網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下的地鐵乘務(wù)計劃優(yōu)化方法

田益鋒

(上海地鐵第二運(yùn)營有限公司,200063,上?！喂こ處?

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網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下的地鐵乘務(wù)計劃優(yōu)化方法

田益鋒

(上海地鐵第二運(yùn)營有限公司,200063,上?！喂こ處?

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營程度的不斷深入,乘務(wù)管理也需要不斷適應(yīng)線路結(jié)構(gòu)、客流特征、列車方案、管理制度等因素的變化需求。乘務(wù)計劃優(yōu)化是一類綜合考慮各類因素的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題。對計劃列車運(yùn)行圖、線路條件、乘務(wù)班制、勞動時間等乘務(wù)計劃編制的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析,從編制條件和編制目標(biāo)等方面研究了網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下乘務(wù)計劃的編制難點,從乘務(wù)班制、任務(wù)劃分、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌、編制的智能化和信息化等方面提出網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下乘務(wù)計劃編制優(yōu)化的建議與方法。

地鐵; 乘務(wù)計劃; 列車運(yùn)行圖; 開行方案

Author′s address The Second Shanghai Metro Operation Co.,Ltd.,200063,Shanghai,China

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,地鐵運(yùn)營管理企業(yè)面臨著在確保運(yùn)營安全的前提下降低運(yùn)營成本和提升管理效率等問題。司機(jī)是城市軌道交通行車關(guān)鍵工種,他們處于城市軌道交通運(yùn)營的第一線,肩負(fù)著行車安全的主要責(zé)任。在CoMET(國際地鐵協(xié)會)組織對世界各個城市軌道交通企業(yè)運(yùn)營成本的分析中,列車司機(jī)的成本已經(jīng)成為除了設(shè)備維護(hù)、車站運(yùn)營、管理成本之后的第四大成本支出,同時人力成本還處于不斷上升的趨勢。

隨著我國各大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營程度的不斷深入,運(yùn)營管理也面臨著諸多挑戰(zhàn),如線路特征的復(fù)雜化、客流的快速增長、不同日期(工作日、雙休日、節(jié)假日、大型活動等)客流特征的差異性加大、線路行車密度的增加、交路形式的多樣化、運(yùn)營時間的延長、網(wǎng)絡(luò)資源的共享等[1-2]。因此乘務(wù)管理也需要不斷適應(yīng)線路結(jié)構(gòu)、客流特征、列車方案、管理制度等因素變化的需求。為了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營需求,許多城市采取了不同策略和方法來提升司機(jī)的勞動生產(chǎn)率,降低列車司機(jī)的配比數(shù)和控制運(yùn)營成本。

對比發(fā)展較早相對較為成熟的歐洲和北美等軌道交通運(yùn)營企業(yè),國內(nèi)在優(yōu)化乘務(wù)計劃方面仍處于初步探索階段。乘務(wù)計劃優(yōu)化是一類綜合考慮各類因素的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題。本文首先對乘務(wù)計劃編制的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析,然后從編制條件和編制目標(biāo)等方面研究網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下的乘務(wù)計劃編制難點,最后提出乘務(wù)計劃編制優(yōu)化的建議與方法。

1 乘務(wù)計劃編制的關(guān)鍵因素分析

1.1 計劃列車運(yùn)行圖

計劃列車運(yùn)行圖是乘務(wù)計劃編制的基礎(chǔ),乘務(wù)計劃編制的主要目的是在有限的資源條件下,合理安排司機(jī)以完成運(yùn)行圖規(guī)定的所有列車運(yùn)行任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下,由于客流特征的差異性,日常運(yùn)營組織中會在不同日期實施不同類型的運(yùn)行圖(如工作日圖、雙休日圖、節(jié)假日圖、特定日圖等),完整的乘務(wù)計劃應(yīng)該能夠滿足完成一個調(diào)圖周期內(nèi)所有運(yùn)行圖任務(wù)的需求。不同的運(yùn)行圖在最小行車間隔、出入庫方式和時間、開行方案等和最大上線車底數(shù)量等方面的差異會對司機(jī)的輪乘計劃產(chǎn)生較大影響。

