بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه مدلی نوین در جهت جانمایی بهینه تسهیلات پارك سوار با بکارگیري الگوریتم ژنتیک
چکیده:
از مهمترین اهداف ایجاد یک سیستم حمل و نقل همگانی، بهبود سیستم براي استفاده کنندگان از آن و در درجه دوم جذب مسافرین حمل و نقل شخصی می باشد. لذا یکی از مسائلی که باعث پایین آمدن سطح سرویس و در نتیجه کاهش تقاضا براي حمل و نقل عمومی می شود، دسترسی نامناسب وسایل نقلیه شخصی به این سیستم است. بنابراین با توجه به این نکته و همچنین سیاست جدید دولت در خصوص سهمیه بندي سوخت و عدم امکان کاربرد وسیله نقلیه براي کل طول سفر در شهرهاي بزرگ، یکی از راهکارهاي قابل تامل، بحث تسهیلات پارك سوار براي ترغیب وسایل شخصی در استفاده از حمل و نقل همگانی خواهد بود. اما همواره در طرح و برنامه ریزي امکانات پارك سوار، یکی از کلیدي ترین موضوع ها، موقعیت مناسب آنهاست. بنابراین در این تحقیق با هدف بیشترین کاهش ترافیک در شبکه، نسبت به ارائه مدلی براي استقرار تسهیلات پارك سوار اقدام گردیده است. مدل ارائه شده بر اساس نقاط جمعیتی، مکان هاي بالقوه براي استقرار پارك سوار و مراکز متعدد تجاري فرمول بندي شده است. در ادامه نیز از الگوریتم فرا ابتکاري ژنتیک براي حل مسائل با ابعاد بزرگ استفاده شده و کارایی آن نیز براي انجام چنین مسائلی نشان داده شده است.
کلید واژه: پارك سوار، مکان یابی بهینه، الگوریتم ژنتیک، جذب حداکثري جریان، مدیریت ترافیک.
-1 مقدمه:
از مشکلات اصلی که امروزه شهرهاي بزرگ با آن روبرو هستند ازدحام ترافیکی بوده که ناشی از کمبود پارکینگ، عدم استفاده از سیستم حمل و نقل عمومی، عدم توجیه فرهنگی و استقرار مراکز تجاري در مرکز شهر می باشند. همچنین یکی از مهم ترین مشکلات برنامه ریزان حمل ونقل شهري، که ممکن است باعث پایین آمدن سطح خدمت در یک سیستم حمل و نقل عمومی و در نتیجه کاهش تقاضا شود را می توان عدم دسترسی مناسب وسایل نقلیه شخصی به این سیستم و مطلوبیت قابل توجه وسایل نقلیه شخصی در مقایسه با حمل ونقل همگانی، نام برد . از جمله مهم ترین راه کارها براي حل این مشکلات و ترغیب وسایل شخصی در استفاده از حمل ونقل همگانی استفاده از تسهیلات پارك- سوار می باشد که افراد خودرو را در آن پارك کرده و با استفاده از وسایل حمل ونقل عمومی به سفر خود ادامه دهند.[1]
هدف از ایجاد این گونه تسهیلات عموما تأمین دسترسی مناسب براي مناطق مرکزي شهرها و مراکز بزرگ تجاري و کاهش حجم ترافیک در مناطق مذکور است. بعبارت دیگر نقش پارك سوار1 ایجاد گزینه اي براي افرادي است که تمایل دارند تا از وسایل حمل و نقل عمومی استفاده نمایند و در عین حال براي بخشی از سفر خود به خودروي شخصی نیاز دارند. اغلب کسانی که از تسهیلات پارك سوار استفاده می نمایند قصد سفري کاري به مرکز تجاري شهر2 را دارند، این افراد می توانند با استفاده از تسهیلات پارك سوار سفر راحت تري را انجام داده و از پرداخت هزینه هاي سنگین پارك خودرو در مرکز تجاري شهر معاف گردند. کارایی تسهیلات پارك سوار نیز در گرو مکان یابی صحیح این تسهیلات است. تسهیلات پارك سوار به عنوان مکملی براي سیستم حمل و نقل عمومی عمل کرده و در فضایی داخل یا پیرامون شهر استقرار می یابد. به گونه اي که استفاده از آن علاوه بر پراکندگی جمعیت، موجب استفاده بیشتر از وسایل حمل و نقل عمومی می گردد.