機場安檢排隊系統仿真算法優化分析與實現

查 明，劉 涌

（上海寶信軟件股份有限公司 上海 201900）

1 引言

當前，隨著我國人口規模和出行人次的不斷增加，機場在單位時間內涌入和涌出的人口數量不斷創新高，尤其是節假日更是帶來了出行高峰。隨著國際安全局勢的日益嚴峻以及突發性流行疾病和疫情（如非典型性肺炎等）的防范要求越來越高，機場安全檢查面臨更加嚴峻的挑戰[1]。機場安全檢查需要按照通關相關規定對進入機場的人群進行快速、準確的風險識別和預判，基于不斷提升分析和數據處理水平來提高檢查結果準確率并縮短檢查時間、節省旅客的通關時間。為了應該對新形勢帶來的挑戰，我國相繼出臺了一系列政策法規來規范機場安全檢查程序，比如2018年開始實施的《關于在一定期限內適當限制特定嚴重失信人乘坐民用航空器推動社會信用體系建設的意見》等文件就對機場安全檢查相關工作做出了政策性規定，并提出了安檢工作具體實施時的指導方針[2]。這些文件的出臺說明我國越來越重視機場安全檢查工作的效率和準確性，同時也對提升機場安全檢查技術水平帶來了更高的要求。

2 機場安檢工作面臨的挑戰

2.1 人流量的增加給資源分配方式帶來了壓力

近年來，隨著人們經濟收入的增加，越來越多的人選擇飛機出行，再加上各個航空公司開通了越來越多的航線，更多的人涌入機場，但是機場的設施規模并沒有擴建，或者擴建的規模趕不上人口數量的增加，這就必然會對機場的安檢資源帶來不小的壓力。如何在現有安檢資源條件下，通過先進的科學技術實現資源的動態調配來解決人口數量增加帶來的通關壓力，從而節省機場的運營成本，是一個需要不斷研究的現實問題[3]。

2.2 安檢流程的繁瑣給安全服務帶來了壓力

旅客通過安檢關口時最關注的是安檢時間的長短，時間越短旅客的心理感受越舒適。同時，當前各種流行性疾病和突發疫情對安檢防疫提出了“無接觸式”安檢的要求，這些都要求機場安全檢查工作在注重安檢結果準確性的同時，更要不斷提升安檢服務質量、注重旅客安檢體驗。

2.3 傳統數據處理方法難以滿足安檢結果準確性的要求

基于人流量的增加和安檢時間縮短的綜合要求，傳統的數據處理方法必然難以滿足安檢工作的新需求。人流量的增加帶來了安檢數據的增加，尤其是基于無接觸式方法進行安檢，需要采集旅客的圖像并進行實時匹配，這需要安檢設備的運算能力具有質的提升，在硬件運算能力提升限度有限的前提下，必須要基于大數據技術開發新的軟件算法來滿足短時間或者實時大運算量的要求。

3 機場通關安檢排隊算法優化

機場安檢的主要目的在于識別旅客自身或者依附于旅客的各種風險源，對這些風險源做出判斷，適時進行分流或者攔截。機場安檢系統主要由硬件部分和軟件部分組成，其中硬件部分是軟件運算的基礎，軟件運算的核心是算法設計與優化問題。機場安檢系統軟件算法的主要任務是杜絕或者減少錯誤警報和錯誤放行，也就是當出現風險源時要能夠準確進行識別并報警，同時啟動相應機制進行攔截。如前所述，如果在進行通關檢查時，對每個旅客進行仔細檢查，必然會增加檢查時間并給機場安檢資源帶來壓力；如果對旅客檢查不仔細，又很可能遺漏重要風險源。如何在不增加檢查時間、調動最少資源的前提下對每位旅客進行全方位檢查，是軟件算法設計的主要任務。

機場通關安檢排隊算法在對旅客風險進行準確分類的基礎上，設置并優化待檢旅客在不同等級安檢站之間的決策變量，進行合理博弈后得到機場通關安全水平與通關效率之間的均衡。機場通關安檢排隊算法根據旅客特征風險值的不同，將機場安檢通道分為兩類，即嚴格安檢通道和常規安檢通道。這兩種安檢通道對旅客的安檢時間和流程均不相同，這樣可以大大節省旅客的通關時間。機場安檢流程見圖1。

