符 卓 ，袁雪瑩

（1.軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

1 問(wèn)題描述

高速動(dòng)車(chē)組司機(jī)(又稱機(jī)車(chē)乘務(wù)員)乘務(wù)交路是指司機(jī)擔(dān)當(dāng)值乘任務(wù)的固定周轉(zhuǎn)區(qū)段，即司機(jī)從機(jī)務(wù)段所在站(或動(dòng)車(chē)所、乘務(wù)基地)到折返站(乘務(wù)換乘站)之間往返值乘的線路區(qū)段，其編制是機(jī)車(chē)乘務(wù)交路編制和機(jī)車(chē)運(yùn)用工作的重要組成部分。目前我國(guó)仍然主要靠人工憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，這種工作方式效率較低。隨著近年來(lái)我國(guó)高速鐵路路網(wǎng)快速發(fā)展，開(kāi)行高速列車(chē)數(shù)量增多，動(dòng)車(chē)組乘務(wù)規(guī)則和作息時(shí)間要求又與普速鐵路乘務(wù)存在差異。為適應(yīng)運(yùn)輸市場(chǎng)需求調(diào)整列車(chē)運(yùn)行圖，這些新的應(yīng)用場(chǎng)景為機(jī)車(chē)乘務(wù)交路的編制帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。單靠人工憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成工作，往往存在編制方案單一、效率低下等問(wèn)題。因此，研發(fā)相應(yīng)的司機(jī)乘務(wù)交路計(jì)算機(jī)輔助編制系統(tǒng)，使機(jī)車(chē)乘務(wù)交路編制人員使用該系統(tǒng)快速編制出符合實(shí)際要求的實(shí)施方案，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高平均編制質(zhì)量。

乘務(wù)交路優(yōu)化編制模型與算法是開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助編制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。王瑩[1]、王媛媛[2]等針對(duì)客運(yùn)專線乘務(wù)交路計(jì)劃編制問(wèn)題的優(yōu)化模型與算法進(jìn)行了初步研究，并以京津城際客運(yùn)專線相關(guān)數(shù)據(jù)為背景對(duì)該算法進(jìn)行測(cè)試。但在其數(shù)學(xué)模型中尚未考慮乘務(wù)員的月工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、在乘務(wù)基地的常規(guī)休息時(shí)間、月大休時(shí)間要求等限制條件。褚飛躍[3]、張哲銘[4]等僅針對(duì)高速鐵路單一循環(huán)形式乘務(wù)排班計(jì)劃編制問(wèn)題進(jìn)行了研究。張曉棟[5]、楊國(guó)元[6]、李雯[7]等探討了客運(yùn)段乘務(wù)排班計(jì)劃，即列車(chē)員的乘務(wù)排班計(jì)劃，但與機(jī)車(chē)乘務(wù)員(司機(jī))的乘務(wù)交路編制仍然存在差異。

高速動(dòng)車(chē)組司機(jī)乘務(wù)交路編制問(wèn)題，是以值乘的高速列車(chē)運(yùn)行區(qū)段及其到發(fā)點(diǎn)為依據(jù)，在滿足乘務(wù)規(guī)章規(guī)定的各項(xiàng)作息時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的條件下，確定每天需值乘的交路方案和月度乘務(wù)排班計(jì)劃，并滿足司機(jī)(交路)數(shù)最少、交路接續(xù)最緊湊、動(dòng)車(chē)組司機(jī)間休時(shí)間較均衡3個(gè)目標(biāo)。在每次調(diào)整列車(chē)運(yùn)行圖后，可以根據(jù)預(yù)先確定的值乘區(qū)段及其車(chē)次，從列車(chē)運(yùn)行圖中獲取所值乘列車(chē)的到發(fā)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

