網絡化運營條件下的地鐵乘務計劃優化方法

田益鋒

(上海地鐵第二運營有限公司,200063,上?！喂こ處?

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網絡化運營條件下的地鐵乘務計劃優化方法

田益鋒

(上海地鐵第二運營有限公司,200063,上?！喂こ處?

隨著城市軌道交通網絡化運營程度的不斷深入,乘務管理也需要不斷適應線路結構、客流特征、列車方案、管理制度等因素的變化需求。乘務計劃優化是一類綜合考慮各類因素的多目標組合優化問題。對計劃列車運行圖、線路條件、乘務班制、勞動時間等乘務計劃編制的關鍵因素進行分析,從編制條件和編制目標等方面研究了網絡化運營條件下乘務計劃的編制難點,從乘務班制、任務劃分、網絡統籌、編制的智能化和信息化等方面提出網絡化運營條件下乘務計劃編制優化的建議與方法。

地鐵; 乘務計劃; 列車運行圖; 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展,地鐵運營管理企業面臨著在確保運營安全的前提下降低運營成本和提升管理效率等問題。司機是城市軌道交通行車關鍵工種,他們處于城市軌道交通運營的第一線,肩負著行車安全的主要責任。在CoMET(國際地鐵協會)組織對世界各個城市軌道交通企業運營成本的分析中,列車司機的成本已經成為除了設備維護、車站運營、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絡化運營程度的不斷深入,運營管理也面臨著諸多挑戰,如線路特征的復雜化、客流的快速增長、不同日期(工作日、雙休日、節假日、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、運營時間的延長、網絡資源的共享等[1-2]。因此乘務管理也需要不斷適應線路結構、客流特征、列車方案、管理制度等因素變化的需求。為了應對網絡化運營需求,許多城市采取了不同策略和方法來提升司機的勞動生產率,降低列車司機的配比數和控制運營成本。

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

1 乘務計劃編制的關鍵因素分析

1.1 計劃列車運行圖

計劃列車運行圖是乘務計劃編制的基礎,乘務計劃編制的主要目的是在有限的資源條件下,合理安排司機以完成運行圖規定的所有列車運行任務。網絡化運營條件下,由于客流特征的差異性,日常運營組織中會在不同日期實施不同類型的運行圖(如工作日圖、雙休日圖、節假日圖、特定日圖等),完整的乘務計劃應該能夠滿足完成一個調圖周期內所有運行圖任務的需求。不同的運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量等方面的差異會對司機的輪乘計劃產生較大影響。

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、司機吃飯地點、司機駕駛列車輪換點等,這些因素都會對司機輪轉方式產生影響。停車場與正線一體化的設計可以方便司機的出退勤,縮短司機出入庫往返時間,甚至可以減少夜間駐庫司機的人數,從而提升司機的周轉效率。目前柏林地鐵的部分線路就采用了此類設計。但隨著地鐵網絡的擴展,線路結構與長度的變化必然會帶來運營方案的復雜化(如多交路共線運行),也有可能需要增加折返點、輪換地點、吃飯地點,這些地點設置也會影響乘務計劃的優化效果。如多點出退勤的設置有助于縮短司機出退勤路程上的未駕駛時間及里程,從而提高列車司機的有效駕駛時間。

1.3 乘務班制

目前國內多數軌道交通運營企業采用固定班制,常用的班制有“四班二轉”、“四班三轉”、“五班三轉”、“三班二轉”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”、廣州多采用“四班三轉”,而北京部分線路采用“三班二轉”。固定班制的輪乘方案,各班組司機配備數量基本相同,且司機的出退勤時間、休息時間都較為固定,其優點是便于管理。但各班組司機需要按照運行圖設定的最大投用列車數進行配置,因此導致在平峰、低谷時段以及休息日會有部分列車司機處于閑置狀態。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,靈活安排司機在任意時間出退勤,這種模式能有效地提升列車司機的有效工時,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、日作業時間、周與月工作時間、連續駕車時間、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還受到工會組織的約束,而且可能發生動態的調整。這些因素都會在編制計劃時被作為相關參數設定,會對列車司機的配比數和有效工時產生影響。

1.5 新技術應用

新技術的應用也會對乘務計劃的編制產生影響,如列車駕駛的自動化為提升司機勞動生產率提供了新的技術支撐。在實現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,乘務計劃編制時可以不用考慮安排出入場司機,只需考慮正線運營列車的司機安排,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,從而可以降低列車司機的配置數。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的勞動生產率,特別是在交路較為復雜、行車密度較高的線路尤為明顯。

