基于多智能體的高鐵快運確認車業務 設備技術改造優化仿真研究

許植深，李 鶴，陳 誠，唐 浩，魏 然

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081)

高鐵快運是構建“全球123快貨物流圈”，打造高時效現代流通體系的重要運輸模式，目前已形成運用非乘客空間、高鐵快運柜、高鐵確認車、不售票車廂等多種運力資源的業務體系[1-3]。秦志鵬等[4]對高鐵快運運營組織模式及發展策略進行了探討，丁小東、高如虎等[5-6]對基于大批量的高鐵快運物流基地布局及經營模式開展了研究，許植深等[7]對高鐵快運基地運營效率開展了仿真研究，李玉民等[8]對高鐵快運作業主體與快遞企業的合作業務模式開展了研究，但針對既有高鐵快運作業模式的優化研究較少。為此，基于能夠有效運用高鐵邊際成本，滿足快遞企業作業時效要求的高鐵快運確認車業務，分析既有作業條件、業務流程及限制瓶頸，提出基于電動牽引車及輸送機的技術改造方案，以某車站為例，運用Anylogic仿真軟件，對不同技術改造方案進行基于多智能體的仿真研究，以人員配置數量及作業時間為主要指標，比選技術改造方案，對高鐵快運確認車業務減員增效，提升市場競爭力具有重要意義。

1 高鐵快運確認車業務作業現狀

高鐵快運確認車業務運用高鐵確認車運力資源，標準8輛編組動車組載重約為10 t，依托高速鐵路車站綜合物流通道、客運站等設施進行裝卸作業。為盡可能縮短站臺作業時間，減少對客運業務干擾，在出發端，作業人員應于確認車由動車段所到達作業站臺前將貨物放置于對應車門處，待確認車到達后盡快完成裝車作業；在到達端，由于車輛需執行后續客運任務，一般通過增設作業人員的方式，加快卸車作業，避免對旅客登乘動車組列車造成干擾。在該作業節奏下，以設有綜合物流通道及行包作業中心的高速鐵路車站為案例，梳理確認車高鐵快運作業設施設備條件、崗位配置、作業流程，并分析業務主要問題。

1.1 作業流程

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中心，中鐵快運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、快件作業中心等物流設施開展確認車高鐵快運業務，確認車高鐵快運業務作業流程及時間節點如表1所示。

在發送端，卡車將貨物運至快件作業中心后，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至作業站臺，并將貨物碼放在待裝確認車車門處，待確認車到達后完成裝車發送作業。

在到達端，確認車到達后作業人員于對應車門處完成卸車作業，隨后工作人員將貨物通過綜合物流通道搬運至快件作業中心進行卡車裝車，完成到達作業。

由于發送端需要在快遞卡車到達至確認車發車時間段內完成作業，實際作業中人員、設備配置均以保證發送端作業時效要求為標準，因此以下主要對高鐵快運確認車發送端展開研究。

1.2 場站條件

在2015年后，新建高速鐵路客運場站配備綜合物流通道、快件作業中心比例逐漸提高，確認車高鐵快運依托綜合物流通道、快件作業中心開展作業。其中快件作業中心銜接外部道路，設有卡車站臺供快遞公司卡車進行裝卸作業，快件作業中心與站臺由綜合物流通道相連，由于軌道限制，綜合物流通道與站臺處于不同水平面，因而多以坡道形式連接站臺，坡道口位于站臺兩端。綜合物流通道、快件作業中心及站臺示意圖如圖1所示。

1.3 人員配置

不同車站由于天窗時間、確認車開行時間、快遞卡車到達時間不同，導致車站作業時效要求不同。根據時效要求高低，8輛編組動車組的作業人員配置一般為15 ~ 20人。確認車高鐵快運業務人員配置如表2所示。

根據作業流程，確認車高鐵快運業務在先行完成卡車卸車、安檢、搬運等作業后進行確認車裝卸作業，因而為最大化人員利用率，卡車裝卸員與搬運員同時承擔確認車裝卸任務。

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

表1 確認車高鐵快運業務作業流程及時間節點Tab.1 Operation process and schedule of confirmation train set for high speed rail express

表2 確認車高鐵快運業務人員配置Tab.2 Personnel of confirmation train set for high speed rail express

