鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

楊 光，王 瑩，羅雨欣

（1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上?？瓦\段，上海 200071；2.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044；3.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京客運段，江蘇 南京 210015)

近年來，隨著我國高速鐵路“一日一圖”的推行，客流高峰增開列車、客運列車編組變化日趨頻繁，客運排班計劃需根據(jù)每日列車運行圖情況進(jìn)行調(diào)整，客運段承擔(dān)的鐵路客運排班工作量成倍增長，而現(xiàn)有的鐵路排班工作主要利用表格來編制和維護(hù)乘務(wù)排班計劃，并將排班計劃錄入不同的管理信息系統(tǒng)，乘務(wù)管理人員的重復(fù)工作量大，效率不高，且存在數(shù)據(jù)更新不及時、部分?jǐn)?shù)據(jù)不準(zhǔn)確、各系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致等問題；此外，由于高速鐵路在運營組織方式上特有的復(fù)雜性[1]，對客運排班管理提出了更高的要求，現(xiàn)有的人工排班方式已難以應(yīng)對多樣化、高頻次的高速鐵路客運列車乘務(wù)排班工作，未能很好適應(yīng)高速鐵路運營發(fā)展的要求。因此，亟需改變現(xiàn)有乘務(wù)排班管理方式，設(shè)計乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)，推動高速鐵路客運排班及乘務(wù)管理向智能型轉(zhuǎn)變[2-3]，以實現(xiàn)未來服務(wù)智能高速鐵路的目的。

1 鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)鐵路客運乘務(wù)業(yè)務(wù)需求和乘務(wù)排班管理存在的問題[4]，圍繞鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計原則，結(jié)合現(xiàn)有運能條件和動車組運用條件下的客運段乘務(wù)生產(chǎn)組織模式[5-6]，提出運用先進(jìn)的信息化技術(shù)和智能優(yōu)化算法[7-8]，構(gòu)建鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)，提高排班管理的效率和準(zhǔn)確性。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)著力于解決既有鐵路數(shù)據(jù)交互繁瑣、鐵路排班工作量大、排班編制效率不高、排班調(diào)整能力不能滿足高速鐵路“一日一圖”需要等問題，以適應(yīng)高速鐵路運營發(fā)展的排班需要。鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)如下。

（1）系統(tǒng)化。為避免鐵路排班工作與現(xiàn)有客運管理信息系統(tǒng)、乘務(wù)管理平臺、人力資源管理系統(tǒng)等系統(tǒng)與平臺的割裂，提高鐵路排班數(shù)據(jù)在各系統(tǒng)與平臺間共享的可靠性和準(zhǔn)確性，鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)需建立完善與現(xiàn)有各系統(tǒng)與平臺的信息接口，使鐵路排班數(shù)據(jù)及時、穩(wěn)定地與各系統(tǒng)與平臺同步。

（2）高效化。針對既有鐵路排班工作依賴人工編制、排班工作量大、編制效率較低的問題，鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)需緊扣計算機(jī)輔助管理設(shè)計，實現(xiàn)排班計劃的自動維護(hù)、乘務(wù)工時的自動管理、客運風(fēng)險預(yù)警等功能，輔助實現(xiàn)乘務(wù)排班計劃的快速編制和調(diào)整，提升客運組織管理效率。

（3）自動化。為適應(yīng)高速鐵路“一日一圖”的實施，鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)應(yīng)具備在不同調(diào)整場景下，利用智能優(yōu)化算法對既有乘務(wù)排班計劃進(jìn)行快速、自動調(diào)整的能力，從而滿足多樣化、高頻次的高速鐵路乘務(wù)排班的需要。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

為實現(xiàn)鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)高效化、系統(tǒng)化、自動化的目標(biāo)，需遵循以下系統(tǒng)設(shè)計原則。

（1）實用性。系統(tǒng)需要切實解決現(xiàn)有客運段所乘務(wù)排班管理工作存在的問題，能夠輔助排班人員編制排班計劃，運行穩(wěn)定可靠，用戶界面友好，便于實際操作。

