基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法

陶思宇，李美彦

（1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 峨眉校区交通运输系，四川 峨眉 614202）

1 研究的意义

随着我国经济的高速发展，铁路客运专线不断完善，在一定程度上缓解了我国铁路客运的供需矛盾[1]。旅客列车开行方案是铁路客运组织的核心，尤其是在市场经济条件下，它是与其他运输方式进行竞争的实力的体现[2-3]。对于铁路客运部门来说，当旅客列车开行方案不能满足运输需求时，若不能及时调整客运专线的旅客列车开行方案，将可能会对铁路旅客运输系统及社会造成紊乱。因此，及时正确地协调旅客列车开行方案与运输需求间的矛盾，达到铁路客运资源的最优化配置是铁路客运部门的首要任务[4]。寻找一个基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法，以便铁路客运部门针对可能影响客运专线系统稳定状态的情况制订合理的旅客列车开行方案是非常必要的。

客运专线中的客流是不断变化的，其波动性说明了客流的动态特性。因此，通过建立一个基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法，从而应对可能出现的各种客流波动情况，其主要意义如下。

（1）有利于运输提高效率。基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法，主要是围绕客运专线的结构及客运需求的实际情况，提供旅客列车开行方案的调整建议。对客运专线中的客运需求提供科学的动态预测和分析，并向铁路客运部门发布信息，进而提出应对方案，实现科学决策和及时高效处置，实现快速响应，缩短处理时间，及时发现问题，提高运输效率。

（2）有利于及时有效地缓解供需矛盾。基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法，通过研究客流波动的动态特性，解决需求变化、自然灾害和天气异常等原因对铁路旅客运输组织产生的影响，并根据一定的模型算法，在原有方案的基础上提出的调整办法，对于铁路客运部门及时有效地缓解供需矛盾是十分必要的。

2 客流动态反馈控制研究

2.1 反馈控制系统概述

控制系统是指由控制主体、客体和媒体组成的具有自身目标与功能的管理系统。反馈控制是自动控制系统中最基本的一种控制方式。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用于不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制原理。反馈控制主要是检测偏差，并且纠正偏差。

反馈控制有以下两个特点：①能够自动检测偏差，这是由反馈结构决定的。系统输出量经测量组件反馈到系统的输入端，并给定值进行比较得出偏差；②从控制作用的产生来看，它是由偏差引起的。即一旦出现偏差，就产生控制作用。系统存在的反馈控制结构使系统的被控量自动地向减小或消除偏差的方向运动。由于其具有自动修正被控量偏离给定值的作用，而可以抑制内部扰动和外部扰动所引起的偏差，达到自动控制的目的。

2.2 客流动态反馈控制过程分析

对于铁路系统，客运需求与供给之间的矛盾对铁路旅客运输组织产生的影响主要体现在对铁路所提供的运输产品即旅客列车开行方案是否能满足当前的需求上[5]。因此，对客运需求的管理是一切活动的基础。一般而言，旅客列车开行方案都是事先通过预测的客流量而制订的，这是一种静态的配流，其基本思想如下。

客运专线中的旅客到达满足某种分布，预测的客流量是一个固定不变的常数，假设系统是稳定的，且客运专线旅客列车开行方案能够满足路网中现有的客运需求。但是，在实际应用中，影响旅客选择交通工具的因素很多，且难以预测。因此，该静态客流分配结果在现实运用中往往不能令人满意，主要存在以下问题：①客运专线旅客列车开行方案的制订是以事先预测的客流量为基础，在列车开行方案实施后，不能根据实际客流变化进行及时有效的调整；②客运专线系统经过长期运行，列车开行方案制订前预测得到的客流量与实际运营过程中的客流量无法得到修正，将会背离列车开行方案制订前的总体目标，从而导致客运专线系统出现供需矛盾。

因此，需设计一个具有更高实用价值且有效的方法对旅客列车开行方案进行调整以实现以下目标。

（1）保证系统在长时间运行状态下客运专线旅客列车开行方案与其客流情况相匹配。

（2）充分利用现有旅客列车开行方案基本信息。

（3）在保障前 2 个目标的前提下，尽量减小算法的复杂度并保证列车开行方案的稳定性。

在此，利用自动控制原理中反馈控制原理的特点，使列车开行方案实施后的客运专线客流情况统计成为一种改进方案的工具。利用客运专线环境变化对系统的反馈，引起系统状况的变化；信息从外部环境传递到系统内部，当系统的输出超出一定限度时，能迅速采取纠正的行动，使客运专线旅客列车开行方案的制订与调整变成从计划客流到开行方案再到实际客流再到调整开行方案的一个循环过程，以到达客运专线系统的稳定性。当客运专线系统处于一个平衡状态时，如果受到外来作用的影响，系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，就称这个系统是稳定的，否则称这个系统是不稳定的。一个控制系统要想能够实现所要求的控制功能就必须是稳定的。客流动态反馈控制的具体过程如图 1 所示。

从图 1 可以看出，为实现基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法，必须对客流的动态反馈控制进行深入研究。

