地鐵安檢設(shè)施布局方案仿真及優(yōu)化

徐慧智，張文會，王連震，夏浩棟

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

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地鐵安檢設(shè)施布局方案仿真及優(yōu)化

徐慧智，張文會，王連震*，夏浩棟

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

地鐵一般位于城市繁華區(qū)，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜。建設(shè)運營過程中消防、疏散、防恐和防爆等條件均有所限制。地鐵安檢設(shè)備的布局和設(shè)置，需考慮地鐵車站空間、安檢設(shè)備購置費用和旅客進站效率等因素的綜合影響，力求達到設(shè)備費用最小、安全系數(shù)最大、進站效率最高的目標。本文采用Extendsim系統(tǒng)仿真軟件，針對單安檢設(shè)備和雙安檢設(shè)備兩種布局方式，采用了排隊長度和延誤時間作為主要評判指標，對布局方案進行了評價。在給定旅客到達率的前提下，對布局方案進行了優(yōu)化和效果仿真。

地鐵車站；安檢設(shè)備；系統(tǒng)仿真；布局優(yōu)化

0　引　言

截至2014年底，我國共計22個城市開通軌道交通線路，運營總里程3 173 km，32個城市正在建設(shè)軌道交通項目，值得注意的是，除了傳統(tǒng)北京、上海、廣州、深圳以及副省級城市外，蘇州、杭州、無錫、寧波、佛山、青島、常州、徐州和東莞等城市，也正在開展軌道交通建設(shè)。2015年12月30日，根據(jù)官方數(shù)據(jù)，上海、北京、廣州、深圳、南京、武漢、成都的日客流量分別達到956.9萬人次、895.9萬人次、680.3萬人次、272.11萬人次、229.9萬人次、191.43萬人次和122.52萬人次?？梢灶A(yù)見，隨著大規(guī)模的軌道交通線路建設(shè)并陸續(xù)投入運營，未來客流量還會有較大的增長，運營單位將面臨較大的客流壓力[1]。地鐵位于城市地下，消防、疏散、防恐和防爆等條件均有所限制。作為公共運輸工具，地鐵為廣大居民提供便捷出行服務(wù)的同時，也存在較大的恐怖襲擊安全隱患。考慮短時間內(nèi)人群密集大、進出通道有限、通風(fēng)條件有限等因素，地鐵車站是恐怖分子制造無差別殺傷案件的理想場所。如1995年日本東京地鐵沙林毒氣襲擊(奧姆真理教)、2005年倫敦地鐵炸彈襲擊案、2010年莫斯科黑寡婦人彈襲擊、2011年白俄羅斯的炸彈襲擊案等，每起案件對當?shù)厣鐣斐闪松羁痰挠绊?。綜合考慮日常安全檢查的需求，安檢設(shè)備已經(jīng)成為了地鐵安全運營的必要環(huán)節(jié)[2-6]。綜上所述，從運營和安全角度分析，地鐵工程具有客流大、安全隱患高的雙重特點，地鐵站設(shè)置安檢設(shè)備已經(jīng)是大勢所趨。安檢設(shè)備在提升運營安全性的同時，對客流進站的效率造成一定影響。安檢設(shè)備的布局和設(shè)置考慮因素較多，如地鐵站空間、設(shè)備費用和旅客進站效率等。安檢設(shè)備布局力求達到費用最小、安全系數(shù)最高、進站效率最高的目標和效果，因此有必要進行效果評價和優(yōu)化研究[7]。

1　地鐵安檢設(shè)施的布局方案

1.1地鐵安檢設(shè)備

安檢設(shè)備主要包含：安檢門、手持金屬探測儀、安檢X光機、危險液體檢測儀、車底視頻檢查鏡、鞋內(nèi)金屬探測儀和軟管內(nèi)窺鏡等。

1.2安檢布置方案

主要安檢設(shè)備(X光行李檢查機)規(guī)格比較大，布置原則為[8]：

(1)與售票區(qū)相隔適當?shù)木嚯x。

(2)盡可能小的影響乘客進、出站。

(3)不應(yīng)占據(jù)人流疏散通道。

圖1至圖4是地鐵車站最可能采用的安檢設(shè)備布置方案。旅客到達安檢設(shè)備前端后，將自動選擇旅客通道，受到設(shè)備檢測能力的影響，雙側(cè)排隊進入安檢設(shè)備前端可等同于單側(cè)排隊效果，從運營組織和安檢效果出發(fā)，圖1和圖2、圖3和圖4的旅客進站效率和安檢效果幾乎相同。