（2）可交互性。系統(tǒng)用戶(如乘務(wù)排班人員、客運管理人員)可交互設(shè)置多種排班調(diào)整場景(如列車編組變化、列車開行變化)與調(diào)整參數(shù)，并可進(jìn)行排班計劃調(diào)整；系統(tǒng)可對排班人員調(diào)整的排班計劃檢驗可行性，通過交互編制、調(diào)整、檢驗，得到優(yōu)化的乘務(wù)排班計劃。

（3）可擴(kuò)展性。系統(tǒng)適用于多場景下的鐵路客運排班與調(diào)整，具備靈活性和兼容性，可依據(jù)高速鐵路發(fā)展需要，覆蓋支持客運段個性化的排班需求，并對機(jī)務(wù)、車輛系統(tǒng)管理具有一定的擴(kuò)展可能。

1.3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

按照系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計原則，采用數(shù)據(jù)層、功能層和顯示層3 層邏輯架構(gòu)設(shè)計鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)。數(shù)據(jù)層通過與客運管理信息系統(tǒng)、乘務(wù)管理平臺、人力資源管理系統(tǒng)等平臺對接，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)；功能層提供排班計劃管理、自動調(diào)整和查詢與分析3 大模塊功能；顯示與交互層提供友好的用戶界面，用戶可在此對系統(tǒng)數(shù)據(jù)、排班結(jié)果、工時情況進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整與查詢。鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過與客運管理信息系統(tǒng)、鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)以及站段自研的乘務(wù)管理平臺(客運段調(diào)令管理系統(tǒng))、出乘點名簽到系統(tǒng)等系統(tǒng)對接，實時更新乘務(wù)員(組)數(shù)據(jù)、列車運行圖數(shù)據(jù)、動車組交路數(shù)據(jù)等，及時準(zhǔn)確地為系統(tǒng)的功能層和其他對接系統(tǒng)提供所需數(shù)據(jù)。

（2）功能層。功能層主要實現(xiàn)排班計劃管理、自動調(diào)整、查詢與分析3 大模塊功能，負(fù)責(zé)鐵路客運管理和乘務(wù)排班的編制與調(diào)整，將結(jié)果數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)層，并提供給顯示與交互層。

（3）顯示與交互層。顯示與交互層主要利用功能層提供的結(jié)果數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與交互，可顯示系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、客運排班結(jié)果、乘務(wù)工時數(shù)據(jù)等，并可供用戶對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和排班計劃進(jìn)行管理和調(diào)整。

圖1 鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)邏輯架構(gòu)Fig.1 Logical structure diagram of railway crew scheduling managementand assistant decision

2 鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)功能模塊

鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)面向客運段日常管理工作需求，結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，實現(xiàn)排班計劃管理、自動調(diào)整、查詢與統(tǒng)計3 大功能，鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)功能模塊如圖 2 所示。

圖2 鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)功能模塊Fig.2 Functional modules of railway crew scheduling managementand assistant decision

2.1 排班計劃的管理功能

排班計劃管理功能中，通過多種方式呈現(xiàn)乘務(wù)排班計劃，實現(xiàn)乘務(wù)排班計劃的可視化展示；通過基本的乘務(wù)交路計劃自動生成每日的乘務(wù)排班計劃，實現(xiàn)乘務(wù)交路的自動遞延；通過出乘點名簽到系統(tǒng)，實現(xiàn)乘務(wù)員工時自動采集與更新；通過收集乘務(wù)員請假、超出工時等信息，實現(xiàn)乘務(wù)風(fēng)險管理。

