高速動車組乘務交路輔助編制系統研究

符 卓 ，袁雪瑩

（1.軌道交通安全關鍵技術國際合作聯合實驗室，湖南 長沙 410075；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075）

1 問題描述

高速動車組司機(又稱機車乘務員)乘務交路是指司機擔當值乘任務的固定周轉區(qū)段，即司機從機務段所在站(或動車所、乘務基地)到折返站(乘務換乘站)之間往返值乘的線路區(qū)段，其編制是機車乘務交路編制和機車運用工作的重要組成部分。目前我國仍然主要靠人工憑經驗來完成，這種工作方式效率較低。隨著近年來我國高速鐵路路網快速發(fā)展，開行高速列車數量增多，動車組乘務規(guī)則和作息時間要求又與普速鐵路乘務存在差異。為適應運輸市場需求調整列車運行圖，這些新的應用場景為機車乘務交路的編制帶來很大的挑戰(zhàn)。單靠人工憑經驗來完成工作，往往存在編制方案單一、效率低下等問題。因此，研發(fā)相應的司機乘務交路計算機輔助編制系統，使機車乘務交路編制人員使用該系統快速編制出符合實際要求的實施方案，從而降低勞動強度，提高平均編制質量。

乘務交路優(yōu)化編制模型與算法是開發(fā)相應的計算機輔助編制系統的基礎。王瑩[1]、王媛媛[2]等針對客運專線乘務交路計劃編制問題的優(yōu)化模型與算法進行了初步研究，并以京津城際客運專線相關數據為背景對該算法進行測試。但在其數學模型中尚未考慮乘務員的月工作時間標準、在乘務基地的常規(guī)休息時間、月大休時間要求等限制條件。褚飛躍[3]、張哲銘[4]等僅針對高速鐵路單一循環(huán)形式乘務排班計劃編制問題進行了研究。張曉棟[5]、楊國元[6]、李雯[7]等探討了客運段乘務排班計劃，即列車員的乘務排班計劃，但與機車乘務員(司機)的乘務交路編制仍然存在差異。

高速動車組司機乘務交路編制問題，是以值乘的高速列車運行區(qū)段及其到發(fā)點為依據，在滿足乘務規(guī)章規(guī)定的各項作息時間標準的條件下，確定每天需值乘的交路方案和月度乘務排班計劃，并滿足司機(交路)數最少、交路接續(xù)最緊湊、動車組司機間休時間較均衡3個目標。在每次調整列車運行圖后，可以根據預先確定的值乘區(qū)段及其車次，從列車運行圖中獲取所值乘列車的到發(fā)點數據。

鐵路現場目前使用的關于高速動車組乘務交路編制的作息時間標準主要包括：單班單司機1次出乘時間(即日工作時長，含出退勤時間，立即折返停留時間)不超過8 h，在退勤或間休前連續(xù)值乘的“一個單程或立即折返交路”的圖定旅行時間不得超過4 h；月工作時間標準為166.67 h；雙程之間安排不少于90 min的間休時間；在折返站退勤后的調休時間不少于5 h；在本段站退勤后的休息時間不少于16 h；每月應安排1～2次48 ～ 72 h的大休班時間；司機在動車所交接班時(有出、入所作業(yè))，出退勤時間分別為70 min和45 min，在車站交接班時，出退勤時間分別為60 min和30 min。需要注意的是，間休時間最小值是以值乘的不同車次間的到、發(fā)時間差來計算的，每間休1次，需記1次在車站出退勤時間，即90 min。

由于1名司機每天只能值乘1個乘務交路，因而構建的乘務交路數越少，每天需要安排出勤值乘的司機人數也就越少，這是編制乘務交路時首要的優(yōu)化目標。在滿足相關時間標準的情況下，去程和返程之間的接續(xù)時間(即間休時間)，以及相鄰2個乘務交路之間的接續(xù)時間(即退勤后的休息時間)越短，表示接續(xù)越緊湊，同時，對司機退勤后的集中時間休息越有利，此為優(yōu)化的次要目標。動車組司機間休時間較均衡則可通過在基礎數據中設定間休時間的最小值和最大值來實現。