當采用雙安檢設(shè)備時，圖3和圖4采用了橫列的布局方式。理論上還可以采用縱列的布局方式，但由于設(shè)備長度較大(16 m左右)，受到地鐵車站空間影響且客流組織難度較高，地鐵車站一般不會采納。

設(shè)備布置方案1、方案2以及方案3、方案4的區(qū)別在于旅客通過安檢時通道位置的差異，對旅客的進站效率、安檢效果的影響較小，因此本文僅對方案1(單安檢設(shè)備)和方案3(雙安檢設(shè)備)進行仿真分析。

圖1　單側(cè)客流通過布置方案(單安檢設(shè)備)Fig.1 The layout scheme with single passenger flow(single safety check equipment)

圖2　雙側(cè)客流通過布置方案(單安檢設(shè)備)Fig.2 The layout scheme with double passenger flows(single safety check equipment)

圖3　雙側(cè)客流通過布置方案(雙安檢設(shè)備)Fig.3 The layout scheme with double passenger flows(double safety check equipment)

圖4　雙側(cè)客流通過布置方案(雙安檢設(shè)備)Fig.4 The layout scheme with double passenger flows(double safety check equipment)

1.3仿真環(huán)境和客流到達率

(1)仿真環(huán)境。ExtendSim仿真軟件由美國Imagine That公司開發(fā)，采用C語言開發(fā)，能夠?qū)﹄x散事件系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)進行仿真，具有較高的靈活性和可拓展性。ExtendSim軟件通過對系統(tǒng)性能指標的仿真分析，可以直觀地評價和改進影響系統(tǒng)性能的因素，以實現(xiàn)系統(tǒng)最佳的配置、運行模式或經(jīng)營策略等[9]。

(2)客流到達情況。在建模的過程當中，考慮到由于天氣、節(jié)假和上下班高峰期坐地鐵人數(shù)的變化過大，參照哈爾濱地鐵1號線一期工程運行初期某車站平均旅客到達情況，設(shè)置不同時間段旅客到達分布，如圖5和圖6所示。

圖5和圖6分別從旅客到達時間間隔和人流量兩個角度出發(fā)，給出了車站的旅客到達率。此車站6點至8點、11點至13點、16點至18點分別出現(xiàn)客流高峰，旅客到達率較高，其它時刻旅客到達率較低，符合城市居民出行規(guī)律[7]。

圖5　不同時段旅客達到分布情況(時間間隔)Fig.5 Distribution of passengers arrived at different time(time interval)

圖6　不同時段旅客達到分布情況(人流量)Fig.6 Distribution of passengers arrived at different time(number of travelers)

2　仿真模塊

2.1安檢流程

地鐵安檢的基本流程為：引導(dǎo)、檢查、定性、處理。在比較明顯的位置設(shè)置引導(dǎo)標識，并結(jié)合安檢人員的工作讓乘客順利進入安檢區(qū)域進行安檢。安檢過程中若通過電腦圖像判斷出有可疑物或不清楚物品，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定進行規(guī)范開包檢查，需要時刻進行多次檢查來確保檢查正確性[10]。