1.6 管理的人性化

乘務計劃的執行對象是司機,司機的身體狀態、情緒等變化都會影響工作效率和安全。因此在計劃中體現司機的個性化需求也是乘務計劃編制過程需要考慮的因素。如安排司機出退勤地點時盡量考慮與司機的住址靠近、考慮司機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 網絡化運營條件下乘務計劃的編制難點

網絡化運營條件下,車輛基地數量的增加、全日開行列次的增多、運營交路復雜度的提高給乘務計劃編制帶來諸多困難。

2.1 計劃編制的工作量大

目前國內城市軌道交通乘務計劃主要采用人工編制的方法,首先根據運行圖編制軟件生成的運行圖,繪制出列車在出發站、交接班站運行的交路圖,根據交路圖人工判斷各車出發的先后順序和時間,從而來推算司機出班的地點和時間,并安排相應的人員跟蹤車輛運行。列車駕駛任務安排完成后,還需手工編制任務表、輪值表、簽到表等,一般編制一次乘務計劃周期長達2～3周,編制工作量大,隨著上線列車數的增多,一次編制的工作量進一步增大。手工編制乘務計劃具有編制效率低、靈活性較差、勞動時間標準不規范、工作量不均衡、數量無法共享以及應對突發情況應變能力弱等缺點[3-4],已經很難滿足網絡化運營條件下運行圖頻繁更新的要求,也無法滿足乘務管理的信息化需求。

2.2 編制復雜度高

乘務排班問題是一類典型的組合優化問題,國內外大量研究成果早已證明排班問題屬于NP-難問題。乘務計劃編制需要考慮的因素很多,如出退勤地點、連續駕車時長、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,司機的工時分配不均衡,有部分勞動工時閑置而導致收入存在差距等。隨著運營交路復雜度提高,合理安排司機駕車任務組合(長交路組合短交路、長交路組合長交路、短交路組合短交路),保證司機任務之間的均衡性成為需要重點考慮的因素。因此隨著運營模式的復雜化,乘務計劃編制的復雜度也隨之提高。

2.3 編制錯誤難以檢驗

乘務計劃編制過程中容易出現“漏車”(部分車次未安排)、輪轉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認真,并且編制完成后需要進行專門校驗,校驗工作量大。一旦校驗發現錯誤,若出現在編制過程中間,則部分工作需要返工,若出現在編制完成,則可能導致全部重來,錯誤代價極大。

2.4 編制的多目標需求

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

2.5 不同線路之間的司機共享需求

隨著運營線路的增加,不同線路之間司機數量的差異性和運用的緊張程度也不同,為了提高司機的運用效率,司機的網絡共享問題也逐步被提出來。不同線路司機的共享相當于增加了計劃編制過程需要考慮的變量和約束數量,大大增加了優化的規模和運算難度。

2.6 司機管理的信息化

人工編制的乘務計劃很難實現數據的互通與共享,尤其是會限制司機的信息管理和績效管理等,這樣不僅會降低管理效率,而且還無法適應網絡運營管理信息化發展的需求。

3 網絡化運營條件下的乘務計劃編制優化建議

3.1 乘務班制的靈活安排

固定班制條件下,司機的配置數量通常以早高峰的上線列車數量為依據。以上海軌道交通11號線為例,工作日(1114-1號圖)早高峰上線列車數量為60列(如圖2),因此4個班組的司機配置人數均為70人(10人為折返點輪乘以及備用司機)。而在70人的配置條件下,晚高峰、平峰以及非運營時段內司機富裕較大,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。而在CoMET組織成員內,部分城市采取了靈活的排班制度:一些城市允許兼職司機模式實施,例如布魯塞爾、紐卡斯爾、倫敦、圣地亞哥等;一些城市則實施了分時班制的司機出乘制度,即司機的工作時間可在1 d內根據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班制的基礎上允許兼職司機和分時班制的實施,也是目前在司機有效工時利用率上表現比較優秀的城市。此外,考慮在運營線路上配備一定數量的多職能隊伍，即崗位技術復合的技術工人,也是進一步提高勞動生產率的有效方法。上述這些靈活班制的安排目前在國內各城市的城市軌道交通運營管理企業中研究應用得還較少,國外城市的經驗值得借鑒。

