楊 棟，朱建生，唐 雯

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

0 引言

鐵路客運車站、旅客列車是人員密集場所，其安全檢查一直是我國鐵路客運、公安部門關(guān)注的重點。鐵路旅客安檢是鐵路有關(guān)部門為了及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，預(yù)防各類事故的發(fā)生，確?？瓦\站車公共安全，而依法對旅客人身及其攜帶物品和托運物品等進(jìn)行的安全檢查[1-2]。目前，鐵路車站對旅客攜帶品的安檢方式如下：旅客將攜帶品放置在X射線安檢儀上，安檢儀對攜帶品進(jìn)行實時成像，生成偽彩色安檢圖像，值機員通過觀察偽彩色安檢圖像，以判斷是否有疑似禁限物品，若發(fā)現(xiàn)疑似禁限物品，則通知附件的處置人員進(jìn)行開包檢查，以核查判斷是否存在禁限物品[3-4]。既有的安檢模式存在安檢人員工作效率不高、人員浪費的問題，即不論一個車站一天開行多少列車，不論旅客發(fā)送量多少，至少需啟動1個安檢通道，配置1名值機員進(jìn)行判圖作業(yè)[5]。在實際作業(yè)中，車站啟動的安檢通道通常為2個甚至更多，且存在多班組換班作業(yè)，值機員人力開銷更大。

2022年1 月，中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)科技和信息化部《關(guān)于印發(fā)旅客運輸安全檢查系統(tǒng)總體技術(shù)方案評審意見的通知》，開啟了鐵路安檢信息化、智能化建設(shè)的序幕。旅客運輸安全檢查系統(tǒng)總體技術(shù)方案中明確了鐵路安檢集中判圖的技術(shù)路線，通過建設(shè)安檢集中判圖系統(tǒng)，采用“大站帶小站”的安檢作業(yè)模式，解決現(xiàn)有作業(yè)模式下值機員人力浪費的問題。集中判圖是一種全新的安檢作業(yè)模式，通過在中心站建立集中判圖室，將代管站的安檢值機員集中至中心站；再結(jié)合智能調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)安檢判圖任務(wù)的實時調(diào)度和分配，解決傳統(tǒng)安檢模式下一個值機員只能處理1臺安檢儀判圖任務(wù)的的問題，實現(xiàn)安檢值機員判圖作業(yè)的減員增效。地鐵[6-7]、民航[8-10]領(lǐng)域已開展了網(wǎng)絡(luò)化判圖和集中判圖的相關(guān)研究，為實現(xiàn)鐵路安檢集中判圖，需結(jié)合現(xiàn)場情況詳細(xì)設(shè)計系統(tǒng)機構(gòu)、深入分析業(yè)務(wù)流程，并對智能調(diào)度這一關(guān)鍵技術(shù)開展深入研究。

1 集中判圖系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過將安檢儀接入安全生產(chǎn)網(wǎng)，并基于智能調(diào)度服務(wù)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中判圖，集中判圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在圖1 中，中心站是指區(qū)域性的中心車站，通?？土鬏^大；代管站是指被中心站代管相關(guān)客運業(yè)務(wù)的車站[11]。在中心站的信息機房新增調(diào)度服務(wù)器，部署智能調(diào)度服務(wù)；在中心站建立集中判圖室，并配置判圖終端；在車站安檢通道，將安檢儀接入安全生產(chǎn)網(wǎng)。代管站的安檢通道產(chǎn)生判圖任務(wù)后，將安檢儀產(chǎn)生的安檢圖像通過安全生產(chǎn)網(wǎng)發(fā)送至調(diào)度服務(wù)器(中心站本站的安檢圖像通過局域網(wǎng)發(fā)送至調(diào)度服務(wù)器)。通過調(diào)度服務(wù)器的智能調(diào)度，將判圖任務(wù)分配給空閑的值機員。值機員對安檢圖像進(jìn)行實時判定處置后，將判圖結(jié)果、語音提示返回至處置臺。

