鐵路乘務排班管理系統(tǒng)研究

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摘要：高速乘務排班管理系統(tǒng)的構建一直以來都是高鐵客運調(diào)度的核心內(nèi)容。隨著“雙循環(huán)”新發(fā)展格局的逐步構建，以及我國高速鐵路路網(wǎng)的逐步擴張和客運量的逐年增加，給動車組運用、乘務計劃的編制等過程造成了很大的難度。針對傳統(tǒng)鐵路客運排班及管理存在的不足,為提高我國高鐵乘務員的管理水平，更好地為廣大旅客服務，以計算機網(wǎng)絡為輔助手段，針對高速鐵路乘務排班計劃的編制現(xiàn)狀，通過采用蟻群算法對高鐵乘務計劃編制問題進行分析優(yōu)化，探討設計高速乘務排班管理系統(tǒng)，實現(xiàn)旅客乘務計劃、工時統(tǒng)計、工時強度自動顯示等功能，為加強高速列車乘務人員的管理，提高高速列車乘務人員的信息化管理水平。

關鍵詞：新發(fā)展格局；乘務計劃；系統(tǒng)設計

隨著我國“八縱八橫”高速鐵路運輸通道和城際快速運輸系統(tǒng)的建成，標識著我國高速鐵路成功步入網(wǎng)絡化運營時代。統(tǒng)籌推進現(xiàn)代流通體系建設，為構建2020年中國提出的構建國內(nèi)國際“雙循環(huán)”發(fā)展新格局提供有力支撐[1]。但相較于在高速動車組、高鐵線路等“硬件”設施方面所取得的成果，高鐵動車組運用管理、高鐵乘計劃管理“軟件”方面尚未形成相對成熟的理論與方法，新增運用的動車組規(guī)模也變大，給動車組運用、乘務計劃的編制等過程造成了很大的難度[2]。因此高鐵乘務人員要適應新形勢，必須進一步重視信息化、自動化，提高人員規(guī)劃效率，一定要充分利用計算機網(wǎng)絡技術，優(yōu)化乘務人員資源配置，降低運營成本[3]。同時提高新格局下高速客運列車運行計劃的信息化水平是必然趨勢，因此，對乘務編制計劃的信息化給予必要的探索研究。本文在新格局下高鐵高速動車組、高鐵線路等“硬件”設施方面基本完善的情形下，充分借助于當前計算機網(wǎng)絡技術和數(shù)據(jù)分析技術，主要針對高鐵“軟件”方面存在的問題，尤其是高鐵乘計劃編制方面的問題，充分考慮鐵路乘務調(diào)度計劃的安排和資源短缺情況，通過蟻群算法對高鐵乘務計劃編制問題進行分析優(yōu)化，探討設計高速乘務排班管理系統(tǒng)，實現(xiàn)旅客乘務計劃、工時統(tǒng)計、工時強度自動顯示等功能，從而可有效加強高速列車乘務人員的管理，優(yōu)化其組織結構，以及準確統(tǒng)計乘務人員人數(shù)提供了有效的平臺，以改善高速客運的服務。

1乘務計劃編制問題概述

1.1乘務計劃編制問題描述

乘務計劃優(yōu)化的一個重要指標是用最少的調(diào)度員人數(shù)完成領導層分配的任務。編制列車乘務銜接計劃的主要步驟如下：（1）列車運行信息的收集。按照列車運行圖和機車運行路線圖，計算出列車車次、始發(fā)站、到達站和動車組在乘務基地所在車站和換乘車站的停站時間。（2）選擇中轉(zhuǎn)站。以列車運行圖資料為依據(jù)，研究對象為單線運行，然后對車站類型進行劃分，即有換乘條件的乘務基地站，有換乘條件的非乘務基站所在的車站和無換乘條件的非乘務基地站。（3）設立可行的乘務大區(qū)段。乘務人員在大型單元間完成值班任務的過程，是從乘務基地，到轉(zhuǎn)運單元所在站，經(jīng)過一定的休息時間后返回乘務基地的過程。（4）根據(jù)單元連續(xù)原則，幾個可操作運行的單元段組成單元段過渡線，覆蓋整個乘務交路[4]。

1.2乘務交路計劃時空規(guī)則

（1）時序規(guī)則。連續(xù)的兩個乘務區(qū)段必須是時間連續(xù)的，即前一乘務組的到達時間必須嚴格早于下一乘務區(qū)段的出發(fā)時間。（2）空間繼承的規(guī)則。乘務區(qū)段之間必須保持空間連續(xù)性，即前一乘務區(qū)段的到達站必須是下一乘務區(qū)段的到達站，以確保所有乘務區(qū)段都能到達。