1.2 線路條件

線路條件決定了線路的停車場位置、出退勤地點、司機(jī)吃飯地點、司機(jī)駕駛列車輪換點等,這些因素都會對司機(jī)輪轉(zhuǎn)方式產(chǎn)生影響。停車場與正線一體化的設(shè)計可以方便司機(jī)的出退勤,縮短司機(jī)出入庫往返時間,甚至可以減少夜間駐庫司機(jī)的人數(shù),從而提升司機(jī)的周轉(zhuǎn)效率。目前柏林地鐵的部分線路就采用了此類設(shè)計。但隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展,線路結(jié)構(gòu)與長度的變化必然會帶來運(yùn)營方案的復(fù)雜化(如多交路共線運(yùn)行),也有可能需要增加折返點、輪換地點、吃飯地點,這些地點設(shè)置也會影響乘務(wù)計劃的優(yōu)化效果。如多點出退勤的設(shè)置有助于縮短司機(jī)出退勤路程上的未駕駛時間及里程,從而提高列車司機(jī)的有效駕駛時間。

1.3 乘務(wù)班制

目前國內(nèi)多數(shù)軌道交通運(yùn)營企業(yè)采用固定班制,常用的班制有“四班二轉(zhuǎn)”、“四班三轉(zhuǎn)”、“五班三轉(zhuǎn)”、“三班二轉(zhuǎn)”等形式,如圖1所示。我國不同城市的不同線路采用的班制也不盡相同,如上海多采用“四班二轉(zhuǎn)”、廣州多采用“四班三轉(zhuǎn)”,而北京部分線路采用“三班二轉(zhuǎn)”。固定班制的輪乘方案,各班組司機(jī)配備數(shù)量基本相同,且司機(jī)的出退勤時間、休息時間都較為固定,其優(yōu)點是便于管理。但各班組司機(jī)需要按照運(yùn)行圖設(shè)定的最大投用列車數(shù)進(jìn)行配置,因此導(dǎo)致在平峰、低谷時段以及休息日會有部分列車司機(jī)處于閑置狀態(tài)。而如果打破固定班制的形式,在保證總休息時間不變的條件下,靈活安排司機(jī)在任意時間出退勤,這種模式能有效地提升列車司機(jī)的有效工時,但存在管理難度大等問題。

圖1 幾種常用的固定班制形式

1.4 勞動時間

時間是乘務(wù)計劃編制過程最為重要的約束條件,包括日工作時間、日作業(yè)時間、周與月工作時間、連續(xù)駕車時間、駕車中途休息時間、吃飯時間等。工作時間的限制在部分國家地區(qū)還受到工會組織的約束,而且可能發(fā)生動態(tài)的調(diào)整。這些因素都會在編制計劃時被作為相關(guān)參數(shù)設(shè)定,會對列車司機(jī)的配比數(shù)和有效工時產(chǎn)生影響。

1.5 新技術(shù)應(yīng)用

新技術(shù)的應(yīng)用也會對乘務(wù)計劃的編制產(chǎn)生影響,如列車駕駛的自動化為提升司機(jī)勞動生產(chǎn)率提供了新的技術(shù)支撐。在實現(xiàn)列車出入停車場的自動化駕駛以及具備自動折返功能的線路,乘務(wù)計劃編制時可以不用考慮安排出入場司機(jī),只需考慮正線運(yùn)營列車的司機(jī)安排,同時折返點也因為無需人工駕駛折返而無需配備折返司機(jī),從而可以降低列車司機(jī)的配置數(shù)。目前東京和馬德里地鐵的部分線路具備自動折返功能,實踐證明能明顯改善司機(jī)的勞動生產(chǎn)率,特別是在交路較為復(fù)雜、行車密度較高的線路尤為明顯。

