城市軌道交通全自動運行線路的乘務管理創新研究

呂漢生

（南寧軌道交通運營有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

城市軌道是城市運輸系統的重要組成部分，需承載城市的巨大客流量，因此對其的運營和管理工作十分煩瑣。其中，乘務排班是城市軌道運營管理的關鍵環節之一，也是乘務管理的起點和難點。由于軌道交通量大、交叉線路變化較大、運營時間密集，旅客列車駕駛員面對的運輸工作強度高、持續時間長、工作量大，因此合理調度駕駛員的工作時間、值乘方式、人員調配是保證列車安全、有效運行的關鍵。隨著城市軌道交通網絡日趨復雜，以往的手工調度方法已經不能適應高水平的運營要求，實現乘務排班的自動化、智能化已經是一種必然的發展方向。

1 全自動運行系統的優點分析

軌道交通全自動運行（Fully Automatic Operation，FAO）是以現代計算機技術、通信技術、控制技術和系統綜合技術為基礎，使城市軌道系統在整個運行過程中的自動化程度得到提高的模式，是目前世界上普遍認可的以通信為基礎的城市軌道運行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系 統的發展趨勢[1]。

與常規CBTC 系統相比，FAO 系統有以下幾個特點：第一，自動化程度高，多專業系統整合程度高，多系統有效聯動，可對列車的運營進行全方位的監測，對旅客進行全方位的管理；第二，冗余度充足，能夠確保系統的高可用性能；第三，能夠與傳統的行駛方式完美地相容。我國的信號、綜合監控、車輛等關鍵技術已實現國產化和自主化，已具備自主研制FAO 技術的能力，國內的FAO 技術也已基本形成。在新一輪的建設中，我國具備大力發展自主化FAO 系統，加快自主式FAO 技術研制的實力，未來將實現與世界先進水平的接軌。

2 城市軌道交通全自動運行線路乘務管理方面存在的問題分析

2.1 城市軌道乘務排班難度高

通常，城市軌道企業的調度程序是：依據現行的運行圖推導列車開行區間、時刻等相關資料，由人工將之拆分成乘務輪值表，再根據輪值表編制乘務排班母表，最后以排班母表為基礎對乘務組進行輪值分配，形成最終的排班表。這種全人工流程主要存在三大問題：

第一，排班效率低：乘務排班作業規律繁雜、工作量大，人工作業效率較低，起碼要花一星期的時間，人力及時間成本較高。

第二，調整難度大：遇到列車故障、乘務員臨時請假等緊急情況，難以迅速調整調度方案，會降低運行管理效能。

2.2 突發事件處理低效問題

在非全自動運行線路上，駕駛員不但要承擔駕駛工作，還要在緊急情況下承擔起處理突發事件的責任。列車發生事故后，駕駛員應按故障處理準則進行處理，確保行車安全。當列車發生火災、疏散、救援等非正常運行情況時，駕駛員還要擔當安全員角色，在最短的時間內對現場情況進行核實，并引導旅客交通疏散。在全自動運行線路上，如果列車的各個子系統或者關鍵部件出現了問題，沒有駕駛員及時處理，會導致事故處理不及時，使事故蔓延。

2.3 指標考核難問題

相對于非全自動化操作，全自動運行系統的RAMS 指標要求更高。但是從管理的角度來考慮，全自動運行系統的RAMS 指標不能與營運指標相提并論，裝置故障指標也不能與營運遲點指標相提并論。一般情況下，合同文件通常僅會基于設備RAMS 指標提出約束考核，而不會考慮到運行績效的限制，這就造成生產企業在運行過程中很難按照運行情況進行評價。

2.4 運營培訓難度大

全自動運行系統具有全新的設計理念，其設備功能和工作結構都與常規的操作方式有所不同[2]。自動化操作對操作工人的職業素質要求較高，“一崗多能”是其必備的條件，這便一定程度上提高了運營培訓難度。

