网络化运营条件下的地铁乘务计划优化方法

田益锋

(上海地铁第二运营有限公司,200063,上海∥工程师)



网络化运营条件下的地铁乘务计划优化方法

田益锋

(上海地铁第二运营有限公司,200063,上海∥工程师)

随着城市轨道交通网络化运营程度的不断深入,乘务管理也需要不断适应线路结构、客流特征、列车方案、管理制度等因素的变化需求。乘务计划优化是一类综合考虑各类因素的多目标组合优化问题。对计划列车运行图、线路条件、乘务班制、劳动时间等乘务计划编制的关键因素进行分析,从编制条件和编制目标等方面研究了网络化运营条件下乘务计划的编制难点,从乘务班制、任务划分、网络统筹、编制的智能化和信息化等方面提出网络化运营条件下乘务计划编制优化的建议与方法。

地铁; 乘务计划; 列车运行图; 开行方案

Author′s address The Second Shanghai Metro Operation Co.,Ltd.,200063,Shanghai,China

随着城市轨道交通的快速发展,地铁运营管理企业面临着在确保运营安全的前提下降低运营成本和提升管理效率等问题。司机是城市轨道交通行车关键工种,他们处于城市轨道交通运营的第一线,肩负着行车安全的主要责任。在CoMET(国际地铁协会)组织对世界各个城市轨道交通企业运营成本的分析中,列车司机的成本已经成为除了设备维护、车站运营、管理成本之后的第四大成本支出,同时人力成本还处于不断上升的趋势。

随着我国各大城市轨道交通网络化运营程度的不断深入,运营管理也面临着诸多挑战,如线路特征的复杂化、客流的快速增长、不同日期(工作日、双休日、节假日、大型活动等)客流特征的差异性加大、线路行车密度的增加、交路形式的多样化、运营时间的延长、网络资源的共享等[1-2]。因此乘务管理也需要不断适应线路结构、客流特征、列车方案、管理制度等因素变化的需求。为了应对网络化运营需求,许多城市采取了不同策略和方法来提升司机的劳动生产率,降低列车司机的配比数和控制运营成本。

对比发展较早相对较为成熟的欧洲和北美等轨道交通运营企业,国内在优化乘务计划方面仍处于初步探索阶段。乘务计划优化是一类综合考虑各类因素的多目标组合优化问题。本文首先对乘务计划编制的关键因素进行分析,然后从编制条件和编制目标等方面研究网络化运营条件下的乘务计划编制难点,最后提出乘务计划编制优化的建议与方法。

1 乘务计划编制的关键因素分析

1.1 计划列车运行图

计划列车运行图是乘务计划编制的基础,乘务计划编制的主要目的是在有限的资源条件下,合理安排司机以完成运行图规定的所有列车运行任务。网络化运营条件下,由于客流特征的差异性,日常运营组织中会在不同日期实施不同类型的运行图(如工作日图、双休日图、节假日图、特定日图等),完整的乘务计划应该能够满足完成一个调图周期内所有运行图任务的需求。不同的运行图在最小行车间隔、出入库方式和时间、开行方案等和最大上线车底数量等方面的差异会对司机的轮乘计划产生较大影响。

1.2 线路条件

线路条件决定了线路的停车场位置、出退勤地点、司机吃饭地点、司机驾驶列车轮换点等,这些因素都会对司机轮转方式产生影响。停车场与正线一体化的设计可以方便司机的出退勤,缩短司机出入库往返时间,甚至可以减少夜间驻库司机的人数,从而提升司机的周转效率。目前柏林地铁的部分线路就采用了此类设计。但随着地铁网络的扩展,线路结构与长度的变化必然会带来运营方案的复杂化(如多交路共线运行),也有可能需要增加折返点、轮换地点、吃饭地点,这些地点设置也会影响乘务计划的优化效果。如多点出退勤的设置有助于缩短司机出退勤路程上的未驾驶时间及里程,从而提高列车司机的有效驾驶时间。