1.2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計

安檢集中判圖是一種全新的作業(yè)模式，改變既有安檢作業(yè)方式，主要涉及用戶為值機員和處置員[12]。既有作業(yè)模式下，每個安檢通道均配備1 名值機員和處置員，分別負(fù)責(zé)這一安檢通道的判圖工作和開包處置工作，2 人可面對面溝通，進(jìn)行開包核驗和禁限物品處置[13]。在集中判圖模式下，主要帶來以下3 點變化：①值機員在中心站的集中判圖室遠(yuǎn)程實時判圖，通過建立集中判圖室，采用大站帶小站的模式，將管轄范圍內(nèi)安檢通道的值機員集中至中心站的集中判圖室，值機員不再對應(yīng)單一特定的安檢儀，而是可根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)度接收到管內(nèi)所有安檢儀的安檢圖像；②值機員在完成判圖任務(wù)后，需在集中判圖系統(tǒng)中給出判圖結(jié)論，即處置或放行，若發(fā)現(xiàn)疑似禁限物品還需在安檢圖像中對禁限物品位置進(jìn)行標(biāo)記，并錄制提示語音；③處置員無法與值機員進(jìn)行面對面溝通，需通過處置終端展示的安檢圖像、實物圖像以及提示語音進(jìn)行開包核驗?；谏鲜龇治?，設(shè)計值機員和處置員的作業(yè)流程如圖2所示。

1.3 安檢通道配套設(shè)施

為滿足鐵路安檢集中判圖作業(yè)要求，需對安檢通道的配套設(shè)施進(jìn)行改造升級。

（1）在安檢儀出口的傳送帶旁，新增護欄，防止旅客提前拿走行李。與既有安檢模式相比，集中判圖系統(tǒng)在判圖和交互中會產(chǎn)生延遲，延遲來自安檢圖像發(fā)熱網(wǎng)絡(luò)傳輸、安檢圖像完全掃描后成像、判圖結(jié)果回傳3個方面。安檢圖像采用列數(shù)據(jù)傳輸模式，即產(chǎn)生一定列數(shù)的掃描數(shù)據(jù)后打包傳輸，在百兆帶寬下，單個數(shù)據(jù)包設(shè)計傳輸延時小于200 ms。包裹在完全通過安檢儀掃描后，才會在判圖終端生成一幅完整的安檢圖像。單個包裹長度通常不大于1 m，在傳送帶速度為0.2 m/s的條件下，會帶來5 s的圖像生成延時。通過回傳有問題安檢圖像的序號實現(xiàn)結(jié)果回傳，減少數(shù)據(jù)量，設(shè)計傳輸延時小于100 ms。綜上，整個判圖過程額外產(chǎn)生的延遲為5.3 m，按照0.2 m/s 的傳送帶速度計算，集中判圖延遲帶來的包裹向后多移動距離不大于1.06 m，需增加護欄，防止旅客提前拿走包裹。

（2）在處置終端新增包圖關(guān)聯(lián)顯示，方便處置員快速尋找需要開包的包裹。在值機員發(fā)現(xiàn)禁限物品時，和處置員進(jìn)行遠(yuǎn)程交互，處置員尋找需要開包的包裹并進(jìn)行處置。為提高交互效率，便于處置員快速尋找到待開包的包裹，需增加包圖關(guān)聯(lián)顯示。通過抓拍包裹的實物圖像，并將安檢圖像和實物圖像進(jìn)行一一對應(yīng)，方便處置員根據(jù)實物圖像快速找到待開包的包裹，包圖關(guān)聯(lián)技術(shù)方案如圖3 所示。在安檢儀出口處上方加裝攝像頭，用于獲取實物圖像；對安檢儀軟件進(jìn)行升級，用于獲取傳送帶的狀態(tài)信息，并獲取安檢圖像及生成時間；在處置臺終端部署包圖關(guān)聯(lián)程序，實現(xiàn)包圖關(guān)聯(lián)。