3 城市軌道交通全自動運行線路的乘務管理創新研究

傳統的城市軌道列車乘務系統架構是以乘務經理、乘務主管、乘務組長及班組員工為單位，按照等級劃分。在UTO-Crew 階段，乘務管理新模式構架打破了原有的班組層級模式，乘務構架由逐級管理向扁平化管理轉型，如圖1 所示。

圖1 全自動運行下的乘務管理組織架構

3.1 多職能列車控制

3.1.1 多職能列車控制模式

列車控制簡稱列控。在列車運行過程中，傳統的列控方式是由駕駛員對電動列車進行人工控制，主要包括進出庫、正線運行、站臺開關門、折返等操作。在UTO-Crew 期，駕駛員的工作責任由駕駛電力機車轉向僅監控全自動化列車，同時要承擔全自動列車在故障情況下降級運行的應急處置工作。

3.1.2 多職能列控的崗位復合

多職能列控模式下，對電動列車駕駛員提出了新要求，在保持現有電動列車駕駛員工作職責的基礎上，增設車站客運服務崗位有關規定，并對日檢值客室工作提出了新規定。例如，駕駛員在旅客休息區巡視時，應對車輛內部的設施（如空調、照明、動態地圖等）進行檢查，并對“四亂”進行及時處理，同時需回答旅客的問題，為旅客提供更全面的出行服務。

巴西的農業補貼政策有兩個明顯的特點：一是主要采用信貸支持和農業保險補貼等金融政策來促進農業的發展；二是補貼資金很少用于對農業直接進行補貼，主要以市場為導向，將資金用于投資和市場決策。

3.2 全自動運行下乘務班制的優化

3.2.1 技術選型與建模思路

大規模公共交通系統的人員排班問題（Crew Scheduling+Crew Rostering），牽扯多個決策層面，且制約因素的耦合度很高，學界和業界目前尚缺乏高效的求解方法。

各種限制的耦合是一個非常復雜的問題，因此模型的建立要綜合考慮各個因素的作用，使模型的求解變得困難。以用餐相關約束為例，就餐約束與班制、工作時數密切相關，因此設計計算方法和模式時，不僅要注意就餐的時段、場所，而且要兼顧白天和晚上的就餐時間。因此，如何借助算法處理這種復雜的耦合關系是智能排班方案需要解決的關鍵問題之一。

在長距離的城市軌道上，人員排班以集合覆蓋問題為原型，并以列生成算法為主，而在城市中，采用基于拉格朗日松弛的網絡流法和啟發式的計算技術。由于該工程有50 多個限制，因此該方案的求解小組采用“先輪值，再排班”的業務解耦模型。在該模式下，以每天的工作分解和合并為中心，它的核心決定是以換乘規則、班制規則、工時限制為主要考慮因素的經營規則，并將其作為每天值班的人員和對應的工作計劃，即輪值任務卡。在排班母表模型中，最重要的是調度的高效平衡，它的輸出是值班人員和工作任務之間的關聯，即每位輪值人員每日的任務。

3.2.2 輪值表的最優化（Crew Scheduling）

在輪值表優化階段，根據時間-空間網絡和切平面相結合的方式，對時間序列圖進行精細建模，即根據時間和空間的連續性以及商業準則的限制，將各個離散的工作分解成不同的工作。其中，解決問題的關鍵是先把一些限制因素預先放在預處理環節，剔除許多不可能解決的問題，減少建模規模，并生成割平面，使模型更緊湊。

第一，連接性。時空連續性和特殊換乘地點、換乘時間等基礎業務規則約束可在預處理模塊的連接性判斷環節得到保證。

第二，非法任務鏈&合法任務子鏈。實際業務場景中會出現一些不可能的工作，如吃飯、離開和離開的限制，在這種情況下，必須將判斷頭、尾等相關輔助參數加入切割面，以描述相應的邏輯聯系。