1.3 乘务班制

目前国内多数轨道交通运营企业采用固定班制,常用的班制有“四班二转”、“四班三转”、“五班三转”、“三班二转”等形式,如图1所示。我国不同城市的不同线路采用的班制也不尽相同,如上海多采用“四班二转”、广州多采用“四班三转”,而北京部分线路采用“三班二转”。固定班制的轮乘方案,各班组司机配备数量基本相同,且司机的出退勤时间、休息时间都较为固定,其优点是便于管理。但各班组司机需要按照运行图设定的最大投用列车数进行配置,因此导致在平峰、低谷时段以及休息日会有部分列车司机处于闲置状态。而如果打破固定班制的形式,在保证总休息时间不变的条件下,灵活安排司机在任意时间出退勤,这种模式能有效地提升列车司机的有效工时,但存在管理难度大等问题。

图1 几种常用的固定班制形式

1.4 劳动时间

时间是乘务计划编制过程最为重要的约束条件,包括日工作时间、日作业时间、周与月工作时间、连续驾车时间、驾车中途休息时间、吃饭时间等。工作时间的限制在部分国家地区还受到工会组织的约束,而且可能发生动态的调整。这些因素都会在编制计划时被作为相关参数设定,会对列车司机的配比数和有效工时产生影响。

1.5 新技术应用

新技术的应用也会对乘务计划的编制产生影响,如列车驾驶的自动化为提升司机劳动生产率提供了新的技术支撑。在实现列车出入停车场的自动化驾驶以及具备自动折返功能的线路,乘务计划编制时可以不用考虑安排出入场司机,只需考虑正线运营列车的司机安排,同时折返点也因为无需人工驾驶折返而无需配备折返司机,从而可以降低列车司机的配置数。目前东京和马德里地铁的部分线路具备自动折返功能,实践证明能明显改善司机的劳动生产率,特别是在交路较为复杂、行车密度较高的线路尤为明显。

1.6 管理的人性化

乘务计划的执行对象是司机,司机的身体状态、情绪等变化都会影响工作效率和安全。因此在计划中体现司机的个性化需求也是乘务计划编制过程需要考虑的因素。如安排司机出退勤地点时尽量考虑与司机的住址靠近、考虑司机年龄和性别上的差异性、每个班或每天工作量的相对均衡性等。

2 网络化运营条件下乘务计划的编制难点

网络化运营条件下,车辆基地数量的增加、全日开行列次的增多、运营交路复杂度的提高给乘务计划编制带来诸多困难。

2.1 计划编制的工作量大

目前国内城市轨道交通乘务计划主要采用人工编制的方法,首先根据运行图编制软件生成的运行图,绘制出列车在出发站、交接班站运行的交路图,根据交路图人工判断各车出发的先后顺序和时间,从而来推算司机出班的地点和时间,并安排相应的人员跟踪车辆运行。列车驾驶任务安排完成后,还需手工编制任务表、轮值表、签到表等,一般编制一次乘务计划周期长达2～3周,编制工作量大,随着上线列车数的增多,一次编制的工作量进一步增大。手工编制乘务计划具有编制效率低、灵活性较差、劳动时间标准不规范、工作量不均衡、数量无法共享以及应对突发情况应变能力弱等缺点[3-4],已经很难满足网络化运营条件下运行图频繁更新的要求,也无法满足乘务管理的信息化需求。

2.2 编制复杂度高

乘务排班问题是一类典型的组合优化问题,国内外大量研究成果早已证明排班问题属于NP-难问题。乘务计划编制需要考虑的因素很多,如出退勤地点、连续驾车时长、用餐地点、用餐时间等。目前的计划中,受早晚高峰上线车底的差异性影响,司机的工时分配不均衡,有部分劳动工时闲置而导致收入存在差距等。随着运营交路复杂度提高,合理安排司机驾车任务组合(长交路组合短交路、长交路组合长交路、短交路组合短交路),保证司机任务之间的均衡性成为需要重点考虑的因素。因此随着运营模式的复杂化,乘务计划编制的复杂度也随之提高。