圖3 包圖關(guān)聯(lián)技術(shù)方案Fig.3 Technology solution of package and image association

（3）增加安檢狀態(tài)展示，方便引導(dǎo)員引導(dǎo)旅客安檢。車站現(xiàn)場情況復(fù)雜，在大客流、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等情況下，可能會產(chǎn)生判圖不及時，影響旅客安檢的情況。為解決上述問題，需增加安檢狀態(tài)展示，如增加報警燈或狀態(tài)顯示屏幕等方式，指示當(dāng)前安檢通道是否可以正常安檢。在遠(yuǎn)程判圖任務(wù)發(fā)生排隊或現(xiàn)場處置任務(wù)發(fā)生排隊時，安檢狀態(tài)展示為需等待，引導(dǎo)員根據(jù)安檢狀態(tài)提示，引導(dǎo)旅客等待安檢。

2 智能調(diào)度技術(shù)

在集中判圖系統(tǒng)中，智能調(diào)度服務(wù)部署于調(diào)度服務(wù)器，功能是對不同安檢儀輸入的安檢圖像進(jìn)行實時調(diào)度，分配給合適且空閑的值機員。因此，智能調(diào)度技術(shù)需要解決2 個核心問題：①判圖任務(wù)應(yīng)當(dāng)分配調(diào)度給哪一個值機員；②在兼顧工作效率和旅客體驗的情況下，應(yīng)當(dāng)有幾個值機員作業(yè)，即值機員的排班問題。

2.1 判圖任務(wù)調(diào)度

判圖任務(wù)調(diào)度的功能是將數(shù)個安檢儀產(chǎn)生的安檢圖像調(diào)度分配給數(shù)個值機員，判圖任務(wù)在安檢儀產(chǎn)生，在值機員判圖后完成。分析旅客進(jìn)站安檢流程，旅客進(jìn)站并將攜帶品放置于安檢儀，攜帶品通過安檢儀，產(chǎn)生判圖任務(wù)，安檢人員判圖并處置后，旅客進(jìn)入候車區(qū)。故對旅客來說有幾個重要的時間概念，分別是旅客到達(dá)車站安檢通道的時間(以下簡稱“到達(dá)時間”)；旅客開始接受安檢的時間(以下簡稱“安檢時間”)，旅客因安檢判圖而排隊等待的時間(以下簡稱“等待時間”)。用集合P表示系統(tǒng)中所有旅客的到達(dá)時間，表達(dá)式為

式中：pji為第j個安檢通道的第i個旅客的到達(dá)時刻；M為系統(tǒng)所接入的安檢通道總數(shù)。

用集合S表示所有旅客的安檢時間，表達(dá)式為

式中：sji為第j個安檢通道的第i個旅客的安檢時刻。

用集合W表示所有旅客的等待時間，表達(dá)式為

式中：wji為第j個安檢通道的第i個旅客的等待時間，s。

對于一名旅客，等待時間等于安檢時間減去到達(dá)時間，故由上述定義可得

對旅客而言，盡可能少等待、快速通過安檢，可最大化地保證旅客的乘車體驗，故調(diào)度功能的設(shè)計目標(biāo)為最小化等待時間，即

進(jìn)一步分析旅客進(jìn)站和集中判圖流程可知：為盡可能減少旅客的等待時間，調(diào)度功能應(yīng)采用“先到先分配”的策略，即第一時間將進(jìn)入系統(tǒng)的判圖任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給值機員，若所有的值機員均處于忙碌狀態(tài)，則待有值機員空閑時再將判圖任務(wù)進(jìn)行分配。

2.2 值機員排班

在既有作業(yè)模式下，每臺安檢儀配置1 名值機員。在集中判圖作業(yè)模式下，值機員人數(shù)通常少于安檢儀個數(shù)，產(chǎn)生了值機員排班的問題，即需要預(yù)估每天不同時刻應(yīng)當(dāng)安排幾名值機員作業(yè)。通過上述分析可知，值機員作業(yè)人數(shù)的確定，取決于各安檢通道的旅客人數(shù)。旅客通常會根據(jù)列車時刻表提前到達(dá)車站，提前到站的時間因人而異，但大部分旅客群體性的到達(dá)時間近似服從高斯分布[14-15]，可以此預(yù)測旅客提前到站的時間分布，其概率密度函數(shù)如下。