1.3乘務交路的優(yōu)化算法算法

MTSP（多旅行商問題）問題是一個難問題，通常采用線性規(guī)劃法、分支定界法、動態(tài)規(guī)劃法進行求解。但是，由于高速鐵路規(guī)模的不斷擴大，造成了組合爆炸的情況，精確算法難以求解，啟發(fā)式算法在蟻群基本算法中具有獨特的優(yōu)勢：蟻群基本算法多通過一條特定路徑，收集的信息素越多，信息素交叉就越少。第二，根據(jù)與信息素相關的傳播概率，計算選擇地點的傳播概率[5]。本文在MTSP的基礎上采用蟻群搜索效率和蟻群多樣性，采用蟻群算法對乘務員路徑進行了優(yōu)化，并給出了相應的算法設計步驟。（1）產(chǎn)生解構圖。（2）解構空間。設到達站最多的一段是D，D=0表示到達站是乘務基地所在的站，否則D=1。當乘員交路滿足C·D=0時，乘員交路滿足時空限制。另外，蟻群不斷地尋找，直到達到了C·D=0。在解空間的構建中，通過螞蟻重復此過程來完成。在螞蟻成員遍歷區(qū)域節(jié)點時，通過算法完成構造解空間。（3）初始化及更新信息素。設全路徑信息素濃度為ij，螞蟻i在節(jié)點j時的信息素濃度用ij表示，其中路徑和節(jié)點的信息素初始濃度設定如下（1）在式（1）中，設定互異乘務各站位節(jié)點間的連續(xù)頻率A乘務參與設計的結點和路徑的優(yōu)選，與信息素濃度成比例。對每個路徑和節(jié)點，在每次優(yōu)化之后，都將信息素更新值設置為：（2）在該過程中，螞蟻在飛行階段以轉(zhuǎn)移概率（公式（4））繼續(xù)下一個飛行階段節(jié)點j。乘員區(qū)域節(jié)點越靠近目標節(jié)點，可連續(xù)預測的越大。隨著迭代次數(shù)的增加，設定的最大迭代次數(shù)為NCmax。（5）終止策略。蟻群搜索了幾次之后，當nc+1的值無限接近的nc值時，找到的解就基本不會再變了，并且所有的乘務段都會被遍歷，算法終止。

2高速乘務排班管理系統(tǒng)設計分析

基于前面對高鐵乘務排班計劃編制問題進行分析探討，通過常見的乘務排班計劃編制模型[6]，對乘務排班問題進行了描述并分析，根據(jù)蟻群算法的特性，采用蟻群算法對乘務員路徑進行了優(yōu)化。基于以上的分析，本文針對MTSP問題是一個NP難問題，系統(tǒng)通過對接已有的乘務管理系統(tǒng)，乘務排班管理系統(tǒng)針對雙循環(huán)新格局下我國高鐵客運的特點，根據(jù)情況計算各乘務的實際工作時間，可以自動編制乘務計劃、自動進行數(shù)據(jù)分析等方面的功能。充分借鑒計算機網(wǎng)絡應用由知識庫、信息處理器和計算機三部分組成，乘務排班管理系統(tǒng)采用B/S結構，能夠有效地配套鐵路系統(tǒng)中的分布式網(wǎng)絡應用[7-8]，從而能夠?qū)崿F(xiàn)“一鍵式”編出乘務排班、出勤、備班、乘務工具、工時自動統(tǒng)計以及基礎信息管理等功能。具體的結構見圖1。圖1系統(tǒng)總體結構設計

2.1數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層類似于計算機網(wǎng)絡中的知識庫，主要負責提供系統(tǒng)所需的基礎數(shù)據(jù)，實時更新人員數(shù)據(jù)、動車組運用計劃中的交路數(shù)據(jù)、列車運行時刻等，及時為系統(tǒng)的其他功能層提供所需的實時數(shù)據(jù)。

2.2業(yè)務層

業(yè)務層主要實現(xiàn)乘務排班管理以及自動調(diào)整等模塊功能，根據(jù)實際情況負責對鐵路乘務排班計劃進行編制與實時調(diào)整，并將準確數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)層進行儲存，并根據(jù)用戶的要求提供給用戶層。（1）乘務計劃中的交路編制分析。根據(jù)上文對高速動車組乘務計劃編制的問題分析，以相鄰乘務人員之間的接續(xù)時間最短、乘務人員交路數(shù)最少為優(yōu)化目標，并滿足乘務人員相關的作息時間要求，建立相關的數(shù)學模型同時用求解的蟻群算法來編制高鐵動車組乘務計劃，此部分的內(nèi)容可參見文獻[9]。根據(jù)各乘務區(qū)段以及各乘務組的規(guī)則，一個乘務交路一般情況下是由1對“往返”的乘務區(qū)段組成，在此過程中包含1次間休。（2）乘務計劃的編制分析。根據(jù)上文對乘務排班計劃編制的復雜旅行商問題分析，在乘務排班計劃編制階段，以相鄰乘務人員之間的接續(xù)時間最短、乘務人員交路數(shù)最少為優(yōu)化目標，并乘務人員相關的作息時間要求，構建了相應的數(shù)學模型及用于求解的蟻群算法。算法設定為當達到優(yōu)化目標值時，乘務人員交路數(shù)最少者優(yōu)先。系統(tǒng)從而可以快速編制出多個優(yōu)化方案比選，可通過單擊“另存為”按鈕實現(xiàn)，并以Excel格式輸出編制結果，可便于日后查看和比選。（3）自動調(diào)整。乘務排班管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)直接來源員工簽到數(shù)據(jù)，完全可以實時獲取員工的簽到、退勤信息，并且根據(jù)人員簽到信息自動調(diào)整乘務排班計劃，并自動計算乘務員的工時。當在系統(tǒng)自動排班結果不能滿足鐵路實際需要時，系統(tǒng)會彈框提示人工來進行調(diào)整來優(yōu)化。同時該系統(tǒng)可以利用指紋或面部識別技術，提高系統(tǒng)的運行效率以及安全性，該方法克服了實際現(xiàn)場中人工記錄過程中造成的主觀誤差，相應提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3用戶層

