（交通信息工程及控制专业论文）乘务计划编制系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 乘务员运用计划编制问题是运筹学中的一个基本问题，本文以建立乘务 计划编制系统为目的，对系统进行了详细的需求分析和总体方案设计，建立 了乘务计划编制的数学模型，并通过对遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 的研究与分析，建立了基于遗传算法的乘务计划编制的求解方法，同时，对 系统的人机交互调整功能进行了设计。另外，系统还提供了灵活的用户角色 管理功能、完善的乘务员管理功能和信息发布功能，以满足日常的工作需要， 提高工作效率。 本系统共由用户管理模块、乘务计划编制与管理模块、基础数据管理模 块和信息发布模块等四大模块组成。系统的开发是建立在强大的j 2 e e 平台 上，采用了b s 架构和m v c 模式，并引入了s t r u t s 、h i b e r n a t e 和s p r i n g 三 个优秀的框架，从而有效的降低了系统各层之间的耦合度，提高了软件开发 效率和系统的稳定性，降低了对系统更新和升级时的成本。 全文主要分为六章：第一章绪论，分析了国内外对乘务计划编制系统研 究的现状，并给出了研究的意义以及本文的主要研究内容；第二章乘务计划 概述，阐述了乘务计划的各个方面给出了乘务计划的概念、基本乘务方式、 手工编制过程以及评价标准；第三章基于轮乘制的乘务计划算法研究，主要 建立了乘务交路及乘务日计划的数学模型，并实现采用遗传算法编制乘务日 计划；第四章系统需求分析，论述了系统所要完成的功能，并给出了大体解 决方案；第五章系统总体方案设计，给出了系统的设计目标和开发环境，并 对系统功能进行了较为详尽划分，同时完成了系统数据库的设计与实现；第 六章系统关键技术详细设计与实现，给出了系统运行界面以及主要功能的详 细设计和实现代码。 关键词乘务计划；轮乘制；遗传算法 西南交通大学硕士研究生学位论文。第1 i 页 a b s tr a c t c r e ws c h e d u l i n gi sa l w a y sab a s i cp r o b l e mo fo p e r a t i o n sr e s e a r c h ，t h e p r o c e s so fm a n u a l l ym a k i n gau s a b l ec r e ws c h e d u l eo f t e nn e e d sa l o to f t i m ea n d p e o p l eb u tc a n n o tm e e t a c t u a lr e q u i r e m e n t s s ot h i st h e s i sw i l lm a k ead e t a i l e d a n a l y s i so fr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g no ft h ew h o l es y s t e m ，g i v et h em a t h e m a t i c m o d e lo fc r e ws c h e d u l i n g ，a n a l y s eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，t h e ng e tar e a s o n a b l e a p p r o a c hf o ra u t o m a t i c a l l yc o m p u t i n gt h ed a i l yp l a no fc r e ws c h e d u l i n gb yu s i n g g 八m e a n w h i l et h es y s t e mp r o v i d e sc o n v e n i e n tf u n c t i o nt oa d ju s tt h er e s u l tt o m a k ei tm o r es u i t a b l ef o rt h eo p e r a t o r s y s t e mw i l la l s op r o v i d et h ef u n c t i o n so f f l e x i b l eu s e rr o l em a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h e s ef u n c t i o n sw i l l h e l pu s e r st oi m p o v et h ew o r ke f f e c t i v e l y s y s t e mi sd i v i d e di n t of o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s ，t h e ya r ec r e ws c h e d u l i n g m a n a g e m