2.2單安檢設(shè)備

采用Extendsim軟件進行模擬(下同)，單安檢設(shè)備客流通過仿真模塊及構(gòu)建方案如圖7所示，對圖1和圖2的布局方式進行仿真。

2.3雙安檢設(shè)備

雙安檢設(shè)備客流通過仿真模塊及構(gòu)建方案如圖8所示，對圖3和圖4的布局方式進行仿真。

考慮地鐵運營初期客流存在高峰和平峰，應(yīng)該適當考慮提高安檢設(shè)備利用率，在人流量較小的時間段，只讓一臺安檢機器工作，在人流高峰期，讓兩臺安檢設(shè)備同時工作。在雙安檢設(shè)備方案仿真模型的基礎(chǔ)上加入了Math模塊，將Math模塊的功能設(shè)為Not，即求反，再加入Gate模塊充當門的作用。當人流量較多的時候，Math模塊將輸入的0轉(zhuǎn)換為1，要求Gate模塊開門，兩安檢設(shè)備同時工作；當人流較少的時候，Math模塊將輸入的1轉(zhuǎn)換為0，要求Gate模塊關(guān)門，只讓一臺安檢設(shè)備工作，這樣就能達到要求。對雙安檢設(shè)備客流通過方案進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的仿真模型如圖9所示。

2.4模塊及參數(shù)

建模過程放置Executive仿真時鐘模塊，自動推進事件發(fā)展。

使用Lookup Table模塊和Create模塊模擬實體(此處為旅客，下同)非平穩(wěn)泊松分布到達過程，數(shù)據(jù)按照圖5和圖6旅客到達規(guī)律設(shè)置。

使用Set模塊、Random Number模塊以及Equation模塊定義實體的屬性，在安檢過程中存在少量開包檢查，到達的乘客中有一定概率需要開包檢查，導(dǎo)致安檢的時間將變長，在此設(shè)有0.002概率的乘客需要開包安檢，安檢時間平均為5 min，其余乘客正常安檢時間為0.04 min。

圖7　安檢流程模塊及構(gòu)建(單安檢設(shè)備)Fig.7 The security-check process module and construction(single safety check equipment)

圖8　安檢流程模塊及構(gòu)建(雙安檢設(shè)備)Fig.8 The security-check process module and construction(double safety check equipment)

圖9　優(yōu)化后的雙安檢設(shè)備客流通過仿真模型Fig.9 The process and security of construction module after optimization(double safety check equipment)

History模塊用來查看實體屬性和模型調(diào)試。

Select Item out模塊表示不同的路徑選擇，實體達到安檢區(qū)域后自動選擇隊伍排隊，并用Queues模塊表示等待安檢隊列。

Activity模塊表示安檢過程所消耗的時間，它會根據(jù)實體的屬性自動讀取Set模塊設(shè)定安檢時間。

Exit模塊表示單次安檢過程的結(jié)束。

Plotter模塊隨著仿真的運行會顯示指定性能指標的曲線圖。

主要功能模塊設(shè)置見表1。

2.5仿真效果分析

(1)通過人數(shù)和排隊長度。采用通過設(shè)備人數(shù)和平均延誤時間兩個參數(shù)來評價安檢設(shè)備的利用情況[11-14]。采用前文構(gòu)建的模型進行仿真，運行10次，得到數(shù)據(jù)見表2。

表1　主要功能模塊設(shè)置

續(xù)表1　主要功能模塊設(shè)置

表2　仿真數(shù)據(jù)

在仿真的運行期間，Plotter模塊隨著仿真的運行會顯示指定性能指標的曲線圖。分別得到兩方案如圖10和圖11所示。

圖10　單安檢設(shè)備通過人數(shù)指標圖Fig.10 The number of indicators(single safety check equipment)

圖10和圖11中，灰線表示通過安檢人數(shù)的總和，黑線表示等待安檢旅客隊伍的平均長度。從圖中不難看出，雙安檢設(shè)備通過客流人數(shù)和單安檢設(shè)備幾乎相同，但在等待隊長方面卻小于單安檢設(shè)備，現(xiàn)象也符合設(shè)備越多、通行能力越大、排隊時間越短的規(guī)律[15-17]。

圖11　雙安檢設(shè)備通過人數(shù)指標圖Fig.11 The number of indicators(double safety check equipment)