1.4 設備配置

目前受場站條件限制，配置簡易設備開展作業。貨物一般以集包袋為基本單元，集包袋內裝載約 10 kg快遞貨物。在卡車裝卸環節，使用登車板輔助卸車人員上卡車裝卸貨物；在貨物安檢環節，使用行李安檢儀安檢成包貨物；在貨物搬運環節，使用人工推車搬運成包貨物。確認車高鐵快運業務設備配置如表3所示。

表3 確認車高鐵快運業務設備配置Tab.3 Equipment of confirmation train set for high speed rail express

1.5 主要問題

目前以人工搬運為主的業務模式制約了確認車運輸資源的有效利用，限制了高鐵快運業務發展，主要問題是作業準確性、安全性、效率較低，具體體現在以下方面。

（1）既有人工搬運作業模式制約了業務量提升。人工搬運模式作業效率低，作業時間長，而確認車發車時間固定，以確認車開行時間倒推，場站作業時間限制了快遞企業卡車到達的最晚時間，進而限制了貨源輻射范圍。例如，某車站確認車發車時間為4 : 30，場站作業時間為1 h，則卡車最晚需在3 : 30到達車站，假設卡車于0 : 30由分撥中心出發，卡車旅行速度為60 km/h，則該車站可輻射180 km范圍內的分撥中心，若場站作業時間縮短0.5 h，則可輻射210 km范圍內的分撥中心，可擴大貨物來源。

（2）人工搬運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模普遍較大，導致人工搬運距離長，大大提升了人工搬運強度及單次搬運往返作業時間，進而大幅度提升了勞動強度及用人需求，增加了用工成本。

（3）人工搬運模式易發生坡道滑行等安全事故。大部分高速鐵路車站的站臺高于快件作業中心，人工推車上下坡道過程中，易發生推車脫離作業人員控制，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 高鐵快運確認車設備技術改造方案

針對人工搬運模式導致高鐵快運確認車業務瓶頸問題，以優化搬運作業方式為目標，結合當前成熟技術，提出基于電動牽引車或輸送機的技術改造方案。

2.1 基于電動牽引車的技術改造方案

運用電動牽引車代替人工推車搬運貨物，根據車站安全管理規程，電動牽引車于快件作業中心裝車后，將貨物搬運至坡道盡頭站臺入口處，換裝人工推車運輸至待裝確認車車門處，基于電動牽引車的高鐵快運確認車作業流程與人工作業流程對比如表4所示。

經調研，應用于高鐵快運確認車業務的電動牽引車參數如表5所示。

該方案無需對站臺設施進行改造，電動牽引車應用靈活，可根據需求服務于站內各個站臺，人員配置少，僅需要配備作業司機即可，具備實施可行性。

2.2 基于輸送機的技術改造方案

由于輸送機需要進行供電改造并進行設備鋪設，為方便配置并平衡成本，僅運用輸送機代替人工完成作業難度較大的坡道搬運環節，基于輸送機的高鐵快運確認車作業流程與人工作業流程對比如表6所示。

經調研，應用于高鐵快運確認車業務的輸送機參數如表7所示。

該方案需布設輸送機固定設施并配套進行供電改造，相較于電動牽引車，輸送機單位時間輸送能力大，無需車輛空跑返回，但設施改造成本高、無法同時服務于多個站臺，需配備專業化維護檢修人員。

表4 基于電動牽引車的高鐵快運確認車作業流程與人工作業流程對比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 應用于高鐵快運確認車業務的電動牽引車參數Tab.5 Parameters of electric tractor supporting confirmation train set for high speed rail express

表7 應用于高鐵快運確認車業務的輸送機參數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建

運用Anylogic仿真軟件，將卡車、裝卸人員、安檢儀、電動牽引車等作業單元規定為仿真智能體，以某車站安檢儀配置、站場通道寬度坡度等為基礎條件，并根據作業方案設計確定的作業流程，導入相關參數，使智能體按作業現場的規則進行作業，以各作業單元最高利用率不超過100%為目標，對人工搬運模式、電動牽引車搬運模式及輸送機搬運模式3種方案進行仿真試驗，得出合理的人員及設備配置方案，計算作業效率并進行對比。

3.1 基于人工搬運的方案仿真

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

經仿真試驗，在安檢作業人員2人，裝卸搬運人員23人，合計25人時，裝卸搬運人員最大利用率95.4%，平均利用率66.9%，配置合理?；谌斯ぐ徇\的方案主要作業人員及設施設備配置利用率變化圖如圖3所示。

