基于多智能體的高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù) 設(shè)備技術(shù)改造優(yōu)化仿真研究

許植深，李 鶴，陳 誠，唐 浩，魏 然

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

高鐵快運(yùn)是構(gòu)建“全球123快貨物流圈”，打造高時(shí)效現(xiàn)代流通體系的重要運(yùn)輸模式，目前已形成運(yùn)用非乘客空間、高鐵快運(yùn)柜、高鐵確認(rèn)車、不售票車廂等多種運(yùn)力資源的業(yè)務(wù)體系[1-3]。秦志鵬等[4]對(duì)高鐵快運(yùn)運(yùn)營組織模式及發(fā)展策略進(jìn)行了探討，丁小東、高如虎等[5-6]對(duì)基于大批量的高鐵快運(yùn)物流基地布局及經(jīng)營模式開展了研究，許植深等[7]對(duì)高鐵快運(yùn)基地運(yùn)營效率開展了仿真研究，李玉民等[8]對(duì)高鐵快運(yùn)作業(yè)主體與快遞企業(yè)的合作業(yè)務(wù)模式開展了研究，但針對(duì)既有高鐵快運(yùn)作業(yè)模式的優(yōu)化研究較少。為此，基于能夠有效運(yùn)用高鐵邊際成本，滿足快遞企業(yè)作業(yè)時(shí)效要求的高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)，分析既有作業(yè)條件、業(yè)務(wù)流程及限制瓶頸，提出基于電動(dòng)牽引車及輸送機(jī)的技術(shù)改造方案，以某車站為例，運(yùn)用Anylogic仿真軟件，對(duì)不同技術(shù)改造方案進(jìn)行基于多智能體的仿真研究，以人員配置數(shù)量及作業(yè)時(shí)間為主要指標(biāo)，比選技術(shù)改造方案，對(duì)高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)減員增效，提升市場競爭力具有重要意義。

1 高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)作業(yè)現(xiàn)狀

高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)運(yùn)用高鐵確認(rèn)車運(yùn)力資源，標(biāo)準(zhǔn)8輛編組動(dòng)車組載重約為10 t，依托高速鐵路車站綜合物流通道、客運(yùn)站等設(shè)施進(jìn)行裝卸作業(yè)。為盡可能縮短站臺(tái)作業(yè)時(shí)間，減少對(duì)客運(yùn)業(yè)務(wù)干擾，在出發(fā)端，作業(yè)人員應(yīng)于確認(rèn)車由動(dòng)車段所到達(dá)作業(yè)站臺(tái)前將貨物放置于對(duì)應(yīng)車門處，待確認(rèn)車到達(dá)后盡快完成裝車作業(yè)；在到達(dá)端，由于車輛需執(zhí)行后續(xù)客運(yùn)任務(wù)，一般通過增設(shè)作業(yè)人員的方式，加快卸車作業(yè)，避免對(duì)旅客登乘動(dòng)車組列車造成干擾。在該作業(yè)節(jié)奏下，以設(shè)有綜合物流通道及行包作業(yè)中心的高速鐵路車站為案例，梳理確認(rèn)車高鐵快運(yùn)作業(yè)設(shè)施設(shè)備條件、崗位配置、作業(yè)流程，并分析業(yè)務(wù)主要問題。

1.1 作業(yè)流程

隨著新建高速鐵路車站普遍配置綜合物流通道及快件作業(yè)中心，中鐵快運(yùn)股份有限公司廣泛利用高速鐵路車站綜合物流通道、配餐大廳、快件作業(yè)中心等物流設(shè)施開展確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)，確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)作業(yè)流程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)如表1所示。

在發(fā)送端，卡車將貨物運(yùn)至快件作業(yè)中心后，由工作人員卸卡車并安檢，安檢后工作人員將貨物通過綜合物流通道搬運(yùn)至作業(yè)站臺(tái)，并將貨物碼放在待裝確認(rèn)車車門處，待確認(rèn)車到達(dá)后完成裝車發(fā)送作業(yè)。