[2] همچنین اهمیت و مزایاي این امکانات را می توان در فعالیت هایی که کشورهاي مختلف از جمله، آمریکا، ژاپن، کره، انگلستان، آلمان، هند و... در مورد اجر اي این امکانات انجام داده اند، مشاهده کرد. بنابراین در این تحقیق با هدف بیشترین کاهش ترافیک در شبکه، نسبت به ارائه مدلی براي استقرار تسهیلات پارك سوار اقدام گردیده و مدل ارائه شده بر اساس نقاط جمعیتی، مکان هاي بالقوه براي استقرار پارك سوار و مراکز متعدد تجاري فرمول بندي شده است. در ادامه نیز از الگوریتم فرا ابتکاري ژنتیک براي حل مسائل با ابعاد بزرگ استفاده شده و کارایی آن با انجام مطالعاتی نشان داده شده است.
-2 پیشینه تحقیق:
تاکنون در جهان تحقیقات مختلفی بر روي مکان یابی تسهیلات پارك سوار صورت گرفته است. در سال 1976 اشنایدر، میلر و فردمن با تعریف یک سري گراف در محیط برنامه اتوکد به مکانیابی امکانات پارك سوار براي استفاده در سیستم حمل و نقل اتوبوس داخل شهري در مورد شبکه اي بزرگ و پیچیده از خیابان هاي نیمه شمالی شهر سیاتل آمریکا پرداختند، به این صورت که با تعریف یک تابع وزن دهی شده با متغیرهایی از قبیل طول سفر، طولانی ترین سفر و تساوي حقوق، به ارزیابی امکانات مکانیابی شده پرداختند و با تکرار عملیات فوق براي طرح هاي مختلف مکانیابی بهترین مجموعه از سایت ها را انتخاب کردند.[3] محدودیت عمده روش مذکور کاربرد آن بر مبناي روش آزمون و خطا است، که کاربرد آن را زمان بر می کند.[4]
در سال هاي بعد پژوهشگرانی چون کک و لیو براي هر یک ازامکانات پارك سوار، حوزه تأثیري به صورت اشکال هندسی دایره یا سهمی تعریف کردند [5]. همچنین در این راستا می توان مطالعات دیگري 6])و([7 را نیز نام برد که براي هر یک از امکانات پارك سوار، حوزه تأثیري به صورت سهموي در نظر گرفتند، با این فرض که این گونه حوزه هاي تأثیر نمایانگر محدوده اي از حوزه نفوذ هر سایت است، به عبارت دیگر تمایل یک کاربر را در استفاده از این امکانات در جهت سفر نشان می دهد.[7]
طی مطالعات بعدي مشخص شد که مهم ترین محدودیت این دسته از تحقیقات که شکل معینی را براي حوزه تأثیر امکانات پارك سوار در نظر می گیرند، در نظرگرفتن کردن درجه دسترسی برابر براي دو کاربر با فاصله تئوري مساوي از سایت مورد بررسی است.4]و[8
روش بعدي توسط سارجیوس و جانارتان در سال 1983 معرفی شد، همانند روش هاي قبلی، حوزه تأثیري براي هر یک از سایت ها در نظر می گرفت، با این تفاوت که در تعریف حوزه تأثیر از مقایسه هزینه هاي سفر شامل ارزش زمان، زمان سفر و هزینه هاي پرداختی در حالت هاي مختلف انتخاب وسیله سفر استفاده کردند. به این ترتیب که کاربري که هزینه سفرش از طریق امکانات پارك سوار از هزینه سفر با وسیله شخصی کمتر باشد، در حوزه تأثیر سایت مورد بررسی قرار می گرفت، در غیر این صورت کاربر مذکور از حوزه تأثیر سایت مفروض حذف می شد.[9] محدودیت اساسی که بر این روش وارد است، این است که صرفا به بحث هزینه سفر پرداخته و جهت سفر کاربران را مد نظر قرار نمی دهد.[6]
