基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法

陶思宇，李美彥

（1.西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)交通運輸系，四川 峨眉 614202）

1 研究的意義

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，鐵路客運專線不斷完善，在一定程度上緩解了我國鐵路客運的供需矛盾[1]。旅客列車開行方案是鐵路客運組織的核心，尤其是在市場經(jīng)濟條件下，它是與其他運輸方式進行競爭的實力的體現(xiàn)[2-3]。對于鐵路客運部門來說，當(dāng)旅客列車開行方案不能滿足運輸需求時，若不能及時調(diào)整客運專線的旅客列車開行方案，將可能會對鐵路旅客運輸系統(tǒng)及社會造成紊亂。因此，及時正確地協(xié)調(diào)旅客列車開行方案與運輸需求間的矛盾，達到鐵路客運資源的最優(yōu)化配置是鐵路客運部門的首要任務(wù)[4]。尋找一個基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法，以便鐵路客運部門針對可能影響客運專線系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的情況制訂合理的旅客列車開行方案是非常必要的。

客運專線中的客流是不斷變化的，其波動性說明了客流的動態(tài)特性。因此，通過建立一個基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法，從而應(yīng)對可能出現(xiàn)的各種客流波動情況，其主要意義如下。

（1）有利于運輸提高效率?；诳土鲃討B(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法，主要是圍繞客運專線的結(jié)構(gòu)及客運需求的實際情況，提供旅客列車開行方案的調(diào)整建議。對客運專線中的客運需求提供科學(xué)的動態(tài)預(yù)測和分析，并向鐵路客運部門發(fā)布信息，進而提出應(yīng)對方案，實現(xiàn)科學(xué)決策和及時高效處置，實現(xiàn)快速響應(yīng)，縮短處理時間，及時發(fā)現(xiàn)問題，提高運輸效率。

（2）有利于及時有效地緩解供需矛盾?；诳土鲃討B(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法，通過研究客流波動的動態(tài)特性，解決需求變化、自然災(zāi)害和天氣異常等原因?qū)﹁F路旅客運輸組織產(chǎn)生的影響，并根據(jù)一定的模型算法，在原有方案的基礎(chǔ)上提出的調(diào)整辦法，對于鐵路客運部門及時有效地緩解供需矛盾是十分必要的。

2 客流動態(tài)反饋控制研究

2.1 反饋控制系統(tǒng)概述

控制系統(tǒng)是指由控制主體、客體和媒體組成的具有自身目標(biāo)與功能的管理系統(tǒng)。反饋控制是自動控制系統(tǒng)中最基本的一種控制方式。在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用于不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這就是反饋控制原理。反饋控制主要是檢測偏差，并且糾正偏差。

反饋控制有以下兩個特點：①能夠自動檢測偏差，這是由反饋結(jié)構(gòu)決定的。系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量組件反饋到系統(tǒng)的輸入端，并給定值進行比較得出偏差；②從控制作用的產(chǎn)生來看，它是由偏差引起的。即一旦出現(xiàn)偏差，就產(chǎn)生控制作用。系統(tǒng)存在的反饋控制結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的被控量自動地向減小或消除偏差的方向運動。由于其具有自動修正被控量偏離給定值的作用，而可以抑制內(nèi)部擾動和外部擾動所引起的偏差，達到自動控制的目的。

2.2 客流動態(tài)反饋控制過程分析

對于鐵路系統(tǒng)，客運需求與供給之間的矛盾對鐵路旅客運輸組織產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在對鐵路所提供的運輸產(chǎn)品即旅客列車開行方案是否能滿足當(dāng)前的需求上[5]。因此，對客運需求的管理是一切活動的基礎(chǔ)。一般而言，旅客列車開行方案都是事先通過預(yù)測的客流量而制訂的，這是一種靜態(tài)的配流，其基本思想如下。

客運專線中的旅客到達滿足某種分布，預(yù)測的客流量是一個固定不變的常數(shù)，假設(shè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且客運專線旅客列車開行方案能夠滿足路網(wǎng)中現(xiàn)有的客運需求。但是，在實際應(yīng)用中，影響旅客選擇交通工具的因素很多，且難以預(yù)測。因此，該靜態(tài)客流分配結(jié)果在現(xiàn)實運用中往往不能令人滿意，主要存在以下問題：①客運專線旅客列車開行方案的制訂是以事先預(yù)測的客流量為基礎(chǔ)，在列車開行方案實施后，不能根據(jù)實際客流變化進行及時有效的調(diào)整；②客運專線系統(tǒng)經(jīng)過長期運行，列車開行方案制訂前預(yù)測得到的客流量與實際運營過程中的客流量無法得到修正，將會背離列車開行方案制訂前的總體目標(biāo)，從而導(dǎo)致客運專線系統(tǒng)出現(xiàn)供需矛盾。

