇該節(jié)點，當節(jié)點信息素濃度大于閾值，該節(jié)點發(fā)生擁堵，則重新選擇新的關(guān)鍵節(jié)點。改進蟻群算法與傳統(tǒng)蟻群算法的對比如表1所示。

表1 改進蟻群算法和傳統(tǒng)蟻群算法的不同點

（二）改進蟻群算法在航站樓應(yīng)急疏散系統(tǒng)中的應(yīng)用

在算法的初始時刻，設(shè)置擁堵因子W（列向量常數(shù)），m個旅客處在登機口s點，首先判斷是否有行李，根據(jù)判定的結(jié)果將每個旅客可能前往的目標編號存放在禁忌表中。此時，各路徑上的信息素濃度大小相等，即信息素濃度初始值 τ（i，j）=C（常數(shù)）。然后，每個旅客根據(jù)路徑上實時的信息素濃度和啟發(fā)式信息獨立地選擇下一個目標點。第m個旅客從目標點i轉(zhuǎn)移到目標點j的概率pk（i，j），具體公式為[4]：

其中：允許第m個旅客未選擇的頂點集合為Jk（i）；τ（i，j）為路徑 ＜i，j＞ 上的信息素濃度，用一個非常小的正常數(shù)作為初值；η（i，j）為啟發(fā)式信息，又稱自啟發(fā)因子，描述從目標點i到j(luò)的期望程度；η（i，j）為能見度；參數(shù) α 為信息素的加權(quán)值，主要定義為信息素濃度對疏散路徑的相對重要程度，設(shè)α＞0；參數(shù)β為能見度加權(quán)值，主要定義為啟發(fā)式信息對疏散路徑的相對重要程度，設(shè)β＞0。

其中 d（i，j）是 i、j兩點的距離。

利用判定行走的路線，選取信息素最強的點作為下一步行走的目標，即：

當 τ（i，j）＞W(wǎng)（i，j）時，則該關(guān)鍵節(jié)點發(fā)生擁堵，重新選擇關(guān)鍵節(jié)點。其中W（i，j）是航站樓關(guān)鍵節(jié)點的擁堵因子。

當m個旅客完成一次行走，每條邊上的信息素濃度都會減少，設(shè)定變量 ρ，1-ρ（0＜ρ＜1）表示信息素濃度的揮發(fā)系數(shù)，所有旅客完成一次行走后，信息素值將會更新，具體公式如下：

其中：Δτk為信息素濃度變化量。在k個旅客完成一次行走后，計算出旅客行走的距離得到Lk。Q為信息增強系數(shù)，一般為一個常量。

五、實例驗證

（一）坐標數(shù)據(jù)獲取

利用全站儀對航站樓行李提取轉(zhuǎn)盤、值機柜臺、交通疏散口等障礙物地理位置進行測量，獲取各障礙物相對位置坐標。

（二）算法步驟

（1）初始化參數(shù)，根據(jù)航站樓地圖數(shù)據(jù)，確定螞蟻初始的位置點S、障礙物位置B及出口位置E，并將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成矩陣，設(shè)定信息素濃度τ（i，j）初始值；

（2）將螞蟻當前的位置添加至禁忌表，開始迭代，螞蟻走過的位置點添加到禁忌表中；

（3）通過判定信息素濃度大小，確定行走的方向；

（4）每只螞蟻完成一次行走后，計算每條邊上信息素增量；

（5）設(shè)置信息素濃度閥值，當信息素濃度高于閾值時，關(guān)鍵節(jié)點添加至禁忌表，重新選擇關(guān)鍵節(jié)點；

（6）完成設(shè)置的迭代次數(shù)，輸出結(jié)果。

（三）仿真驗證

（1）結(jié)合深圳機場航站樓實際情況，以旅客公交轉(zhuǎn)運為例，進行航站樓滯留旅客疏散路徑驗證。選取深圳機場地服代理的航空公司的應(yīng)急疏散情況，發(fā)生航站樓滯留人員應(yīng)急疏散時，深圳機場地服代理退改簽柜臺一般開放4個，行李轉(zhuǎn)盤一般啟用2個，共有7個出口，共計7處轉(zhuǎn)運地點。本文將深圳機場航站樓二維圖按照比例尺抽象至一個35*35的像素平面圖，將行李提取、退改簽柜臺等視為障礙物，并在圖中標記障礙物的相對位置。具體如圖3所示。

圖3 深圳機場航站樓抽象示意圖

（2）對疏散口、值機柜臺及行李轉(zhuǎn)盤設(shè)立擁堵因子即信息素濃度的閥值。閾值設(shè)置標準：為保證程序順利運行，對具有同樣使用功能關(guān)鍵節(jié)點，設(shè)置相同的閾值，同樣使用功能節(jié)點越多，閾值選擇相對較小的常數(shù)，反之則選擇較大的常數(shù)。如深圳機場航站樓疏散口有7處，旅客可選擇余度較大，擁堵因子設(shè)置為3，相對地，航站樓滯留旅客疏散時行李提取轉(zhuǎn)盤開放2個，選擇擁堵因子值為7。具體如表2、表3所示。

表2 疏散口擁堵因子設(shè)置表

表3 值機柜臺和行李轉(zhuǎn)盤擁堵因子設(shè)置表

取200個螞蟻開始迭代，根據(jù)仿真結(jié)果得到各個疏散點信息素強度，具體如表4、表5、表6所示。

表4 疏散口信息素濃度最高值

表5 值機柜臺信息素濃度最高值

表6 行李轉(zhuǎn)盤信息素濃度最高值

（3）根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，在各個節(jié)點信息素濃度小于各節(jié)點擁堵因子，在閾值范圍內(nèi)，得出該次應(yīng)急疏散的最優(yōu)路徑和最不擁堵路徑，如表7所示。

表7 最優(yōu)路徑和最不擁堵路徑

六、結(jié)論

文章從復(fù)雜系統(tǒng)的脆性出發(fā)，提出改進蟻群算法，在各個關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置擁堵因子，即各關(guān)鍵節(jié)點信息素濃度閾值，通過迭代計算各個關(guān)鍵節(jié)點信息素的濃度，與擁堵因子相比較，避開擁堵節(jié)點，較好地避免了因系統(tǒng)脆性導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的可能性，為后續(xù)應(yīng)急疏散研究提供一定的理論基礎(chǔ)。在類似航站樓應(yīng)急疏散路徑選擇上，最優(yōu)路徑的選擇不僅需要從最短路徑考慮，同時還需要考慮系統(tǒng)的脆性，得到的最優(yōu)路徑是一條在保障效率的基礎(chǔ)上，避免因為某個節(jié)點或子系統(tǒng)擁堵激發(fā)整個系統(tǒng)脆性的最優(yōu)路徑。