e n tm d u l e ，u s e rm a n a g e m e n tm o d u 1 e ，f o u n d a t i o n a ld a t am a n a g e m e n t m o d u l ea n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e t h es y s t e mb a s e do nj 2 e e p l a t f o r ma d o p t ss t r u c t u r eo fb sa n dm o d eo fm v c ，i ta l s ou s e st h r e ee x c e l l e n t f r a m e w o r k s ，t h e ya r es t r u t s ，h i b e r n a t ea n ds p r i n g t h e s ef r a m e w o r k sw i l lr e d u c e t h ec o u p l i n go fe v e r yl a y e r ，i m p r o v et h ee f f i c e n c yo fd e v e l o p m e n ta n dt h e s t a b i l i t yo fs y s t e ma n dr e d u c et h ec o s to fu p d a t i n gt h es y s t e m t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri si n t r o d u c t i o n ，i t a n a l y s e ss i t u a t i o no fw o r l dw i d ea b o u tc r e ws c h e d u l i n ga n dg i v e ss i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c ha n dt h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r ；t h es e c o n dc h a p t e ri ss u m m a r i z eo f c r e ws c h e d u l i n g ，i tg i v e sl o t so fa s p e c t sa b o u tc r e ws c h e d u l i n g ，s u c ha st h e d e f i n i t i o no fc r e ws c h e d u l i n g ，t h eb a s i cs e r v i c e so fc r e w , m a n u a l l yp r o c c e s sa n d s t a n d a r do fe v a l u a t i o n ；t h et h i r dc h a p t e ri sm a t h e m a t i cm o d e la n dr e l a v e n t a l g o r i t h m sb a s e do nc r e wp o o l i n gs y s t e ma b o u tc r e ws c h e d u l i n g ，i tg i v e st h e m a t h e m a t i cm o d e la n da p p r o a c ho fc r e ws c h e d u l i n gt h a ta d o p t sg a ；t h ef o u r t h c h a p t e ri st h ea n a l y s i so fr e q u i r e m e n t s ，i td i s c u s s e st h em a i nf u n c t i o n so fs y s t e m a n dr e s o l v i n gp l a n ；t h ef i f t hc h a p t e ri sw h o l ed e s i g no fs y s t e m ，i tg i v e st h eg o a l o fs y s t e ma n dt h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，i ta l sf i n i s h e st h ed a t a b a s ed e s i g na n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 i m p l e m e n t a t i o n ；t h es i x t hc h a p t e ri sd e t a i l e dd e s i g no fs y s t e m ，i tg i v e st h e r u n n i n gs y s t e mi n f e r f a c e ，m a i nf u n c t i o n sd e s i g na n dc o d e k e y w o r d sc r e ws c h e d u ii n g ：c r e wp o o ii n gs y s t e m ；g e n e t i ca i g o ri t h m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：廖移题拓 日期：加。