因此，需設(shè)計一個具有更高實用價值且有效的方法對旅客列車開行方案進行調(diào)整以實現(xiàn)以下目標(biāo)。

（1）保證系統(tǒng)在長時間運行狀態(tài)下客運專線旅客列車開行方案與其客流情況相匹配。

（2）充分利用現(xiàn)有旅客列車開行方案基本信息。

（3）在保障前 2 個目標(biāo)的前提下，盡量減小算法的復(fù)雜度并保證列車開行方案的穩(wěn)定性。

在此，利用自動控制原理中反饋控制原理的特點，使列車開行方案實施后的客運專線客流情況統(tǒng)計成為一種改進方案的工具。利用客運專線環(huán)境變化對系統(tǒng)的反饋，引起系統(tǒng)狀況的變化；信息從外部環(huán)境傳遞到系統(tǒng)內(nèi)部，當(dāng)系統(tǒng)的輸出超出一定限度時，能迅速采取糾正的行動，使客運專線旅客列車開行方案的制訂與調(diào)整變成從計劃客流到開行方案再到實際客流再到調(diào)整開行方案的一個循環(huán)過程，以到達客運專線系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)客運專線系統(tǒng)處于一個平衡狀態(tài)時，如果受到外來作用的影響，系統(tǒng)經(jīng)過一個過渡過程仍然能夠回到原來的平衡狀態(tài)，就稱這個系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則稱這個系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。一個控制系統(tǒng)要想能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的控制功能就必須是穩(wěn)定的?？土鲃討B(tài)反饋控制的具體過程如圖 1 所示。

從圖 1 可以看出，為實現(xiàn)基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法，必須對客流的動態(tài)反饋控制進行深入研究。

3 旅客列車開行方案分析

3.1 旅客列車開行方案調(diào)整的原因

客運專線旅客列車開行方案的調(diào)整原因是有差別的，不同的原因要求對旅客列車開行方案采取的調(diào)整策略也不相同。造成旅客列車開行方案調(diào)整的原因主要有以下方面。

（1）自然災(zāi)害和天氣異常會對客運專線旅客列車的運行造成影響。

（2）由于客運專線客流的周期性波動所引起的列車開行方案調(diào)整，如春運、暑運等。

（3）由于新線的修建或新產(chǎn)品的推出而引起的客流趨勢的變化。

首項屬于難以預(yù)測且無法避免的自然現(xiàn)象。對此，應(yīng)及時有效地做出客運專線旅客列車開行的調(diào)整方案，提供給客運組織部門進行決策；后兩項可以通過事前預(yù)測來避免客運專線系統(tǒng)發(fā)生紊亂。對這兩項原因，不僅應(yīng)及時有效地調(diào)整客運專線旅客列車開行方案，而且還應(yīng)在事前向客運組織決策部門預(yù)警或提供相應(yīng)的解決方案，以避免造成客運專線中列車運行秩序紊亂。

3.2 列車開行方案調(diào)整的原則

客運專線旅客列車開行方案調(diào)整的總原則是維護原有旅客列車開行方案的嚴肅性，在滿足旅客運輸需求的前提下，使調(diào)整后的列車開行方案最大限度與原有方案保持一致。因此，客運專線旅客列車開行方案調(diào)整的一般原則如下。

（1）客運專線旅客列車開行方案的調(diào)整應(yīng)在嚴格遵循鐵路各項行車規(guī)章制度的前提下進行，并確保行車安全。

（2）客運專線旅客列車開行方案的調(diào)整應(yīng)以“先高速后中速”、“先重點后一般”為原則，應(yīng)從全路網(wǎng)出發(fā)，顧全大局。