鐵路現(xiàn)場(chǎng)目前使用的關(guān)于高速動(dòng)車(chē)組乘務(wù)交路編制的作息時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)主要包括：?jiǎn)伟鄦嗡緳C(jī)1次出乘時(shí)間(即日工作時(shí)長(zhǎng)，含出退勤時(shí)間，立即折返停留時(shí)間)不超過(guò)8 h，在退勤或間休前連續(xù)值乘的“一個(gè)單程或立即折返交路”的圖定旅行時(shí)間不得超過(guò)4 h；月工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)為166.67 h；雙程之間安排不少于90 min的間休時(shí)間；在折返站退勤后的調(diào)休時(shí)間不少于5 h；在本段站退勤后的休息時(shí)間不少于16 h；每月應(yīng)安排1～2次48 ～ 72 h的大休班時(shí)間；司機(jī)在動(dòng)車(chē)所交接班時(shí)(有出、入所作業(yè))，出退勤時(shí)間分別為70 min和45 min，在車(chē)站交接班時(shí)，出退勤時(shí)間分別為60 min和30 min。需要注意的是，間休時(shí)間最小值是以值乘的不同車(chē)次間的到、發(fā)時(shí)間差來(lái)計(jì)算的，每間休1次，需記1次在車(chē)站出退勤時(shí)間，即90 min。

由于1名司機(jī)每天只能值乘1個(gè)乘務(wù)交路，因而構(gòu)建的乘務(wù)交路數(shù)越少，每天需要安排出勤值乘的司機(jī)人數(shù)也就越少，這是編制乘務(wù)交路時(shí)首要的優(yōu)化目標(biāo)。在滿足相關(guān)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的情況下，去程和返程之間的接續(xù)時(shí)間(即間休時(shí)間)，以及相鄰2個(gè)乘務(wù)交路之間的接續(xù)時(shí)間(即退勤后的休息時(shí)間)越短，表示接續(xù)越緊湊，同時(shí)，對(duì)司機(jī)退勤后的集中時(shí)間休息越有利，此為優(yōu)化的次要目標(biāo)。動(dòng)車(chē)組司機(jī)間休時(shí)間較均衡則可通過(guò)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中設(shè)定間休時(shí)間的最小值和最大值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 高速動(dòng)車(chē)組乘務(wù)交路輔助編制系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 功能模塊設(shè)計(jì)

乘務(wù)交路的編制步驟為：①根據(jù)高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行區(qū)段及列車(chē)到發(fā)點(diǎn)確定乘務(wù)區(qū)段；②根據(jù)乘務(wù)區(qū)段構(gòu)建乘務(wù)交路；③根據(jù)乘務(wù)交路編制乘務(wù)排班計(jì)劃。乘務(wù)區(qū)段是指司機(jī)在間休或退勤休息前連續(xù)值乘的、圖定旅行時(shí)間不超過(guò)4 h的“一個(gè)單程或立即折返交路”。乘務(wù)交路一般由固定值乘的1對(duì)“往返”的乘務(wù)區(qū)段組成，有時(shí)則由1個(gè)或3個(gè)乘務(wù)區(qū)段組成，其數(shù)量等于每日所需要出乘的司機(jī)數(shù)，是司機(jī)一天的工作安排(日計(jì)劃)。乘務(wù)排班計(jì)劃是依次循環(huán)值乘若干乘務(wù)交路的工作安排，是司機(jī)值乘工作月度計(jì)劃。根據(jù)上述對(duì)乘務(wù)交路編制問(wèn)題及其編制步驟的描述，可以將高速動(dòng)車(chē)組乘務(wù)交路輔助編制系統(tǒng)主要功能模塊按步驟順序劃分為5個(gè)。高速動(dòng)車(chē)組乘務(wù)交路輔助編制系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 高速動(dòng)車(chē)組乘務(wù)交路輔助編制系統(tǒng)功能模塊Fig.1 Function modules of crew scheduling auxiliary system of high-speed EMU

（1）乘務(wù)交路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。乘務(wù)交路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指與動(dòng)車(chē)組司機(jī)作息時(shí)間相關(guān)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。輸入系統(tǒng)后除特殊情況外，一般不做修改，主要作為編制乘務(wù)交路的限制條件。