以上兩種算法都是以較多的限制為代價來交換較多的決策變量，同時增加的切面會導致該系數矩陣更加密集，因此在求解時必須相應地調節解算子的預解等參量。

在與各業務單位的交流中，項目組還發現了幾條商業上普遍存在的“潛規則”，從模式上看，這是一種以某種方式為代價的優化，能夠有效提高問題求解速度。比如，對于出發或到達站臺為可換乘且不可出退勤站臺的值乘任務，則可以構造一個二元圖表，利用該模型加權最少的加權，根據該算法完成對任務的預先鏈接，并生成相應的乘員工作。

在此基礎上，利用一套自定義的算法對各種限制進行預處理，以商業邏輯為基礎，并與COPT 相配合，大大提高解題效率。COPT 求解器團隊還針對問題本身的特有結構開發了定制化加速模塊，打造了更適用于乘務排班的專屬求解方案。

3.2.3 排班母表求解優化（Crew Rostering）

輪值表優化完成后，乘務團隊必須把工作安排得更加合理和平衡，也就是編制一張“排班表”。編制排班表時，要確保每個作業都由合格的駕駛員來完成，還要確保每個駕駛員都有足夠的休息時間，按時接受培訓，平衡每個駕駛員的工作時間和行駛里程，還要為駕駛員的假期和突發事件做好充分準備[3]。

針對該場景的復雜變量和約束，基于業務規則構建了混合整數規劃模型，并開發了定制化求解器進行求解。該模型的總體設計思想如下：一是對可實施的約束進行整理，同時將班制約束、出勤地點約束等約束條件作為約束條件，從而使每一名駕駛員的可完成作業集中化，并利用實際的操作約束降低問題的發生概率。二是完成第一階段的初始部署（可行性論證），以及第二階段的任務重新配置（均衡調節）。在初始作業時，模型智能判定排班駕駛員總數；在任務再指派過程中，將各駕駛員的工作時間與行車時間進行平衡，并對其進行排序。

智能調度計劃使該站的乘務調度系統得到了智能化升級，突破了以往人工調度的限制，充分利用了各種工作規則和工作人員的實力，從全局角度出發，合理、均衡分配任務，實現了人和車次的最優配置，全面提升了乘務排班的效能和靈活性。出現高峰時段或緊急情況時，運營企業能迅速地做出安排，提高乘務工作的管理效能。而且可以提高人力資源利用效率，節約人力資源成本。此外，對乘務駕駛員來說，該計劃既考慮到了運行需要，又考慮到了駕駛員的主觀需求，提高了調度的合理性與任務的平衡性，明顯了改善機組駕駛員的總體滿意程度。

3.3 正線復訓

全自動運行線路設施設備自動化程度的提高，對乘務員的安全生產工作提出了新要求[4]。裝備高度機械化，鐵路的正常運轉依靠全自動化操作時，駕駛員的操作技術容易退化，因此必須對駕駛員進行全方位的訓練，確保其駕駛技術不退化。基于此，介紹一種新型的訓練方式——正線訓練，這種模式下，需要建立一個專業的正線復訓師團隊。正線復訓師登上列車并上報列車調度后，將列車自動駕駛模式轉為ATP（列車自動保護）手動駕駛；每年有計劃地對多功能列控工作人員的操作技能進行抽查，并對列控人員手動駕駛列車技能、人工廣播等作業及列車相關應急處置操作流程進行檢查與評估。通常，培訓工作需要涵蓋每個月的多功能控制工作，并對其總結歸檔。對未通過復試的學員要加強監督，并做好補充培訓工作。

4 結語

綜上所述，全自動運行線路建設要有一定的前瞻性，在功能規劃方面要考慮到整個系統的功能要求；在指標上要更加嚴格，既要確保裝備的運行質量，又要加強RAMS 控制；系統的聯合調試要做到全面、充分，運行方要更加全面、更加深入地投入系統調試工作。同時，運營企業要加強崗位培訓工作，有效提高OCC 調度人員具備迅速判斷故障狀況、遙控指揮、現場協調處置等能力，以更好地提高城市軌道運營和管理效率。