式中：x為旅客提前到站的時間(以下簡稱“提前時間”)，s，x取值大于0；μ為旅客提前時間的均值，s；σ2為旅客提前時間的方差。

對一趟特定列車，根據(jù)旅客提前時間的概率密度函數(shù)，可預(yù)測指定時間段內(nèi)該趟列車的安檢人數(shù)。

式中：為第i趟列車在t1到t2時間段內(nèi)的安檢人數(shù)，人；N為該趟列車在本站的上車總?cè)藬?shù)，人；t1為預(yù)測時間段起始時間；t2為預(yù)測時間段終止時間。

進(jìn)一步地，可以預(yù)測某一車站或某幾個車站在指定時間段內(nèi)的安檢總?cè)藬?shù)。

式中：Q為預(yù)測時間段內(nèi)所涉及的列車總數(shù)，列。

分析值機員判圖作業(yè)過程，在大量判圖作業(yè)情況下，可近似認(rèn)為值機員的判圖時間均值為固定值，則可預(yù)測特定時間段內(nèi)的值機員作業(yè)人數(shù)。

式中：k為值機員的作業(yè)人數(shù)，人；F為預(yù)測時間段內(nèi)的安檢人數(shù)，人；T為值機員判圖的時間均值，s；α為工作飽和度，表示值機員的工作飽和度，即每分鐘實際任務(wù)數(shù)量和基于判圖時間均值計算出的滿負(fù)荷任務(wù)數(shù)量的比值。

基于公式⑻，可預(yù)測一段時間內(nèi)所需的值機員作業(yè)人數(shù)，時間段越短，預(yù)測精度越高，值機員作業(yè)人數(shù)調(diào)整頻率也越高，但作業(yè)人數(shù)的調(diào)整不能過于頻繁，結(jié)合實際作業(yè)情況，1 h，2 h或4 h換班較為合理。為提高長時間段的預(yù)測精度，對整個預(yù)測時間段再次進(jìn)行分段，分成600 s的1個時段進(jìn)行預(yù)測，作業(yè)人數(shù)取多個分時段預(yù)測作業(yè)人數(shù)的最大值。

式中：ki為第i個600 s時段的作業(yè)人數(shù)預(yù)測值，人；n為根據(jù)換班時間計算出的分時段總數(shù)，個。

例如，對于1 h換班情況而言，每600 s的時段有1 個作業(yè)人數(shù)預(yù)測值，共有6 個不同的預(yù)測值，即n為6。類似地，對于2 h換班和4 h換班的情況，n分別為12和24。

綜上，智能調(diào)度采用“先到先分配”策略，并以600 s 的時間段預(yù)測旅客安檢人數(shù)，再結(jié)合換班時間、工作飽和度確定每個作業(yè)時段內(nèi)的值機員人數(shù)。

3 實驗測試

采用現(xiàn)場實驗和仿真實驗相結(jié)合的方式進(jìn)行測試分析。現(xiàn)場實驗采用車站普遍應(yīng)用的100100 型號安檢儀，通過對軟件進(jìn)行升級改造，以支持集中判圖功能，并測試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸、業(yè)務(wù)交互方面的效果。仿真實驗以京張高速鐵路(北京北—張家口)東花園北站至宣化北站區(qū)段的實際客流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，量化分析系統(tǒng)在旅客等待時間、值機員作業(yè)人數(shù)方面的影響。

