張光遠(yuǎn) ，胡 悅 ，胡 晉1，，杜靜霜

ZHANG Guangyuan1，2, HU Yue1，2, HU Jin1，2, DU Jingshuang1，2

（1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸 智能化國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

大型客運(yùn)站大廳的檢票排隊(duì)時(shí)長是秩序水平的重要評判標(biāo)準(zhǔn)，無紙質(zhì)車票的推廣提高了大型客運(yùn)樞紐車站的人員運(yùn)輸效率、節(jié)省了物料人力，是鐵路檢票系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。無紙質(zhì)檢票進(jìn)入站臺的過程中仍然有流程不成熟、旅客不適應(yīng)、臨時(shí)身份證不識別、機(jī)器故障、出站閘機(jī)不能檢身份證、小規(guī)?？驼拘枰褂密嚻边M(jìn)站等問題，對檢票過程造成一定的不利影響，因而優(yōu)化檢票過程、加強(qiáng)旅客引導(dǎo)、降低機(jī)器故障率十分重要?，F(xiàn)有的鐵路客運(yùn)站檢票系統(tǒng)研究，旅客分布[1-2]、客運(yùn)站仿真[3-4]、檢票口通過能力[5-6]、閘機(jī)布置[2，5]、 檢票排隊(duì)模型[2，7]的研究已經(jīng)較為成熟，目前還沒有對無紙質(zhì)檢票時(shí)間和模型進(jìn)行研究。因此，針對客運(yùn)檢票現(xiàn)場人員臨時(shí)調(diào)配緊張、檢票不規(guī)范等問題需要進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，計(jì)算閘機(jī)服務(wù)時(shí)間分布，基于排隊(duì)論，結(jié)合AnyLogic 仿真建模提出檢票口檢票時(shí)間算法并驗(yàn)證，同時(shí)計(jì)算無紙質(zhì)和紙質(zhì)檢票閘機(jī)檢票口的檢票時(shí)間并進(jìn)行比較研究，對閘機(jī)開放、人員安排和現(xiàn)場工作進(jìn)行優(yōu)化。

1 無紙質(zhì)檢票時(shí)間數(shù)據(jù)的采集與分析

1.1 無紙質(zhì)檢票系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

旅客通過網(wǎng)上購票購得的車票為“電子票”，在支持電子客票檢票的檢票口即可使用電子客票乘車[8]，無需使用紙質(zhì)車票。西南某客運(yùn)站使用2 種可以進(jìn)行無紙質(zhì)檢票的檢票閘機(jī)，一種支持身份證和紙質(zhì)車票檢票，一種支持身份證和二維碼檢票。旅客無紙質(zhì)檢票流程如圖1 所示，旅客使用身份證或手機(jī)、車票上的二維碼進(jìn)行檢票，將身份證或二維碼放置在檢票閘機(jī)的識別區(qū)域，閘機(jī)識別成功后閘門打開，旅客通過閘機(jī)，完成單次無紙質(zhì)檢票。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，對于二維碼檢票，存在旅客不適應(yīng)，配套設(shè)施不成熟，老年旅客不方便查詢票面信息、依賴工作人員指導(dǎo)使用等問題；對于身份證檢票，存在部分旅客在身份證、紙質(zhì)車票兩用閘機(jī)使用紙質(zhì)車票、身份證識別失敗以及無法識別臨時(shí)身份證等問題。

圖1 旅客無紙質(zhì)檢票流程Fig.1 Process of e-ticket check-in

1.2 旅客到達(dá)分析

旅客到達(dá)分布函數(shù)是仿真行人流、計(jì)算檢票時(shí)間的必要參數(shù)，通過建立候車區(qū)仿真模型應(yīng)對旅客在檢票前提前到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行分布擬合[2]。