3 旅客列车开行方案分析

3.1 旅客列车开行方案调整的原因

客运专线旅客列车开行方案的调整原因是有差别的，不同的原因要求对旅客列车开行方案采取的调整策略也不相同。造成旅客列车开行方案调整的原因主要有以下方面。

（1）自然灾害和天气异常会对客运专线旅客列车的运行造成影响。

（2）由于客运专线客流的周期性波动所引起的列车开行方案调整，如春运、暑运等。

（3）由于新线的修建或新产品的推出而引起的客流趋势的变化。

首项属于难以预测且无法避免的自然现象。对此，应及时有效地做出客运专线旅客列车开行的调整方案，提供给客运组织部门进行决策；后两项可以通过事前预测来避免客运专线系统发生紊乱。对这两项原因，不仅应及时有效地调整客运专线旅客列车开行方案，而且还应在事前向客运组织决策部门预警或提供相应的解决方案，以避免造成客运专线中列车运行秩序紊乱。

3.2 列车开行方案调整的原则

客运专线旅客列车开行方案调整的总原则是维护原有旅客列车开行方案的严肃性，在满足旅客运输需求的前提下，使调整后的列车开行方案最大限度与原有方案保持一致。因此，客运专线旅客列车开行方案调整的一般原则如下。

（1）客运专线旅客列车开行方案的调整应在严格遵循铁路各项行车规章制度的前提下进行，并确保行车安全。

（2）客运专线旅客列车开行方案的调整应以“先高速后中速”、“先重点后一般”为原则，应从全路网出发，顾全大局。

（3）尽量确保调整后的旅客列车开行方案与原有旅客列车开行方案的一致性，并尽可能将旅客列车开行方案调整带来的影响降至最低。

4 开行方案制订与调整的过程分析及改进建议

4.1 开行方案制订与调整的过程分析

目前，客运专线旅客列车开行方案的编制是在铁道部和铁路局两级机构中进行的，是一项复杂、细致、庞大的系统工程，需要在铁道部和铁路局的统一领导协调下，在铁路旅客运输部门与机、车、工、电、辆等各相关部门密切配合和协调一致下才能完成。客运专线旅客列车开行方案的调整牵涉人员众多，设备的使用及方案的具体实施都需要提前很长时间公布，主要是为了铁路客运部门有充足的时间做好方案调整后的运营准备工作，以及通告社会旅客列车开行方案的调整情况。这也导致客运专线旅客列车开行方案不能随时调整。当遇到特殊情况时，需要铁路客运部门采取应急措施，对客运专线旅客列车开行方案进行合理有效的调整，这种调整规模比较小，并尽可能涉及少量的人员和设备，以尽可能满足客流变化需求。

图1 客流动态反馈控制流程图

鉴于铁路运营的实际情况，对旅客列车开行方案的调整不可能随时进行整个路网的大规模调整，而只能是根据实际情况，先进行局部的调整以满足阶段性的旅客运输需求，而后铁路运输部门在铁道部的领导下定期进行统一的整个路网的优化调整。

4.2 改进建议

通过以上分析可以看出，目前现有客运专线旅客列车开行方案的制订与调整方法是一种限制性方法，列车开行方案制订后的客流统计成为一种辅助性的列车开行方案衡量工具，而不是一种改进列车开行方案的工具。从自动控制原理的角度分析，现有列车开行方案制订与调整属于无反馈控制系统，其主要是从客流到开行方案的单一过程，很难维持系统的平衡。因此，在深入分析现有旅客列车开行方案的制订与调整方法后，提出以下有关建议。

4.2.1 列车开行方案的灵活调整

将现行客运专线客流情况的统计数据作为改进列车开行方案的工具，使列车开行方案的调整时间具有一定的灵活性。从自动控制原理的角度分析，将现有客运专线旅客列车开行方案制订与调整从无反馈控制系统变成反馈控制系统，使之成为“预测OD流量→制订列车开行方案→实际OD流量→修正列车开行方案”的循环过程来维持系统平衡，这种方法称为基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法。

4.2.2 列车开行方案的分阶段调整

客运专线旅客列车开行方案的调整应该针对不同的条件和阶段采取不同的方法。按照列车开行方案调整时间的灵活性和其涉及影响范围，可以分为局部调整、全局调整和特殊调整 3 种情况。

（1）局部调整。局部调整可作为短时期内缓解客运专线供需矛盾的一个主要手段。它充分考虑铁路客运管理部门在技术和管理上的限制，不需要对既有旅客列车开行方案进行大规模的调整，只需要根据短时期内的客运需求对旅客列车开行方案进行临时性的调整，如春运、暑运、节假日等开行的临时旅客列车。在此期间，适时、科学、合理的加开临时旅客列车是客流高峰期缓解运能与运量矛盾的有效方法。因此，该方法具有一定的灵活性。

（2）全局调整。全局调整是指在一段时期内，客运专线旅客列车开行方案已不能满足大部分的客运需求，需要对列车开行方案进行全局性的优化调整。但由于客运专线旅客列车开行方案的优化设计和调整受到技术条件的限制和开行方案稳定性的要求，导致了其不可能像城市公交系统一样，随时按照客流情况加以调整，因此，应定期根据客运需求对客运专线旅客列车开行方案进行全局性的优化调整。