در همین راستا روشی معرفی شد که براي هر یک از انواع امکانات پارك سوار شکل و حوزه تأثیري به صورت پیش فرض تعریف کرد، به طوري که از آمار موجود سفرها بر اساس فاصله و زمان سفر آنها تا هر سایت، حوزه تأثیر ي براي هر یک از انواع امکانات پارك سوار در نظر گرفته می شد.[10]
هورنر و گریسیک در سال 2001 یک روش منعطف و مبتنی بر سیستم اطلاعات جغرافیایی1 را براي ارزیابی مکان هاي بالقوه قرار گرفتن تسهیل پارك سوار در امتداد خطوط قطار داخل شهري ارائه دادند.[11] فقري، لانگ، حمد و هنک در سال 2002 یک ابزار ترکیبی شامل یک سیستم خبره مبتنی بر دانش و یک سیستم اطلاعات جغرافیایی را براي تعیین مکان بهینه تسهیلات پارك سوار ارائه کردند.[12] همچنین مطالعه انجام شده توسط وانگ، یانگ و لیندسی در سال 2003 نیز مکان یابی بهینه و تعیین هزینه پارك خودرو در پارك سوار را در یک شهر که توزیع جمعیت خطی فرض شده بود، مورد بررسی قرار داد. در این تحقیق ساکنین شهر به طور یکنواخت از مرکز تا محوطه بیرونی شهر توزیع شده اند و تمام مسافرت ها از محل اقامت به مرکز شهر است. مدل با بیشینه کردن مقدار منفعت و کمینه کردن هزینه عمومی، مکان یابی بهینه استقرار پارك سوارها را تعیین می کرد.[13]
در تحقیقی که توسط هورنر و گروز (2007) انجام شده انتخاب مکان بهینه براي تسهیلات پارك سوار بر روي مسیر مترو بررسی گردیده است. آنها با هدف استقرار مناسب پارك سوارها با توجه به مکان هاي بالقوه مدلی جدید ارائه کردند. در این مدل سعی گردید که میزان VMT1 کاسته شده از شبکه حمل و نقل به بیشترین میزان ممکن افزایش یابد. در این مقاله با توسعه مدل هورنر و گروز، مدلی مناسب براي مکان یابی تسهیلات پارك سوار بر روي شبکه حمل و نقل شهري ارائه می گردد
-3 اهمیت مکانیابی امکانات پارك سوار:
به دلایل بسیار، موقعیت امکانات پارك سوار از اهمیت زیادي برخوردار است. به عنوان مثال بی میلی یک کاربر معمولی، صرفنظر از مقدار ترافیک را در نظر بگیرید، که می خواهد قبل از رسیدن به مقصد از اتومبیل شخصی خود پیاده و باقیمانده سفر خود را از طریق امکانات پارك سوار انجام دهد. با فرض اینکه چنین میلی از طریق ارایه حمل ونقل همگانی سریع و ارزان به وجود آید، آیا باز هم کاربري پیدا خواهد شد، که براي دستیابی به حمل ونقلی ارزان و سریع تغییر مسیر داده تا به سایت پارك سوار دسترسی یابد.[14] بنابراین اگر امکانات پارك سوار در ابتداي سفر وسایل نقلیه شخصی قرار داده شود، تمایل به کاربرد آنها از بقیه حالات بیشتر است.[15]