1.6 管理的人性化

乘務(wù)計劃的執(zhí)行對象是司機(jī),司機(jī)的身體狀態(tài)、情緒等變化都會影響工作效率和安全。因此在計劃中體現(xiàn)司機(jī)的個性化需求也是乘務(wù)計劃編制過程需要考慮的因素。如安排司機(jī)出退勤地點時盡量考慮與司機(jī)的住址靠近、考慮司機(jī)年齡和性別上的差異性、每個班或每天工作量的相對均衡性等。

2 網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下乘務(wù)計劃的編制難點

網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下,車輛基地數(shù)量的增加、全日開行列次的增多、運(yùn)營交路復(fù)雜度的提高給乘務(wù)計劃編制帶來諸多困難。

2.1 計劃編制的工作量大

目前國內(nèi)城市軌道交通乘務(wù)計劃主要采用人工編制的方法,首先根據(jù)運(yùn)行圖編制軟件生成的運(yùn)行圖,繪制出列車在出發(fā)站、交接班站運(yùn)行的交路圖,根據(jù)交路圖人工判斷各車出發(fā)的先后順序和時間,從而來推算司機(jī)出班的地點和時間,并安排相應(yīng)的人員跟蹤車輛運(yùn)行。列車駕駛?cè)蝿?wù)安排完成后,還需手工編制任務(wù)表、輪值表、簽到表等,一般編制一次乘務(wù)計劃周期長達(dá)2～3周,編制工作量大,隨著上線列車數(shù)的增多,一次編制的工作量進(jìn)一步增大。手工編制乘務(wù)計劃具有編制效率低、靈活性較差、勞動時間標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范、工作量不均衡、數(shù)量無法共享以及應(yīng)對突發(fā)情況應(yīng)變能力弱等缺點[3-4],已經(jīng)很難滿足網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下運(yùn)行圖頻繁更新的要求,也無法滿足乘務(wù)管理的信息化需求。

2.2 編制復(fù)雜度高

乘務(wù)排班問題是一類典型的組合優(yōu)化問題,國內(nèi)外大量研究成果早已證明排班問題屬于NP-難問題。乘務(wù)計劃編制需要考慮的因素很多,如出退勤地點、連續(xù)駕車時長、用餐地點、用餐時間等。目前的計劃中,受早晚高峰上線車底的差異性影響,司機(jī)的工時分配不均衡,有部分勞動工時閑置而導(dǎo)致收入存在差距等。隨著運(yùn)營交路復(fù)雜度提高,合理安排司機(jī)駕車任務(wù)組合(長交路組合短交路、長交路組合長交路、短交路組合短交路),保證司機(jī)任務(wù)之間的均衡性成為需要重點考慮的因素。因此隨著運(yùn)營模式的復(fù)雜化,乘務(wù)計劃編制的復(fù)雜度也隨之提高。

2.3 編制錯誤難以檢驗

乘務(wù)計劃編制過程中容易出現(xiàn)“漏車”(部分車次未安排)、輪轉(zhuǎn)休息時間不足等錯誤。這些錯誤往往難以察覺,需要編制人員在編制過程中十分仔細(xì)認(rèn)真,并且編制完成后需要進(jìn)行專門校驗,校驗工作量大。一旦校驗發(fā)現(xiàn)錯誤,若出現(xiàn)在編制過程中間,則部分工作需要返工,若出現(xiàn)在編制完成,則可能導(dǎo)致全部重來,錯誤代價極大。