（1）乘務(wù)排班計劃的可視化展示。多種方式呈現(xiàn)乘務(wù)排班計劃，主要有4 種可視化展示方式：①展示各乘務(wù)組(含乘務(wù)員信息)的基本乘務(wù)排班計劃；②以甘特圖的形式按班組展示自當(dāng)日起，一定時間范圍內(nèi)(如1 周、1 個月)的實時乘務(wù)排班計劃；③以甘特圖的形式，按乘務(wù)人員展示自當(dāng)日起，一定時間范圍內(nèi)(如1 周、1 個月)的實時乘務(wù)排班計劃；④按車次展示每日值乘的乘務(wù)組，并能顯示乘務(wù)組構(gòu)成。

（2）乘務(wù)交路計劃的自動遞延。根據(jù)基本乘務(wù)排班計劃、乘務(wù)排班計劃的調(diào)整(如變更乘務(wù)組成員等)，實現(xiàn)乘務(wù)交路和人員狀態(tài)的自動遞延，不斷更新乘務(wù)排班計劃。具體表現(xiàn)為運行圖基本排班計劃遞延、長期調(diào)令排班計劃調(diào)整以及乘務(wù)組或人員變動后的自適應(yīng)遞延功能。乘務(wù)交路計劃的自動遞延功能如圖3 所示，由于班組1 的乘務(wù)員YL12月7 日開始休假，12 月9 日的交路自動遞延至LM擔(dān)當(dāng)。

（3）乘務(wù)員工時自動采集與更新。鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)對接客運段出乘點名簽到系統(tǒng)，實時自動采集、更新出乘點名簽到系統(tǒng)中的乘務(wù)員出勤、退勤信息，并在本系統(tǒng)中根據(jù)當(dāng)前版本的運行圖、時刻表和實際排定的乘務(wù)交路，自動計算乘務(wù)員的工時，實現(xiàn)對乘務(wù)員工作狀態(tài)的數(shù)字化管理。

（4）乘務(wù)風(fēng)險管理。包括2 個方面的內(nèi)容，一是乘務(wù)工時實時預(yù)警，根據(jù)乘務(wù)員當(dāng)前的工時采集信息，顯示乘務(wù)工時狀態(tài)，用不同的顏色表示工時狀態(tài)(如綠色表示合理范圍，藍(lán)色表示工時過低，橙色表示工時偏高，紅色表示超出工時一定值)；二是乘務(wù)員請、休假預(yù)警，當(dāng)有乘務(wù)員請、休假時，能夠在系統(tǒng)中及時產(chǎn)生提醒，從而自動跳轉(zhuǎn)至排班界面，調(diào)用排班算法或人工介入，避免漏乘風(fēng)險。

圖3 乘務(wù)交路計劃的自動遞延功能Fig.3 Automatic deferral function of crew scheduling

2.2 排班計劃的自動調(diào)整

排班計劃的自動調(diào)整功能可以實現(xiàn)典型場景下的乘務(wù)排班計劃自動調(diào)整，利用智能優(yōu)化算法自動給出調(diào)整方案；自動調(diào)整方案可通過人機(jī)交互的形式進(jìn)行修改、確認(rèn)；確認(rèn)后的乘務(wù)排班計劃可直接下達(dá)，并實時更新后臺與數(shù)據(jù)庫的排班計劃表。

（1）乘務(wù)調(diào)整場景選擇與設(shè)置。系統(tǒng)預(yù)設(shè)4 種典型乘務(wù)調(diào)整場景：①列車編組變化場景。當(dāng)發(fā)生列車重聯(lián)改長編、重聯(lián)改短編、長編改重聯(lián)等變化時，根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度命令信息，獲取列車編組改變情況，生成排班計劃調(diào)整方案。②列車乘務(wù)員構(gòu)成變化場景。當(dāng)列車乘務(wù)組配員發(fā)生變化時，例如1 長2 員+1 個安全員改為1 長1 員+1 個安全員時，彈出參數(shù)設(shè)置框，可選擇調(diào)整車次及乘務(wù)人員數(shù)量。參數(shù)設(shè)置之后可選擇生成調(diào)整方案。③列車開行數(shù)量變化場景。當(dāng)增開列車、停開列車時，根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度命令信息，對排班計劃進(jìn)行自動調(diào)整。④其他乘務(wù)管理場景。如遇車隊日常備班（熱備）任務(wù)，以及運行圖新舊交替中過渡階段的乘務(wù)交路，系統(tǒng)均可支持場景識別和計劃編制。

