史常慶，倪少權(quán)

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

1 我國鐵路計算機編圖研究概況

我國鐵路從 20 世紀(jì) 60 年代開始進行利用計算機編制列車運行圖的研究[1]，經(jīng)過近 40 年的探索，經(jīng)歷了編制雙線區(qū)段列車運行圖、單線區(qū)段列車運行圖、旅客列車方案圖、樞紐地區(qū)列車運行圖、路網(wǎng)列車運行圖的研究發(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)的自動化編圖與人機交互相結(jié)合的輔助決策系統(tǒng)。

特別是近 10 年來，在計算機編制列車運行圖的研究中提出了“單雙線合一”的計算機編圖統(tǒng)一算法思想，研制開發(fā)了全路通用的鐵路局列車運行圖編制系統(tǒng)軟件和全路直通旅客列車運行圖編制系統(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)的全路列車運行圖編制系統(tǒng)3.0 版。我國鐵路列車運行圖編制系統(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，實現(xiàn)以鐵路局為整體解決范圍的，對單線和雙線、自動閉塞和半自動閉塞區(qū)段都有效的列車運行圖計算機輔助編制系統(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)，重點研究建立全路旅客列車運行圖編制系統(tǒng)，為實現(xiàn)全路旅客列車運行圖的優(yōu)化編制創(chuàng)造條件，提高我國鐵路列車運行圖的編制質(zhì)量和效率。

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

2 我國現(xiàn)行計算機編圖軟件的特征分析

（1）初步建立車務(wù)部門編制列車運行圖的過程化作業(yè)工具?；緷M足鐵路局客貨列車運行圖的編制和基于計算機局域網(wǎng)的全路旅客列車運行圖的聯(lián)網(wǎng)編制，在實現(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行圖編制與調(diào)整、時刻表輸出、運行圖繪制、指標(biāo)計算與統(tǒng)計、報表輸出、運行圖查詢等手段，并提供了初步的群體協(xié)同作業(yè)技術(shù)支持手段，具有初步的運行圖自動鋪畫功能，人機交互功能較為完整。

（2）實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與運行圖編制一體化。將數(shù)據(jù)管理與列車運行圖編制及調(diào)整、列車運行圖繪制、時刻表輸出和運行圖指標(biāo)統(tǒng)計等功能于一體，綜合構(gòu)建一個整體的列車運行圖編制系統(tǒng)，各子系統(tǒng)有機地融合成一個不可分割的整體。各子系統(tǒng)隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化自動進行數(shù)據(jù)動態(tài)刷新，各子系統(tǒng)共享內(nèi)存，實現(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；閉塞方式有自動閉塞、半自動閉塞，自動閉塞又可分為單向自動閉塞和雙向自動閉塞。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，全路列車運行圖的編制應(yīng)建立在基于各種行車條件的列車運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。通過采用全參數(shù)化設(shè)計，將編圖相關(guān)技術(shù)資料全部納入數(shù)據(jù)庫中進行管理，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行列車運行圖的編制。

（5）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的合并分解及上傳下載。為保證系統(tǒng)運行的暢通，實現(xiàn)列車運行圖數(shù)據(jù)資料能夠進行有效的交換，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，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）實現(xiàn)基于任意指定范圍的列車運行圖編制。由于鐵路運輸?shù)男枨笫嵌嘧兊?，鐵路既有定期重新編制列車運行圖的需要，也有大量的局部調(diào)整運行圖的需要，這就要求系統(tǒng)既能用于編制全路列車運行圖，也能編制調(diào)整任意局部范圍的列車運行圖。因此，系統(tǒng)實現(xiàn)了在任意指定范圍內(nèi)編制列車運行圖的功能。

（7）建立切合實際需要的人機交互系統(tǒng)。作為一個解決動態(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)提供了強大的列車運行圖調(diào)整子系統(tǒng)，該人機交互系統(tǒng)切合實際需要、操作簡便、功能健全。運用列車運行圖調(diào)整子系統(tǒng)，用戶既可以將由計算機自動編制的列車運行圖進一步通過人機對話進行調(diào)整，也可完全通過人機對話方式完成列車運行圖的編制工作。

3 現(xiàn)行系統(tǒng)問題分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)

3.1.1 系統(tǒng)功能方面的變化

實現(xiàn)從一個單純的運行圖編制的過程化作業(yè)決策工具向運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劃和實施計劃納入統(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計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)模的實際 JSP 問題時，沒有求解精確最優(yōu)解的通用算法。

運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間內(nèi)求解。列車運行圖編制問題屬于 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。列車運行圖的編制問題是一個多目標(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 個方面：①列車運行圖存在多方面的數(shù)量指標(biāo)，如列車旅行速度、機車及動車組運用數(shù)量、車輛運用數(shù)量、需要占用的車站股道及庫線的數(shù)量等；②列車運行圖存在多方面的質(zhì)量指標(biāo)，如列車運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）運行圖質(zhì)量評價體系的確定。列車運行圖編制問題具有復(fù)雜性，由于它是一個超大規(guī)模的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，更為突出的是，列車運行圖的某些質(zhì)量指標(biāo)無法進行定量描述，只能進行定性分析，屬于半結(jié)構(gòu)化問題，難以建立列車運行圖質(zhì)量評價的數(shù)量指標(biāo)體系。

3.2 既有系統(tǒng)的主要問題

目前，盡管我國鐵路各級編圖人員都可以運用全路通用的計算機編圖軟件進行編圖工作，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)編圖尚未實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件尚未完全實現(xiàn)全國鐵路基于局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)編制客貨列車運行圖的功能，列車運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議，網(wǎng)絡(luò)化水平不足。

（2）運行圖編制全方位信息化有待完善。列車運行圖編制系統(tǒng)是一個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)計劃編制系統(tǒng)尚未納入系統(tǒng)進行整體研究；另一方面，列車運行計劃編制所依據(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，列車運行圖編制涉及的很多相關(guān)因素尚未納入系統(tǒng)進行研究，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。采用計算機可以生成初始可行解，但繁忙干線特別是單線的自動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

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

第一階段：完全實現(xiàn)全路列車運行圖的計算機聯(lián)網(wǎng)編制。實現(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，實現(xiàn)基于計算機網(wǎng)絡(luò)的全路列車運行圖編制的信息化、智能化。

第二階段：實現(xiàn)列車運行圖及其相關(guān)作業(yè)計劃編制和管理的一體化、信息化。在全路列車運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現(xiàn)信息化。建立集車、機、工、電、輛于一體，集既有線與高速鐵路運行計劃編制于一體的列車運行計劃編制系統(tǒng)，為列車運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，實現(xiàn)列車運行計劃各相關(guān)計劃編制和管理工作的無縫連接。

第三階段：實現(xiàn)基于全路網(wǎng)的計算機自動優(yōu)化編圖。盡可能減少人機交互調(diào)整，以最大限度地提高列車運行圖編制的自動化程度和效率。

5 結(jié)束語

目前，我國鐵路列車運行圖的計算機編制技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破，現(xiàn)行的列車運行圖編制軟件已基本滿足鐵路局編制列車運行圖的需要。但隨著我國高速鐵路的發(fā)展，鐵路部門對列車運行圖編制系統(tǒng)提出了更高的功能需求，同時為實現(xiàn)列車運行圖及相關(guān)作業(yè)計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. 計算機編制列車運行圖系統(tǒng)的研究[J]. 鐵道運輸與經(jīng)濟，2001，23(7)：32-35.

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