在到達(dá)端，確認(rèn)車到達(dá)后作業(yè)人員于對(duì)應(yīng)車門處完成卸車作業(yè)，隨后工作人員將貨物通過綜合物流通道搬運(yùn)至快件作業(yè)中心進(jìn)行卡車裝車，完成到達(dá)作業(yè)。

由于發(fā)送端需要在快遞卡車到達(dá)至確認(rèn)車發(fā)車時(shí)間段內(nèi)完成作業(yè)，實(shí)際作業(yè)中人員、設(shè)備配置均以保證發(fā)送端作業(yè)時(shí)效要求為標(biāo)準(zhǔn)，因此以下主要對(duì)高鐵快運(yùn)確認(rèn)車發(fā)送端展開研究。

1.2 場站條件

在2015年后，新建高速鐵路客運(yùn)場站配備綜合物流通道、快件作業(yè)中心比例逐漸提高，確認(rèn)車高鐵快運(yùn)依托綜合物流通道、快件作業(yè)中心開展作業(yè)。其中快件作業(yè)中心銜接外部道路，設(shè)有卡車站臺(tái)供快遞公司卡車進(jìn)行裝卸作業(yè)，快件作業(yè)中心與站臺(tái)由綜合物流通道相連，由于軌道限制，綜合物流通道與站臺(tái)處于不同水平面，因而多以坡道形式連接站臺(tái)，坡道口位于站臺(tái)兩端。綜合物流通道、快件作業(yè)中心及站臺(tái)示意圖如圖1所示。

1.3 人員配置

不同車站由于天窗時(shí)間、確認(rèn)車開行時(shí)間、快遞卡車到達(dá)時(shí)間不同，導(dǎo)致車站作業(yè)時(shí)效要求不同。根據(jù)時(shí)效要求高低，8輛編組動(dòng)車組的作業(yè)人員配置一般為15 ~ 20人。確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)人員配置如表2所示。

根據(jù)作業(yè)流程，確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)在先行完成卡車卸車、安檢、搬運(yùn)等作業(yè)后進(jìn)行確認(rèn)車裝卸作業(yè)，因而為最大化人員利用率，卡車裝卸員與搬運(yùn)員同時(shí)承擔(dān)確認(rèn)車裝卸任務(wù)。

圖1 綜合物流通道、快件作業(yè)中心及站臺(tái)示意圖Fig.1 Integrated logistics channel, luggage operation center, and platform

表1 確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)作業(yè)流程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)Tab.1 Operation process and schedule of confirmation train set for high speed rail express

表2 確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)人員配置Tab.2 Personnel of confirmation train set for high speed rail express

1.4 設(shè)備配置

目前受場站條件限制，配置簡易設(shè)備開展作業(yè)。貨物一般以集包袋為基本單元，集包袋內(nèi)裝載約 10 kg快遞貨物。在卡車裝卸環(huán)節(jié)，使用登車板輔助卸車人員上卡車裝卸貨物；在貨物安檢環(huán)節(jié)，使用行李安檢儀安檢成包貨物；在貨物搬運(yùn)環(huán)節(jié)，使用人工推車搬運(yùn)成包貨物。確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)設(shè)備配置如表3所示。

表3 確認(rèn)車高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)設(shè)備配置Tab.3 Equipment of confirmation train set for high speed rail express

1.5 主要問題

目前以人工搬運(yùn)為主的業(yè)務(wù)模式制約了確認(rèn)車運(yùn)輸資源的有效利用，限制了高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)發(fā)展，主要問題是作業(yè)準(zhǔn)確性、安全性、效率較低，具體體現(xiàn)在以下方面。

（1）既有人工搬運(yùn)作業(yè)模式制約了業(yè)務(wù)量提升。人工搬運(yùn)模式作業(yè)效率低，作業(yè)時(shí)間長，而確認(rèn)車發(fā)車時(shí)間固定，以確認(rèn)車開行時(shí)間倒推，場站作業(yè)時(shí)間限制了快遞企業(yè)卡車到達(dá)的最晚時(shí)間，進(jìn)而限制了貨源輻射范圍。例如，某車站確認(rèn)車發(fā)車時(shí)間為4 : 30，場站作業(yè)時(shí)間為1 h，則卡車最晚需在3 : 30到達(dá)車站，假設(shè)卡車于0 : 30由分撥中心出發(fā)，卡車旅行速度為60 km/h，則該車站可輻射180 km范圍內(nèi)的分撥中心，若場站作業(yè)時(shí)間縮短0.5 h，則可輻射210 km范圍內(nèi)的分撥中心，可擴(kuò)大貨物來源。