2.4 編制的多目標(biāo)需求

乘務(wù)計劃編制問題是一類典型的多目標(biāo)優(yōu)化決策問題,如司機(jī)數(shù)量最少、任務(wù)最均衡、有效工時利用最大等[5]。這些目標(biāo)既有一定的相關(guān)性,也同時會存在矛盾。因此,在編制乘務(wù)計劃時,需要綜合考慮。如在司機(jī)數(shù)量緊張或高峰期運(yùn)營時段,可以重點考慮司機(jī)數(shù)量最少這一目標(biāo),而在司機(jī)數(shù)量充足或低峰期運(yùn)營時段,則可以重點考慮不同司機(jī)工作量的均衡分配。事實上受計劃運(yùn)行圖和班制的影響,在同一天的工作時間內(nèi),不可能做到每位司機(jī)的絕對均衡,但通過優(yōu)化輪乘方案,在一段時期內(nèi)(如一周或一個月)各司機(jī)工作量的相對均衡是可以實現(xiàn)的。

2.5 不同線路之間的司機(jī)共享需求

隨著運(yùn)營線路的增加,不同線路之間司機(jī)數(shù)量的差異性和運(yùn)用的緊張程度也不同,為了提高司機(jī)的運(yùn)用效率,司機(jī)的網(wǎng)絡(luò)共享問題也逐步被提出來。不同線路司機(jī)的共享相當(dāng)于增加了計劃編制過程需要考慮的變量和約束數(shù)量,大大增加了優(yōu)化的規(guī)模和運(yùn)算難度。

2.6 司機(jī)管理的信息化

人工編制的乘務(wù)計劃很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通與共享,尤其是會限制司機(jī)的信息管理和績效管理等,這樣不僅會降低管理效率,而且還無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理信息化發(fā)展的需求。

3 網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下的乘務(wù)計劃編制優(yōu)化建議

3.1 乘務(wù)班制的靈活安排

固定班制條件下,司機(jī)的配置數(shù)量通常以早高峰的上線列車數(shù)量為依據(jù)。以上海軌道交通11號線為例,工作日(1114-1號圖)早高峰上線列車數(shù)量為60列(如圖2),因此4個班組的司機(jī)配置人數(shù)均為70人(10人為折返點輪乘以及備用司機(jī))。而在70人的配置條件下,晚高峰、平峰以及非運(yùn)營時段內(nèi)司機(jī)富裕較大,這樣勢必造成了不同班期之間工作量的不均衡和資源的浪費(fèi)。而在CoMET組織成員內(nèi),部分城市采取了靈活的排班制度:一些城市允許兼職司機(jī)模式實施,例如布魯塞爾、紐卡斯?fàn)?、倫敦、圣地亞哥?一些城市則實施了分時班制的司機(jī)出乘制度,即司機(jī)的工作時間可在1 d內(nèi)根據(jù)行車計劃分時段完成,例如米蘭、蒙特利爾、新加坡等；而巴塞羅那和馬德里則在靈活的乘務(wù)班制的基礎(chǔ)上允許兼職司機(jī)和分時班制的實施,也是目前在司機(jī)有效工時利用率上表現(xiàn)比較優(yōu)秀的城市。此外,考慮在運(yùn)營線路上配備一定數(shù)量的多職能隊伍，即崗位技術(shù)復(fù)合的技術(shù)工人,也是進(jìn)一步提高勞動生產(chǎn)率的有效方法。上述這些靈活班制的安排目前在國內(nèi)各城市的城市軌道交通運(yùn)營管理企業(yè)中研究應(yīng)用得還較少,國外城市的經(jīng)驗值得借鑒。

圖2 上海軌道交通11號線1114-1號工作日圖對應(yīng)的上線列車數(shù)和司機(jī)配置人數(shù)

