轮乘制下的铁路乘务排班系统

信息化应用InformationizationApplication33轮乘制下的铁路乘务排班系统(北京全路通信信号研究设计院张波)摘要：针对铁路乘务制度由包乘制改为轮乘制，建立基于回溯算法的乘务排班系统，完成乘务计划快速自动编排，降低乘务成本。关键词：铁路乘务回溯算法Abstract:Asthechangefromresponsiblecrewsystemtocrewpoolingsysteminlocomotivecrewworkingsystem,toestablishcrewrosteringsystembasedonbacktrackingalgorithmstocompleterapidautoarrangementoflocomotivecrewworkingplanandreducecrewcosts.Keywords:Railway,Crewplan,andBacktrackingalgorithms随着铁路客运专线的建设，铁路运输的线路、机车车辆等硬件水平得到了提高，铁路的运输能力得到了增强。硬件建设可以通过资金投入在短时间内快速提升，但是更需要提升软实力，从乘务服务上进行提升，才能增强铁路竞争力，赢得市场。铁路第6次提速，CRH和谐号动车组将列车运行速度提高到200km/h。2008年6月开通的京津城轨将动车组运行速度提升至300km/h。如此高的列车运行速度需要合理、高效的客运乘务组织配合，在保证服务质量的同时，尽可能降低乘务成本。1乘务的包乘制与轮乘制目前铁路客运乘务多采用包乘制。包乘制是按列车行驶区间和车次由固定的列车乘务组包乘。根据车底使用情况不同可分为包车底制和包车次制。包车底制是乘务组不仅固定区段、车次而且固定包乘某一车底（长途列车乘务组分成两班轮流服务）。这种形式有利于车辆设备及备品的保养完好，乘务员熟悉情况，有利于提高服务质量；缺点是长途旅客列车需挂宿营车，乘务工时一般难以保证。包车次制是一个车次（通常叫线路）由几个乘务组包干值乘，但不包车底。其优点是便于管理，可保证服务质量，乘务人员对线路也比较熟悉；缺点是不利于车底保养，交接手续复杂。轮乘制是在旅客列车密度大，且列车种类和编组又基本相同的区段，为了紧凑地组织乘务交路和班次，采用乘务组互相套用，不固定乘务组服务于某一列车。其优点是乘务员单班作业，乘务员熟悉情况，无需宿营车，节省运能；缺点是增加了交接手续，对服务质量略有影响，须加强途中宿营点的接待服务设施。客运专线均连接重大城市，一般都设置有乘务公寓。先进的硬件自动控制技术也降低了交接的复杂度。如果采用轮乘制，动车组和乘务班组相对独立，二者都能根据各自实际情况开展动车组检修、乘务班组轮休等。在动车组停运期间，乘务班组能在其他线路和其他动车上开展工作，不受影响。当乘务班组出现特殊情况无法值乘时，动车组依然能够得到其他乘务班组，不影响开行。由于动车组造价较高，只有提高在线率，才能充分发挥价值。但是乘务人员不能长时间超劳工作。采用轮乘制的乘务计划必须考虑乘务员换班。乘务员换班方式：外段立即折返、外段换班和中途站换班等。乘务员换班方式按照乘务员一次值乘机车连续工作时间确定。交路短时，可采用立即折返制；交路适宜，采用外段换班制；交路长时，采用中间换班制，交路很长时，可能要换班数次，接力值乘运行。轮乘制早在蒸汽机车年代就被许多发达国家采用，在内燃牵引和电力牵引出现后，仍继续采用。国际铁路协会1956年海牙会议认为轮乘制是最好的乘务制度。我国民航乘务制度就采用轮乘制。因此，结合动车组运行速度高，折返周期短的实际情况，在运行CRH动车组的客运专线上，乘铁路通信信号工程技术(RSCE)2008年6月，第5卷第3期InformationizationApplication信息化应用34务应当采用轮乘制，满足其高效运转的需求。2轮乘制下的乘务约束条件及评估乘务排班会受到机车、人员等约束，同时还必须遵守国家的法律和铁路的相关规定。