机场旅客人身检查双设备系统的安检成本研究.pdf

第 卷第 期运 筹 与 管 理 ，年 月 收稿日期：基金项目：天津市教委科研计划项目（）作者简介：赵振武（），男，山东潍坊人，副教授，博士，研究方向：机场安全，民航旅客安检，航空货运安保；王军杰（），通讯作者，男，山东日照人，硕士研究生，研究方向：民航安全与应急管理；郑文悦（），女，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：民航安全与应急管理。机场旅客人身检查双设备系统的安检成本研究赵振武，王军杰，郑文悦（中国民航大学 安全科学与工程学院，天津 ）摘要：为了节约机场旅客人身安检成本，研究基于通过式金属门和毫米波人体成像设备的双设备系统，在确保系统安全性的前提下，对安检成本进行优化。人身安检设备在检查旅客时会产生错误报警和错误放行两类错误，通过正态分布模拟安检设备的响应，利用设备报警阈值控制两类错误发生的概率。所有旅客经过一阶段通过式金属门检查后，然后根据通过式金属门的报警情况确定是否进行二阶段毫米波人体成像设备检查，组合双设备的报警情况确定系统报警和系统放行。在两类错误可接受范围内分析两种安检规则的安全性，确定严格和普通安检通道最佳的安检规则。针对两种安检规则，以系统两类错误为限制条件，分别建立安检成本的非线性规划模型，最后利用蒙特卡罗模拟法求解。结果表明：安检规则 适合普通安检通道，安检规则 适合严格安检通道；两种规则的最低安检成本相近，安检规则 的人均安检成本低于安检规则 。关键词：安检成本；两类错误；安检规则；蒙特卡罗模拟中图分类号：文章标识码：文章编号：（）：，（，）：，（）“”，：，：，：；，：，；，：，；，：；引言民航安检是空防安全的重要组成部分，是防止旅客及其随身行李中携带违禁品进入航空器的最后一道防线 。在旅客人身检查过程中，安检设备运行时会产生错误报警和错误放行两类错误，错误放行会导致旅客携带违禁品进入航空器，错误报警会占用安检资源。两类错误会影响系统的安全性且会带来安检成本的浪费。由于安检系统产生的两类错误是无法消除的，因此在系统两类错误可接受范围内，优化安检成本具有重要的研究意义。国内外众多学者就机场安检成本展开了研究，与本文相关的文献主要分为两个方面，其中在系统安检成本分析方面：和 对机场旅客分类安检系统的风险水平和安检成本进行分析，从整体上证明了该系统在安全性和经济效益方面的优势，但其未考虑系统运行时的旅客检查成本。和 基于两阶段安检系统，利用排队论和博弈论验证了该系统在检查准确性及成本方面均优于一阶段安检系统，但其成本模型未考虑因错误报警和错误放行导致的费用；顾扬等 利用动态安检资源分配模型计算安检通道开放数量，对比不同人员数量配置对安检效率和成本的影响，其研究假设每条安检通道仅有一台检查设备，设备性能和类型未纳入数学模型中；和 基于多级加权报警系统，在考虑安检系统的生命周期成本的情况下，优化系统错误放行率，但该模型未对错误报警率进行限制，导致系统错误报警率较高。在系 统 安 检 成 本 优 化 方 面：和 建立多目标优化模型来优化人身安检系统安全性、成本和时间，根据不同批次的旅客风险水平，通过模拟进化理论求解最佳设备的组合，由于该方法求解设备组合的随机性较强，可 能 会 使 现 实 安 检 工 作 趋 于 繁 琐 复 杂；等 在给定的客流量和设备布局的前提下，将影响成本的因素定量化，利用集成优化算法求解安检成本模型，但其研究未对安检规则进行安全性分析；基于双设备安检系统，考虑两类错误为定值，建立最小化安检成本模型，通过枚举法求解最佳设备组合，但在日常安检设备运行中，两类错误会根据设备的阈值进行改变，因此两类错误并不是定值；姚加林和潘学成 运用 编程，计算最优安检设备开放台数，使得安检设备的运行费用和旅客排队等待时间成本之和最小，但其模型未对系统安全性进行分析；陈晓红等 基于排队理论，以旅客等待时间和安全水平为约束条件，研究传统和分类安检模式下的成本问题，但研究未体现在两种安检模式下设备配置和安检规则的差异性。