圖1 基于旅客風險分類的安檢系統工作流程

在圖1中，根據大多數文獻的研究成果，旅客的風險值服從截斷指數分布，其中待檢旅客有p概率被分配至嚴格安檢通道，相應地有概率（1-p）被分配至常規安檢通道，設待檢旅客被分配至不同安檢通道的風險門限值為θ，嚴格安檢通道和常規安檢通道的安檢設備數分別為s1和s2，基于此可以將機場通關安檢排隊算法問題優化為：在滿足可容許的通關時間和總預算綜合條件下，如何根據概率及風險門限值決定指派旅客前往不同的安檢通道，使安檢通道的所有設備盡可能多地處于工作狀態，使得機場的安檢設備利用率和通關時間達到最優。

求解該問題，可以利用Rockwell Software公司（美國）開發的Arena軟件進行。該軟件主要用于時間序列優化問題的求解，可以利用可視化界面對優化問題進行模擬出入和輸出計算。根據圖1可以開發基于Arena軟件的機場通關安檢排隊優化算法，見圖2。

圖2 基于Arena軟件的機場通關安檢排隊優化算法

4 機場通關安檢排隊系統仿真設計

在基于Arena軟件進行機場通關安檢排隊算法優化求解的基礎上，可以基于并行分布式仿真技術構建機場通關安檢排隊仿真系統。該系統主要由以下4種功能組成，見圖3。

圖3 機場通關安檢排隊仿真系統功能構成

4.1 分類安檢功能實現

分類安檢模塊主要功能是通過對旅客的基本信息、行為特征、歷史安檢記錄等大量的數據進行系統的分析，挖掘數據中蘊涵的行為模式和特征，捕捉歷史信息和未來表現之間的關系，通過一系列的算法來建立安檢評分模型。通過建立的安檢評分模型，有效計算出旅客個人的安檢評分和分類安檢等級，提供給安檢業務人員參考，同時將計算結果傳給旅客數字肖像模型模塊，參與模型的構造。

4.2 旅客數字肖像模型數據庫建立

旅客數字肖像模型數據庫主要是基于采集到的大量旅客肖像（以0～255之間的復雜二進制數據的形式進行存儲）進行特征提取和構建，基于提取出的特征進行標簽化分類，建立相應標簽，其中包含旅客基本信息、風險等級等基本數據，將這些標簽作為旅客的唯一識別碼，從而建立數據庫。旅客的數字肖像信息包括了安檢屬性、信用屬性、身份屬性、關聯屬性、公安屬性，同時具有安全評分和服務評分兩個維度，具體見圖4。

圖4 旅客數字肖像模型數據庫基本內涵

4.3 旅客預約安檢功能實現

預約安檢功能根據旅客預約、訂票及離港等信息驗證旅客與航班是否匹配，并將預約結果、預約通道號等預檢信息返回給上海機場集團預約安檢接口平臺；同時通過數據接口向安檢信息系統發送旅客預約安檢信息。

4.4 內部管理功能實現

內部管理功能主要是供機場安檢管理相關人員使用，主要用于滿足績效管理、臺賬管理等使用需求，同時給旅客開通投訴管理平臺，方便旅客發表自己對于安檢平臺的意見和建議。這一部分功能主要是利用數據庫技術，并結合界面化顯示技術，開發出各種界面，同時不同界面之間實現強相關，通過局域網將這些界面的功能聯系起來，實現特定的功能。

5 機場快速通關效果分析

采用以上通關安檢排隊算法進行機場旅客通關安檢以來，旅客通關時間大幅縮短。在算法應用前10 d和應用后10 d各選擇1 000人作為通關效果分析樣本，可以發現算法應用前單個旅客通關時間平均為32 min，采用該算法后單個旅客的通關平均時間降低為14 min，節約了一半的時間。由此可見，該算法能夠顯著提升旅客通關效率，有效縮短旅客通關時間。

6 結論

機場安檢排隊系統仿真涉及算法優化，同時需要借助大數據、界面化顯示等軟件技術對相關功能進行實現。本文中，作者分析了當前機場安檢工作面臨的挑戰，同時對機場通關安檢排隊算法進行了計算優化，在此基礎上提出了機場通關安檢排隊系統的計算機仿真實現方法，并且對算法應用前后的通關效率進行了分析；在后續的研究過程中，需要對相關技術進行深入研究，以期為相關專業技術人員借鑒并提供理論指導。