3.1 現(xiàn)場實驗

現(xiàn)場實驗采用車站普遍應(yīng)用的100100 型號安檢儀，改造工作如下：①安檢儀接入局域網(wǎng)；②新增處置終端、調(diào)度服務(wù)器、集中判圖終端、攝像頭，并接入局域網(wǎng)，交換機帶寬為百兆；③升級安檢儀軟件，以支持實時輸出安檢圖像列數(shù)據(jù)、安檢圖像生成時間、傳送帶啟停信號；④在調(diào)度服務(wù)器部署集中判圖服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流交互、展示服務(wù)等；⑤在判圖終端通過網(wǎng)頁進(jìn)行集中判圖，并可進(jìn)行開包、放行處置；⑥在處置臺終端實現(xiàn)包圖關(guān)聯(lián)，并根據(jù)判圖終端推送的疑似禁限品安檢圖像編號，關(guān)聯(lián)展示安檢圖像及實物圖像；⑦在安檢通道出口，靠近旅客通過側(cè)設(shè)置護欄，防止旅客提前拿走行李?，F(xiàn)場安檢通道環(huán)境如圖4 所示，判圖終端集中判圖頁面如圖5 所示。在圖4 中，左側(cè)屏幕用于展示包圖關(guān)聯(lián)的結(jié)果，便于處置員根據(jù)關(guān)聯(lián)好的實物圖像和安檢圖像，快速找到需要處置的包裹；右側(cè)屏幕仍保留原始安檢儀畫面的展示。在圖5中，集中判圖終端會實時展示安檢圖像、判圖倒計時，并可選擇開包和放行操作，若選擇開包，則處置終端展示待開包的安檢圖像和關(guān)聯(lián)的實物圖像。

圖5 集中判圖頁面Fig.5 Centralized image recognition page

對關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果如下：安檢圖像數(shù)據(jù)接口設(shè)置單次傳輸70 列掃描數(shù)據(jù)，單個數(shù)據(jù)包傳輸延遲約22 ms。在傳送帶速度為0.2 m/s 的情 況 下， 選 用28 寸大號拉桿箱測試圖像生成延時，完整成像延時約4 s。需開包處置的安檢圖像序號回傳延遲約1 ms。綜上，對于28 寸的大號拉桿箱，集中判圖系統(tǒng)引入的總延時約4.1 s，小于設(shè)計延時。對整個處置流程進(jìn)行分析測試，值機員判圖時間通常為3~7 s，若判圖時間為最大值7 s，則處置員收到待處置任務(wù)時，包裹在安檢儀出口約1.4 m的位置。綜上分析，建議出口處護欄長度不小于1.5 m，防止旅客提前拿走待處置包裹。

3.2 仿真實驗

為進(jìn)一步量化分析旅客等待時間和值機員作業(yè)人數(shù)，對集中判圖系統(tǒng)接入多個車站安檢儀的情況進(jìn)行仿真。

（1）安檢時間生成。京張高速鐵路有北京北站和張家口站2 個中心站，張家口中心站代管東花園北、下花園北、宣化北、懷來4 個車站，且4 個代管站的車次、客流均較少，適宜應(yīng)用集中判圖作業(yè)模式。選取京張高速鐵路下花園北、東花園北、宣化北、懷來4 個車站某日的上車人數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，共39趟列車，其中下花園北站8趟、東花園北站7 趟、宣化北站14 趟、懷來站10 趟，具體上車人數(shù)信息如表1所示。

表1 上車人數(shù)信息Tab.1 Information about passenger number on board information

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，4個車站中，最早到站列車的時刻為7：37，最晚到站列車的時刻為20：14，可近似認(rèn)為所有旅客的到站安檢時間在6：00 至20：14 之間。基于旅客提前到站時間的概率密度函數(shù)，分別模擬生成每趟列車所有旅客的安檢時間，再按車站進(jìn)行合并，得到每個車站所有旅客的安檢時間。實際中，不同列車、不同車站旅客的提前時間均不同，存在較大隨機性，因此，隨機生成每趟列車旅客提前時間的均值和方差。提前時間均值的隨機范圍為1 800~3 000 s，提前時間方差的隨機范圍為600~1 200 。