基于上述分析，本文针对机场旅客人身安检系统，在确保系统安全性的前提下，就机场客流量增多而引发的成本问题进行优化。与已有研究相比，运 筹 与 管 理 年第 卷本文的创新性主要体现在：（）本文将安检设备的响应模拟为正态分布，考虑设备的两类错误概率随阈值的可变性；（）本文对两种安检规则进行安全性和适用性分析，通过权衡比较其各自优势，为普通和严格安检通道分配最佳的安检规则。双设备安检系统 双设备系统构建为实现民航安检“提质增效”工作目标，目前国内许多机场正进行差异化安检模式的探索与尝试，然而工作的侧重点多集中于对受检对象的差异化，对于旅客人身安检多为传统的一阶段通过式金属门检查，安检通道的设备配置较为落后。国际航空运输协会（，）提出了“未来安全检查站”的设想，通过一系列的安全检查设备的单独或组合使用，结合旅客信息进行风险评估，为不同风险程度的旅客分配差异化安检通道，如图 所示。图中普通和严格安检通道的人身安检系统为通过式金属门和毫米波人体成像设备的组合，目前美国大多数机场已开始使用通过式金属门和毫米波人体成像设备的双设备组合，其中通过式金属门为第一阶段检查，毫米波人体成像设备为第二阶段检查，本文拟对此双设备系统进行研究。图 未来安全检查站 安检性能指标旅客经过一系列检查后，安检仪器发出报警（）和放行（）的两类结果。这两类结果包含四种可能：（）正确报警（）旅客携带违禁品时，安检仪器发出报警信号。（）错误报警（）旅 客 未 携带 违 禁品时，安检仪器发出报警信号。（）正确放行（）旅客未携带违禁品时，安检仪器发出放行信号。（）错误放行（）旅客携带违禁品时，安检仪器发出放行信号。旅客是否携带违禁品的状态（）是一个二元随机变量，表示旅客未携带违禁品，表示旅客携带违禁品。利用条件概率表示安检系统对旅客的反应，正确报警概率为 （），错误报警概率为 （），正确放行概率为 （），错误放行概率为 （），如图 所示。图 系统反应由于安检设备的性能参数是保密的，为更好地模拟设备响应，做出如下假设：（）设备响应值服从正态分布；（）两条分布的曲线相互交错 。设备响应分布如图 所示，上半部分模拟为旅客未携带违禁品，下半部分模拟为旅客携带违禁品，响应值大于设备报警阈值 时安检仪器发出报警信号，反之，安检仪器发出放行信号。两条正态曲线的波动和交错的面积越小表明设备检测性能越佳。若增大设备阈值 会使 降低、增加，若减小设备阈值 会使 增加、降低。图 设备响应分布 正态分布参数的假设在机场安检流程中，对旅客和行李进行一系列安全检查，以检查是否有违禁品进入航空器 。在现实安检过程中，毫米波人体成像设备的安检性能要优于通过式金属门，参数假设应符合实际情形 。由正态分布曲线特性可知：两条曲线的均值差越大表明两条正态曲线的波峰距离越远，即曲第 期赵振武，等：机场旅客人身检查双设备系统的安检成本研究线相互重叠的面积越小；标准差越大表明正态曲线波动越小，即设备对响应值的变化不敏感。根据真实安检过程中的设备性能，对安检设备的参数假设如表 所示。