彦9 指导老师签名： 日期： 2p 司 毛叫恕 f 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 建立了基于轮乘制的乘务交路及乘务日计划的数学模型，详细分析 了约束条件和乘务规则，并给出具体的数学定义。 通过对约束条件进行数学变换，将约束条件与目标函数结合起来共 同构成了遗传算法中个体的适应度函数，从而解决了目标函数无法 反映约束条件的问题。 实现了对乘务交路及乘务日计划的自动编制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第一章绪论 目前，我国铁路正处于跨越式发展的关键时期，随着高速铁路和客运专 线不断建设和完善，铁道部也积极推行运输组织方式改革，如机车运转制发 展长交路、乘务员实行轮乘制、车站布局调整等等。因此，如何合理安排资 源、节约资金和提高铁路竞争力，已经成为铁路运输组织和管理中的一个重 要问题。 乘务员运用计划问题( t h ec r e ws c h e d u l i n gp r o b l e m ，c s p ) 是运筹学 ( o p e r a t i o n sr e s e a r c h ) 中的一个基本问题，也是运输组织基本计划之一，它 存在于城市交通、航空、铁路运输等多个领域。乘务计划的编制要严格依据 列车运行图数据并遵守大量的乘务规则，其编制质量不仅关系到是否能够按 图行车，而且还直接影响乘务工作效率以及铁路运营成本，对铁路旅客运输 组织有着十分重要的意义。 通常，编制一个可行的乘务计划，往往要考虑很多方面的因素，如乘务 时间、换乘地点、列车运行图等等。以往的乘务计划都是通过手工方式编制， 其明显的缺点就是需要大量的工作人员花费较长的工作时间，而且难于得到 较为优化的方案。随着市场的不断变化，运行图的调整和优化也更为频繁， 这种手工编制乘务计划的方式已经很难满足当前的客观需要。因此，采用先 进的计算机技术和数学手段进行乘务员运用计划的编制，是更为合理和先进 的方式。 目前，我国对乘务员运用问题的研究还处于起步阶段，虽然，现在有一 些乘务计划编制系统，但是，大多都集成在某些管理系统当中，功能相对单 一、适应能力和扩展性较差，无法满足当前日益发展的高速铁路和客运专线 运输的需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究的意义 乘务计划编制系统作为运营调度系统计划编制子系统的重要组成部分， 与其他运输计划编制系统相互协调配合，编制合适的乘务运用计划，以保证 旅客列车可按图开行。在旅客运输组织中，编制质量良好的列车运行图是关 键，它直接影响其他技术计划和作业计划的编制与实施，也决定了铁路运输 组织的水平和管理效率。而乘务员运用计划则是高速铁路运输组织和管理的 另一关键，乘务员的安排合理与否直接影响列车能否按图运行，影响乘务工 作的效率，直接影响可否有效地降低铁路运营成本及高速铁路的经济效益。 因此，乘务计划是高速客运专线运输组织的基本计划之一。在城市交通部门 和航空公司，当给定汽车、飞机的运行线路和运行时间等条件后，其运输组 织也存在着乘务员运用计划( c r e ws c h e d u l i n g ) 的问题，这一问题也引起了相 关部门广泛重视和一些学者的关注。某航空公司，一个改进的乘务员运用计 划每月可以为公司节约5 0 万美元。可见，改善和优化乘务计划可以在节约成 本的前提下提高运输能力1 9 】1 1 0 】1 1 1 】【1 4 1 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 、新干线乘务计划编制系统( t h en e ws h i n k a n s e nr e s c h e d u l i n gs y s t e mf o r d r i v e r sa n dc r e w ) 。 日本新干线上每天有大约8 0 0 辆列车在运行，同时需要运用约2 5 0 名司 机和3 0 0 个乘务组。c o s m o s 系统用于维护新干线的运行图和管理秩序。 新干线乘务计划编制系统是c o s m o s 系统的子系统。它可以编制乘务 运用计划。当遇到恶劣天气或者列车故障时，依靠计算机辅助支持系统，能 够快速、准确的编制新的乘务运用计划，新计划尽量减少对原计划的改变， 避免其他列车延误。 