地铁安检设施布局方案仿真及优化

徐慧智，张文会，王连震，夏浩栋

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)



地铁安检设施布局方案仿真及优化

徐慧智，张文会，王连震*，夏浩栋

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

地铁一般位于城市繁华区，建设环境复杂。建设运营过程中消防、疏散、防恐和防爆等条件均有所限制。地铁安检设备的布局和设置，需考虑地铁车站空间、安检设备购置费用和旅客进站效率等因素的综合影响，力求达到设备费用最小、安全系数最大、进站效率最高的目标。本文采用Extendsim系统仿真软件，针对单安检设备和双安检设备两种布局方式，采用了排队长度和延误时间作为主要评判指标，对布局方案进行了评价。在给定旅客到达率的前提下，对布局方案进行了优化和效果仿真。

地铁车站；安检设备；系统仿真；布局优化

0　引　言

截至2014年底，我国共计22个城市开通轨道交通线路，运营总里程3 173 km，32个城市正在建设轨道交通项目，值得注意的是，除了传统北京、上海、广州、深圳以及副省级城市外，苏州、杭州、无锡、宁波、佛山、青岛、常州、徐州和东莞等城市，也正在开展轨道交通建设。2015年12月30日，根据官方数据，上海、北京、广州、深圳、南京、武汉、成都的日客流量分别达到956.9万人次、895.9万人次、680.3万人次、272.11万人次、229.9万人次、191.43万人次和122.52万人次。可以预见，随着大规模的轨道交通线路建设并陆续投入运营，未来客流量还会有较大的增长，运营单位将面临较大的客流压力[1]。地铁位于城市地下，消防、疏散、防恐和防爆等条件均有所限制。作为公共运输工具，地铁为广大居民提供便捷出行服务的同时，也存在较大的恐怖袭击安全隐患。考虑短时间内人群密集大、进出通道有限、通风条件有限等因素，地铁车站是恐怖分子制造无差别杀伤案件的理想场所。如1995年日本东京地铁沙林毒气袭击(奥姆真理教)、2005年伦敦地铁炸弹袭击案、2010年莫斯科黑寡妇人弹袭击、2011年白俄罗斯的炸弹袭击案等，每起案件对当地社会均造成了深刻的影响。综合考虑日常安全检查的需求，安检设备已经成为了地铁安全运营的必要环节[2-6]。综上所述，从运营和安全角度分析，地铁工程具有客流大、安全隐患高的双重特点，地铁站设置安检设备已经是大势所趋。安检设备在提升运营安全性的同时，对客流进站的效率造成一定影响。安检设备的布局和设置考虑因素较多，如地铁站空间、设备费用和旅客进站效率等。安检设备布局力求达到费用最小、安全系数最高、进站效率最高的目标和效果，因此有必要进行效果评价和优化研究[7]。

1　地铁安检设施的布局方案

1.1地铁安检设备

安检设备主要包含：安检门、手持金属探测仪、安检X光机、危险液体检测仪、车底视频检查镜、鞋内金属探测仪和软管内窥镜等。

1.2安检布置方案

主要安检设备(X光行李检查机)规格比较大，布置原则为[8]：

(1)与售票区相隔适当的距离。

(2)尽可能小的影响乘客进、出站。

(3)不应占据人流疏散通道。

图1至图4是地铁车站最可能采用的安检设备布置方案。旅客到达安检设备前端后，将自动选择旅客通道，受到设备检测能力的影响，双侧排队进入安检设备前端可等同于单侧排队效果，从运营组织和安检效果出发，图1和图2、图3和图4的旅客进站效率和安检效果几乎相同。

当采用双安检设备时，图3和图4采用了横列的布局方式。理论上还可以采用纵列的布局方式，但由于设备长度较大(16 m左右)，受到地铁车站空间影响且客流组织难度较高，地铁车站一般不会采纳。

设备布置方案1、方案2以及方案3、方案4的区别在于旅客通过安检时通道位置的差异，对旅客的进站效率、安检效果的影响较小，因此本文仅对方案1(单安检设备)和方案3(双安检设备)进行仿真分析。

图1　单侧客流通过布置方案(单安检设备)Fig.1 The layout scheme with single passenger flow(single safety check equipment)

图2　双侧客流通过布置方案(单安检设备)Fig.2 The layout scheme with double passenger flows(single safety check equipment)

图3　双侧客流通过布置方案(双安检设备)Fig.3 The layout scheme with double passenger flows(double safety check equipment)

图4　双侧客流通过布置方案(双安检设备)Fig.4 The layout scheme with double passenger flows(double safety check equipment)