（2）乘務(wù)排班計劃的自動調(diào)整。根據(jù)設(shè)定的調(diào)整場景參數(shù)，運用拉格朗日松弛算法對乘務(wù)排班計劃進(jìn)行自動調(diào)整，獲得系統(tǒng)優(yōu)化的乘務(wù)排班計劃。系統(tǒng)自動生成相應(yīng)的調(diào)整方案，以可視化形式顯示，并提供人機(jī)交互界面。自動調(diào)整方案通過人機(jī)交互的形式進(jìn)行修改、確認(rèn)，并且在班組成員修改時給出下拉列表供選擇，增加時同樣以此方式提供系統(tǒng)推薦的備選人員。乘務(wù)排班自動調(diào)整人機(jī)交互界面如圖4 所示。修改后的調(diào)整方案需后臺判斷可行性，若存在沖突則提示沖突原因；確認(rèn)后的乘務(wù)排班計劃可直接下達(dá)，并實時更新數(shù)據(jù)庫的排班計劃表。

圖4 乘務(wù)排班自動調(diào)整人機(jī)交互界面Fig.4 Interactive interface of crew replanning

2.3 排班計劃的查詢與統(tǒng)計

排班計劃的查詢與統(tǒng)計功能可實現(xiàn)按車次、日期、乘務(wù)員、乘務(wù)組等多方式查詢排班計劃，查詢乘務(wù)員月度工時情況，還能對不同乘務(wù)員(組)的排班表、月工時進(jìn)行統(tǒng)計分析。

（1）乘務(wù)員(組)排班計劃查詢。可查詢基本排班計劃，并可按日期查詢所有當(dāng)日排班計劃，還可按車次查詢給定日期范圍內(nèi)排班計劃；對于乘務(wù)組和乘務(wù)員，系統(tǒng)可查詢給定日期范圍內(nèi)每個乘務(wù)組或乘務(wù)員的排班計劃。

（2）乘務(wù)日排班計劃查詢?？刹樵兛瓦\段或某一乘務(wù)組特定的日排班計劃情況，并獲知目標(biāo)乘務(wù)組的人員構(gòu)成和基本信息；還可按日查詢?nèi)纬藙?wù)班組當(dāng)日值乘與否，查詢值乘班組當(dāng)日所值乘的具體列車班次等。

（3）乘務(wù)員月工時統(tǒng)計與分析?？山y(tǒng)計月度或一定時間范圍內(nèi)客運段、車隊以及某一乘務(wù)組所有乘務(wù)員的月工時情況，統(tǒng)計結(jié)果可使用圖形和表格2 種形式展示。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，可按班組或乘務(wù)員分析每月工時情況，并對后續(xù)排班計劃進(jìn)行調(diào)整。乘務(wù)人員工時查詢界面如圖5 所示。

圖5 乘務(wù)人員工時查詢界面Fig.5 Query interface of crew working hours

3 結(jié)束語

鐵路乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)客運排班及管理方式與快速發(fā)展的高速鐵路運營方式之間的突出矛盾，在系統(tǒng)梳理現(xiàn)有乘務(wù)管理需求的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)邏輯架構(gòu)、系統(tǒng)功能設(shè)計、系統(tǒng)外部兼容性等方面出發(fā)，提出完整的解決方案，有利于提升乘務(wù)排班和管理水平，更好地匹配客運生產(chǎn)關(guān)系，為提升客運段管理效率起到良好的推進(jìn)作用。下一步還將探索將更為復(fù)雜場景下的乘務(wù)智能排班算法嵌入系統(tǒng)，力求將該系統(tǒng)發(fā)展為能適應(yīng)現(xiàn)代化高速鐵路客運組織需求的乘務(wù)排班管理與輔助決策系統(tǒng)。