（3）特殊调整。特殊调整是指当出现特殊情况时，需要对列车开行方案进行紧急调整，使之满足必要情况下的客运需求，如自然灾害等对客运专线造成的破坏等。

因此，对客运专线旅客列车开行方案的调整应该短期采取局部调整，定期采取全局调整，紧急情况下采取特殊调整的方法。

5 旅客列车开行方案调整系统及功能模块分析

5.1 旅客列车开行方案调整系统

要实现高效率的基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整，不仅需要铁路客运部门逐渐完善管理制度和体制，提高管理人员的素质，更需要先进的技术平台作为支撑。目前，现有研究中的旅客列车开行方案是一种静态的配流，而客运专线的客流变化是动态的，大量的人流、物流、专业设备等都聚集于此，其运营状况的变化也可能是瞬息万变的。因此，建立一个基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整系统，其必须能够处理大量的客流信息数据，并具有人工智能的辅助决策功能，以使铁路客运部门在需要对旅客列车开行方案进行调整时能够作出准确的决策和及时的判断。该系统利用计算机作为辅助手段，对旅客列车开行方案的优化设计和调整进行科学分析，从而达到更合理有效地安排旅客列车开行方案[6]。旅客列车开行方案调整系统如图 2 所示。

5.2 模块功能分析

系统设计时应该采用结构化的系统分析方法，将整个系统划分为若干个模块[7-8]。基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整系统主要包括 6 个结构模块：客流量的采集与传输、客流量查询、客流预测、开行方案优化设计与调整、系统日志和交互、数据字典维护模块。各模块的主要功能如下。

（1）客流量的采集与传输模块。客流量的采集与传输模块实现客运专线客流量数据的获取，利用现有客运专线旅客列车开行方案反馈客运专线 OD 流量，并将客流量数据存储在系统的数据库中。

（2）客流量查询模块。客流量查询模块主要完成两方面的功能：用户身份的识别和客流量数据的获取。进行客流量查询之前应对客户端的用户进行身份识别，该查询模块主要是提供当前实际客流量情况的查询，具体可分为按月、日或一定时期，如春运、暑运和周末节假日等查询多个粒度。查询时根据用户信息的不同，分为管理员和普通用户两种权限级别，管理员可以查询全路所有路段的客流量信息，普通用户只能查询其相关地区的客流量信息。

（3）客流预测模块。客流预测模块主要是利用各种预测模型对客运专线客流量进行预测。

（4）开行方案优化设计与调整模块。开行方案优化设计与调整模块主要是根据已知客流和路网情况，利用优化设计模型得到旅客列车开行方案，也可以根据原有旅客列车开行方案信息，得到调整后的旅客列车开行方案。

图2 客运专线旅客列车开行方案调整系统结构功能流程图

（5）系统日志和交互模块。系统日志和交互模块主要是记录系统信息。

（6）数据字典维护模块。数据字典维护模块主要用于实现系统的灵活性，对系统中基本不变的参数进行维护，其中主要包括路网参数、计算模型中的参数等。

6 结束语

针对目前现有旅客列车开行方案制订与调整过程中存在的缺点，提出将客运专线现行旅客列车开行方案客流情况的统计数据作为改进旅客列车开行方案的工具，开行方案的调整应针对不同的条件和阶段采取不同方法的建议；并将客运专线旅客列车开行方案的调整方法分为局部调整、全局调整和特殊调整。分析设计客运专线旅客列车开行方案调整系统及功能模块。基于客流动态反馈控制的客运专线旅客列车开行方案调整方法能在各种情况下及时控制和保障客运专线运营安全，使铁路客运部门根据实时的客流情况采取必要的措施，以满足运输需求和网络结构的变化。

[1] 史 峰，邓连波，霍 亮. 客运专线旅客列车开行方案优化系统设计[J]. 系统工程，2006，24(11)：24-30.

[2] 李 剑，刘会林. 铁路旅客列车开行方案经济效益评价系统的开发[J]. 铁道运输与经济，2008(5)：26-28.

[3] 查伟雄. 旅客列车开行方案决策支持系统理论、技术与应用[M]. 成都：西南交通大学出版社，2007.

[4] 曾立雄，查伟雄. 旅客列车开行方案决策支持系统的数据库需求分析[J]. 交通运输系统工程与信息，2006，6(1)：60-63.

[5] 马 辉. 高速铁路列车开行方案与运力资源反馈调整系统研究[D]. 北京：北京交通大学，2011.

[6] 牟 颖，郑秀清，严余松，等. 客车开行方案效益分析系统的设计与实现[J]. 微计算机信息，2006，22(36)：10-13.

[7] 胡 辉. 旅客列车开行方案系统的开发研究[J]. 铁道运输与经济，2004，26(10)：58-60.

[8] 王 喆. 列车开行效益分析与优化辅助决策系统的研究[J]. 铁路计算机应用，2007(4)：23-26.