2.3 编制错误难以检验

乘务计划编制过程中容易出现“漏车”(部分车次未安排)、轮转休息时间不足等错误。这些错误往往难以察觉,需要编制人员在编制过程中十分仔细认真,并且编制完成后需要进行专门校验,校验工作量大。一旦校验发现错误,若出现在编制过程中间,则部分工作需要返工,若出现在编制完成,则可能导致全部重来,错误代价极大。

2.4 编制的多目标需求

乘务计划编制问题是一类典型的多目标优化决策问题,如司机数量最少、任务最均衡、有效工时利用最大等[5]。这些目标既有一定的相关性,也同时会存在矛盾。因此,在编制乘务计划时,需要综合考虑。如在司机数量紧张或高峰期运营时段,可以重点考虑司机数量最少这一目标,而在司机数量充足或低峰期运营时段,则可以重点考虑不同司机工作量的均衡分配。事实上受计划运行图和班制的影响,在同一天的工作时间内,不可能做到每位司机的绝对均衡,但通过优化轮乘方案,在一段时期内(如一周或一个月)各司机工作量的相对均衡是可以实现的。

2.5 不同线路之间的司机共享需求

随着运营线路的增加,不同线路之间司机数量的差异性和运用的紧张程度也不同,为了提高司机的运用效率,司机的网络共享问题也逐步被提出来。不同线路司机的共享相当于增加了计划编制过程需要考虑的变量和约束数量,大大增加了优化的规模和运算难度。

2.6 司机管理的信息化

人工编制的乘务计划很难实现数据的互通与共享,尤其是会限制司机的信息管理和绩效管理等,这样不仅会降低管理效率,而且还无法适应网络运营管理信息化发展的需求。

3 网络化运营条件下的乘务计划编制优化建议

3.1 乘务班制的灵活安排

固定班制条件下,司机的配置数量通常以早高峰的上线列车数量为依据。以上海轨道交通11号线为例,工作日(1114-1号图)早高峰上线列车数量为60列(如图2),因此4个班组的司机配置人数均为70人(10人为折返点轮乘以及备用司机)。而在70人的配置条件下,晚高峰、平峰以及非运营时段内司机富裕较大,这样势必造成了不同班期之间工作量的不均衡和资源的浪费。而在CoMET组织成员内,部分城市采取了灵活的排班制度:一些城市允许兼职司机模式实施,例如布鲁塞尔、纽卡斯尔、伦敦、圣地亚哥等;一些城市则实施了分时班制的司机出乘制度,即司机的工作时间可在1 d内根据行车计划分时段完成,例如米兰、蒙特利尔、新加坡等；而巴塞罗那和马德里则在灵活的乘务班制的基础上允许兼职司机和分时班制的实施,也是目前在司机有效工时利用率上表现比较优秀的城市。此外,考虑在运营线路上配备一定数量的多职能队伍，即岗位技术复合的技术工人,也是进一步提高劳动生产率的有效方法。上述这些灵活班制的安排目前在国内各城市的城市轨道交通运营管理企业中研究应用得还较少,国外城市的经验值得借鉴。

图2 上海轨道交通11号线1114-1号工作日图对应的上线列车数和司机配置人数

3.2 乘务计划任务划分优化

乘务计划任务的优化应针对计划运行图的参数分析,根据上线列车数的变化来优化配置列车司机,在打破原有固定排班模式的基础上,专职配检司机与机动司机资源整合利用。通过采用任务号对应计划运行线的方式来进行乘务计划编制可以有效提升司机的有效工时,从而提高劳动生产率,降低司机的配比数。以上海轨道交通11号线1114-1号工作日图为例,结合投用列车数对运行线进行分块切割,并生成任务号。基于运行图的高低峰上线列车数差异大的特点,将全日司机计划划分成两部分:基础任务和高峰任务。其中基础任务以平峰时段的上线列车数量为依据,分为3个基础任务(早班(A)、日班(B)和夜班(C));高峰任务又分为早高峰任务(D),替饭任务(E)和晚高峰任务(F),这3个任务可以视额外任务量分别配置不同数量的司机。因此,上述任务相当于设置7个虚拟班组,见图3。