根据表 的设备参数绘出设备性能曲线如图 所示，毫米波人体成像设备的曲线重叠面积小于通过式金属门且曲线的波动较小，表明其安检性能优于通过式金属门，符合真实情形下的设备安检性能。表 正态分布参数值条件通过式金属门（）毫米波人体成像设备（）未携带危险品?携带危险品?图 设备性能 两种安检规则本节根据安检设备的布局和两种安检规则，利用条件概率构建两类错误的表达式，在两类错误可接受范围内，分析两种安检规则的安全性和适用性，并为严格和普通安检通道分配合适的安检规则。两类错误和设备布局在双设备安检系统中，系统的决策需要组合每一阶段的安检设备的响应 。所有的旅客必须经过第一阶段通过式金属门的安检，然后根据第一阶段通过式金属门的报警情况决定是否进入第二阶段毫米波人体成像设备的安检。通过式金属门报警表示为 ，毫米波人体成像设备报警表示为，双设备系统报警表示为 ，通过式金属门放行表示为 ，毫米波人体成像设备放行表示为 ，双设备系统放行表示为 。安检规则 ：安检设备布局和安检规则如图 所示，一阶段和二阶段设备全部报警导致安检系统报警；安检系统放行是指一阶段设备未报警或一阶段设备报警而二阶段设备未报警的情况。图 安检规则 对于安检规则 ，系统的错误报警率 和错误放行率 为：（）（）（）（）（）（）（）根据 和 对安检设备性能的假设，公式（）和（）可以转化为：（）（）（）（）（）（）其中，和 分别表示通过式金属门和毫米波人体成像 设 备 的 阈 值，?（），?（），?（）和?（）为正态分布的概率密度函数，各自参数的具体数值如表 所示，和 表示通过式金属门的错误报警率和正确报警率，和 表示毫米波人体成像设备的错误报警率和正确报警率。安检规则 ：设备布局和报警规则如图 所示，安检系统报警是指一阶段设备报警或一阶段设备未报警而二阶段设备报警的情况；安检系统放行是指一阶段和二阶段设备全部未报警的情况。图 安检规则 对于安检规则 ，系统的错误报警率 和错误放行率 表示为：运 筹 与 管 理 年第 卷 （?）（?）（?）（）（?）（?）（）根据 和 安检设备性能的假设，公式（）和（）可以转化为：（?（）（?（）（）（?（）（?（）（）其中，和 表示通过式金属门的正确放行率和错误放行率，和 表示毫米波人体成像设备的正确放行率和错误放行率。安检规则的选择由于高风险旅客携带违禁品概率较高，普通旅客携带违禁品概率较低，可为不同风险等级的旅客分配差异化安检通道 。针对普通安检通道的旅客，在错误放行率可接受的范围内，低错误报警率是主要目标；针对严格安检通道的旅客，其携带违禁品的概率较高，在错误报警率可接受范围内，低错误放行率是主要目标。针对普通安检通道，假设 的可接受范围为 ，在 和 下求得的 、散点图如图 所示，在 可接受范围内，低 是主要优化目标，发现安检规则 的 低于安检规则 ，故选择安检规则 作为其安检规则。图 在 可接受范围内的 针对严格安检通道，假设 的可接受范围为 ，在 和 下求得的 和 的散点图如图 所示，在 可接受范围内，低 是主要优化目标，发现 整体偏低且无限趋向于 ，故选择安检规则 作为其安检规则。图 在 可接受范围内的 两种安检规则的成本基于深圳宝安国际机场的调研数据，普通和严格安检通道旅客随身携带违禁品的概率分别为 ，普通和严格安检通道日安检旅客人数分别为 人和 人。系统的成本包括部署成本、运行成本和系统决策成本，部署成本包括：每台设备的购买成本，每台设备每年的维护成本；运行成本指的是检测每名旅客所花费的费用；系统决策成本包括：错误警报导致的费用，错误放行导致的费用，正确报警导致的费用 。