2 、美国的f r a ( t h ef e d e r a lr a i l r o a da d m i n i s t r a t i o n ) 的智能铁路系统 ( i n t e l l i g e n tr a i l r o a ds y s t e m s ) 的目标是使货运、城际客运、通勤更加安全、减 少延误、降低成本、提高效益能力，提高客户满意度，提高能源利用率，减 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 少废气排放，增加利润。该系统可独立执行，在这种情况下他们的作用会受到 限制；也可以作为综合系统的子系统运行，在这种情况下，作用将更加明显。 乘务排班系统是智能铁路系统的一部分。 乘务排班系统：当列车运行计划被编制和确定后，几天或者几周的乘务 运用计划也可以被提前编制。这样就可以预测大多数乘务员的工作时间安排， 所以可以安排他们定期休息和娱乐，减轻他们的家庭、社会、精神、身体上 的压力。乘务排班系统可以从s t p 和p t c 得到乘务员信息，包括资历、现 在的位置、最近任务的完成情况、乘务任务等；可以编制符合小时服务法和 满足劳动合同规定的最具效益的乘务排班计划。目前，一些欧洲铁路公司在 长期使用这个乘务排班系统。 3 、德国的i v u 系统的计划编制模块( r a i l c r e w ) 计划涵盖了铁路和 运输生产计划的所有方面，包括时刻表、机车车辆运用保养计划、值班计划、 乘务计划等。 乘务计划编制模块能够满足用户的以下需求： 编制长期司机和乘务计划。 执勤计划。 日常操作和处理时刻表变化的能力。 遇到突发事件，能迅速估计对列车到点的影响。 乘务计划编制模块能够很容易与列车开行计划模块、人力资源模块和财 务模块相结合。 目前，很多铁路公司在使用i v u 的乘务计划编制模块，包括a t t i k om e t r o a t h e n s 、慕尼黑地方铁路、r h e i n n e c k a rr e g i o n a lr a i l 和瑞士联邦铁路等。通 过以上公司的应用表明系统可以轻松地处理每天超过8 0 0 0 辆列车和7 0 0 0 个 乘务组的任务。 1 3 2 国内研究现状 以往我国采用的乘务方式主要是包乘制，少数运行线采用轮乘制。对于 包乘制来说，手工编制乘务计划相对容易，因此，这方面的工作一直没有得 到足够的重视和发展。 2 0 0 4 年，铁道部出台了中长期铁路网规划，规划中明确了我国到2 0 2 0 年铁路网建设的发展目标、规划原则以及规划方案，其主要目的是在铁路网 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 规模扩大的同时，突出繁忙干线实现客货分线，人口稠密地区发展城际客运 系统，提高铁路网的质量，扩大运输能力，形成功能完善、点线协调的客货 运输网络。随着高速铁路的不断建设和完善，以往以包乘制为主的乘务方式 也将逐渐转变为包乘制与轮乘制相结合的方式，因此，对乘务计划的编制要 求也越来越高。 目前，我国已经有一些基于轮乘制的乘务计划编制的研究，但大多数都 只停留在理论方面，尚没有更多的成果，仅在一些技术性资料中提到了乘务 规则问题，但对于如何编制高质量的乘务员运用计划，还没有一个切实可行 的方案。 1 4 本文研究的主要内容 本文通过对乘务计划编制系统的分析与研究，设计一个基于b s 三层结 构的乘务计划编制系统，主要工作有以下几个方面： 1 分析和研究了当前国内、国外关于乘务员运用计划编制的现状，并提 出了采用先进的计算机技术和数学手段进行乘务员运用计划的编制 是更为合理和先进的方式。 2 本文建立了编制乘务交路的数学模型，并对遗传算法进行简要介绍。 详细阐述了如何将数学模型转化为遗传算法模型，进一步分析了遗传 算法在生成乘务交路中的不足并给出了解决方案。 3 详细阐述了乘务计划的概念、乘务方式、分类以及其手工编制过程， 对乘务计划编制系统做了详尽的需求分析，确定了系统将要实现的功 能目标，并对系统功能做了详细的分析和设计。 4 确定了系统的技术路线，即采用基于b s 模式的m v c 三层体系结构 的技术路线，并对系统的功能做了详尽设计，同时，根据功能需求， 对数据库进行了研究和设计。 5 对系统关键的功能模块进行了设计和实现，并给出了部分关键代码。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章乘务计划概述 2 1 乘务计划的定义 乘务计划是根据给定列车运行图、乘务规则、车站属性等前提条件编制 的，它对乘务组的出乘时间及地点、担当车次、退乘时间及地点等做出具体 安排，以确保列车运行计划的实现。列车运行图给定了必须完成的乘务任务， 乘务规则限定了乘务员工作的时间，车站属性表明车站是否是乘务基地以及 能否进行乘务员换乘。 乘务计划主要包括乘务日计划和月度乘务计划。日计划由全体乘务交路 构成，表示完成一天的列车运行任务需要的乘务员( 组) 数量以及各乘务员 ( 组) 担当的乘务交路的具体内容。乘务交路就是乘务员( 组) 一天的工作 计划。乘务交路与日计划如图2 1 所示。月度乘务计划描述各乘务员( 组) 在指定的月度中，各自担当乘务交路及休息计划。月度乘务计划见表2 1 。 