（2）乘務(wù)區(qū)段運(yùn)行圖數(shù)據(jù)采集與處理。乘務(wù)區(qū)段運(yùn)行圖數(shù)據(jù)主要包括所值乘列車(chē)對(duì)應(yīng)的車(chē)次、始終站和列車(chē)到發(fā)點(diǎn)等，這些信息均可從運(yùn)行圖中獲取。通常1個(gè)單程作為1個(gè)乘務(wù)區(qū)段，然而，當(dāng)1對(duì)往返車(chē)次滿足立即折返條件時(shí)(即由同一動(dòng)車(chē)組擔(dān)當(dāng)，且接續(xù)時(shí)間小于90 min，旅行時(shí)間不超過(guò)4 h)，可由編制人員指定該立即折返交路組成一個(gè)乘務(wù)區(qū)段，再由系統(tǒng)輔助處理、合成相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）乘務(wù)交路編制。該功能模塊的目的是給出每個(gè)乘務(wù)交路具體由何乘務(wù)區(qū)段接續(xù)組成，以及接續(xù)時(shí)的間休時(shí)間。個(gè)別特殊的乘務(wù)交路應(yīng)能夠由人工優(yōu)先指定，再與由系統(tǒng)自動(dòng)編制的乘務(wù)交路合并。所組成的乘務(wù)交路數(shù)最少和乘務(wù)區(qū)段間的接續(xù)最緊湊是該階段的優(yōu)化目標(biāo)。高速動(dòng)車(chē)組司機(jī)的乘務(wù)交路可分為4種類(lèi)型：①休息折返型。司機(jī)出勤值乘去程乘務(wù)區(qū)段，到達(dá)折返站后按規(guī)定休息，再值乘1個(gè)返程乘務(wù)區(qū)段返回。②純立即折返型。司機(jī)出勤值乘，到達(dá)折返站后，立即值乘同一車(chē)底的另一車(chē)次返回，形成一個(gè)由子回路組成的立即折返乘務(wù)區(qū)段；間休后再值乘另一立折乘務(wù)區(qū)段，再次返回，形成帶立即折返的乘務(wù)交路。③混合折返型。由1個(gè)立即折返乘務(wù)區(qū)段和1個(gè)非立即折返乘務(wù)區(qū)段混合組成的乘務(wù)交路。④單乘務(wù)區(qū)段型。由于列車(chē)到、發(fā)點(diǎn)等原因，乘務(wù)區(qū)段間無(wú)法搭配組成乘務(wù)交路時(shí)，則稱為單乘務(wù)區(qū)段的乘務(wù)交路。

（4）乘務(wù)排班計(jì)劃編制。主要實(shí)現(xiàn)所有乘務(wù)交路排出循環(huán)值乘的順序，包括單一循環(huán)形式和多個(gè)循環(huán)形式2種。在編制過(guò)程中，要求在滿足相關(guān)休息時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的條件下，使乘務(wù)交路間的接續(xù)最緊湊。

2.2 功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.2.1 乘務(wù)交路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括司機(jī)工作時(shí)間、休息時(shí)間和出退勤時(shí)間3大類(lèi)，統(tǒng)一存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。工作時(shí)間主要指月、日工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，間休或退勤前一次連續(xù)值乘時(shí)間的上、下限等。休息時(shí)間包括在本段、外段退勤后的休息時(shí)間，以及間休時(shí)間的最小值和最大值等。出退勤時(shí)間分為在動(dòng)車(chē)所出退勤和在車(chē)站出退勤2種輔助時(shí)間。這些時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)輸入后，也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。

2.2.2 乘務(wù)區(qū)段運(yùn)行圖數(shù)據(jù)采集與處理

（1）乘務(wù)區(qū)段運(yùn)行圖數(shù)據(jù)采集。對(duì)于所值乘列車(chē)的運(yùn)行圖相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了按固定格式“從Excel表導(dǎo)入”或“從文本文件導(dǎo)入”2種方式?！拔谋疚募庇蓪?duì)應(yīng)的“Excel表”“另存為”得到，從而可以保證數(shù)據(jù)的一致性。

（2）數(shù)據(jù)保存與查詢。為方便編制人員對(duì)乘務(wù)區(qū)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)了乘務(wù)區(qū)段數(shù)據(jù)的“保存”“查詢”“刪除”等功能。

（3）將人工指定的乘務(wù)區(qū)段合成立即折返交路。由乘務(wù)交路編制人員在導(dǎo)入的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)表中逐行選擇符合組成立即折返交路條件的乘務(wù)區(qū)段，單擊相應(yīng)的功能按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)將這些乘務(wù)區(qū)段合成立即折返乘務(wù)區(qū)段，并將其返回插入到乘務(wù)區(qū)段運(yùn)行圖數(shù)據(jù)表中。

