列車運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)編制系統(tǒng)的運(yùn)用與發(fā)展分析

史常慶，倪少權(quán)

（西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031）

1 我國鐵路計(jì)算機(jī)編圖研究概況

我國鐵路從 20 世紀(jì) 60 年代開始進(jìn)行利用計(jì)算機(jī)編制列車運(yùn)行圖的研究[1]，經(jīng)過近 40 年的探索，經(jīng)歷了編制雙線區(qū)段列車運(yùn)行圖、單線區(qū)段列車運(yùn)行圖、旅客列車方案圖、樞紐地區(qū)列車運(yùn)行圖、路網(wǎng)列車運(yùn)行圖的研究發(fā)展過程，由從力求最優(yōu)化的目標(biāo)出發(fā)建立數(shù)學(xué)模型，到從力求實(shí)用、確保編圖質(zhì)量的目標(biāo)出發(fā)建立基于智能搜索技術(shù)的自動(dòng)化編圖與人機(jī)交互相結(jié)合的輔助決策系統(tǒng)。

特別是近 10 年來，在計(jì)算機(jī)編制列車運(yùn)行圖的研究中提出了“單雙線合一”的計(jì)算機(jī)編圖統(tǒng)一算法思想，研制開發(fā)了全路通用的鐵路局列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)軟件和全路直通旅客列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)軟件，并已得到廣泛應(yīng)用，為鐵路列車提速編制列車運(yùn)行圖提供了有效的技術(shù)支撐。近年來，已研究開發(fā)了基于異地聯(lián)網(wǎng)的全路列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)3.0 版。我國鐵路列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)的研究大致可分為以下階段[1]。

第一階段：著重于有針對性地解決具體的研究對象，根據(jù)不同鐵路局不同區(qū)段的特點(diǎn)研究特定區(qū)段的解決方案，缺乏通用性。

第二階段：致力于系統(tǒng)的通用性和適應(yīng)性研究，力圖通過一個(gè)系統(tǒng)解決不同區(qū)段、不同線路的問題。

第三階段：研究開發(fā)以鐵路局為適用對象的編圖系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)以鐵路局為整體解決范圍的，對單線和雙線、自動(dòng)閉塞和半自動(dòng)閉塞區(qū)段都有效的列車運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)輔助編制系統(tǒng)。

第四階段：從構(gòu)建全國路網(wǎng)編圖技術(shù)手段的目標(biāo)出發(fā)，重點(diǎn)研究建立全路旅客列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)全路旅客列車運(yùn)行圖的優(yōu)化編制創(chuàng)造條件，提高我國鐵路列車運(yùn)行圖的編制質(zhì)量和效率。

第五階段：研究建立支持異地聯(lián)網(wǎng)編圖的全路列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)，重點(diǎn)是全路計(jì)算機(jī)編圖的網(wǎng)絡(luò)化、精細(xì)化、智能化和系統(tǒng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖及其相關(guān)業(yè)務(wù)計(jì)劃編制和管理的一體化，建立面向鐵路內(nèi)部的列車運(yùn)行圖綜合管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的列車運(yùn)行圖基礎(chǔ)信息收集、管理、查詢和綜合決策支持。

2 我國現(xiàn)行計(jì)算機(jī)編圖軟件的特征分析

（1）初步建立車務(wù)部門編制列車運(yùn)行圖的過程化作業(yè)工具?；緷M足鐵路局客貨列車運(yùn)行圖的編制和基于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的全路旅客列車運(yùn)行圖的聯(lián)網(wǎng)編制，在實(shí)現(xiàn)全鐵路局或全路編圖數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)上，提供了一定的列車運(yùn)行圖編制與調(diào)整、時(shí)刻表輸出、運(yùn)行圖繪制、指標(biāo)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)、報(bào)表輸出、運(yùn)行圖查詢等手段，并提供了初步的群體協(xié)同作業(yè)技術(shù)支持手段，具有初步的運(yùn)行圖自動(dòng)鋪畫功能，人機(jī)交互功能較為完整。

（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與運(yùn)行圖編制一體化。將數(shù)據(jù)管理與列車運(yùn)行圖編制及調(diào)整、列車運(yùn)行圖繪制、時(shí)刻表輸出和運(yùn)行圖指標(biāo)統(tǒng)計(jì)等功能于一體，綜合構(gòu)建一個(gè)整體的列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)，各子系統(tǒng)有機(jī)地融合成一個(gè)不可分割的整體。各子系統(tǒng)隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)刷新，各子系統(tǒng)共享內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高度共享，有利于各相關(guān)業(yè)務(wù)的有機(jī)聯(lián)系和相互反饋。

（3）具有廣泛適應(yīng)性的基于“單雙線合一”的統(tǒng)一編圖算法。由于我國鐵路線路行車條件不一，有單線、雙線及三線、四線，以及單線區(qū)段雙線插入段、雙單線等；閉塞方式有自動(dòng)閉塞、半自動(dòng)閉塞，自動(dòng)閉塞又可分為單向自動(dòng)閉塞和雙向自動(dòng)閉塞。系統(tǒng)必須將各種不同的行車條件融合在一起，綜合構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體加以解決，而不能通過開發(fā)分別適應(yīng)于單一或有限的行車條件的編圖軟件來進(jìn)行問題的研究，鐵路網(wǎng)是由不同行車條件的各種線路組成的，全路列車運(yùn)行圖的編制應(yīng)建立在基于各種行車條件的列車運(yùn)行圖編制一體化算法的研究基礎(chǔ)之上[1]。