图2 - 1 乘务交路及日计划【1 4 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表2 - 1 月度乘务计划f 1 4 】 目期 乘k 123n 1 交路1交路2 交路3休息休息交路n 2交路2交路l休息 休息交路n交路1 3交路3休息休息交路n交路1交路2 休息休息交路n交路1交路2交路3 休息交路n交路l交路2交路3休息 n交路n交路l交路2交路3休息休息 2 2 基本乘务方式概述 乘务方式是指乘务员所在的乘务组的工作方式。其中，乘务员是指车厢 。乘务员以及列车长在内的人员。乘务组的出乘方式是指机车乘务组如何换班 i 出乘，担当机车作业的方法，又称机车乘务组的乘务方式。目前，常见的乘 务方式有包乘制、轮乘制和混合乘务方式。 2 2 1 包乘制 包乘制是按列车行驶区间和车次由固定的列车乘务组包乘。根据车底使 用情况不同可分为包车底制和包车次制。实行包乘制的机车，每台设司机长 1 人。包乘组在司机长领导下，负责所在包机车的运用、安全、保养、节约、 整备、验收、保管、交接等工作，以保证质量良好地完成运输生产任务。也 就是说机车包乘组负有对所包机车的包用、包养、包管全部责任。包乘制的 优点是： 加强乘务员对机车的责任心，有利于机车的保养工作，保证机车经 常处于良好的技术状态； 乘务员熟悉机车的性能特点，便于钻研和发挥操纵技术； 为机车的运用管理工作提供了方便的条件。 建国以来，包乘制取得了显著的成果，但是因为机车的利用程度受到包 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 乘组工作时间的限制，为了保证乘务员的休息时间，机车有时在段内长时间 停留，这样就造成机车生产时间不能充分利用，因而降低了机车运用效率。 2 2 2 轮乘制 在我国，轮乘制是近年来，随着牵引力的改革，在内燃、电力机车整备 作业量少，运行距离长的条件下逐步实行起来的。采用轮乘制度，机车不配 属给固定的乘务组，而是将机务段全体乘务员和全部机车统一组织集中使用， 按照歇人不歇车的循环管理体制，由许多乘务组轮流使用机车。由于机车和 乘务组没有固定关系，机车工作的利用不受乘务组的牵制，所以能更为合理 和高效地使用人力和机车。 我国电力机车的乘务制采用轮乘制。在轮乘制中，由于中途轮班，循环 轮乘，歇人不歇车的接力运转和乘务组采取顺序出乘，便于适当安排其休息 时间，所以机车运用效率大大提高。根据铁道科学院的调查资料表明，实行 轮乘制较包乘制可节约机车七分之一左右，并使乘务员的劳动生产率提高 2 5 3 0 。因此，如果和电力机车适于长交路运行的特点结合起来看，轮乘 制便是一种优越的，技术经济效果明显的、有发展前途的机车乘务制度。轮 乘制同包乘制比较具有突出的优越性，表现为： 以较少的乘务员完成较多的工作量，提高了乘务员的劳动生产率。 减少了机车出入库次数及等待列车的时间，缩短了途中停留时间， 加快了机车周转，提高了机车生产率，减少了运用机车台数。 减少了直通列车摘挂机车次数，缩短了中途站停时间，提高了旅行 速度，加快了车辆周转，提高了线路通过能力。 减少了沿线机务设备有及区段站的设置，可以少占农田，节省基本 建设投资。 有利于实行专业化集中修，提高机车检修质量，降低检修成本。 降低铁路的运营成本。 但实行轮乘制对机车质量和管理水平要求较高，乘务人员和检修人员需 要具备较高的技7 r 水平，才能达到提高运用效率的目的。实行轮乘制的关 键是在轮乘的基础上，建立并落实好各种负责制和检查制度。因为轮乘制更 为先进和高效，本系统将采用轮乘制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 乘务计划的分类及其编制过程 2 3 1 基本乘务计划 基本乘务计划包括动车组乘务人员( 司机) 的乘务计划和客运乘务人员 的乘务计划。主要分为乘务日计划和月度计划。 日计划由全体乘务交路构成，通过日计划可确定完成一日的运行图 任务需要的乘务组数量，以及各乘务组担当的乘务交路。 月度计划描述各乘务员在给定月份中各日担当的乘务交路及休息计 划。 2 3 1 1 约束条件 基本乘务计划的编制包括以下几个约束的条件： 乘务规则约束，包括单个交路的乘务时间、连续乘务时间和里程、 深夜时间带连续乘务时间和里程等的要求。 最小换乘时间、折返地停留时间、吃饭时间、休息时间等的规定和 考虑。 编制月度计划时公休日、节假日的分配、深夜出勤次数连续出勤次 数的限制、乘务组间劳动条件的均衡化等。 乘务基地约束，包括乘务基地( 所) 的位置和配置的乘务组数量等。 在编制基本乘务计划的时候要综合考虑这几个约束条件，并根据实际情 况制定出较为合理的基本乘务计划。 2 3 1 2 编制过程 手工编制基本乘务计划是一个相对复杂的过程，首先，要从给定运行图 数据中取得所有运行线并组成运行线集合，再由运行线集合得到所有车站集 合，并根据车站集合中车站的属性确定乘务基地和可换乘车站，并按照乘务 基地和可换乘车站将运行线集合进一步分割成值乘区段集合，最终生成乘务 交路集合。乘务交路是由连续值乘区段组成的向量，乘务交路集合应该覆盖 全部运行线，集合中两两交路的交集应为空集。现根据图2 1 的运行图数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 详细介绍基本乘务计划的编制过程。 