2 高速動車組乘務交路輔助編制系統功能模塊設計與實現

2.1 功能模塊設計

乘務交路的編制步驟為：①根據高速動車組的運行區(qū)段及列車到發(fā)點確定乘務區(qū)段；②根據乘務區(qū)段構建乘務交路；③根據乘務交路編制乘務排班計劃。乘務區(qū)段是指司機在間休或退勤休息前連續(xù)值乘的、圖定旅行時間不超過4 h的“一個單程或立即折返交路”。乘務交路一般由固定值乘的1對“往返”的乘務區(qū)段組成，有時則由1個或3個乘務區(qū)段組成，其數量等于每日所需要出乘的司機數，是司機一天的工作安排(日計劃)。乘務排班計劃是依次循環(huán)值乘若干乘務交路的工作安排，是司機值乘工作月度計劃。根據上述對乘務交路編制問題及其編制步驟的描述，可以將高速動車組乘務交路輔助編制系統主要功能模塊按步驟順序劃分為5個。高速動車組乘務交路輔助編制系統功能模塊如圖1所示。

圖1 高速動車組乘務交路輔助編制系統功能模塊Fig.1 Function modules of crew scheduling auxiliary system of high-speed EMU

（1）乘務交路基礎數據管理。乘務交路基礎數據是指與動車組司機作息時間相關的規(guī)定和標準。輸入系統后除特殊情況外，一般不做修改，主要作為編制乘務交路的限制條件。

（2）乘務區(qū)段運行圖數據采集與處理。乘務區(qū)段運行圖數據主要包括所值乘列車對應的車次、始終站和列車到發(fā)點等，這些信息均可從運行圖中獲取。通常1個單程作為1個乘務區(qū)段，然而，當1對往返車次滿足立即折返條件時(即由同一動車組擔當，且接續(xù)時間小于90 min，旅行時間不超過4 h)，可由編制人員指定該立即折返交路組成一個乘務區(qū)段，再由系統輔助處理、合成相關數據。

（3）乘務交路編制。該功能模塊的目的是給出每個乘務交路具體由何乘務區(qū)段接續(xù)組成，以及接續(xù)時的間休時間。個別特殊的乘務交路應能夠由人工優(yōu)先指定，再與由系統自動編制的乘務交路合并。所組成的乘務交路數最少和乘務區(qū)段間的接續(xù)最緊湊是該階段的優(yōu)化目標。高速動車組司機的乘務交路可分為4種類型：①休息折返型。司機出勤值乘去程乘務區(qū)段，到達折返站后按規(guī)定休息，再值乘1個返程乘務區(qū)段返回。②純立即折返型。司機出勤值乘，到達折返站后，立即值乘同一車底的另一車次返回，形成一個由子回路組成的立即折返乘務區(qū)段；間休后再值乘另一立折乘務區(qū)段，再次返回，形成帶立即折返的乘務交路。③混合折返型。由1個立即折返乘務區(qū)段和1個非立即折返乘務區(qū)段混合組成的乘務交路。④單乘務區(qū)段型。由于列車到、發(fā)點等原因，乘務區(qū)段間無法搭配組成乘務交路時，則稱為單乘務區(qū)段的乘務交路。

（4）乘務排班計劃編制。主要實現所有乘務交路排出循環(huán)值乘的順序，包括單一循環(huán)形式和多個循環(huán)形式2種。在編制過程中，要求在滿足相關休息時間標準的條件下，使乘務交路間的接續(xù)最緊湊。

2.2 功能模塊實現

2.2.1 乘務交路基礎數據管理

基礎數據主要包括司機工作時間、休息時間和出退勤時間3大類，統一存放在數據庫中。工作時間主要指月、日工作時間標準，間休或退勤前一次連續(xù)值乘時間的上、下限等。休息時間包括在本段、外段退勤后的休息時間，以及間休時間的最小值和最大值等。出退勤時間分為在動車所出退勤和在車站出退勤2種輔助時間。這些時間標準輸入后，也可根據實際需要進行修改。