图3 上海轨道交通11号线虚拟班组的设置方案

这种方案的优点是既保留固定排班模式的优点,又体现了一定的灵活性,可以提高司机的劳动生产率。但这种模式对于乘务计划的编制要求增大,尤其是高峰任务与基础任务的协调以及不同日期班组的轮转优化难度增大。

3.3 乘务计划编制的智能化与信息化

利用信息化手段来管理乘务计划,将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计算机软件来进行管理,如Hastus、mrtSchedule和BUSMAN软件等[6-7]。乘务计划不仅要与实际运营相结合,而且还要有一定的科学依据作保障,在保证行车安全的前提下,合理设置编制乘务计划的各项参数,然后设计编制乘务的优化算法,开发相应的计算机乘务编制系统,可以达到提高编制效率、优化乘务人员配置、均衡工作任务、精确任务统计、提高信息化管理水平的目的[8]。为了提升乘务计划的智能化和信息化,目前同济大学正在与上海、北京、成都等城市的部分地铁线路的运营公司合作研发相应的乘务计划编制与管理系统。

3.4 司机的网络统筹优化

在具备网络化运营条件的城市,司机在部分线路或整个网络的统筹可以有效整合司机资源和提高运营效率,但同时也对人员技术、管理模式、出退勤点的合理设置等提出了更高的要求。此外，还将会面临不同线路之间的司机技能统一性、工作任务的安排均衡性、线路之间的司机协调性等问题,目前针对此类问题的研究在国内还处于起步阶段[9]。

3.5 列车司机薪酬结构改革与乘务计划优化的结合

目前国内城市轨道交通运营企业基本都采用列车司机公里费作为司机薪酬结构的一部分,降低列车司机配比数、提高司机劳动生产率的乘务计划,需要结合司机薪酬体系的结构调整来予以支撑,鼓励司机在合法合规的基础上多劳多得。根据不同城市运营企业的实际情况,司机公里费占司机薪酬的比例设定在合理的范围内,促进列车司机提升劳动生产率的积极性,同时推动乘务计划编制的优化实施。

4 总结

随着我国各大城市轨道交通网络化运营的不断推进,乘务计划的优化对于提升运营管理水平、提高司机运用效率和降低运营成本具有重要意义。本文提出的乘务班制、任务划分、网络统筹、编制的智能化和信息化等方面优化的建议与方法也是未来运营的重点关注方向。本文提出的部分理念与方法已经在上海轨道交通第二运营有限公司管辖的2、11和13号线上逐步推广,在司机出退勤管理、乘务班制优化、乘务计划的计算机编制以及司机的绩效管理等方面取得了初步的应用效果。

[1] 邵伟中,吴强.上海城市轨道交通网络化运营特征分析[J].城市轨道交通研究,2009(2):1-5.

[2] 丰富,陈绍宽,杜鹏.考虑时间均衡度的城市轨道交通乘务排班计划优化方法[J].交通运输系统工程与信息,2014,14(6):164-170.

[3] 石俊刚,周峰,徐瑞华.城轨交通乘务任务配对的集合分割模型及算法[J].同济大学学报(自然科学版),2015,43(2):232-238.

[4] 周淮,朱效洁,吴强.上海轨道交通网络化运营管理问题研究[J].城市轨道交通研究,2006(6):1-5.

[5] 石俊刚,史宏杰,徐瑞华.城市轨道交通乘务任务划分模型及算法研究[J].铁道学报,2014,36(5):1-6.

[6] 李献忠,徐瑞华.基于时间耗费的城市轨道交通乘务排班优化[J].铁道学报,2007,29(1):21-25.

[7] 李献忠,徐瑞华.基于乘务广义费用的城市轨道交通排班[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(6):750-754.

[8] 张增勇,毛保华,杜鹏,等.基于惩罚费用的城市轨道交通乘务排班优化模型与算法[J].交通运输系统工程与信息,2014,14(2):113-120.

[9] 石俊刚,杨静,王凤丽.多线乘务员共享条件下城市轨道交通乘务计划均衡编制探讨[J].铁道运输与经济,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)