（3）盡量確保調(diào)整后的旅客列車開行方案與原有旅客列車開行方案的一致性，并盡可能將旅客列車開行方案調(diào)整帶來的影響降至最低。

4 開行方案制訂與調(diào)整的過程分析及改進建議

4.1 開行方案制訂與調(diào)整的過程分析

目前，客運專線旅客列車開行方案的編制是在鐵道部和鐵路局兩級機構(gòu)中進行的，是一項復(fù)雜、細致、龐大的系統(tǒng)工程，需要在鐵道部和鐵路局的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)下，在鐵路旅客運輸部門與機、車、工、電、輛等各相關(guān)部門密切配合和協(xié)調(diào)一致下才能完成。客運專線旅客列車開行方案的調(diào)整牽涉人員眾多，設(shè)備的使用及方案的具體實施都需要提前很長時間公布，主要是為了鐵路客運部門有充足的時間做好方案調(diào)整后的運營準(zhǔn)備工作，以及通告社會旅客列車開行方案的調(diào)整情況。這也導(dǎo)致客運專線旅客列車開行方案不能隨時調(diào)整。當(dāng)遇到特殊情況時，需要鐵路客運部門采取應(yīng)急措施，對客運專線旅客列車開行方案進行合理有效的調(diào)整，這種調(diào)整規(guī)模比較小，并盡可能涉及少量的人員和設(shè)備，以盡可能滿足客流變化需求。

圖1 客流動態(tài)反饋控制流程圖

鑒于鐵路運營的實際情況，對旅客列車開行方案的調(diào)整不可能隨時進行整個路網(wǎng)的大規(guī)模調(diào)整，而只能是根據(jù)實際情況，先進行局部的調(diào)整以滿足階段性的旅客運輸需求，而后鐵路運輸部門在鐵道部的領(lǐng)導(dǎo)下定期進行統(tǒng)一的整個路網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)整。

4.2 改進建議

通過以上分析可以看出，目前現(xiàn)有客運專線旅客列車開行方案的制訂與調(diào)整方法是一種限制性方法，列車開行方案制訂后的客流統(tǒng)計成為一種輔助性的列車開行方案衡量工具，而不是一種改進列車開行方案的工具。從自動控制原理的角度分析，現(xiàn)有列車開行方案制訂與調(diào)整屬于無反饋控制系統(tǒng)，其主要是從客流到開行方案的單一過程，很難維持系統(tǒng)的平衡。因此，在深入分析現(xiàn)有旅客列車開行方案的制訂與調(diào)整方法后，提出以下有關(guān)建議。

4.2.1 列車開行方案的靈活調(diào)整

將現(xiàn)行客運專線客流情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為改進列車開行方案的工具，使列車開行方案的調(diào)整時間具有一定的靈活性。從自動控制原理的角度分析，將現(xiàn)有客運專線旅客列車開行方案制訂與調(diào)整從無反饋控制系統(tǒng)變成反饋控制系統(tǒng)，使之成為“預(yù)測OD流量→制訂列車開行方案→實際OD流量→修正列車開行方案”的循環(huán)過程來維持系統(tǒng)平衡，這種方法稱為基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法。

4.2.2 列車開行方案的分階段調(diào)整

客運專線旅客列車開行方案的調(diào)整應(yīng)該針對不同的條件和階段采取不同的方法。按照列車開行方案調(diào)整時間的靈活性和其涉及影響范圍，可以分為局部調(diào)整、全局調(diào)整和特殊調(diào)整 3 種情況。

（1）局部調(diào)整。局部調(diào)整可作為短時期內(nèi)緩解客運專線供需矛盾的一個主要手段。它充分考慮鐵路客運管理部門在技術(shù)和管理上的限制，不需要對既有旅客列車開行方案進行大規(guī)模的調(diào)整，只需要根據(jù)短時期內(nèi)的客運需求對旅客列車開行方案進行臨時性的調(diào)整，如春運、暑運、節(jié)假日等開行的臨時旅客列車。在此期間，適時、科學(xué)、合理的加開臨時旅客列車是客流高峰期緩解運能與運量矛盾的有效方法。因此，該方法具有一定的靈活性。

（2）全局調(diào)整。全局調(diào)整是指在一段時期內(nèi)，客運專線旅客列車開行方案已不能滿足大部分的客運需求，需要對列車開行方案進行全局性的優(yōu)化調(diào)整。但由于客運專線旅客列車開行方案的優(yōu)化設(shè)計和調(diào)整受到技術(shù)條件的限制和開行方案穩(wěn)定性的要求，導(dǎo)致了其不可能像城市公交系統(tǒng)一樣，隨時按照客流情況加以調(diào)整，因此，應(yīng)定期根據(jù)客運需求對客運專線旅客列車開行方案進行全局性的優(yōu)化調(diào)整。

（3）特殊調(diào)整。特殊調(diào)整是指當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時，需要對列車開行方案進行緊急調(diào)整，使之滿足必要情況下的客運需求，如自然災(zāi)害等對客運專線造成的破壞等。

因此，對客運專線旅客列車開行方案的調(diào)整應(yīng)該短期采取局部調(diào)整，定期采取全局調(diào)整，緊急情況下采取特殊調(diào)整的方法。