1.3仿真环境和客流到达率

(1)仿真环境。ExtendSim仿真软件由美国Imagine That公司开发，采用C语言开发，能够对离散事件系统和连续系统进行仿真，具有较高的灵活性和可拓展性。ExtendSim软件通过对系统性能指标的仿真分析，可以直观地评价和改进影响系统性能的因素，以实现系统最佳的配置、运行模式或经营策略等[9]。

(2)客流到达情况。在建模的过程当中，考虑到由于天气、节假和上下班高峰期坐地铁人数的变化过大，参照哈尔滨地铁1号线一期工程运行初期某车站平均旅客到达情况，设置不同时间段旅客到达分布，如图5和图6所示。

图5和图6分别从旅客到达时间间隔和人流量两个角度出发，给出了车站的旅客到达率。此车站6点至8点、11点至13点、16点至18点分别出现客流高峰，旅客到达率较高，其它时刻旅客到达率较低，符合城市居民出行规律[7]。

图5　不同时段旅客达到分布情况(时间间隔)Fig.5 Distribution of passengers arrived at different time(time interval)

图6　不同时段旅客达到分布情况(人流量)Fig.6 Distribution of passengers arrived at different time(number of travelers)

2　仿真模块

2.1安检流程

地铁安检的基本流程为：引导、检查、定性、处理。在比较明显的位置设置引导标识，并结合安检人员的工作让乘客顺利进入安检区域进行安检。安检过程中若通过电脑图像判断出有可疑物或不清楚物品，应根据相关规定进行规范开包检查，需要时刻进行多次检查来确保检查正确性[10]。

2.2单安检设备

采用Extendsim软件进行模拟(下同)，单安检设备客流通过仿真模块及构建方案如图7所示，对图1和图2的布局方式进行仿真。

2.3双安检设备

双安检设备客流通过仿真模块及构建方案如图8所示，对图3和图4的布局方式进行仿真。

考虑地铁运营初期客流存在高峰和平峰，应该适当考虑提高安检设备利用率，在人流量较小的时间段，只让一台安检机器工作，在人流高峰期，让两台安检设备同时工作。在双安检设备方案仿真模型的基础上加入了Math模块，将Math模块的功能设为Not，即求反，再加入Gate模块充当门的作用。当人流量较多的时候，Math模块将输入的0转换为1，要求Gate模块开门，两安检设备同时工作；当人流较少的时候，Math模块将输入的1转换为0，要求Gate模块关门，只让一台安检设备工作，这样就能达到要求。对双安检设备客流通过方案进行优化，得到优化后的仿真模型如图9所示。

2.4模块及参数

建模过程放置Executive仿真时钟模块，自动推进事件发展。

使用Lookup Table模块和Create模块模拟实体(此处为旅客，下同)非平稳泊松分布到达过程，数据按照图5和图6旅客到达规律设置。

使用Set模块、Random Number模块以及Equation模块定义实体的属性，在安检过程中存在少量开包检查，到达的乘客中有一定概率需要开包检查，导致安检的时间将变长，在此设有0.002概率的乘客需要开包安检，安检时间平均为5 min，其余乘客正常安检时间为0.04 min。

图7　安检流程模块及构建(单安检设备)Fig.7 The security-check process module and construction(single safety check equipment)

图8　安检流程模块及构建(双安检设备)Fig.8 The security-check process module and construction(double safety check equipment)

图9　优化后的双安检设备客流通过仿真模型Fig.9 The process and security of construction module after optimization(double safety check equipment)

History模块用来查看实体属性和模型调试。

Select Item out模块表示不同的路径选择，实体达到安检区域后自动选择队伍排队，并用Queues模块表示等待安检队列。

Activity模块表示安检过程所消耗的时间，它会根据实体的属性自动读取Set模块设定安检时间。

Exit模块表示单次安检过程的结束。

Plotter模块随着仿真的运行会显示指定性能指标的曲线图。

主要功能模块设置见表1。

2.5仿真效果分析

(1)通过人数和排队长度。采用通过设备人数和平均延误时间两个参数来评价安检设备的利用情况[11-14]。采用前文构建的模型进行仿真，运行10次，得到数据见表2。

表1　主要功能模块设置

续表1　主要功能模块设置

表2　仿真数据

在仿真的运行期间，Plotter模块随着仿真的运行会显示指定性能指标的曲线图。分别得到两方案如图10和图11所示。

图10　单安检设备通过人数指标图Fig.10 The number of indicators(single safety check equipment)

图10和图11中，灰线表示通过安检人数的总和，黑线表示等待安检旅客队伍的平均长度。从图中不难看出，双安检设备通过客流人数和单安检设备几乎相同，但在等待队长方面却小于单安检设备，现象也符合设备越多、通行能力越大、排队时间越短的规律[15-17]。