用戶層主要實現(xiàn)乘務排班基礎數(shù)據(jù)、工時數(shù)據(jù)以及乘務排班結果的實時顯示、輸入與輸出，并可供人員對基礎信息、工時數(shù)據(jù)、排班計劃進行核對、管理和調(diào)整。

3系統(tǒng)功能模塊

高速乘務排班管理系統(tǒng)主要包括排班計劃管理、出勤管理、基礎數(shù)據(jù)管理、審核管理、統(tǒng)計管理等主要功能模塊[10]。

3.1排班管理

排班計劃管理功能中，通過出乘點名簽到系統(tǒng)，通過基本的乘務交路計劃自動生成每日的乘務排班計劃，通過乘務員請假、超出工時等信息可以實現(xiàn)乘務員工時數(shù)據(jù)的自動收集以及實時統(tǒng)計更新。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)運行過程中，以車隊信息和線路信息為基礎，需要根據(jù)實際乘務員人員的信息和服務交路的變化、乘務員開始服務出發(fā)地點和服務時長進行規(guī)劃。常見影響乘務服務時間的因素有：區(qū)間運行時長、發(fā)車時間、到達時間、返程時間、中間接續(xù)等候時間等。鐵路工作人員一般只需輸入以上信息，就能自動準確計算處每個乘務交路的實際運行服務時間，實際運行服務時間與鐵路公司批準的班次時間一致，并與鐵路公司批準的乘務月工時174h＋5%進行相比較，以對實際運行班次進行調(diào)整乘務人員。

3.2出勤管理

3.2.1正常出勤乘務排班完成后，管理人員會對操作終端進行檢查，并根據(jù)實際運行交路的臨時加班、病假等情況進行調(diào)整，以確保實際服務列表中的個人信息與實際出勤信息一致。3.2.2備班出勤管理系統(tǒng)使用班內(nèi)備班小組的功能，可以進行增加或者是刪除備班小組人員，以確保其與實際班內(nèi)備班小組相匹配。

3.3基礎數(shù)據(jù)管理

基礎數(shù)據(jù)是指與動車組司機、乘務員履歷、乘務規(guī)則、列車時刻表動車組乘務組作息時間相關的規(guī)定和標準。輸入系統(tǒng)后除特殊情況外，一般不做修改，主要作為編制乘務交路的限制條件。

3.4審核管理

本管理系統(tǒng)提供審核管理功能，管理人員在班前、班中、班后必須在管理界面審核檢查才能生效完成。以保證乘務人員、列車運行交路安排合理，作業(yè)正確，乘務時間計算準確。

3.5統(tǒng)計管理

該模塊根據(jù)每個乘務人員的實際出勤情況以及出勤次數(shù)，對每個乘務人員的實際服務時間進行分析統(tǒng)計。具有乘務員月工時統(tǒng)計與分析、乘務員勞動實績統(tǒng)計、排班計劃兌現(xiàn)率評價等功能，系統(tǒng)能夠?qū)⑴虐嘤媱澋母黜椫笜俗詣咏y(tǒng)計出來，進而可以評價乘務計劃的編制質(zhì)量，對后續(xù)排班計劃進行調(diào)整。

4結語

“雙循環(huán)”新發(fā)展格局下的高鐵乘務服務管理，應當要適應新發(fā)展格局，必須進一步重視乘務計劃編制的信息化、自動化，提高人員規(guī)劃效率，優(yōu)化乘務人員資源配置，降低乘務人員運營成本以及車輛運用成本，為旅客運輸提供更舒適的出行方式。本文采用蟻群算法對高鐵乘務計劃編制問題進行分析優(yōu)化，根據(jù)列車運行圖，要將各班次劃分為若干執(zhí)行班次，將乘務任務按工作強度分配，制定出乘務時長最短和“用戶體驗”最好的乘務調(diào)度。實現(xiàn)了能夠快速編制和實時調(diào)整乘務排班計劃的系統(tǒng)開發(fā)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)“一鍵式”編出排班、出勤、備班、工時管理等功能，從而可以顯著提高高速列車乘務人員的信息化管理水平，可以降低運行成本，提高乘務效率。

作者：張園園 張睿 單位：西安交通工程學院 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院