5 旅客列車開行方案調(diào)整系統(tǒng)及功能模塊分析

5.1 旅客列車開行方案調(diào)整系統(tǒng)

要實現(xiàn)高效率的基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整，不僅需要鐵路客運部門逐漸完善管理制度和體制，提高管理人員的素質(zhì)，更需要先進的技術(shù)平臺作為支撐。目前，現(xiàn)有研究中的旅客列車開行方案是一種靜態(tài)的配流，而客運專線的客流變化是動態(tài)的，大量的人流、物流、專業(yè)設(shè)備等都聚集于此，其運營狀況的變化也可能是瞬息萬變的。因此，建立一個基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整系統(tǒng)，其必須能夠處理大量的客流信息數(shù)據(jù)，并具有人工智能的輔助決策功能，以使鐵路客運部門在需要對旅客列車開行方案進行調(diào)整時能夠作出準(zhǔn)確的決策和及時的判斷。該系統(tǒng)利用計算機作為輔助手段，對旅客列車開行方案的優(yōu)化設(shè)計和調(diào)整進行科學(xué)分析，從而達到更合理有效地安排旅客列車開行方案[6]。旅客列車開行方案調(diào)整系統(tǒng)如圖 2 所示。

5.2 模塊功能分析

系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)分析方法，將整個系統(tǒng)劃分為若干個模塊[7-8]。基于客流動態(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整系統(tǒng)主要包括 6 個結(jié)構(gòu)模塊：客流量的采集與傳輸、客流量查詢、客流預(yù)測、開行方案優(yōu)化設(shè)計與調(diào)整、系統(tǒng)日志和交互、數(shù)據(jù)字典維護模塊。各模塊的主要功能如下。

（1）客流量的采集與傳輸模塊?？土髁康牟杉c傳輸模塊實現(xiàn)客運專線客流量數(shù)據(jù)的獲取，利用現(xiàn)有客運專線旅客列車開行方案反饋客運專線 OD 流量，并將客流量數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

（2）客流量查詢模塊?？土髁坎樵兡K主要完成兩方面的功能：用戶身份的識別和客流量數(shù)據(jù)的獲取。進行客流量查詢之前應(yīng)對客戶端的用戶進行身份識別，該查詢模塊主要是提供當(dāng)前實際客流量情況的查詢，具體可分為按月、日或一定時期，如春運、暑運和周末節(jié)假日等查詢多個粒度。查詢時根據(jù)用戶信息的不同，分為管理員和普通用戶兩種權(quán)限級別，管理員可以查詢?nèi)匪新范蔚目土髁啃畔ⅲ胀ㄓ脩糁荒懿樵兤湎嚓P(guān)地區(qū)的客流量信息。

（3）客流預(yù)測模塊?？土黝A(yù)測模塊主要是利用各種預(yù)測模型對客運專線客流量進行預(yù)測。

（4）開行方案優(yōu)化設(shè)計與調(diào)整模塊。開行方案優(yōu)化設(shè)計與調(diào)整模塊主要是根據(jù)已知客流和路網(wǎng)情況，利用優(yōu)化設(shè)計模型得到旅客列車開行方案，也可以根據(jù)原有旅客列車開行方案信息，得到調(diào)整后的旅客列車開行方案。

圖2 客運專線旅客列車開行方案調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能流程圖

（5）系統(tǒng)日志和交互模塊。系統(tǒng)日志和交互模塊主要是記錄系統(tǒng)信息。

（6）數(shù)據(jù)字典維護模塊。數(shù)據(jù)字典維護模塊主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性，對系統(tǒng)中基本不變的參數(shù)進行維護，其中主要包括路網(wǎng)參數(shù)、計算模型中的參數(shù)等。

6 結(jié)束語

針對目前現(xiàn)有旅客列車開行方案制訂與調(diào)整過程中存在的缺點，提出將客運專線現(xiàn)行旅客列車開行方案客流情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為改進旅客列車開行方案的工具，開行方案的調(diào)整應(yīng)針對不同的條件和階段采取不同方法的建議；并將客運專線旅客列車開行方案的調(diào)整方法分為局部調(diào)整、全局調(diào)整和特殊調(diào)整。分析設(shè)計客運專線旅客列車開行方案調(diào)整系統(tǒng)及功能模塊?；诳土鲃討B(tài)反饋控制的客運專線旅客列車開行方案調(diào)整方法能在各種情況下及時控制和保障客運專線運營安全，使鐵路客運部門根據(jù)實時的客流情況采取必要的措施，以滿足運輸需求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。

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