（1）旅客到達(dá)數(shù)據(jù)。抽樣統(tǒng)計(jì)2019 年7 月西南某鐵路客運(yùn)站部分車次的旅客到達(dá)情況，對距檢票開始不同時(shí)間的旅客到達(dá)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算其與最終檢票的總?cè)藬?shù)之間的比例關(guān)系，檢票前的旅客到達(dá)比如表1 所示。

表1 檢票前的旅客到達(dá)比Tab.1 Passenger arrival rate before check-in

（2）旅客到達(dá)分布函數(shù)。根據(jù)函數(shù)擬合得出旅客累積到達(dá)分布與負(fù)指數(shù)分布類似。將旅客到達(dá)人數(shù)轉(zhuǎn)換為百分比，使用MATLAB 進(jìn)行分布函數(shù)擬合，得出旅客到達(dá)過程服從泊松分布，旅客累積到達(dá)率服從%/min 的負(fù)指數(shù)分布，旅客到達(dá)分布圖如圖2 所示。

圖2 旅客到達(dá)分布圖Fig.2 Passenger arrival distribution

1.3 無紙質(zhì)檢票時(shí)間分析

列車開始檢票時(shí)間的確定需要綜合發(fā)車時(shí)間、檢票口檢票時(shí)間和旅客從檢票口到站臺的時(shí)間，其中檢票口檢票時(shí)間難以量化，是確定列車開始檢票時(shí)間的關(guān)鍵。無紙化檢票閘機(jī)的檢票速度主要取決于電子客票信息讀取和反饋速度、旅客對檢票閘機(jī)的熟悉程度和閘機(jī)性能(如閘門開啟速度)[8-9]。分別采集旅客單次檢票時(shí)間和檢票口檢票總時(shí)間，對單次檢票時(shí)間分布進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，其結(jié)果用于仿真建模[10-13]，最后利用檢票口檢票總時(shí)間驗(yàn)證模型的正確性。

對該站具有一般性的車次的單個(gè)檢票口進(jìn)行計(jì)時(shí)和通過旅客數(shù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場調(diào)研時(shí)僅對通過閘機(jī)的旅客進(jìn)行計(jì)數(shù)。調(diào)查的車次中，非城際列車檢票開始的時(shí)間為發(fā)車前15 ～ 20 min；城際列車檢票開始時(shí)間為發(fā)車前10 min。所有檢票口開放時(shí)均有工作人員在檢票口附近解決檢票問題。高速鐵路列車在發(fā)車前2 min 停止檢票，其他列車在發(fā)車前 3 min 停止檢票。根據(jù)現(xiàn)場觀測，檢票工作應(yīng)在發(fā)車前5 min 基本完成，部分車次無紙質(zhì)檢票時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2 所示，其中無紙質(zhì)檢票平均識別失敗率8.51%，識別失敗平均延誤閘機(jī)使用時(shí)間12.18 s。

表2 部分車次無紙質(zhì)檢票時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Information of ticket checking for part of intercity trains

對單個(gè)旅客的檢票服務(wù)進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)從旅客到達(dá)閘機(jī)且閘機(jī)可使用閘機(jī)時(shí)起，至閘機(jī)可被下一位乘客使用時(shí)止。由于2 種無紙質(zhì)檢票方式通常進(jìn)行混合使用，且檢票操作相似，故不進(jìn)行區(qū)分統(tǒng)計(jì)。共記錄單次無紙質(zhì)檢票時(shí)間有效數(shù)據(jù)650 個(gè)，分布在[0.5，4.0]區(qū)間的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為606 個(gè)，分布集中在1.9 s /人，單次無紙質(zhì)檢票時(shí)間分布如圖3所示；分布在[4.0，+∞)區(qū)間的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為44 個(gè)，為閘機(jī)無法識別等服務(wù)機(jī)構(gòu)故障，已有對閘機(jī)檢票服務(wù)時(shí)間的研究[1]多數(shù)采用正態(tài)分布或平均分布擬合，根據(jù)對樣本分布直方圖的分析得出樣本分布與正態(tài)分布類似，可表示為