經仿真試驗，由卡車到達開始計算，人工作業完成整列確認車貨物裝車的作業時間為11 740 s，約3.26 h，基于人工搬運的方案作業量隨時間變化堆積圖如圖4 所示。

3.2 基于電動牽引車的技術改造方案仿真

以表4中基于電動牽引車搬運模式的人工卸卡車—安檢—裝電動牽引車—電動牽引車上站臺—電動牽引車人工推車對裝卸—人工推車站臺搬運為主要流程，構建基于智能體的離散事件仿真模型?；陔妱訝恳嚨募夹g改造方案仿真模型邏輯架構如圖5 所示。

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

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

圖4 基于人工搬運的方案作業量隨時間變化堆積圖Fig.4 Workload change over time under manual handling scheme

經仿真試驗，在安檢作業人員2人，電動牽引車司機2人，卡車裝卸搬運人員5人，站臺裝卸搬運人員6人，合計15人時，卡車卸車員最大利用率93.6%，平均利用率33.5%；站臺裝卸搬運人員最大利用率81.3%，平均利用率56.1%，電動牽引車最大利用率84%，平均利用率51.8%，配置合理?；陔妱訝恳嚨募夹g改造方案主要作業人員及設施設備配置利用率變化圖如圖6所示。

經仿真試驗，電動牽引車方案完成整列確認車貨物裝車作業時間為9 020 s，約2.55 h，較人工搬運方案節約作業時間0.76 h?；陔妱訝恳嚨募夹g改造方案作業量隨時間變化堆積圖如圖7所示。

3.3 基于輸送機的技術改造方案仿真

以表5中基于輸送機搬運模式的人工卸卡車—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對裝—輸送機爬坡—站臺裝人工推車—人工推車站臺搬運為主要流程，構建基于智能體的離散事件仿真模型。基于輸送機的技術改造方案仿真模型邏輯架構如圖8所示。

經仿真試驗，在安檢作業人員2人，裝卸搬運人員16人，輸送機維護人員1人，合計18人時，裝卸搬運人員最大利用率92%，平均利用率52.8%，配置合理?；谳斔蜋C的技術改造方案主要作業人員及設施設備配置利用率變化圖如圖9所示。

經仿真試驗，輸送機方案完成整列確認車貨物裝車作業時間為10 100 s，約2.8 h，較人工搬運方案節約作業時間0.46 h。 基于輸送機的技術改造方案作業量隨時間變化堆積圖如圖10所示。

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

圖6 基于電動牽引車的技術改造方案主要作業人員及設施設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 仿真結果分析

不同方案高鐵快運確認車作業仿真結果對比如表8所示，經對比，基于電動牽引車的技術改造方案作業時間最短，人員配置數量最少，可在兼顧成本及可行性的基礎上實現高鐵快運確認車業務的減員增效。同時高鐵快運業務以“公路+高速鐵路”為主要聯運模式，面向高時效快運物流市場，壓縮場站裝車時長，可優化發車前作業時間分配，將時間傾斜至公路貨源集運作業，延長公路運輸半徑，擴大場站業務輻射范圍，提升高鐵快運產品競爭力。

圖7 基于電動牽引車的技術改造方案作業量隨時間變化堆積圖Fig.7 Workload change over time under technical transformation scheme based on electric tractor

4 結束語

我國電商快遞產業持續高速發展，要求高鐵快運業務進一步創新作業模式、提升作業時效。針對高鐵快運確認車業務既有作業模式無法滿足業務發展需要的問題，通過引入電動牽引車、輸送機等自動化設備，在面向既有場站、需要控制場站基礎設施改造及投入成本的條件下，基于電動牽引車的技術改造方案可節約場站作業時間23%、減少作業人員40%，可有效提升場站作業效率，降低人工成本，同時擴大貨源吸引區，增強產品競爭力。隨著高速鐵路的建設及投入運營、高鐵快運確認車業務規模的逐步擴大，下一步研究可探討面向新建客運場站的高鐵快運作業設施設備一體化配置優化方案。

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

圖9 基于輸送機的技術改造方案主要作業人員及設施設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 基于輸送機的技術改造方案作業量隨時間變化堆積圖Fig.10 Workload change over time under technical transformation scheme based on conveyor

表8 不同方案高鐵快運確認車作業仿真結果對比Tab.8 Comparison of simulation results among different operation schemes of confirmation train set for high speed rail express