借鉴国外的乘务规则及我国既有的乘务规则，乘务员的劳动和休息时间应主要满足表1所示条件。表1乘务约束条件约束项约束值每日工作时间8h每月工作时间180h每日纯乘务时间≥6h连续工作时间≤4h在本乘务基地休息时间≥16h在外乘务基地休息时间≥6h每月大休班次数1～2次每次大休班时间48～72h此外，还应该从人性化和合理化方面考虑，包括吃饭的规定、工作时间段的更换等。在上述约束条件下，可能产生多种不同但可行的乘务排班计划，如何选取则需要一个评判标准。对于运输企业而言，良好的乘务计划在满足相关规定的情况下应达到成本最低，即在完成运行图任务的基础上使用最少的乘务人员，尽可能降低在外住宿，减少便乘的里程。这些目标，从另一个侧面来看，也可降低企业综合成本。此外，良好的乘务计划还应该从人性化方面考虑其合理性，例如乘务组间劳动强度均衡、乘务人员出/退乘均在家庭所在城市、考虑乘务人员吃饭时间等。由于乘务日计划受日运行图的限制和乘务基地设置约束，很难在单日内达到最优。但是月计划可以通过时间延长的方式达到最后的均衡。因此，日计划的目标更多是完成客运任务的基础上适当考虑合理性；月计划通过多日累计实现均衡，达到合理的目标。3轮乘排班的算法模型针对乘务约束条件和结果评估要求，乘务员运用计划问题可以进行细化分解。一些乘务作业需要的乘务时间过长，乘务员不能连续乘务，必须将这些任务在可能的换乘点上分割开，形成值乘区段；然后将这些值乘区段或值乘区段的组合分配给乘务员执行，形成乘务员连续执行的工作计划。这一问题通常可以表示成覆盖问题或分解问题(两个模型均为典型的整数规划模型）。覆盖问题的数学模型如公式1、2所示。MinZ(x)=∑cjxj（1）∑Fijχj≥1,i=1...M∑Gjkχj≥hk,k=1...Nχj={0,1}(2）分解问题的数学模型如公式3、4所示:MinZ(x)=∑cjxj（3）∑Fijχj=1,i=1...M∑Gjkχj≥hk,k=1...Nχj={0,1}(4）Fij=0,如果乘务交路Cj包含职乘区段i1,其它情况在上述模型的约束方程组中，Xj表示乘务交路j是否被运用计划利用的变量。当乘务交路j被运用计划利用时，Xj=1，否则，Xj=0；Cj是乘务交路j所对应的费用；Fij是覆盖或分解问题中的消耗矩阵的元素。当乘务交路j中包含任务区段i时，Fij=1。不包含任务区段i时，Fij=0；Gjk表示乘务交路j需要利用第k个乘务员基地的人数，hk表示乘务员基地k所能提供的最多乘务员数量，M和N分别表示总的值乘区段数量和乘务员基地数量。当要求值乘区段i至少被覆盖一次即允许便乘时，乘务员运用计划问题对应于覆盖模型；当要求值乘区段只能被精确地覆盖一次时，乘务员运用计划问题对应于分解问题。费用Cj的定义和确定，对问题最优解的形成起着比较关键的作用。4回溯算法实现轮乘排班任何符合乘务规则的值乘区段的组合就可构成备选乘务交路。小规模问题可采用枚举法得到问题最优解，但对于大规模的实际问题，则会产生组合爆炸现象。对于乘务排班问题，一般包含两大类求解方法：最优化算法和启发式算法。当模型本身允许的求解时间较长时，则可使用复杂程度较高的最优化算法。但若模型本身具有及时性，或是模型规模过于庞大而无法求得最优解时，为了能在有效的时间内求得较优的近似解，则可采用复杂程度较低的启发式算法。乘务排班计划有多种可能，没有最优解，只有合适解，且存在调整可能。因此，乘务排班系统宜铁路通信信号工程技术(RSCE)2008年6月信息化应用InformationizationApplication35采用启发式算法。考虑到实际情况，本文则用回溯来求解乘务排班问题。回溯法是基本的算法策略之一，也是人工智能中问题求解的基本方法。回溯法是一个既带有系统性又带有跳跃性的搜索算法，在问题规模不是太大的前提下，在包含问题的所有解的解空间树中，按照深度优先的策略，从根结点出发搜索解空间树。算法搜索至解空间树的任一结点时，总是先判断该结点是否肯定不包含问题的解。如果肯定不包含，则跳过对以该结点为根的子树的搜索，逐层向其祖先结点回溯。