2.2.3 乘務(wù)交路編制

為了便于進(jìn)行多方案比選，分別設(shè)計(jì)了“人工指定合成乘務(wù)交路”“按先到先走構(gòu)建”和“調(diào)用優(yōu)化算法構(gòu)建”3種實(shí)現(xiàn)方式。其中，“人工指定合成乘務(wù)交路”的操作優(yōu)先執(zhí)行。

（1）將人工指定的乘務(wù)區(qū)段合成乘務(wù)交路?？紤]到實(shí)際工作中有一些特殊的乘務(wù)交路需要人工優(yōu)先指定，設(shè)計(jì)了此功能。若有此需要時(shí)，先由人工選定需合成乘務(wù)交路的乘務(wù)區(qū)段，再單擊相應(yīng)的功能按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)將所選定的乘務(wù)區(qū)段合成為乘務(wù)交路，最后將其插入到“按先到先走構(gòu)建”或“調(diào)用優(yōu)化算法構(gòu)建”的結(jié)果中，從而形成完整的乘務(wù)交路方案，并提供給編制乘務(wù)排班計(jì)劃使用。

（2）按先到先走構(gòu)建?！跋鹊较茸摺笔乾F(xiàn)場(chǎng)編制人員常用的編制乘務(wù)交路的方法，即值乘先到達(dá)的去程列車(chē)的司機(jī)，優(yōu)先值乘最早一趟滿足接續(xù)條件的返程列車(chē)返回。按照其具體步驟在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)。

（3）調(diào)用優(yōu)化算法構(gòu)建。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高速動(dòng)車(chē)組乘務(wù)交路優(yōu)化編制問(wèn)題的要求，以構(gòu)建的乘務(wù)交路數(shù)最少、乘務(wù)區(qū)段間接續(xù)最緊湊為優(yōu)化目標(biāo)，并滿足相關(guān)作息時(shí)間限制條件，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及用于求解的禁忌搜索算法來(lái)編制乘務(wù)交路，其中的部分內(nèi)容可參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。根據(jù)乘務(wù)區(qū)段和乘務(wù)規(guī)則，乘務(wù)交路一般由1對(duì)“往返”的乘務(wù)區(qū)段組成(包含1次間休)，特殊情況下，由1個(gè)或3個(gè)乘務(wù)區(qū)段組成。當(dāng)乘務(wù)交路由3個(gè)乘務(wù)區(qū)段組成時(shí)，包含2次間休。所建立的數(shù)學(xué)模型及其求解算法均能處理這3種類(lèi)型，且可以給出多個(gè)優(yōu)化方案供比選。

2.2.4 乘務(wù)排班計(jì)劃編制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)乘務(wù)排班計(jì)劃編制問(wèn)題的要求和問(wèn)題的復(fù)雜性，在排班計(jì)劃編制階段，以乘務(wù)交路間接續(xù)最緊湊為優(yōu)化目標(biāo)，并滿足相關(guān)作息時(shí)間限制條件，構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及用于求解的禁忌搜索算法。算法設(shè)定為當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)值相等時(shí)，循環(huán)個(gè)數(shù)少者優(yōu)先。點(diǎn)擊相關(guān)按鈕，系統(tǒng)可以快速編制出多個(gè)優(yōu)化方案比選，并分別以文本格式和Excel格式輸出編制結(jié)果。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高速列車(chē)開(kāi)行的數(shù)量增多，動(dòng)車(chē)組司機(jī)乘務(wù)規(guī)則又比普速機(jī)車(chē)司機(jī)的復(fù)雜，以及為適應(yīng)運(yùn)輸市場(chǎng)需求而經(jīng)常性地調(diào)整列車(chē)運(yùn)行圖，使得靠人工憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成動(dòng)車(chē)組司機(jī)乘務(wù)交路編制工作，存在編制方案單一、效率低等問(wèn)題。而高速動(dòng)車(chē)組司機(jī)乘務(wù)交路輔助編制系統(tǒng)，可以輔助編制人員快速編制出符合實(shí)際要求的乘務(wù)交路方案，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高平均編制質(zhì)量，已經(jīng)在南昌機(jī)務(wù)段和福州機(jī)務(wù)段進(jìn)行示范性推廣。