符 卓 ，袁雪莹

（1.轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，湖南 长沙 410075；2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075）

1 问题描述

高速动车组司机(又称机车乘务员)乘务交路是指司机担当值乘任务的固定周转区段，即司机从机务段所在站(或动车所、乘务基地)到折返站(乘务换乘站)之间往返值乘的线路区段，其编制是机车乘务交路编制和机车运用工作的重要组成部分。目前我国仍然主要靠人工凭经验来完成，这种工作方式效率较低。随着近年来我国高速铁路路网快速发展，开行高速列车数量增多，动车组乘务规则和作息时间要求又与普速铁路乘务存在差异。为适应运输市场需求调整列车运行图，这些新的应用场景为机车乘务交路的编制带来很大的挑战。单靠人工凭经验来完成工作，往往存在编制方案单一、效率低下等问题。因此，研发相应的司机乘务交路计算机辅助编制系统，使机车乘务交路编制人员使用该系统快速编制出符合实际要求的实施方案，从而降低劳动强度，提高平均编制质量。

乘务交路优化编制模型与算法是开发相应的计算机辅助编制系统的基础。王莹[1]、王媛媛[2]等针对客运专线乘务交路计划编制问题的优化模型与算法进行了初步研究，并以京津城际客运专线相关数据为背景对该算法进行测试。但在其数学模型中尚未考虑乘务员的月工作时间标准、在乘务基地的常规休息时间、月大休时间要求等限制条件。褚飞跃[3]、张哲铭[4]等仅针对高速铁路单一循环形式乘务排班计划编制问题进行了研究。张晓栋[5]、杨国元[6]、李雯[7]等探讨了客运段乘务排班计划，即列车员的乘务排班计划，但与机车乘务员(司机)的乘务交路编制仍然存在差异。

高速动车组司机乘务交路编制问题，是以值乘的高速列车运行区段及其到发点为依据，在满足乘务规章规定的各项作息时间标准的条件下，确定每天需值乘的交路方案和月度乘务排班计划，并满足司机(交路)数最少、交路接续最紧凑、动车组司机间休时间较均衡3个目标。在每次调整列车运行图后，可以根据预先确定的值乘区段及其车次，从列车运行图中获取所值乘列车的到发点数据。

铁路现场目前使用的关于高速动车组乘务交路编制的作息时间标准主要包括：单班单司机1次出乘时间(即日工作时长，含出退勤时间，立即折返停留时间)不超过8 h，在退勤或间休前连续值乘的“一个单程或立即折返交路”的图定旅行时间不得超过4 h；月工作时间标准为166.67 h；双程之间安排不少于90 min的间休时间；在折返站退勤后的调休时间不少于5 h；在本段站退勤后的休息时间不少于16 h；每月应安排1～2次48 ～ 72 h的大休班时间；司机在动车所交接班时(有出、入所作业)，出退勤时间分别为70 min和45 min，在车站交接班时，出退勤时间分别为60 min和30 min。需要注意的是，间休时间最小值是以值乘的不同车次间的到、发时间差来计算的，每间休1次，需记1次在车站出退勤时间，即90 min。

由于1名司机每天只能值乘1个乘务交路，因而构建的乘务交路数越少，每天需要安排出勤值乘的司机人数也就越少，这是编制乘务交路时首要的优化目标。在满足相关时间标准的情况下，去程和返程之间的接续时间(即间休时间)，以及相邻2个乘务交路之间的接续时间(即退勤后的休息时间)越短，表示接续越紧凑，同时，对司机退勤后的集中时间休息越有利，此为优化的次要目标。动车组司机间休时间较均衡则可通过在基础数据中设定间休时间的最小值和最大值来实现。

2 高速动车组乘务交路辅助编制系统功能模块设计与实现

2.1 功能模块设计

乘务交路的编制步骤为：①根据高速动车组的运行区段及列车到发点确定乘务区段；②根据乘务区段构建乘务交路；③根据乘务交路编制乘务排班计划。乘务区段是指司机在间休或退勤休息前连续值乘的、图定旅行时间不超过4 h的“一个单程或立即折返交路”。乘务交路一般由固定值乘的1对“往返”的乘务区段组成，有时则由1个或3个乘务区段组成，其数量等于每日所需要出乘的司机数，是司机一天的工作安排(日计划)。乘务排班计划是依次循环值乘若干乘务交路的工作安排，是司机值乘工作月度计划。根据上述对乘务交路编制问题及其编制步骤的描述，可以将高速动车组乘务交路辅助编制系统主要功能模块按步骤顺序划分为5个。高速动车组乘务交路辅助编制系统功能模块如图1所示。

图1 高速动车组乘务交路辅助编制系统功能模块Fig.1 Function modules of crew scheduling auxiliary system of high-speed EMU

（1）乘务交路基础数据管理。乘务交路基础数据是指与动车组司机作息时间相关的规定和标准。输入系统后除特殊情况外，一般不做修改，主要作为编制乘务交路的限制条件。

（2）乘务区段运行图数据采集与处理。乘务区段运行图数据主要包括所值乘列车对应的车次、始终站和列车到发点等，这些信息均可从运行图中获取。通常1个单程作为1个乘务区段，然而，当1对往返车次满足立即折返条件时(即由同一动车组担当，且接续时间小于90 min，旅行时间不超过4 h)，可由编制人员指定该立即折返交路组成一个乘务区段，再由系统辅助处理、合成相关数据。