2.2.2 乘務區(qū)段運行圖數據采集與處理

（1）乘務區(qū)段運行圖數據采集。對于所值乘列車的運行圖相關數據，系統提供了按固定格式“從Excel表導入”或“從文本文件導入”2種方式。“文本文件”由對應的“Excel表”“另存為”得到，從而可以保證數據的一致性。

（2）數據保存與查詢。為方便編制人員對乘務區(qū)段的數據進行管理，設計了乘務區(qū)段數據的“保存”“查詢”“刪除”等功能。

（3）將人工指定的乘務區(qū)段合成立即折返交路。由乘務交路編制人員在導入的運行圖數據表中逐行選擇符合組成立即折返交路條件的乘務區(qū)段，單擊相應的功能按鈕，系統自動將這些乘務區(qū)段合成立即折返乘務區(qū)段，并將其返回插入到乘務區(qū)段運行圖數據表中。

2.2.3 乘務交路編制

為了便于進行多方案比選，分別設計了“人工指定合成乘務交路”“按先到先走構建”和“調用優(yōu)化算法構建”3種實現方式。其中，“人工指定合成乘務交路”的操作優(yōu)先執(zhí)行。

（1）將人工指定的乘務區(qū)段合成乘務交路。考慮到實際工作中有一些特殊的乘務交路需要人工優(yōu)先指定，設計了此功能。若有此需要時，先由人工選定需合成乘務交路的乘務區(qū)段，再單擊相應的功能按鈕，系統自動將所選定的乘務區(qū)段合成為乘務交路，最后將其插入到“按先到先走構建”或“調用優(yōu)化算法構建”的結果中，從而形成完整的乘務交路方案，并提供給編制乘務排班計劃使用。

（2）按先到先走構建。“先到先走”是現場編制人員常用的編制乘務交路的方法，即值乘先到達的去程列車的司機，優(yōu)先值乘最早一趟滿足接續(xù)條件的返程列車返回。按照其具體步驟在計算機上進行了編程實現。

（3）調用優(yōu)化算法構建。根據現場對高速動車組乘務交路優(yōu)化編制問題的要求，以構建的乘務交路數最少、乘務區(qū)段間接續(xù)最緊湊為優(yōu)化目標，并滿足相關作息時間限制條件，建立了相應的數學模型及用于求解的禁忌搜索算法來編制乘務交路，其中的部分內容可參見文獻[8]。根據乘務區(qū)段和乘務規(guī)則，乘務交路一般由1對“往返”的乘務區(qū)段組成(包含1次間休)，特殊情況下，由1個或3個乘務區(qū)段組成。當乘務交路由3個乘務區(qū)段組成時，包含2次間休。所建立的數學模型及其求解算法均能處理這3種類型，且可以給出多個優(yōu)化方案供比選。

2.2.4 乘務排班計劃編制

根據現場對乘務排班計劃編制問題的要求和問題的復雜性，在排班計劃編制階段，以乘務交路間接續(xù)最緊湊為優(yōu)化目標，并滿足相關作息時間限制條件，構建了相應的數學模型及用于求解的禁忌搜索算法。算法設定為當優(yōu)化目標值相等時，循環(huán)個數少者優(yōu)先。點擊相關按鈕，系統可以快速編制出多個優(yōu)化方案比選，并分別以文本格式和Excel格式輸出編制結果。

在輸出的每個乘務排班計劃方案中，按照所循環(huán)值乘的乘務交路順序進行編排，同時給出各乘務交路間接續(xù)時在本段或外段的休息時間、每月的工作時間和可安排大休的時間等信息。為便于日后查看和比選，提供乘務排班計劃方案的保存功能，可通過單擊“另存為”按鈕實現。

3 結束語

隨著我國高速列車開行的數量增多，動車組司機乘務規(guī)則又比普速機車司機的復雜，以及為適應運輸市場需求而經常性地調整列車運行圖，使得靠人工憑經驗來完成動車組司機乘務交路編制工作，存在編制方案單一、效率低等問題。而高速動車組司機乘務交路輔助編制系統，可以輔助編制人員快速編制出符合實際要求的乘務交路方案，降低勞動強度，提高平均編制質量，已經在南昌機務段和福州機務段進行示范性推廣。