（2）人工搬運(yùn)模式不適用于大型高速鐵路車站。我國主要高速鐵路車站規(guī)模普遍較大，導(dǎo)致人工搬運(yùn)距離長，大大提升了人工搬運(yùn)強(qiáng)度及單次搬運(yùn)往返作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而大幅度提升了勞動(dòng)強(qiáng)度及用人需求，增加了用工成本。

（3）人工搬運(yùn)模式易發(fā)生坡道滑行等安全事故。大部分高速鐵路車站的站臺(tái)高于快件作業(yè)中心，人工推車上下坡道過程中，易發(fā)生推車脫離作業(yè)人員控制，在坡道滑行，撞擊其他人員、墻體，造成人員傷害及貨物損壞事故。

2 高鐵快運(yùn)確認(rèn)車設(shè)備技術(shù)改造方案

針對(duì)人工搬運(yùn)模式導(dǎo)致高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)瓶頸問題，以優(yōu)化搬運(yùn)作業(yè)方式為目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前成熟技術(shù)，提出基于電動(dòng)牽引車或輸送機(jī)的技術(shù)改造方案。

2.1 基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案

運(yùn)用電動(dòng)牽引車代替人工推車搬運(yùn)貨物，根據(jù)車站安全管理規(guī)程，電動(dòng)牽引車于快件作業(yè)中心裝車后，將貨物搬運(yùn)至坡道盡頭站臺(tái)入口處，換裝人工推車運(yùn)輸至待裝確認(rèn)車車門處，基于電動(dòng)牽引車的高鐵快運(yùn)確認(rèn)車作業(yè)流程與人工作業(yè)流程對(duì)比如表4所示。

經(jīng)調(diào)研，應(yīng)用于高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)的電動(dòng)牽引車參數(shù)如表5所示。

該方案無需對(duì)站臺(tái)設(shè)施進(jìn)行改造，電動(dòng)牽引車應(yīng)用靈活，可根據(jù)需求服務(wù)于站內(nèi)各個(gè)站臺(tái)，人員配置少，僅需要配備作業(yè)司機(jī)即可，具備實(shí)施可行性。

2.2 基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案

由于輸送機(jī)需要進(jìn)行供電改造并進(jìn)行設(shè)備鋪設(shè)，為方便配置并平衡成本，僅運(yùn)用輸送機(jī)代替人工完成作業(yè)難度較大的坡道搬運(yùn)環(huán)節(jié)，基于輸送機(jī)的高鐵快運(yùn)確認(rèn)車作業(yè)流程與人工作業(yè)流程對(duì)比如表6所示。

經(jīng)調(diào)研，應(yīng)用于高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)的輸送機(jī)參數(shù)如表7所示。

該方案需布設(shè)輸送機(jī)固定設(shè)施并配套進(jìn)行供電改造，相較于電動(dòng)牽引車，輸送機(jī)單位時(shí)間輸送能力大，無需車輛空跑返回，但設(shè)施改造成本高、無法同時(shí)服務(wù)于多個(gè)站臺(tái)，需配備專業(yè)化維護(hù)檢修人員。

表4 基于電動(dòng)牽引車的高鐵快運(yùn)確認(rèn)車作業(yè)流程與人工作業(yè)流程對(duì)比Tab.4 Comparison between operation process of confirmation train set for high speed rail express based on electric tractor and manual operation process

表5 應(yīng)用于高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)的電動(dòng)牽引車參數(shù)Tab.5 Parameters of electric tractor supporting confirmation train set for high speed rail express

表7 應(yīng)用于高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)的輸送機(jī)參數(shù)Tab.7 Parameters of conveyor supporting confirmation train set for high speed rail express