3.2 乘務(wù)計劃任務(wù)劃分優(yōu)化

乘務(wù)計劃任務(wù)的優(yōu)化應(yīng)針對計劃運(yùn)行圖的參數(shù)分析,根據(jù)上線列車數(shù)的變化來優(yōu)化配置列車司機(jī),在打破原有固定排班模式的基礎(chǔ)上,專職配檢司機(jī)與機(jī)動司機(jī)資源整合利用。通過采用任務(wù)號對應(yīng)計劃運(yùn)行線的方式來進(jìn)行乘務(wù)計劃編制可以有效提升司機(jī)的有效工時,從而提高勞動生產(chǎn)率,降低司機(jī)的配比數(shù)。以上海軌道交通11號線1114-1號工作日圖為例,結(jié)合投用列車數(shù)對運(yùn)行線進(jìn)行分塊切割,并生成任務(wù)號。基于運(yùn)行圖的高低峰上線列車數(shù)差異大的特點,將全日司機(jī)計劃劃分成兩部分:基礎(chǔ)任務(wù)和高峰任務(wù)。其中基礎(chǔ)任務(wù)以平峰時段的上線列車數(shù)量為依據(jù),分為3個基礎(chǔ)任務(wù)(早班(A)、日班(B)和夜班(C));高峰任務(wù)又分為早高峰任務(wù)(D),替飯任務(wù)(E)和晚高峰任務(wù)(F),這3個任務(wù)可以視額外任務(wù)量分別配置不同數(shù)量的司機(jī)。因此,上述任務(wù)相當(dāng)于設(shè)置7個虛擬班組,見圖3。

圖3 上海軌道交通11號線虛擬班組的設(shè)置方案

這種方案的優(yōu)點是既保留固定排班模式的優(yōu)點,又體現(xiàn)了一定的靈活性,可以提高司機(jī)的勞動生產(chǎn)率。但這種模式對于乘務(wù)計劃的編制要求增大,尤其是高峰任務(wù)與基礎(chǔ)任務(wù)的協(xié)調(diào)以及不同日期班組的輪轉(zhuǎn)優(yōu)化難度增大。

3.3 乘務(wù)計劃編制的智能化與信息化

利用信息化手段來管理乘務(wù)計劃,將有效提升管理的水平和效率。目前世界上很多城市都不同程度地采用計算機(jī)軟件來進(jìn)行管理,如Hastus、mrtSchedule和BUSMAN軟件等[6-7]。乘務(wù)計劃不僅要與實際運(yùn)營相結(jié)合,而且還要有一定的科學(xué)依據(jù)作保障,在保證行車安全的前提下,合理設(shè)置編制乘務(wù)計劃的各項參數(shù),然后設(shè)計編制乘務(wù)的優(yōu)化算法,開發(fā)相應(yīng)的計算機(jī)乘務(wù)編制系統(tǒng),可以達(dá)到提高編制效率、優(yōu)化乘務(wù)人員配置、均衡工作任務(wù)、精確任務(wù)統(tǒng)計、提高信息化管理水平的目的[8]。為了提升乘務(wù)計劃的智能化和信息化,目前同濟(jì)大學(xué)正在與上海、北京、成都等城市的部分地鐵線路的運(yùn)營公司合作研發(fā)相應(yīng)的乘務(wù)計劃編制與管理系統(tǒng)。

3.4 司機(jī)的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌優(yōu)化

在具備網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件的城市,司機(jī)在部分線路或整個網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)籌可以有效整合司機(jī)資源和提高運(yùn)營效率,但同時也對人員技術(shù)、管理模式、出退勤點的合理設(shè)置等提出了更高的要求。此外，還將會面臨不同線路之間的司機(jī)技能統(tǒng)一性、工作任務(wù)的安排均衡性、線路之間的司機(jī)協(xié)調(diào)性等問題,目前針對此類問題的研究在國內(nèi)還處于起步階段[9]。