(2)設(shè)備利用率。根據(jù)雙安檢設(shè)備仿真模塊及構(gòu)建方案(如圖8所示)運行結(jié)果，雙安檢設(shè)備(未優(yōu)化前)的利用率，如圖12所示，其中黑線和灰線分別表示不同的安檢設(shè)備。但仔細觀察不難發(fā)現(xiàn)，在個別時間點，不同安檢設(shè)備的利用率(黑線和灰線)相重合或十分接近的點，且利用率均小于0.5。這說明，在那些時間點，雙安檢設(shè)備做著單安檢設(shè)備相同的工作，這從另一方面來說在這時間點雙安檢設(shè)備同時開機是一種浪費。

圖12　雙安檢設(shè)備利用率(未優(yōu)化前)Fig.12 The utilization rate of equipment(initial)

經(jīng)優(yōu)化后，雙安檢設(shè)備仿真模塊及構(gòu)建方案(如圖9所示)運行結(jié)果，運行優(yōu)化后的仿真，得到兩安檢設(shè)備在一天中的利用率，如圖13所示。

圖13　雙安檢設(shè)備利用率(優(yōu)化后)Fig.13 The utilization rate of equipment(optimization)

圖13可以看出，當旅客到達率較高時，單安檢設(shè)備和雙安檢設(shè)備的利用率相差無幾；當旅客到達率較低時，雙安檢設(shè)備存在資源浪費的現(xiàn)象。此時關(guān)停1個安檢設(shè)備，單獨運行的安檢設(shè)備利用率有所升高，且旅客排隊長度無顯著增長。

3　結(jié)　論

通過本文的研究，安檢設(shè)備的布局和運行效率取決于旅客到達率和車站的空間，旅客到達率較高的情況下，雙安檢設(shè)備和單安檢設(shè)備的利用率均較高，但雙安檢設(shè)備的旅客排隊長度明顯小于單安檢設(shè)備。具體設(shè)計安檢設(shè)備布局時，需要綜合考慮下列影響條件：

(1)僅從安全檢查角度出發(fā)，雙安檢設(shè)備和單安檢設(shè)備的效果幾乎相同。旅客到達率高于單安檢設(shè)備通過能力時，將會產(chǎn)生旅客排隊現(xiàn)象。此時安檢設(shè)備降低了車站的進站效率，但是起到一定的緩解車站內(nèi)集聚客流的作用。

(2)不同地鐵車站日均上、下客量的絕對值差異較大，甚至可能出現(xiàn)全天高旅客到達率的現(xiàn)象，安檢設(shè)備的布局和評價需要根據(jù)客流現(xiàn)狀和規(guī)劃年預(yù)測結(jié)果進行具體分析。

(3)國內(nèi)已經(jīng)建成運營的地鐵線路，設(shè)計過程中很少考慮安檢設(shè)備，均為后期在旅客通道中設(shè)置，且地鐵工程多位于城市繁華區(qū)，建設(shè)條件較為苛刻，可供安檢設(shè)備布局的空間較狹小，故此普遍采用了單安檢設(shè)備布局方案。建議地鐵工程規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)過程中，考慮安檢設(shè)備的布局及對車站運營的影響。

(4)本文旅客到達率采用了某一車站的平均旅客到達數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了早、中、晚三個高峰時段，較為符合城市居民出行規(guī)律，但由于仿真輸入條件的單一性，研究結(jié)論具有一定的局限性，本文研究結(jié)果僅能對仿真流程和方法進行初步探索。

(5)對安檢設(shè)施布局方案仿真及優(yōu)化，不能簡單的從設(shè)備利用情況考慮，而應(yīng)該從可靠性、通過效率和服務(wù)水平等方面綜合考慮，應(yīng)進一步開展相關(guān)研究。

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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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(DL13BBX01)

徐慧智，博士，講師。研究方向：軌道交通。

王連震，博士，講師。研究方向：駕駛員行為。

E-mail：278525449@qq.com

徐慧智，張文會，王連震，等.地鐵安檢設(shè)施布局方案仿真及優(yōu)化[J].森林工程，2016，32(5)：81-86.

U 231；X 34

A

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