圖3 單次無紙質(zhì)檢票時(shí)間分布Fig.3 Time distribution of single ID card check-in

式中：μ為檢票時(shí)間的均值；σ為檢票時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差。

使用t 檢驗(yàn)對擬合曲線進(jìn)行可信度檢驗(yàn)，單次無紙質(zhì)檢票時(shí)間分布的t 檢驗(yàn)如圖4 所示，得單次檢票時(shí)間的0.95 的置信區(qū)間為[1.80，2.01] s /次，p-value 為0.73 ＞ 0.5，接受假設(shè)，即無紙質(zhì)檢票時(shí)間服從的正態(tài)分布。

圖4 單次無紙質(zhì)檢票時(shí)間分布的t 檢驗(yàn)Fig.4 T-test of time distribution of single ID card check-in

2 基于AnyLogic的無紙檢票時(shí)間仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 基于AnyLogic仿真平臺的建模方法

AnyLogic 是一款常應(yīng)用于行人交通仿真的建模和仿真軟件，其行人庫是一個(gè)行人仿真及人群分析工具，可模擬“真實(shí)”環(huán)境中的人流，適用于鐵路和鐵路樞紐規(guī)劃。使用AnyLogic 行人仿真模型有助于評估設(shè)施對實(shí)際計(jì)劃的負(fù)荷能力。通過采用AnyLogic 軟件建立仿真模型，用于計(jì)算檢票時(shí)間，模型中旅客按照社會力模型進(jìn)行移動[14]，分析當(dāng)前環(huán)境中的最短路徑，避免與其他物體相撞，移動過程為馬爾科夫過程。

使用AnyLogic 行人庫建立候車大廳及檢票閘機(jī)仿真模型的步驟如下。

（1）繪制仿真環(huán)境。根據(jù)候車大廳的構(gòu)造情況繪制墻體、檢票口和候車區(qū)。

（2）構(gòu)建旅客行為邏輯圖。根據(jù)候車大廳中旅客的行為流程（包括旅客產(chǎn)生、等待、排隊(duì)行為和時(shí)間先后關(guān)系）連接行程邏輯圖。

（3）設(shè)置參數(shù)。根據(jù)無紙質(zhì)檢票數(shù)據(jù)的分析結(jié)果設(shè)置旅客產(chǎn)生速率、運(yùn)動速度、發(fā)車時(shí)間、排隊(duì)方式和檢票時(shí)間參數(shù)。

（4）輸入變量旅客人數(shù)，求解模型，得到排隊(duì)過程仿真動畫和排隊(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)。

2.2 仿真物理模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置

（1）使用Anylogic 繪制候車大廳物理模型，候車大廳為旅客可以進(jìn)入并進(jìn)行等待的區(qū)域，圍欄為不可穿過的墻面。候車大廳布置與人員排隊(duì)情況參考該站實(shí)際情況設(shè)置，在檢票口前設(shè)置轉(zhuǎn)彎圍欄，檢票模型平面布置如圖5 所示，其中紅色實(shí)線為不可穿越的墻體，綠色虛線為可穿越的候車區(qū)域，檢票口處的綠色短線為無紙質(zhì)檢票閘機(jī)或檢票人員。

圖5 檢票模型平面布置Fig.5 Plane layout of check-in model

（2）使用AnyLogic 排隊(duì)模型模擬檢票口排隊(duì)情況，待檢票旅客選擇最短隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，參照常規(guī)客運(yùn)站檢票口對檢票設(shè)施進(jìn)行布置，采用3 或4臺檢票閘機(jī)和0 或1 名檢票工作人員，根據(jù)不同車次檢票時(shí)的具體使用情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真模型中旅客到達(dá)和閘機(jī)服務(wù)時(shí)間的參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

表3 仿真模型參數(shù)設(shè)置Tab.3 Simulation model parameters

2.3 無紙質(zhì)檢票仿真模型求解和檢驗(yàn)

