马宏飞++张雷++廖文科++顾荣华

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.165

摘 要：为了给乘客提供舒适的飞行体验，同时尽量减少乘客等待时间，提高机场安检效率。把机场中安检流程作为该文的研究对象，结合安检流程的特性，选择广义Petri网作为研究工具，以单通道的安检流程的简化情况建立数学模型并进行分析。在确认模型可靠的基础上，运用广义Petri网和马尔科夫链的理论得出评价安检系统性能的评价指标并进行相应的评价。最后以重庆江北机场中的安检流程作为实例，在没有限制资源的条件下，对重庆江北机场单通道安检流程进行分析，并引入到达率分析具有文化背景差异的乘客对安检流程的影响，最后提出相关的改善策略。

关键词：安检流程 广义Petri网 马尔科夫链 到达率

中图分类号：O23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0165-03

Optimization of Security Process Based on Petri Network

Ma Hongfei Zhang Lei* Liao Wenke Gu Ronghua

（Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074，China）

Abstract：In order to provide passengers with a comfortable flight experience， while minimizing passenger waiting time and improving the efficiency of airport security，this paper chooses the generalized Petri net as a research tool to establish a mathematical model and analyze it with the simplification of the single channel security process. This paper takes the security process in the airport as the research object and the characteristics of the security process. On the basis of confirming the model， the evaluation index of the performance of the security system is evaluated and evaluated by using the theory of generalized Petri net and Markov Chain. Finally， the process of security inspection in Chongqing Jiangbei Airport is taken as an example to analyze the single-channel security process of Chongqing Jiangbei Airport without restriction of resources， and the influence of passengers with different cultural backgrounds on the security process is introduced. Finally， Related improvement strategies will be proposed.

Key Words：Security process；Generalized Petri Net；Markov Chain；Arrival Rate

近年來，我国民用航空事业发展迅速，不仅航空货运运输量逐年增加，而且旅客吞吐量也在大幅度增长，如何优化安检过程已经成为一个普遍关注的问题。而安检是服务流程的关键环节，关系着整个机场的运作效率。提高安检水平是保障乘客人身安全和减少乘客等待时间的一项重要措施[1]。Sun Olapiriyakul和他的同事们运用排队论理论，以给定的到达率推导了乘客安全检查操作的最优设计[2]。Ungsunan提出了一种服务组合模型方法，支持基于随机Petris网（SPN）的定量计算，可用于简化内部服务的复杂模型到外部服务的简单模型[3]。一套稳定高效率的安检系统，能在一定程度上提升安检的效率，给乘客更好的飞行体验。

在现有的世界各地对安检的优化研究基础上，基于Petri网和工作流网（WF-Net）的理论，研究人员应用GSPN理论建立用于描述安检的流程。为了简化分析，研究人员把Petri网络构建同构的马尔科夫链对安检流程进行性能分析，分析模型的资源可用性以及安全系统的效率，以便能够找出瓶颈的位置，实现安检服务设施的合理分配。考虑到文化背景的差异，分析了不同乘客类型对安检流程的影响。

1 问题描述与模型的建立

1.1 问题描述

安检是乘客从陆侧到空侧转移的关键步骤，很大程度上影响机场服务的效率。安检流程中的检查人员，包括手检员、X光机操作员、开包员等，乘客和其随身行李同步、同地检查。安检的流程为：

检查乘客的有效证件。

将身份证、登机牌、行李和个人物品放入塑料篮中，准备通过X光机检查。

乘客通过微波检测门。

若检测门发出警告，乘客则需接受手检员的探测器检查。若探测器检查后仍有问题，乘客则需到隔离区接受手检员的二次人工检查。

通过以上的检查环节后，若都没有问题，乘客则可以取回其行李，进入候机区。若行李经过X光机检查后被发现可疑物品，还需要在隔离区进行开包检查。

1.2 建立单通道安检流程Petri网模型

Petri网是一个定向二分图，其中节点表示变迁（即可能发生的事件，由方形框架表示）和库所（即条件，由圆圈表示）[5]。Petri网是一种用于描述和分析后续和同步系统的有效模型工具。基于安全检查系统的实际情况，研究人员计划选择广义随机Petri网作为安全检查过程的数学模型，引入时间作为参数来分析该模型的时间行为。

由Petri网的相关定义，结合乘客安检流程，建立一个简化的单通道Petri网模型，即在只有1个证件验证台、2个检测门、2台X光机和2个位手检员的条件下建模。

2 模型分析

根据有关定义和定理[6]，可以知道所建立的安检流程Petri网模型是可靠的，满足结构可靠性要求，因此可将其作为安检流程性能分析的工具。

在Petri网基础上，在输入库所和输出库所之间添加时间变迁和平均引发速率，得到一个广义随机Petri网（GSPN）。随机Petri网模型等同于连续时间马尔科夫链[3]。基于上述规则，先前建立的Petri网可以被视为连续时间马尔科夫链（Markov Chain MC）。

利用MC来求解稳态的概率。此外，能够获得标记的概率密度，库所中标记的平均Token数，变迁利用率的比率。然后运用这些结果来评估安全系统的性能指标，并寻求突破，以优化系统。

（1）建立安检系统的广义随机Petri网。

建立一个加入时间参数的随机Petri模型，则需为系统的每个时间变迁引入一个服从指数分布的延迟时间。根据安检系统的实际意义，为建立一个存在逻辑意义瞬时变迁的GSPN模型，还要为该系统每个瞬时变迁确定一个引发概率[6]。乘客安检系统GSPN模型如图1所示。