3 基于多智能體的仿真模型構(gòu)建

運(yùn)用Anylogic仿真軟件，將卡車、裝卸人員、安檢儀、電動(dòng)牽引車等作業(yè)單元規(guī)定為仿真智能體，以某車站安檢儀配置、站場通道寬度坡度等為基礎(chǔ)條件，并根據(jù)作業(yè)方案設(shè)計(jì)確定的作業(yè)流程，導(dǎo)入相關(guān)參數(shù)，使智能體按作業(yè)現(xiàn)場的規(guī)則進(jìn)行作業(yè)，以各作業(yè)單元最高利用率不超過100%為目標(biāo)，對(duì)人工搬運(yùn)模式、電動(dòng)牽引車搬運(yùn)模式及輸送機(jī)搬運(yùn)模式3種方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出合理的人員及設(shè)備配置方案，計(jì)算作業(yè)效率并進(jìn)行對(duì)比。

3.1 基于人工搬運(yùn)的方案仿真

以表4中人工搬運(yùn)模式的人工卸卡車—安檢—裝人工推車—人工推車上站臺(tái)為主要流程，構(gòu)建基于智能體的離散事件仿真模型，基于人工搬運(yùn)的方案仿真模型邏輯架構(gòu)如圖2所示。

經(jīng)仿真試驗(yàn)，在安檢作業(yè)人員2人，裝卸搬運(yùn)人員23人，合計(jì)25人時(shí)，裝卸搬運(yùn)人員最大利用率95.4%，平均利用率66.9%，配置合理。基于人工搬運(yùn)的方案主要作業(yè)人員及設(shè)施設(shè)備配置利用率變化圖如圖3所示。

經(jīng)仿真試驗(yàn)，由卡車到達(dá)開始計(jì)算，人工作業(yè)完成整列確認(rèn)車貨物裝車的作業(yè)時(shí)間為11 740 s，約3.26 h，基于人工搬運(yùn)的方案作業(yè)量隨時(shí)間變化堆積圖如圖4 所示。

3.2 基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案仿真

以表4中基于電動(dòng)牽引車搬運(yùn)模式的人工卸卡車—安檢—裝電動(dòng)牽引車—電動(dòng)牽引車上站臺(tái)—電動(dòng)牽引車人工推車對(duì)裝卸—人工推車站臺(tái)搬運(yùn)為主要流程，構(gòu)建基于智能體的離散事件仿真模型。基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案仿真模型邏輯架構(gòu)如圖5 所示。

圖2 基于人工搬運(yùn)的方案仿真模型邏輯架構(gòu)Fig.2 Simulation logic of manual handling scheme

圖3 基于人工搬運(yùn)的方案主要作業(yè)人員及設(shè)施設(shè)備配置利用率變化圖Fig.3 Utilization variation of main operators and facilities under manual handling scheme

圖4 基于人工搬運(yùn)的方案作業(yè)量隨時(shí)間變化堆積圖Fig.4 Workload change over time under manual handling scheme

經(jīng)仿真試驗(yàn)，在安檢作業(yè)人員2人，電動(dòng)牽引車司機(jī)2人，卡車裝卸搬運(yùn)人員5人，站臺(tái)裝卸搬運(yùn)人員6人，合計(jì)15人時(shí)，卡車卸車員最大利用率93.6%，平均利用率33.5%；站臺(tái)裝卸搬運(yùn)人員最大利用率81.3%，平均利用率56.1%，電動(dòng)牽引車最大利用率84%，平均利用率51.8%，配置合理。基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案主要作業(yè)人員及設(shè)施設(shè)備配置利用率變化圖如圖6所示。

經(jīng)仿真試驗(yàn)，電動(dòng)牽引車方案完成整列確認(rèn)車貨物裝車作業(yè)時(shí)間為9 020 s，約2.55 h，較人工搬運(yùn)方案節(jié)約作業(yè)時(shí)間0.76 h。基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案作業(yè)量隨時(shí)間變化堆積圖如圖7所示。