（3）乘务交路编制。该功能模块的目的是给出每个乘务交路具体由何乘务区段接续组成，以及接续时的间休时间。个别特殊的乘务交路应能够由人工优先指定，再与由系统自动编制的乘务交路合并。所组成的乘务交路数最少和乘务区段间的接续最紧凑是该阶段的优化目标。高速动车组司机的乘务交路可分为4种类型：①休息折返型。司机出勤值乘去程乘务区段，到达折返站后按规定休息，再值乘1个返程乘务区段返回。②纯立即折返型。司机出勤值乘，到达折返站后，立即值乘同一车底的另一车次返回，形成一个由子回路组成的立即折返乘务区段；间休后再值乘另一立折乘务区段，再次返回，形成带立即折返的乘务交路。③混合折返型。由1个立即折返乘务区段和1个非立即折返乘务区段混合组成的乘务交路。④单乘务区段型。由于列车到、发点等原因，乘务区段间无法搭配组成乘务交路时，则称为单乘务区段的乘务交路。

（4）乘务排班计划编制。主要实现所有乘务交路排出循环值乘的顺序，包括单一循环形式和多个循环形式2种。在编制过程中，要求在满足相关休息时间标准的条件下，使乘务交路间的接续最紧凑。

2.2 功能模块实现

2.2.1 乘务交路基础数据管理

基础数据主要包括司机工作时间、休息时间和出退勤时间3大类，统一存放在数据库中。工作时间主要指月、日工作时间标准，间休或退勤前一次连续值乘时间的上、下限等。休息时间包括在本段、外段退勤后的休息时间，以及间休时间的最小值和最大值等。出退勤时间分为在动车所出退勤和在车站出退勤2种辅助时间。这些时间标准输入后，也可根据实际需要进行修改。

2.2.2 乘务区段运行图数据采集与处理

（1）乘务区段运行图数据采集。对于所值乘列车的运行图相关数据，系统提供了按固定格式“从Excel表导入”或“从文本文件导入”2种方式。“文本文件”由对应的“Excel表”“另存为”得到，从而可以保证数据的一致性。

（2）数据保存与查询。为方便编制人员对乘务区段的数据进行管理，设计了乘务区段数据的“保存”“查询”“删除”等功能。

（3）将人工指定的乘务区段合成立即折返交路。由乘务交路编制人员在导入的运行图数据表中逐行选择符合组成立即折返交路条件的乘务区段，单击相应的功能按钮，系统自动将这些乘务区段合成立即折返乘务区段，并将其返回插入到乘务区段运行图数据表中。

2.2.3 乘务交路编制

为了便于进行多方案比选，分别设计了“人工指定合成乘务交路”“按先到先走构建”和“调用优化算法构建”3种实现方式。其中，“人工指定合成乘务交路”的操作优先执行。

（1）将人工指定的乘务区段合成乘务交路。考虑到实际工作中有一些特殊的乘务交路需要人工优先指定，设计了此功能。若有此需要时，先由人工选定需合成乘务交路的乘务区段，再单击相应的功能按钮，系统自动将所选定的乘务区段合成为乘务交路，最后将其插入到“按先到先走构建”或“调用优化算法构建”的结果中，从而形成完整的乘务交路方案，并提供给编制乘务排班计划使用。

（2）按先到先走构建。“先到先走”是现场编制人员常用的编制乘务交路的方法，即值乘先到达的去程列车的司机，优先值乘最早一趟满足接续条件的返程列车返回。按照其具体步骤在计算机上进行了编程实现。

（3）调用优化算法构建。根据现场对高速动车组乘务交路优化编制问题的要求，以构建的乘务交路数最少、乘务区段间接续最紧凑为优化目标，并满足相关作息时间限制条件，建立了相应的数学模型及用于求解的禁忌搜索算法来编制乘务交路，其中的部分内容可参见文献[8]。根据乘务区段和乘务规则，乘务交路一般由1对“往返”的乘务区段组成(包含1次间休)，特殊情况下，由1个或3个乘务区段组成。当乘务交路由3个乘务区段组成时，包含2次间休。所建立的数学模型及其求解算法均能处理这3种类型，且可以给出多个优化方案供比选。

2.2.4 乘务排班计划编制

根据现场对乘务排班计划编制问题的要求和问题的复杂性，在排班计划编制阶段，以乘务交路间接续最紧凑为优化目标，并满足相关作息时间限制条件，构建了相应的数学模型及用于求解的禁忌搜索算法。算法设定为当优化目标值相等时，循环个数少者优先。点击相关按钮，系统可以快速编制出多个优化方案比选，并分别以文本格式和Excel格式输出编制结果。

在输出的每个乘务排班计划方案中，按照所循环值乘的乘务交路顺序进行编排，同时给出各乘务交路间接续时在本段或外段的休息时间、每月的工作时间和可安排大休的时间等信息。为便于日后查看和比选，提供乘务排班计划方案的保存功能，可通过单击“另存为”按钮实现。

3 结束语

随着我国高速列车开行的数量增多，动车组司机乘务规则又比普速机车司机的复杂，以及为适应运输市场需求而经常性地调整列车运行图，使得靠人工凭经验来完成动车组司机乘务交路编制工作，存在编制方案单一、效率低等问题。而高速动车组司机乘务交路辅助编制系统，可以辅助编制人员快速编制出符合实际要求的乘务交路方案，降低劳动强度，提高平均编制质量，已经在南昌机务段和福州机务段进行示范性推广。