無紙質(zhì)檢票排隊(duì)仿真運(yùn)行過程如圖6 所示，由于模型中的旅客自動選擇最短路徑，因此旅客大多滯留在圍欄轉(zhuǎn)彎處內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)彎處外側(cè)則無旅客滯留。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M無紙質(zhì)檢票情況驗(yàn)證模型的正確性挑選具有一般性的車次進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)⑴模擬車次C6127 的檢票情況，模型設(shè)置旅客242 人，無紙質(zhì)檢票閘機(jī)4 臺。實(shí)驗(yàn) ⑵ 模擬車次C6129 的檢票情況，模型設(shè)置旅客142 人，無紙質(zhì)檢票閘機(jī)4臺。實(shí)驗(yàn) ⑶ 模擬車次C6167 的檢票情況，模型設(shè)置旅客118 人，無紙質(zhì)檢票閘機(jī)4 臺，試驗(yàn)方案仿真結(jié)果如表4 所示。

圖6 無紙質(zhì)檢票排隊(duì)仿真運(yùn)行過程Fig.6 Queuing simulation

由仿真結(jié)果和采集數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場檢票時(shí)間處于仿真結(jié)果的95%置信區(qū)間內(nèi)，該仿真模型能正確求解檢票時(shí)間。

2.4 無紙質(zhì)檢票時(shí)間仿真結(jié)果分析

仿真求解設(shè)置不同閘機(jī)數(shù)量的無紙質(zhì)檢票口的檢票時(shí)間，分析在檢票閘機(jī)數(shù)量確定時(shí)，檢票時(shí)間與旅客數(shù)的關(guān)系。對旅客數(shù)和檢票時(shí)間平均值進(jìn)行函數(shù)擬合，得到檢票時(shí)間與旅客數(shù)的線性擬合結(jié)果如圖7 所示。

檢票時(shí)間與旅客數(shù)的線性擬合殘差如圖8 所示，在旅客數(shù)少于100 時(shí)殘差值較大，旅客數(shù)超過100時(shí)殘差值在[-20，20]區(qū)間內(nèi)，且分布無序，擬合程度良好，可反應(yīng)檢票時(shí)間與旅客數(shù)之間的關(guān)系。

表4 實(shí)驗(yàn)方案仿真結(jié)果Tab.4 Simulation result of experimental scheme (1)

圖7 檢票時(shí)間與旅客數(shù)的線性擬合結(jié)果Fig.7 Linear fitting results of check-in time and number of passengers

圖8 檢票時(shí)間與旅客數(shù)線性擬合殘差Fig.8 Linear fitting residual of check-in time and the number of passengers

3 檢票時(shí)間比較及檢票設(shè)施安排

3.1 紙質(zhì)與無紙質(zhì)檢票口檢票時(shí)間比較

使用MATLAB 對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)時(shí)間分布函數(shù)擬合得出單次人工檢票時(shí)間服從[0.8，2.2]的均勻分布；單次車票閘機(jī)檢票時(shí)間服從的正態(tài)分布；單次無紙質(zhì)檢票時(shí)間服從的正態(tài)分布。使用上述參數(shù)，進(jìn)行AnyLogic 仿真求解得到常規(guī)檢票口閘機(jī)布置狀況下的檢票時(shí)間，仿真求解得出的檢票口檢票時(shí)間如表5 所示，表5 中的旅客數(shù)為單個(gè)檢票口的旅客數(shù)。

表5 檢票口檢票時(shí)間Tab.5 Check-in time of gate

仿真結(jié)果顯示，旅客數(shù)相同時(shí)，無紙質(zhì)檢票較有紙質(zhì)檢票所需檢票時(shí)間減少13.76% ～ 28.69%，紙質(zhì)車票檢票所需時(shí)間為無紙質(zhì)檢票所需時(shí)間的1.2 倍以上，隨著檢票人數(shù)的增加，紙質(zhì)車票檢票時(shí)間穩(wěn)定在無紙質(zhì)檢票時(shí)間的1.3 倍。