圖2 上海軌道交通11號線1114-1號工作日圖對應的上線列車數和司機配置人數

3.2 乘務計劃任務劃分優化

乘務計劃任務的優化應針對計劃運行圖的參數分析,根據上線列車數的變化來優化配置列車司機,在打破原有固定排班模式的基礎上,專職配檢司機與機動司機資源整合利用。通過采用任務號對應計劃運行線的方式來進行乘務計劃編制可以有效提升司機的有效工時,從而提高勞動生產率,降低司機的配比數。以上海軌道交通11號線1114-1號工作日圖為例,結合投用列車數對運行線進行分塊切割,并生成任務號?；谶\行圖的高低峰上線列車數差異大的特點,將全日司機計劃劃分成兩部分:基礎任務和高峰任務。其中基礎任務以平峰時段的上線列車數量為依據,分為3個基礎任務(早班(A)、日班(B)和夜班(C));高峰任務又分為早高峰任務(D),替飯任務(E)和晚高峰任務(F),這3個任務可以視額外任務量分別配置不同數量的司機。因此,上述任務相當于設置7個虛擬班組,見圖3。

圖3 上海軌道交通11號線虛擬班組的設置方案

這種方案的優點是既保留固定排班模式的優點,又體現了一定的靈活性,可以提高司機的勞動生產率。但這種模式對于乘務計劃的編制要求增大,尤其是高峰任務與基礎任務的協調以及不同日期班組的輪轉優化難度增大。

3.3 乘務計劃編制的智能化與信息化

利用信息化手段來管理乘務計劃,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軟件來進行管理,如Hastus、mrtSchedule和BUSMAN軟件等[6-7]。乘務計劃不僅要與實際運營相結合,而且還要有一定的科學依據作保障,在保證行車安全的前提下,合理設置編制乘務計劃的各項參數,然后設計編制乘務的優化算法,開發相應的計算機乘務編制系統,可以達到提高編制效率、優化乘務人員配置、均衡工作任務、精確任務統計、提高信息化管理水平的目的[8]。為了提升乘務計劃的智能化和信息化,目前同濟大學正在與上海、北京、成都等城市的部分地鐵線路的運營公司合作研發相應的乘務計劃編制與管理系統。

3.4 司機的網絡統籌優化

在具備網絡化運營條件的城市,司機在部分線路或整個網絡的統籌可以有效整合司機資源和提高運營效率,但同時也對人員技術、管理模式、出退勤點的合理設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技能統一性、工作任務的安排均衡性、線路之間的司機協調性等問題,目前針對此類問題的研究在國內還處于起步階段[9]。

3.5 列車司機薪酬結構改革與乘務計劃優化的結合

目前國內城市軌道交通運營企業基本都采用列車司機公里費作為司機薪酬結構的一部分,降低列車司機配比數、提高司機勞動生產率的乘務計劃,需要結合司機薪酬體系的結構調整來予以支撐,鼓勵司機在合法合規的基礎上多勞多得。根據不同城市運營企業的實際情況,司機公里費占司機薪酬的比例設定在合理的范圍內,促進列車司機提升勞動生產率的積極性,同時推動乘務計劃編制的優化實施。

4 總結

隨著我國各大城市軌道交通網絡化運營的不斷推進,乘務計劃的優化對于提升運營管理水平、提高司機運用效率和降低運營成本具有重要意義。本文提出的乘務班制、任務劃分、網絡統籌、編制的智能化和信息化等方面優化的建議與方法也是未來運營的重點關注方向。本文提出的部分理念與方法已經在上海軌道交通第二運營有限公司管轄的2、11和13號線上逐步推廣,在司機出退勤管理、乘務班制優化、乘務計劃的計算機編制以及司機的績效管理等方面取得了初步的應用效果。

[1] 邵偉中,吳強.上海城市軌道交通網絡化運營特征分析[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排班計劃優化方法[J].交通運輸系統工程與信息,2014,14(6):164-170.

[3] 石俊剛,周峰,徐瑞華.城軌交通乘務任務配對的集合分割模型及算法[J].同濟大學學報(自然科學版),2015,43(2):232-238.

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

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

[6] 李獻忠,徐瑞華.基于時間耗費的城市軌道交通乘務排班優化[J].鐵道學報,2007,29(1):21-25.

[7] 李獻忠,徐瑞華.基于乘務廣義費用的城市軌道交通排班[J].同濟大學學報(自然科學版),2007,35(6):750-754.

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

[9] 石俊剛,楊靜,王鳳麗.多線乘務員共享條件下城市軌道交通乘務計劃均衡編制探討[J].鐵道運輸與經濟,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)