图11　双安检设备通过人数指标图Fig.11 The number of indicators(double safety check equipment)

(2)设备利用率。根据双安检设备仿真模块及构建方案(如图8所示)运行结果，双安检设备(未优化前)的利用率，如图12所示，其中黑线和灰线分别表示不同的安检设备。但仔细观察不难发现，在个别时间点，不同安检设备的利用率(黑线和灰线)相重合或十分接近的点，且利用率均小于0.5。这说明，在那些时间点，双安检设备做着单安检设备相同的工作，这从另一方面来说在这时间点双安检设备同时开机是一种浪费。

图12　双安检设备利用率(未优化前)Fig.12 The utilization rate of equipment(initial)

经优化后，双安检设备仿真模块及构建方案(如图9所示)运行结果，运行优化后的仿真，得到两安检设备在一天中的利用率，如图13所示。

图13　双安检设备利用率(优化后)Fig.13 The utilization rate of equipment(optimization)

图13可以看出，当旅客到达率较高时，单安检设备和双安检设备的利用率相差无几；当旅客到达率较低时，双安检设备存在资源浪费的现象。此时关停1个安检设备，单独运行的安检设备利用率有所升高，且旅客排队长度无显著增长。

3　结　论

通过本文的研究，安检设备的布局和运行效率取决于旅客到达率和车站的空间，旅客到达率较高的情况下，双安检设备和单安检设备的利用率均较高，但双安检设备的旅客排队长度明显小于单安检设备。具体设计安检设备布局时，需要综合考虑下列影响条件：

(1)仅从安全检查角度出发，双安检设备和单安检设备的效果几乎相同。旅客到达率高于单安检设备通过能力时，将会产生旅客排队现象。此时安检设备降低了车站的进站效率，但是起到一定的缓解车站内集聚客流的作用。

(2)不同地铁车站日均上、下客量的绝对值差异较大，甚至可能出现全天高旅客到达率的现象，安检设备的布局和评价需要根据客流现状和规划年预测结果进行具体分析。

(3)国内已经建成运营的地铁线路，设计过程中很少考虑安检设备，均为后期在旅客通道中设置，且地铁工程多位于城市繁华区，建设条件较为苛刻，可供安检设备布局的空间较狭小，故此普遍采用了单安检设备布局方案。建议地铁工程规划、设计、建设过程中，考虑安检设备的布局及对车站运营的影响。

(4)本文旅客到达率采用了某一车站的平均旅客到达数据，出现了早、中、晚三个高峰时段，较为符合城市居民出行规律，但由于仿真输入条件的单一性，研究结论具有一定的局限性，本文研究结果仅能对仿真流程和方法进行初步探索。

(5)对安检设施布局方案仿真及优化，不能简单的从设备利用情况考虑，而应该从可靠性、通过效率和服务水平等方面综合考虑，应进一步开展相关研究。

[1]徐慧智.关于城市轨道交通建设前期项目管理的探讨[J].都市快轨交通，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.对上海地铁安检的几点思考[J].科技视野，2014(17)：171.

[5]高雪香，杨其新.地铁突发事件的应对措施初步研究[J].城市轨道交通研究，2006(5)：12-14.

[6]于瑞峰，程屿晨.地铁安检作业环境调查与改善的实证研究[J].工业工程，2013，16(1)：14-15.

[7]张慧慧，陈峰，吴奇兵.北京地铁进出站设施通行瓶颈问题定量分析[J].都市快轨交通，2009，22(3)：20-23.

[8]罗慧，赵文龙.安检系统在城市轨道交通中的应用[J].建设中华，2012(7)：174-175.

[9]梁广深.城市轨道交通客流预测的不确定性分析[J].都市轨道交通研究，2007(5)：2-3.

[10]许心越，刘军，李海鹰，等.基于RSM的地铁车站集散能力仿真计算[J].铁道学报，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，张树泉，童朝南.基于虚拟现实的地铁客流仿真系统的实现[J].计算机仿真，2008，25(4)：258-261.

[16]乔文山，黄银娣.基于ExtendSim的货物配装策略研究[J].森林工程，2010，26(1)：78-79.

[17]谢拴平，谢爱明.基于ExtendSim的公交调度系统仿真[J].苏州市职业大学学报，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

中央高校基本科研业务费专项资金资助(DL13BBX01)

徐慧智，博士，讲师。研究方向：轨道交通。

王连震，博士，讲师。研究方向：驾驶员行为。

E-mail：278525449@qq.com

徐慧智，张文会，王连震，等.地铁安检设施布局方案仿真及优化[J].森林工程，2016，32(5)：81-86.

U 231；X 34

A

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