否则，进入该子树，继续按深度优先的策略进行搜索。回溯法是一种通用性解法，可以将回溯法看作是带优化的穷举法。运用回溯法解题通常包含以下3个步骤：（1）针对所给问题，定义问题的解空间；（2）确定易于搜索的解空间结构；（3）以深度优先的方式搜索解空间，并且在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。乘务排班，就是根据既定的动车组交路计划，将其分解为可供乘务人员值乘的值乘区段，然后在这些区段中进行搜索，寻找符合条件的解。如果遇到不合适的，则回溯，直到找到一个解。以胶济线动车组开行计划为例，动车组在济南、青岛、泰山3个站间运行，如图1所示。2471218济南青岛泰山X3012X8014X8016X8018X8020X8016/5X8014/7X3011X8013X8015X8017X8021X3013X8024图1胶济线动车组开行计划乘务排班系统设定相关约束条件，如图2所示。设定好约束条件后，程序将列车运行图的数据进行拆解形成值乘区段集合，然后在集合中利用回溯算法构造解。通过对解空间的搜索和回溯，获得多条值乘交路，最终将所有的值乘区段覆盖，从而得到单日的乘务交路供选择，如图3所示。将图3中的乘务交路分配给已有的乘务班组，就形成了乘务日计划。5乘务月度计划优化正如前面分析，所得到的各乘务交路指标一般不同，将某些乘务交路长期固定给某乘务组，势必图3乘务排班日交路图2乘务排班约束条件No.3张波：轮乘制下的铁路乘务排班系统造成其劳动时间和在非乘务基地过夜次数的不均衡性，这些加大了乘务运营成本；另外，根据乘务规则，乘务员在完成一次乘务工作之后，为了保证安全，必须保证有足够的休息时间，并且一般在一个InformationizationApplication信息化应用36月中还应有1～2次48～72h的大休班时间；上述这些因素在制定月度计划时，必须给予充分考虑。乘务月度运用优化方案的含义就是在满足乘务规则的基础上，使各乘务组乘务时间和在非乘务基地过夜次数差异最小的方案。由于乘务规则中规定，在一个月中必须有大休班时间，故乘务组每月实际所能工作的天数为m～n（m为30或31天，n为大休班天数）。因此，对于有k个交路的乘务基地，必须保证有如公式5所示数量的乘务组，才能保证乘务工作的完成。P=int()+1m×km-n(5)也就是说，每天有k个乘务组工作，其余p～k个乘务组休息。此外，还需要考虑乘务组大休班的均衡性，若乘务组1、2日休息，则下一次休息最好为16、17日，而不是4、5日。为此，采用顺序休班法，即每天顺序选择p～k个乘务组大休班。当选择到最后一个乘务组后，再循环到第1号乘务组接续安排。6现场应用初探随着铁路提速和客运专线建设，铁路的管理逐渐由路局管理变化为铁道部相对集中管理。目前，铁路部门正在建设北京、上海、武汉、广州四大动车基地，以后运行于铁路上的动车组将不再隶属于铁路局，而将全部归铁道部统一调配。配套还建设了四大乘务基地，所有的乘务人员将统一分配到这四个基地。集中化的管理对于资源利用率的提高非常好。例如在春运或今年南方雪灾时，铁道部就可以对全路的资源统一调配而不存在路局间的利益冲突问题。配套的乘务班组也可以基于轮乘制灵活地进行排班，不会出现包乘制的人车绑定局面。当发生特殊情况乘务班组无法执行后续任务时，轮乘制乘务排版系统可以基于现有的资源，包括乘务人员、列车调整计划进行重新计算，从而快速形成乘务调整计划并下发给各乘务班组，提高了乘务的响应效率。此外，统一的集中管理也有利于减少乘务备班数量，从而降低乘务成本。相信通过乘务轮乘制，乘务的执行效率将得到较大的提高，乘务成本得到控制，铁路的服务品质也将因此而提升。作者简介：张波，工程师，北京，100073（收稿日期：2008-03-21）铁路通信信号工程技术(RSCE)2008年6月来自铁道部运输局的消息，我国首款国产化铁路GSM-R手持终端（作业手持台）通过铁道部技术审查，正式进入铁路市场使用。根据铁路发