b 站 a 站 图2 - 1 运行图数据 ( 1 ) 确定运行线集合。根据图2 - 1 所示，该运行图数据一共包含7 条运 行线，它们分别是 r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 ，r 5 ，r 6 ，r 7 。 。 ( 2 ) 确定乘务基地和可换乘车站。假定b 站为乘务基地，a 站和c 站 为可换乘车站。 ( 3 ) 生成值乘区段集合。根据乘务基地和可换乘车站，将运行图中的运 行线分割成值乘区段，并得到的值乘区段集合为 x l ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ，x 6 ，x 7 x 8 ，如图2 2 所示。 c 站 b 站 a 站 图2 - 2 将运行线切割成值乘区段 ( 4 ) 确定乘务交路各选方案。按照乘务员一次乘务总时间、乘务折返接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 续时间等乘务规则，将各值乘区段组合成不同的可行乘务交路，作为最终乘 务交路备选方案。例如，图2 2 中以b 站作为乘务员基地， x 1 ，x 4 ，x 5 ，x 7 和 x 2 ，x 3 ，x 6 ，x 8 ) 组成了可行的乘务交路，i f i i x 1 ，x 4 ，x 6 ，x 8 ) - 一次的乘务时间过 长，为不可行交路。 ( 5 ) 根据评价标准，选择比较优化的乘务交路。乘务交路是乘务组一天 的工作计划，乘务组一天的工作内容就是完成一条乘务交路。最终的乘务交 路集合应该覆盖全部运行线，并且集合中两两交路之间没有重复的值乘区段， 这个乘务交路集合就构成了一个基本乘务日计划。一般情况，由于值乘区段 数量较多，所以由值乘区段组成的满足乘务规则的乘务交路方案也相对较多， 例如，表2 1 所示的4 个不同的方案，每个方案中的数字可以看做是乘务交 路编号，从表中可以看出，方案1 只需要2 个乘务组就可以完成交路，明显 优于其他方案。 表2 - 1 乘务员运用计划案 备选方案乘务区段号乘务组数量 x 1x 2) ( 3x 4 x 6 x 7 x 8 方案1 12211212 2 ， 方案2 133142424 方案3 13312 3 2 33 方案4 21121313 3 ( 6 ) 确定月度基本乘务计划。在确定月度基本乘务计划时，往往要考虑 各条交路的乘务时间问题，例如在表2 1 中，方案1 的两条交路在乘务时间 上并不相等，1 号交路的乘务时间明显多于2 号交路，而在制定月计划的时 候，把1 号交路固定安排给一个乘务组是不合理的，这样势必造成各个乘务 组的劳动时间不均衡。因此，月计划的制定应该保持各个乘务组在工作时间 上的相对均衡。 2 3 2 乘务实施计划 乘务实施计划是在基本乘务计划的基础上，据计划实施日可能的实际情 况变更，可对基本计划进行更新、修改以确保计划的可实施性，并将最终的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 计划进行下达。 2 3 2 1 约束条件 乘务计划的编制遵循与基本乘务计划相同的原则，编制时需要考虑的因 素包括： 基本列车运行计划； 列车运行实施计划： 动车组交路计划； 车辆分配计划； 基本乘务计划； 计划实施日前的乘务计划； 乘务基地和乘务所的设置； 乘务组的可用情况； 乘务准备时间和折返时间等等。 2 3 2 2 编制过程 乘务实施计划的编制过程与基本乘务计划基本相同，但，在计划实施之 前如有影响乘务实施计划的情况发生，可通过对基本乘务计划及时进行相应 的修改，如果需要；甚至全部重新编制乘务实施计划。 2 4 乘务计划的作用 旅客运输组织的基本过程是：正确分析、把握旅客运输市场的需求，综 合考虑线路、车站、信号等技术设计条件确定列车开行有关的各种参数，根 据运输系统本身的世界情况和市场情况确定经营方针，最后编制质量良好的 列车运行图。可见列车运行图是铁路旅客运输组织的关键。在编制列车运行 图时，一般要考虑动车组和乘务员的情况，因为，如果没有质量良好、数量 匹配的动车组、没有条件适合的乘务员进行乘务，再好的运行图也无法实行， 因此在铁路旅客运输组织中，动车组和乘务员运用计划也是非常关键的问题。 乘务计划不仅关系到能否按图行车，还直接影响乘务工作效率，影响到整个 铁路的运营成本，从而影响整个铁路运输的经济效益。所以，乘务计划是旅 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 客运输组织的基本计划之一1 9 1 【1 0 l 【1 4 1 。 2 5 乘务计划的评价标准 相同条件下编制出的乘务计划可能完全不同，有些编制质量较好，有些 可能较差，需要按一定的标准进行评价。由于乘务日计划和月度乘务计划考 虑的问题不同，所以评价尺度也不同。日计划主要考虑在完成运行图任务的 基础上，使用的乘务组( 员) 数量越少越好，既交路数越少越好，同时还要 考虑乘务组的基地折返率，越高越好；对日计划中的每个乘务交路，它的各 种指标越接近理想值越好。