3.5 列車司機(jī)薪酬結(jié)構(gòu)改革與乘務(wù)計劃優(yōu)化的結(jié)合

目前國內(nèi)城市軌道交通運(yùn)營企業(yè)基本都采用列車司機(jī)公里費(fèi)作為司機(jī)薪酬結(jié)構(gòu)的一部分,降低列車司機(jī)配比數(shù)、提高司機(jī)勞動生產(chǎn)率的乘務(wù)計劃,需要結(jié)合司機(jī)薪酬體系的結(jié)構(gòu)調(diào)整來予以支撐,鼓勵司機(jī)在合法合規(guī)的基礎(chǔ)上多勞多得。根據(jù)不同城市運(yùn)營企業(yè)的實際情況,司機(jī)公里費(fèi)占司機(jī)薪酬的比例設(shè)定在合理的范圍內(nèi),促進(jìn)列車司機(jī)提升勞動生產(chǎn)率的積極性,同時推動乘務(wù)計劃編制的優(yōu)化實施。

4 總結(jié)

隨著我國各大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的不斷推進(jìn),乘務(wù)計劃的優(yōu)化對于提升運(yùn)營管理水平、提高司機(jī)運(yùn)用效率和降低運(yùn)營成本具有重要意義。本文提出的乘務(wù)班制、任務(wù)劃分、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌、編制的智能化和信息化等方面優(yōu)化的建議與方法也是未來運(yùn)營的重點關(guān)注方向。本文提出的部分理念與方法已經(jīng)在上海軌道交通第二運(yùn)營有限公司管轄的2、11和13號線上逐步推廣,在司機(jī)出退勤管理、乘務(wù)班制優(yōu)化、乘務(wù)計劃的計算機(jī)編制以及司機(jī)的績效管理等方面取得了初步的應(yīng)用效果。

[1] 邵偉中,吳強(qiáng).上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營特征分析[J].城市軌道交通研究,2009(2):1-5.

[2] 豐富,陳紹寬,杜鵬.考慮時間均衡度的城市軌道交通乘務(wù)排班計劃優(yōu)化方法[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2014,14(6):164-170.

[3] 石俊剛,周峰,徐瑞華.城軌交通乘務(wù)任務(wù)配對的集合分割模型及算法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,43(2):232-238.

[4] 周淮,朱效潔,吳強(qiáng).上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營管理問題研究[J].城市軌道交通研究,2006(6):1-5.

[5] 石俊剛,史宏杰,徐瑞華.城市軌道交通乘務(wù)任務(wù)劃分模型及算法研究[J].鐵道學(xué)報,2014,36(5):1-6.

[6] 李獻(xiàn)忠,徐瑞華.基于時間耗費(fèi)的城市軌道交通乘務(wù)排班優(yōu)化[J].鐵道學(xué)報,2007,29(1):21-25.

[7] 李獻(xiàn)忠,徐瑞華.基于乘務(wù)廣義費(fèi)用的城市軌道交通排班[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,35(6):750-754.

[8] 張增勇,毛保華,杜鵬,等.基于懲罰費(fèi)用的城市軌道交通乘務(wù)排班優(yōu)化模型與算法[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2014,14(2):113-120.

[9] 石俊剛,楊靜,王鳳麗.多線乘務(wù)員共享條件下城市軌道交通乘務(wù)計劃均衡編制探討[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2016,38(3):84-87.

Optimization of Crew Scheduling Based on Rail Transit Network Operation

TIAN Yifeng

Following the development of urban rail transit network operation,crew management needs to fit the changing factors like line structure, passenger flow, train scheme,management regulation and so on.Optimization of crew scheduling is a kind of multi-objective combinatorial optimization that puts various factors into consideration. The key factors of crew scheduling,such as train diagram,line structure,crew shift rule,operating time and so on are analyzed, difficulties in crew scheduling based on network operation are studied from aspects of crew scheduling conditions and targets.Suggestions and methods for the optimization of crew scheduling, including crew shift rule,task division,network share,intelligence and information of crew scheduling are proposed.

metro; crew scheduling; train operation diagram; operation scheme

F 530.9∶U 231

10.16037/j.1007-869x.2017.05.025

2016-07-22)