3.3 基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案仿真

以表5中基于輸送機(jī)搬運(yùn)模式的人工卸卡車—安檢—裝人工推車—人工推車至坡道底端—卸人工推車與輸送機(jī)對(duì)裝—輸送機(jī)爬坡—站臺(tái)裝人工推車—人工推車站臺(tái)搬運(yùn)為主要流程，構(gòu)建基于智能體的離散事件仿真模型。基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案仿真模型邏輯架構(gòu)如圖8所示。

經(jīng)仿真試驗(yàn)，在安檢作業(yè)人員2人，裝卸搬運(yùn)人員16人，輸送機(jī)維護(hù)人員1人，合計(jì)18人時(shí)，裝卸搬運(yùn)人員最大利用率92%，平均利用率52.8%，配置合理。基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案主要作業(yè)人員及設(shè)施設(shè)備配置利用率變化圖如圖9所示。

經(jīng)仿真試驗(yàn)，輸送機(jī)方案完成整列確認(rèn)車貨物裝車作業(yè)時(shí)間為10 100 s，約2.8 h，較人工搬運(yùn)方案節(jié)約作業(yè)時(shí)間0.46 h。 基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案作業(yè)量隨時(shí)間變化堆積圖如圖10所示。

圖5 基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案仿真模型邏輯架構(gòu)Fig.5 Simulation logic of technical transformation scheme based on electric tractor

圖6 基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案主要作業(yè)人員及設(shè)施設(shè)備配置利用率變化圖Fig.6 Utilization variation of main operators and facilities under technical transformation scheme based on electric tractor

3.4 仿真結(jié)果分析

不同方案高鐵快運(yùn)確認(rèn)車作業(yè)仿真結(jié)果對(duì)比如表8所示，經(jīng)對(duì)比，基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案作業(yè)時(shí)間最短，人員配置數(shù)量最少，可在兼顧成本及可行性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)的減員增效。同時(shí)高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)以“公路+高速鐵路”為主要聯(lián)運(yùn)模式，面向高時(shí)效快運(yùn)物流市場，壓縮場站裝車時(shí)長，可優(yōu)化發(fā)車前作業(yè)時(shí)間分配，將時(shí)間傾斜至公路貨源集運(yùn)作業(yè)，延長公路運(yùn)輸半徑，擴(kuò)大場站業(yè)務(wù)輻射范圍，提升高鐵快運(yùn)產(chǎn)品競爭力。

圖7 基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案作業(yè)量隨時(shí)間變化堆積圖Fig.7 Workload change over time under technical transformation scheme based on electric tractor

4 結(jié)束語

我國電商快遞產(chǎn)業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，要求高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)進(jìn)一步創(chuàng)新作業(yè)模式、提升作業(yè)時(shí)效。針對(duì)高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)既有作業(yè)模式無法滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要的問題，通過引入電動(dòng)牽引車、輸送機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備，在面向既有場站、需要控制場站基礎(chǔ)設(shè)施改造及投入成本的條件下，基于電動(dòng)牽引車的技術(shù)改造方案可節(jié)約場站作業(yè)時(shí)間23%、減少作業(yè)人員40%，可有效提升場站作業(yè)效率，降低人工成本，同時(shí)擴(kuò)大貨源吸引區(qū)，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力。隨著高速鐵路的建設(shè)及投入運(yùn)營、高鐵快運(yùn)確認(rèn)車業(yè)務(wù)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，下一步研究可探討面向新建客運(yùn)場站的高鐵快運(yùn)作業(yè)設(shè)施設(shè)備一體化配置優(yōu)化方案。

圖8 基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案仿真模型邏輯架構(gòu)Fig.8 Simulation logic of technical transformation scheme based on conveyor

圖9 基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案主要作業(yè)人員及設(shè)施設(shè)備配置利用率變化圖Fig.9 Utilization variation of main operators and facilities under technical transformation scheme based on conveyor

圖10 基于輸送機(jī)的技術(shù)改造方案作業(yè)量隨時(shí)間變化堆積圖Fig.10 Workload change over time under technical transformation scheme based on conveyor

表8 不同方案高鐵快運(yùn)確認(rèn)車作業(yè)仿真結(jié)果對(duì)比Tab.8 Comparison of simulation results among different operation schemes of confirmation train set for high speed rail express