（2）既有安檢作業(yè)模式。既有安檢作業(yè)模式為每個安檢儀配備1 名值機員，下花園北、東花園北、宣化北、懷來4 個車站的旅客數(shù)量較少，故均按照開啟1 個安檢通道，配置1 名值機員，值機員的判圖時間為7 s 進(jìn)行仿真?；谏鲜鰲l件，對既有安檢作業(yè)模式的旅客等待時間進(jìn)行仿真，重復(fù)進(jìn)行10次實驗，得到既有模式的旅客等待時間如表2所示。

表2 既有模式的旅客等待時間 sTab.2 Passenger waiting time in existing modes

在表2 中，第2 至5 列，分別為下花園北站、東花園北站、宣化北站、懷來站采用既有安檢作業(yè)模式下的旅客等待時間，第6 列為4 個車站旅客的平均等待時間，按照各車站上車旅客數(shù)量進(jìn)行加權(quán)平均。從表2 中可知，既有安檢作業(yè)模式下，下花園北站、東花園北站、宣化北站、懷來站的旅客等待時間均值分別為1.64 s，0.65 s，4.18 s，105.52 s，4 個車站所有旅客等待時間均值為43.22 s，值機員總數(shù)為4人(不考慮換班作業(yè))。

（3）集中判圖作業(yè)模式。對值機員的工作飽和度α和換班時間的不同取值進(jìn)行仿真，研究集中判圖模式下的旅客額外等待時間如表3 所示，集中判圖模式的平均作業(yè)人數(shù)如表4 所示。為便于計算，作業(yè)時間采用6：00—22：00，作業(yè)16 h 進(jìn)行計算，1 h換班時間下，作業(yè)人數(shù)調(diào)整16次；2 h換班時間下，作業(yè)人數(shù)調(diào)整8次；4 h換班時間下，作業(yè)人數(shù)調(diào)整4次。分析表3、表4中的數(shù)據(jù)可知，隨著α的增大，旅客的額外等待時間均值會增加，作業(yè)人數(shù)均值減少；隨著換班時間的增加，旅客額外等待時間均值減少，作業(yè)人數(shù)均值增加。綜上，不同策略各有優(yōu)劣，均能帶來值機員作業(yè)人數(shù)的減少，實際中應(yīng)結(jié)合班組設(shè)定等因素綜合考慮。在α=0.8，2 h換班作業(yè)策略下，旅客額外等待時間均值為0.52 s，與既有作業(yè)模式的等待時間均值43.22 s相比，增加1.2%；值機員作業(yè)人數(shù)均值為1.75個，與既有作業(yè)模式的作業(yè)人數(shù)均值4個相比，減少56.3%。

表3 集中判圖模式的旅客額外等待時間 sTab.3 Passenger additional waiting time in centralized image recognition mode

表4 集中判圖模式的平均作業(yè)人數(shù) 人Tab.4 Average number of operators in centralized image recognition mode

4 結(jié)束語

基于智能調(diào)度技術(shù)，集中判圖系統(tǒng)定義了全新的鐵路安檢作業(yè)模式，通過對安檢判圖任務(wù)的集中處理、削峰平谷，可有效降低值機員作業(yè)人數(shù)?，F(xiàn)場實驗表明，通過加裝護欄、包圖關(guān)聯(lián)等措施，可滿足安檢處置的時效性要求。仿真實驗表明，與既有作業(yè)模式相比，旅客等待時間均值增加1.2%，作業(yè)人數(shù)均值減少56.3%。下一步，將從以下2 個方面繼續(xù)開展工作：①從更多維度優(yōu)化調(diào)度策略，除旅客體驗外，考慮判圖任務(wù)的復(fù)雜度、值機員的工作熟練度和工作量等因素；②擴大試點范圍，測試復(fù)雜情況下的集中判圖作業(yè)流程，推動系統(tǒng)建設(shè)和鐵路安檢作業(yè)模式的變革，促進(jìn)鐵路安檢減員提質(zhì)增效。