زمان بندی خطوط راه آهن شهری با استفاده از الگوریتم nsga-ii و تحلیل های مکانی

امروزه با افزایش فاصله محل زندگی افراد با مراکز اشتغال و ارائه خدماتی نظیر آموزش، تفریح، خرید، سلامت و غیره نیاز به سفرهای روزانه افزایش یافته است. سرویس دهی برای این حجم بالای سفر، نیازمند بسترهای مناسب سیستم های حمل ونقل عمومی می باشد. محدودیت در افزایش ظرفیت شبکه راه ها و همچنین ظرفیت کمتر مسافر تاکسی و اتوبوس نسبت به سیستم‎های حمل ونقل ریلی درون شهری (مترو)، توجه مدیران و سیاست گذاران شهری را بیشتر معطوف توسعه زیرساخت های شبکه های حمل ونقل ریلی درون شهری کرده است. از دیدگاه کلان و مدیریتی، مسائلی که در درازمدت می توانند بر از بین رفتن منابع کشور تاثیر بگذارند و یا هزینه های عمومی را افزایش دهند به میان می آیند که سیستم های حمل ونقل ریلی شهری از این حیث با صرفه تر به نظر می رسند. در مقابل، مسافران ترجیح می دهند با هزینه کمتر و سرعت بالاتر به مقصد خود برسند که عدم وجود موانعی همچون چراغ راهنمایی و ترافیک باعث می شود مترو قابل پیش بینی تر و قابل اعتمادتر از سفر درون شبکه خیابان ها باشد. بنابراین مترو در کلان شهرها جایگاه ویژه ای دارد که افزایش کیفیت سرویس دهی آن مهم به نظر می رسد. توسعه سیستم های مترو با هدف افزایش کیفیت سرویس دهی باید به نحوی صورت پذیرد که هم رضایت مشتریان و کاربران را افزایش دهد و هم رضایت مدیران و مسئولین مترو را در نظر بگیرد. در توسعه سیستم های حمل ونقل عمومی مانند راه آهن شهری، علاوه بر طراحی مسیر شبکه، ارائه زمان بندی حرکت ناوگان از ایستگاه ها نیز جزئی از طراحی است. جدول زمان بندی حرکت قطارها به عنوان عاملی تاثیرگذار بر میزان رضایت مشتریان و مدیران مترو و همچنین سلامت محیط زیست اهمیت داشته و بنابراین تغییرات آن، کیفیت سرویس دهی را تغییر می دهد. در زمان بندی مترو، علاوه بر زمان ورود و خروج قطارها در ایستگاه ها، متغیرهایی نظیر مدت زمان شتاب گیری قطارها در شروع حرکت بین دو ایستگاه، اندازه شتاب حرکت آنها، مدت زمان ترمز گرفتن آنها در پایان حرکت بین دو ایستگاه، اندازه شتاب آنها در هنگام ترمز و مدت زمان توقف آنها در ایستگاه ها، تأثیر به سزایی در معیارهای زمان بندی نظیر مدت زمان سفر مسافران، هزینه های شرکت بهره برداری مترو و انرژی مصرف شده توسط قطارها دارد. این مسئله ماهیتی چندمعیاره دارد؛ به این معنی که معیارهای طراحی زمان بندی با یکدیگر در تضاد هستند و بهبود یکی از آنها ممکن است منجر به از دست رفتن کیفیت معیار یا معیارهای دیگر شود. بنابراین اهداف متناظر با این معیارها در روند بهینه سازی در تضاد با یکدیگر هستند. همچنین کیفیت سرویس دهی متأثر از نرخ ورودی و خروجی مسافران ایستگاه ها در واحد زمان است که بستگی به ساعت روز، محل ایستگاه ها و کاربری اراضی واقع در حوزه خدمت رسانی آن ایستگاه دارد. در این مطالعه، سعی بر آن شـده است تا با استفـاده از الگوریتـم nsga-ii، بهینه سازی زمان بندی حرکت و توقف قطارهای خط یک متروی تهران انجام گیرد. برای این کار ابتدا مدلسازی مسئله و طراحی توابع هدف بهینه سازی مطابق با معیارهای موردنظر در طراحی زمان بندی صورت گرفته است. در مرحله بعد، با استفاده از تحلیل های مکانی انجام شده در محیط arcmap، جمعیت ورودی و خروجی ایستگاه ها با توجه به جمعیت ساکن و کاربری اراضی محدوده ایستگاه ها برآورد شد. سپس الگوریتم nsga-ii در محیط matlab پیاده سازی شد و راه حل های واقع در سطح پارتو مسئله به دست آمد. به علت تعداد زیاد راه حل ها، با استفاده از تحلیل k-means و fuzzy subtractive clustering خوشه بندی راه حل ها صورت گرفت و مراکز خوشه ها به عنوان راه حل های کاندید که در اختیار مدیر یا تصمیم گیرنده قرار می گیرد، مشخص شد. در مرحله آخر، با تعریف شاخص های ارزیابی متناظر با معیارهای زمان بندی و با استفاده از شبیه سازی توسعه داده شده در محیط matlab، راه حل های کاندید با یکدیگر و با زمان بندی کنونی مقایسه شدند. با بررسی نتایج به دست آمده می توان نتیجه گرفت که روش ارائه شده در این تحقیق، مجموعه ای از راه حل های متنوع را در اختیار تصمیم گیرنده می گذارد که وی می تواند بسته به اهمیت هر کدام از سه معیار زمان، هزینه و انرژی مصرف شده، در شرایط مختلف راه حل ترجیح داده شده را برگزیند. بررسی توابع هدف به ازای راه حل ترجیح داده شده نشان می دهد که به کارگیری این راه حل در مقایسه با زمان بندی کنونی، می تواند زمان سفر مسافران و هزینه ناشی از خالی ماندن ظرفیت قطارها را به ترتیب تا 6.2 و 10.1 درصد کاهش دهد.