在该模型中，时间变迁集，给每个时间变迁确定一个引发速率，瞬时变迁集。如果库所存在Token数，则和会分别生成概率为与1-α的瞬时方差。同样地，如果库所存在Token数，则和会分别生成概率为β和1-β的瞬时方差。为了保证GSPN一个连续的过程，在人流输入至库所INPUT或人流输出至仓室OUTPUT时，启动率为的时间方差则被加入其中。

为了保证广义随机Petri网是一个保持强连通性的连续过程，在库所和库所中加入时间变迁，相应地引发速率为λ。

（2）构造同构的MC，并建立密度矩阵。

实存状态：（MC0，MC1，MC2，MC3，MC4，MC5，...，MC19）；

消失状态：没有。

经过变迁，，后续变迁为逻辑判断的瞬时变迁。据此，对GSPN进行简化，得到同构MC。

（3）求解MC的稳定状态概率。

假设各个状态的概率为X，联立密度矩阵Q，利用方程X·Q=0，求稳定状态的概率分布。

（4）检系统性能分析。

由稳定状态下的概率分布确定每个库所的平均Token数和变迁利用率，对安检系统的性能指标进行分析，找出安检系统中的瓶颈。

3 实例验证与结果分析

以重庆江北机场为例，建立安检系统流程Petri网络模型。

3.1 安检系统分析

解方程X·Q=0，得到穩定状态概率分布，进一步确定安检系统中各库所的平均Token数和各个变迁的利用率。

仓室和中平均Token数较大，所以这两个仓室容易形成瓶颈，是开包检查环节，是乘客二次人工检查环节，分析原因是二次检查的细致程度较高，所以耗费的时间较长。变迁（二次人工检查环节）的利用率为17.50%，变迁（乘客提取行李环节）的利用率为19.96%，是所有变迁中的利用率较高的，分析原因是手检检察人员不足及乘客提取行李时间较长造成。

3.2 不同文化背景的乘客类型的影响

谈及到文化背景的差异，可以以人口效应作为切入点，分析不同文化背景的乘客的影响。

在此，研究人员定义到达率的数值λ1为2，6，12，分别对应于中国人类型、美国人类型和瑞士人类型。然后，分别将它们代入原始模型和改进的模型，获得了每个地方的平均Token数和变迁利用率。

瑞士人组织性较好，因此在一些地方的平均Token数的数值低于美国和中国。例如，（证件检查）和（二次人工检查），表明能轻微地减轻系统的拥堵程度。但是在一些地方的平均Token数的值高于其他的Token数，例如（开包检查）和（乘客取回自己的行李）这两个地方可能存在着瓶颈。

对于中国人类型的，他们的行为是随机的，这可能成为安全检查点的障碍。结果显示其ID检查的Token值更大，可能成为瓶颈。

对于美国人类型的，他们选择出去的同伴的数量多于中国人，少于瑞士人，因此研究人员可以发现（对乘客的二次人工检查）环节有可能成为瓶颈。

变迁利用率反映了资源利用的效率。如图1所示，假定为全部乘客都为瑞士人类型情况下的资源利用率，为全部乘客都为美国人类型情况下的资源利用率，为全部乘客都为中国人类型情况下的资源利用率。根据图1，我们可以推断出。

3.3 给安检系统管理人员的优化建议

基于得到的结果，可以对平均Token数大于其他地方的地方做出一些改进。例如，可以添加安检手检人员的数量和更多的检查地方，让乘客在瑞士人类型的情况下取回行李。在中国人类型的情况下，可以添加更多的证件检查柜台或提高安检工作人员在证件检查环节中的效率。此外，还可以考虑增加更多地方供乘客二次人工检查和高效率的检查设备使用。

4 结语

文章在保证模型可靠性基础上，运用GSPN和MC的相关理论对安检流程进行评价。通过应用Petri网和马尔科夫链，有助于处理安全检查过程的并行结构。文章从过程流的角度分析了系统，我们可以知道过程中的环节，更好地分配资源和优化问题。同时文章分析不同文化背景的乘客对安全检查过程的影响，并提出一些修改以改善瓶颈。因此，文章提出的模型可以适用于不同的国家和不同的文化背景。但研究中还存在一些不足，文章只研究了没有资源限制条件下单通道安检流程，后续可以收集世界上其他具有典型的机场安检时间数据，用大量的数据分析此过程，会使得结果更加客观和模型的适用性更强。

参考文献

[1] Van Der Aalst W M P.Workflow verification： Finding control-flow errors using petri-net-based techniques[M]//Business Process Management.Springer Berlin Heidelberg，2000： 161-183.

[2] Olapiriyakul S，Das S.Design and analysis of a two-stage security screening and inspection system[J].Journal of Air Transport Management，2007，13（2）：67-74.

[3] Wang Y，Lin C，Ungsunan P D，et al.Modeling and survivability analysis of service composition using Stochastic Petri Netss[J].The Journal of Supercomputing，2011，56（1）：79-105.

[4] Wilson D L.Use of modeling and simulation to support airport security[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2005，20（8）：3-6.

[5] 维基百科[EB/OL].https：//en.wikipedia.org/wiki/Petri_net.

[6] 蒋欣欣，周航，蔡冰青.航站楼安检布局及流程优化研究[J].航空计算技术，2015（3）：25-29.