（4）采用全參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過采用全參數(shù)化設(shè)計(jì)，將編圖相關(guān)技術(shù)資料全部納入數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理，編圖系統(tǒng)完全依據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)定的資料和限定的條件進(jìn)行列車運(yùn)行圖的編制。

（5）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的合并分解及上傳下載。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的暢通，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖數(shù)據(jù)資料能夠進(jìn)行有效的交換，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)分解、合并功能，可以將各鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)庫合并為全路數(shù)據(jù)庫；反之，可以將全路數(shù)據(jù)庫分解成各鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)庫。同時(shí)，鐵道部既可以將相關(guān)數(shù)據(jù)下載給各鐵路局，也可以接收各鐵路局上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（6）實(shí)現(xiàn)基于任意指定范圍的列車運(yùn)行圖編制。由于鐵路運(yùn)輸?shù)男枨笫嵌嘧兊?，鐵路既有定期重新編制列車運(yùn)行圖的需要，也有大量的局部調(diào)整運(yùn)行圖的需要，這就要求系統(tǒng)既能用于編制全路列車運(yùn)行圖，也能編制調(diào)整任意局部范圍的列車運(yùn)行圖。因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在任意指定范圍內(nèi)編制列車運(yùn)行圖的功能。

（7）建立切合實(shí)際需要的人機(jī)交互系統(tǒng)。作為一個(gè)解決動(dòng)態(tài)規(guī)劃決策問題的輔助系統(tǒng)，由于編圖本身考慮的因素復(fù)雜，編圖過程中的編圖條件也經(jīng)常發(fā)生變化，系統(tǒng)的自動(dòng)化水平很難達(dá)到令人十分滿意的程度。綜合考慮以上因素，系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的列車運(yùn)行圖調(diào)整子系統(tǒng)，該人機(jī)交互系統(tǒng)切合實(shí)際需要、操作簡便、功能健全。運(yùn)用列車運(yùn)行圖調(diào)整子系統(tǒng)，用戶既可以將由計(jì)算機(jī)自動(dòng)編制的列車運(yùn)行圖進(jìn)一步通過人機(jī)對話進(jìn)行調(diào)整，也可完全通過人機(jī)對話方式完成列車運(yùn)行圖的編制工作。

3 現(xiàn)行系統(tǒng)問題分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

3.1.1 系統(tǒng)功能方面的變化

實(shí)現(xiàn)從一個(gè)單純的運(yùn)行圖編制的過程化作業(yè)決策工具向運(yùn)行圖編制與管理的全方位信息化支持工具的轉(zhuǎn)化。

3.1.2 路網(wǎng)一元化管理和整體不可分割性的要求

高速鐵路與既有線的基本計(jì)劃和實(shí)施計(jì)劃納入統(tǒng)一的編制流程，共用統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以保證高速鐵路各項(xiàng)計(jì)劃與既有線的無縫連接。

3.1.3 技術(shù)方面的要求

（1）編圖求解的復(fù)雜性。如果將開行列車作為任務(wù) ( 工件 )，將列車占用區(qū)間或車站作為“加工”工序，則列車運(yùn)行圖的優(yōu)化編制問題可以轉(zhuǎn)化為列車群的車站、區(qū)間工序集的合理調(diào)度排序問題，是一類典型的調(diào)度問題，歸結(jié)為車間作業(yè)調(diào)度問題 ( Job-shop Scheduling Problem，JSP )。目前，在面臨大規(guī)模的實(shí)際 JSP 問題時(shí)，沒有求解精確最優(yōu)解的通用算法。

運(yùn)行圖編制模型的難度隨著列車、車站數(shù)量的增加而迅速增大，傳統(tǒng)的分支定界等方法難以在有限時(shí)間內(nèi)求解。列車運(yùn)行圖編制問題屬于 NP ( Nondeterministic Polynomial ) 難題，具有組合“爆炸”特性，尚沒有方法找到其數(shù)學(xué)最優(yōu)解。

（2）多目標(biāo)問題的優(yōu)化求解。列車運(yùn)行圖的編制問題是一個(gè)多目標(biāo)的、復(fù)雜的組合“爆炸”問題。問題的多目標(biāo)特征體現(xiàn)在 2 個(gè)方面：①列車運(yùn)行圖存在多方面的數(shù)量指標(biāo)，如列車旅行速度、機(jī)車及動(dòng)車組運(yùn)用數(shù)量、車輛運(yùn)用數(shù)量、需要占用的車站股道及庫線的數(shù)量等；②列車運(yùn)行圖存在多方面的質(zhì)量指標(biāo)，如列車運(yùn)行圖的均衡性和可調(diào)整性、吸引旅客的方便性、通過能力利用率等。