紙質(zhì)檢票口在旅客數(shù)超過500 時(shí)需要安排人工檢票員，在旅客數(shù)超過800 時(shí)需要安排2 名人工檢票員；無紙質(zhì)檢票口在旅客數(shù)超過600 時(shí)需要安排人工檢票員，在旅客數(shù)超過1 000 時(shí)需要安排2 名人工檢票員。無紙質(zhì)檢票對人工檢票員的需求較低。在候車大廳旅客分布上，紙質(zhì)車票和無紙質(zhì)車票旅客的總體分布較為接近，紙質(zhì)車票旅客在排隊(duì)區(qū)域分布較無紙質(zhì)旅客更分散，旅客密度更大。

3.2 檢票設(shè)施安排分析

（1）根據(jù)仿真結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)研，單個(gè)檢票口待檢票旅客超過400 人時(shí)，應(yīng)盡量安排在僅可進(jìn)行無紙質(zhì)檢票的檢票口進(jìn)行檢票，在旅客數(shù)超過600 人的檢票口安排人工檢票，確保檢票按時(shí)完成。

（2）無紙質(zhì)檢票操作較紙質(zhì)車票檢票更簡單易行，對人工檢票員的需求較低，現(xiàn)場工作人員可于多個(gè)檢票口間移動解決檢票問題，以緩解工作人員調(diào)配緊張。

（3）可使用無紙質(zhì)檢票的部分乘客進(jìn)站前仍選擇取票，一是規(guī)模較小的車站無人臉識別系統(tǒng)，二是車票有輔助記憶車次信息、用于報(bào)銷等用途。在身份證、車票兩用檢票閘機(jī)前，仍有旅客先嘗試使用車票檢票，目前二維碼、身份證兩用檢票閘機(jī)必須有工作人員指導(dǎo)使用。應(yīng)盡快普及無紙質(zhì)檢票相關(guān)設(shè)施，加大對無紙質(zhì)檢票的宣傳力度，引導(dǎo)旅客進(jìn)行無紙質(zhì)檢票。

4 研究結(jié)論

（1）檢票時(shí)間的量化對旅客疏導(dǎo)、檢票口和工作人員安排起關(guān)鍵作用，通過對無紙質(zhì)檢票時(shí)間數(shù)據(jù)的采集、擬合和K-S 檢驗(yàn)，得出單次無紙質(zhì)檢票時(shí)間的分布服從的正態(tài)分布。基于檢票時(shí)間分布，構(gòu)建基于AnyLogic 仿真平臺的旅客檢票仿真模型，求解并驗(yàn)證模型，擬合無紙質(zhì)檢票所需總時(shí)間與旅客人數(shù)的線性關(guān)系。

（2）根據(jù)車站的常規(guī)閘機(jī)布置模式，建立紙質(zhì)車票檢票和無紙質(zhì)檢票的仿真模型，求解得出與紙質(zhì)檢票相比，無紙質(zhì)檢票時(shí)間減少13.76%以上，基于仿真結(jié)果給出閘機(jī)數(shù)量和人員安排，為車站的管理及客流組織優(yōu)化提供數(shù)據(jù)及模型支持。

（3）針對檢票時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，對旅客個(gè)體、車站和檢票閘機(jī)型號、布置等實(shí)際情況進(jìn)行了簡化，但由于實(shí)際的旅客流線、檢票設(shè)施布局及工作人員部署的復(fù)雜性，還應(yīng)通過其他相關(guān)數(shù)學(xué)模型對車站檢票設(shè)施布置、人員流動特征等信息細(xì)化，實(shí)現(xiàn)對無紙質(zhì)檢票模式下的設(shè)施及人員布置方案系統(tǒng)的優(yōu)化。