月度乘务计划则要考虑乘务组间劳动时间越均衡 越好、各乘务组的平均劳动时间越接近给定值越好、编制的月度乘务计划与 前一个时期的月度乘务计划的差异性越小越好等等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第三章基于轮乘制的乘务计划算法研究 3 1 问题概述 以往我国客运乘务方式主要以包乘制为主，包乘制采用了由固定乘务组 包车底或包车次的方式，虽然编制基于包乘制的乘务计划比较简单，但也因 此极大降低了机车运用效率。近年来，随着我国高速铁路及客运专线的不断 建设和完善，对机车运用效率以及乘务人员的工作效率又有了更高的要求。 轮乘制是更为先进的乘务方式，编制良好的基于轮乘制的乘务计划，可以使 用更少的乘务组完成同样的任务，并有效的提高机车运用效率，具有巨大的 经济效益。 乘务计划主要包括乘务日计划和月度乘务计划，本章主要研究和讨论如 何评价乘务交路以及乘务日计划的优劣。最优乘务日计划的一个重要指标是 在完成给定运行图任务的情况下，包含最少的满足大量乘务规则的乘务交路， 也就是使用最少的乘务组完成运行图任务。最优乘务交路不但需要满足逻辑 约束条件，而且还要在满足乘务规则约束条件的同时，接近乘务规则约束条 件的最佳值。 实际规模的乘务计划编制问题是一个大规模的组合优化问题，可以看做 是运筹学上的指派问题。与它类似的相关问题有：机车周转图编制问题、人 员调配问题、车辆路径问题、课表问题、飞机排队和二部图问题等。研究者 都在努力寻求对此类问题的求解方法，对其深入研究具有十分重要意义。 3 2 数学模型 3 2 1 建立值乘区段集合 值乘区段集合是构成乘务交路的基础数据，下面讲述如何建立值乘区段 集合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 定义运行线集合和口】抉乘车站集合 当给定运行图数据后，首先定义运行线集合。定义r ； l i = 1 ，2 ，万) ， 其中r 表示运行图数据中所有运行线的集合，表示集合中的第i 条运行线， 以表示运行线集合的大小，即运行图中包含的运行线总数。 定义s i s , l i 一1 2 ，m ) 为给定运行图数据的车站集合，墨表示一个车 站，m 表示所有车站的总数。令厂( 墨) 表示第f 个车站的乘务属性，则r ( 墨) - 0 表示车站既不是乘务基地也不是换乘车站，r ( s ；) = 1 表示车站不是乘务基地 但可以换乘，厂( 墨) = 2 表示车站是乘务基地且可以换乘。 定义s 一 ii s ，( ) 芑1 ，i = 1 ，2 ，七) 为可换乘车站集合，且s c s ， k m 。其中，k 表示可换乘车站总数，( s j ) 芝1 表示车站的乘务属性为可换 乘。 2 定义可行可换乘车站集合 可行可换乘车站是将运行线划分为值乘区段的必要条件，也是运行线的 分割点。在选择可行可换乘车站时，有几个因素需要考虑。第一是车站的乘 务属性，所选择的车站必须是可换乘的，即s ie s7 ；第二是尽量选择较为大 型的或者停站时间较长( 一般大于等于1 5 分钟) 的车站，主要原因有两点： 第一，较大型的车站更适合作为乘务基地或者换乘车站，因为它在资源配置、 工作协调与管理等方面较小型车站更加完善，更有利于协调和安排乘务组的 各项工作；第二，在给定运行图数据后，车站越大，通过该车站的运行线数 量就相对较多，同时，列车停靠时间也相对较长，更有利于安排换乘工作， 使乘务组有足够的时间休息和换乘。在实际应用时，可行可换乘车站可以通 过两种方式确定，即系统自动判断( 根据乘务属性以及停站时间) 和计划编 制人员指定。 r、 定义s ”一 f 1 0 s ，o 1 5 m i n ，f 一1 2 ，6 ，s ”表示从集合s 中选择的 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 可行可换乘车站集合，即s c s ，6 1 5 m i n 表示平均停站时间应大于等于1 5 分钟。 3 建立值乘区段集合 值乘区段是把运行线以可行可换乘车站为断点进行分割形成的运行片 段，也可以看做是站到站的向量，它是构成乘务交路的基础元素，每一条交 路都可以看做是一些有序值乘区段的集合。有了可行可换乘车站集合s 。，就 可以以s 中的元素为分割点对运行线进行分割，构成值乘区段。图3 1 表示 将运行线划分为值乘区段的过程，其中横线表示一条运行线c ，a 和d 分别 表示的始发车站和终到车站，b 和c 表示两个可行可换乘车站，b 和c 将 分成三个值乘区段，其中a - - * b 可以表示为t ( ，暴) ，即从到，同 理口_ c 和c 呻d 可以表示为气柏，一( 嫒，砖) ，勺扎一( ，) ，因此可以表 示为由值乘区段组成的向量( 如，哦，) 。 定义e 一 ，i ，吒m ) e s 。，f - 1 ，2 ，卢( 七) ，七= 1 2 ，刀) ，其中，咖。，表 示从到踞m ) 的运行片段，七衾示第七条运行线，即，卢( 七) 表示第七条运 行线包含的值乘区段总数，且e 覆盖耸定运行图中所有运行线。 运行线r i 雪 c l 辩发车站s 。可按震甓醋墨n 可按震车站s 。妇终耐季：站占。 