（3）運(yùn)行圖質(zhì)量評價(jià)體系的確定。列車運(yùn)行圖編制問題具有復(fù)雜性，由于它是一個(gè)超大規(guī)模的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，更為突出的是，列車運(yùn)行圖的某些質(zhì)量指標(biāo)無法進(jìn)行定量描述，只能進(jìn)行定性分析，屬于半結(jié)構(gòu)化問題，難以建立列車運(yùn)行圖質(zhì)量評價(jià)的數(shù)量指標(biāo)體系。

3.2 既有系統(tǒng)的主要問題

目前，盡管我國鐵路各級(jí)編圖人員都可以運(yùn)用全路通用的計(jì)算機(jī)編圖軟件進(jìn)行編圖工作，但現(xiàn)行的編圖系統(tǒng)仍然存在以下問題[2]。

（1）全路集中化聯(lián)網(wǎng)編圖尚未實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件尚未完全實(shí)現(xiàn)全國鐵路基于局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)編制客貨列車運(yùn)行圖的功能，列車運(yùn)行圖的編制模式未能得到有效突破，即便是編制暑期圖、春運(yùn)圖，也仍然需要集中各鐵路局編圖人員召開全路性的編圖會(huì)議，網(wǎng)絡(luò)化水平不足。

（2）運(yùn)行圖編制全方位信息化有待完善。列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)是一個(gè)涉及面廣的龐大系統(tǒng)，現(xiàn)有系統(tǒng)主要是圍繞編圖工作的核心環(huán)節(jié)展開的。一方面，各子系統(tǒng)建設(shè)的完整性、功能的完備性還存在較大差距，其他相關(guān)業(yè)務(wù)計(jì)劃編制系統(tǒng)尚未納入系統(tǒng)進(jìn)行整體研究；另一方面，列車運(yùn)行計(jì)劃編制所依據(jù)的相關(guān)參數(shù)的完整性和精確性，以及系統(tǒng)軟件功能的精細(xì)化程度還存在差距，列車運(yùn)行圖編制涉及的很多相關(guān)因素尚未納入系統(tǒng)進(jìn)行研究，信息顆粒度還需要細(xì)化。因此，整體上與我國鐵路列車運(yùn)行圖編制和管理的需要仍有差距，系統(tǒng)化、精細(xì)化程度不夠。

（3）智能化水平需要提高。采用計(jì)算機(jī)可以生成初始可行解，但繁忙干線特別是單線的自動(dòng)化編制水平還很難令人滿意，人工干預(yù)調(diào)整的工作量仍然很大，系統(tǒng)的智能化水平仍有待大力提高。

4 研究展望

從列車運(yùn)行圖編制工作和我國計(jì)算機(jī)編圖研究應(yīng)用的現(xiàn)狀來看，今后我國鐵路計(jì)算機(jī)編制列車運(yùn)行圖的研究可分為以下 3 個(gè)階段。

第一階段：完全實(shí)現(xiàn)全路列車運(yùn)行圖的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)編制。實(shí)現(xiàn)全路直通旅客列車方案圖的編制和調(diào)整，以及客貨列車運(yùn)行圖的編制和調(diào)整，并建立有效的群體協(xié)同支持手段，實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的全路列車運(yùn)行圖編制的信息化、智能化。

第二階段：實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖及其相關(guān)作業(yè)計(jì)劃編制和管理的一體化、信息化。在全路列車運(yùn)行圖的編制和管理工作中，徹底改變傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式，在列車運(yùn)行圖編制和管理工作的各環(huán)節(jié)和全過程最大限度地實(shí)現(xiàn)信息化。建立集車、機(jī)、工、電、輛于一體，集既有線與高速鐵路運(yùn)行計(jì)劃編制于一體的列車運(yùn)行計(jì)劃編制系統(tǒng)，為列車運(yùn)行圖編制和管理工作提供各部門整體協(xié)同作業(yè)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化支持，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行計(jì)劃各相關(guān)計(jì)劃編制和管理工作的無縫連接。

第三階段：實(shí)現(xiàn)基于全路網(wǎng)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化編圖。盡可能減少人機(jī)交互調(diào)整，以最大限度地提高列車運(yùn)行圖編制的自動(dòng)化程度和效率。

5 結(jié)束語

目前，我國鐵路列車運(yùn)行圖的計(jì)算機(jī)編制技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破，現(xiàn)行的列車運(yùn)行圖編制軟件已基本滿足鐵路局編制列車運(yùn)行圖的需要。但隨著我國高速鐵路的發(fā)展，鐵路部門對列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)提出了更高的功能需求，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖及相關(guān)作業(yè)計(jì)劃編制和管理的一體化、信息化，對系統(tǒng)研發(fā)人員也提出了更高的要求。

[1] 倪少權(quán)，呂紅霞，李 浩. 計(jì)算機(jī)編制列車運(yùn)行圖系統(tǒng)的研究[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2001，23(7)：32-35.

[2] 祝建平. 鐵路列車運(yùn)行圖編制與管理工作的思考[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2009，31(2)：19-21.