安检系统的部署成本，不受两类错误的影响，本文仅考虑运行成本和决策成本，表 为系统的运行和决策成本的期望值。表 运行成本成本期望值（元 人）通过式金属门 ：毫米波人体成像设备 ：安检规则 ：所有旅客都必须经过通过式金属门的安检，当通过式金属门发出警报时，进入二阶段毫米波人体成像设备的检查，因此运行成本分为两部分。由全概率公式得通过式金属门系统报警的概率为：（）（?）（?）（）（）安检规则 成本：（，）（）（）（）（）安检规则 ：所有旅客必须经过通过式金属门安检，当通过式金属门未产生警报时进行毫米波人体成像设备安检。由全概率公式得金属门放行的概率为：第 期赵振武，等：机场旅客人身检查双设备系统的安检成本研究（）（?）（?）（）（）安检规则 成本：（，）（）（）（）（）最小化安检成本模型的构建 构建非线性规划模型以双设备安检系统的两类错误为约束条件，最小化安检成本为目标建立非线性规划模型。针对双设备安检系统的两类错误，要求普通安检通道的 和 低于 和 ，严格安检通道的 和 低于 和 ，数学规划模型如式（）和（）所示。（，）（）（，）（）蒙特卡罗模拟算法分析蒙特卡罗模拟求解本文非线性规划问题的算法如图 所示，算法分为内循环和外循环，外循环指的是阈值 和 在规定范围内循环，和 为循环第 次的阈值，内循环指的是期望成本 （，）的循环更新。模拟结果分析通过 编程实现算法，两种安检规则的成本模型计算结果为表 和表 。随着模拟次数 的增大，设备阈值、系统错误报警率、错误放行率和期望成本趋于稳定。通过对比两种安检规则的模拟结果发现，规则 的 低于规则 的 ，规则 的 低于规则 的 ；安检规则 和规则 的最低成本约为 万，规则 的人均安检成本约为 元，规则 的人均安检成本约为 元；两种安检规则的 和 变化呈相反的趋势，的降低伴随着 的增加，原因在于设备响应服从正态分布；安检规则 的设备最佳阈值约为 和 ，安检规则 的设备最佳阈值约为 和 。图 蒙特卡罗模拟算法流程表 规则 模拟结果 安检成本（元）人均安检成本（元）表 规则 模拟结果 安检成本（元）人均安检成本（元）运 筹 与 管 理 年第 卷 结论（）在 可接受范围内，安检规则 具有低，低 可以提高安检效率，适合布置在普通安检通道；在 可接受范围内，安检规则 具有低，低 可降低潜在的风险，适合布置在严格安检通道。（）随着模拟次数增加，安检成本收敛到全局最小值附近，两种规则的最低安检成本相近，由于普通安检通道的检查人数高于严格安检通道，安检规则 的人均安检成本要低于安检规则 。（）为使安检成本模型更加符合实际，可将现实生活中的因素考虑进去，例如旅客安检的速率、旅客的到达情况、安检工作人员的主观因素都是未来研究所要考虑的问题。参考文献：孙小康，董琬 行为安全管理在机场安检中的应用研究 民航管理，（）：，（）：，（）：顾扬，郑敏，周航，等 机场安检资源动态分配方法研究 航空计算技术，（）：，（）：，（）：，：，（）：姚加林，潘学成 基于排队论的高铁车站安检设备运用优化研究 铁道科学与工程学报，（）：陈晓红，徐敏婕，陈武华 考虑成本、等待时间和安全水平的分类安检模式研究 运筹与管理，（）：唐百慧 托运行李差异化安检策略研究 天津：中国民航大学，（）：，（）：，（）：彭凯贝，史天运，伍柳伊，等 基于旅客风险分类的安检流 程 研 究 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术，（）：第 期赵振武，等：机场旅客人身检查双设备系统的安检成本研究