图3 1 分割运行线形成值乘区段 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 2 2 建立乘务交路数学模型 值乘区段集合是生成乘务交路的基础数据，每条乘务交路都是由有序的 值乘区段构成。在由值乘区段组合为乘务交路的过程中，有以下几个约束条 件，在给出这几个约束条件之前，首先需要定义乘务交路和乘务交路集合。 定义第石条乘务交路为l = ( 巳。，巳：，( 厶) ) ，( 巳。，巳：，岛( l ) ) 为构成l 的有序向量，j ( l ) 表示l 包含的值乘区段总数。 定义，； li x 一1 ，2 ，口，五nj ，；f 2 j ，i 乒j , 1s i ，j sa ) 表示给定运行图的 乘务交路集合，口表示由给定运行图求出的乘务交路总数，丘表示第x 条乘 务交路。 具体约束条件如下： 1 构成同一条乘务交路丘的值乘区段序列应具有空间连续性。 k ( ) 一缸( 巳( m ) ) ，1 s is ( 丘) 一1 ( 3 1 ) 其中，k ( 气) 表示的终到车站，v 巳( m ) 的起始车站。 2 乘务组换乘时间应大于1 5 分钟。 、 k ( 巳( i + 。) ) 一k ( ) 2 1 5 m i n ，1 s i s j ( l ) 一1 ( 3 - 2 ) 其中，厶c 疆( 巳( m ) ) 表示巳( ) 的开车时刻，厶搬( ) 表示的到站时刻。 3 乘务交路集合中两两乘务交路正交，也即一条值乘区段只能属于且仅 属于一条乘务交路。 ln _ ，一f 2 j ，x y 且五， ( 3 - 3 ) 4 乘务交路集合应覆盖值乘区段集合。 ul e ( 3 4 ) j - 1 数学模型是以解决现实问题而建立起来的，它必须反映现实，也就是现 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 实问题的数量关系。但是由于能用数学表示的事物是有限的，因此在许多情 况下，与现象完全吻合的数学表达是不可能的。数学建模作为一种模型，必 须对现象做出一些必要的简化和假设，首先要忽视现实问题中许多与数量无 关的因素，其次还要忽略一些次要的数量因素。正是由于这种原因，可以说 数学模型是用数学关系式描述的一种假定情况【5 1 i 。 乘务日计划的编制质量主要取决于最终生成的乘务交路质量，判断乘务 交路的优劣，主要标准是看它满足乘务规则约束条件的程度。通过对参考文 献的深入研究以及对不同评价函数的对比，本文将参考参考文献【9 】中给出的 剐长麓舞戡獬帆帆连续 乘务时间这三个乘务规则的评价函数，其中，t 为对应乘务规则的最佳期望 值。 1 乘务组完成l 的总乘务时间应不少不4 小时，不多于8 5 小时，8 小 时为最佳。该乘务规则可以表示为： “叫= 鼍善嚣 5 ， 其中，厂2 ( 正) 表示乘务总时间评价函数，即a 2 为隶属度函数参数，可 以采用下限值确定法确定参数q ，口：。即令隶属度函数值为0 0 1 ，当t = 8 5 时，对公式3 - 3 进行变换，得到a x 一一4 2 l o g o 0 1 ，同理，当t 一4 时，得到 a 2 - 一0 5 2 l o g o 0 1 。该评价值应在( o 5 ，1 ) 之间，一般取0 8 。 2 乘务组完成l 的纯乘务时间应不少于3 小时，不大于6 5 小时，6 小 时为最佳，该乘务规则表示为： 以叫竺麓翟 6 ) 其中，( l ) 表示纯乘务时间评价函数，口。，口：为隶属度函数参数，同 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 总乘务时间隶属度函数参数确定方法，可以确定口。，口：。该评价值应在( 0 5 ，1 ) 之间，一般取0 8 。 3 乘务组的连续乘务时间应大于1 小时，小于4 小时，3 小时为最佳， 同总乘务时间隶属度函数，该乘务规则表示为： 川叫竺篓萎： 7 ) 其中，f ( l ) 表示连续乘务时间评价函数，a ：为隶属度函数参数， 同总乘务时间隶属度函数参数确定方法，可以确定a 。，o f ：。该评价值应在 ( 0 5 ，1 ) 之间，一般取0 8 。 z ，表示乘务交路l 的总评价值，z 表示乘务日计划的平均评价值，根据 上述对约束条件的分析，乘务交路的数学模型如式( 3 8 ) 和( 3 9 ) ： z x - m a x ( 口厂。( l ) + 可( l ) + 巧( l ) ) ( 3 8 ) z 。m a x 薹互1 z 。 爿 其中，0 d嫩业 i 、a r r l e v _ c h a r g 两 蛄编号w c h 目l s o t 眦瑚c o e w j - t _n 车站名并v i c h m 酬 p e d c r e w j m e i t 层性 h州j 1 1 9 。j o l r _ 图5 - 8 日计划编制子系统表间关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 5 5 3 2 用户以及权限设计 用户以及权限子系统的设计在该乘务计划编制系统中占有十分重要的地 位，其重要性不亚于计划编制子系统。在这样一个大型的系统当中，用户和 权限设计的好坏直接影响到系统的安全性、可用性以及灵活性。具体设计如 图5 - 9