موضوع قابل تأمل دیگر تغییر احتمالی الگوهاي سفر، به دلیل مکانیابی نامناسب امکانات پارك سوار است.[16] به عنوان مثال اگر حجم قابل ملاحظه اي از وسایل نقلیه شخصی به هدف دسترسی به امکانات پارك سوار از مسیر سفر خود منحرف شوند، مطمئًنا الگوهاي سفر جدیدي را به وجود خواهند آورد که به دنبال آن مشکلات ترافیکی محلی و همچنین ترافیک ناخواسته در قسمت هایی از شبکه به ویژه در خیابان هاي جمع و پخش کننده جریان پیدا خواهد کرد. با توجه به مطالب ذکر شده موقعیت امکانات پارك سوار بایستی داراي مشخصه هایی از قبیل دسترسی مناسب و امکان توسعه در آینده باشد.[7] و همچنین در موقعیت هایی قرار گیرد که زمین وسیع و یا امکان ساخت پارکینگهاي طبقاتی در آن باشد و حداکثر تداخل با وسایل نقلیه شخصی را داشته باشد.[8] در این امکانات می بایستی دسترسی مناسب به شبکه راه هاي اصلی وجود داشته باشد.[7] از آنجا که طرح مکان یابی چنین امکاناتی بستگی فراوان به مشخصه هاي اقتصادي، اجتماعی و جغرافیایی دارد از اهمیت بسیاري برخوردار است.[17]
-4 معیارهاي مؤثر در مکانیابی امکانات پارك سوار:[19]
با مرور تجربیات گذشته در مورد به کارگیري امکانات پارك سوار مشاهده می شود که یکی از مهم ترین عواملی که در روند مکانیابی امکانات پارك سوار بایستی به آن پرداخته شود، ضوابط و معیارهاي مناسب براي مکانیابی این امکانات است. بنابراین درادامه ضوابط پیشنهادي براي مکانیابی امکانات پارك سوار ارائه می شود:
.1-4 پوشش حداکثر تقاضاي موجود و تقاضاي بالقوه با مد نظر قرار دادن کاهش تمایل افراد در کاربرد امکانات به نسبت افزایش فاصله آنها از امکانات:
با چنین معیاري ضمن اینکه گزینه مناسبی براي کلیه کاربران براي انجام قسمتی از سفر خود با حمل و نقل همگانی ایجاد کرده ایم، همچنین سیستم حمل و نقل عمومی را طوري گسترش داده ایم که ساکنین مناطق مسکونی کم جمعیت به راحتی به سیستم حمل و نقل عمومی دسترسی پیدا می کنند.
.2-4مدنظر داشتن تسهیلات موجود پارك سوار و یا پارکینگ هایی که قابلیت پارك سوار شدن را دارند:
در نظر گرفتن این معیار بدلیل حفظ منابع مالی بسیار ناشی از ساخت پارك سوارهاي جدید و عدم حذف سایت هاي موجود یا پارکینگ هاي بالقوه براي کاربرد به عنوان پارك سوار می باشد.
.3-4 دسترسی مناسب امکانات نسبت به شریان هاي پرسرعت و فاصله مناسب آنها از مرکز شهر:
محققین بسیاري پیشنهاد می کنند که این امکانات بهتر است در کنار شریان هاي اصلی و قبل از ورودي خیابانهایی که از ترافیک زیادي برخوردارند و هدف، کاهش مشکلات ترافیک آن محدوده است، قرار گیرند. همچنین سایتهاي نامزد حدود 4-6 کیلومتر از مرکز تجاري فاصله داشته باشند.
.4-4 ظرفیت محدود براي هر سایت:
در اکثر روش هاي قبلی محدودیتی به لحاظ ظرفیت براي سایت ها در نظر گرفته نشده بود، چراکه در اغلب آنها فرض شده بود که پارك سوارها به ظرفیت خود نمی رسند. ولی مطمئٌنا حالت هایی برایی شهرهایی مثل مشهد وجود دارد که در نظر گرفتن محدودیت ظرفیت براي سایت ها از اهمیت بالایی یرخوردار است.
.5-4 فاصله مناسب سایت ها از یکدیگر:
دلیل تعریف چنین معیاري براي اجتناب از تجمع سایت ها در یک محدوده می باشد. هرچند که در معیار پوشش حداکثر بحثث دوري مناسب پارك سوارها از یکدیگر وجود دارد. ولی تعریف یک فاصله استاندارد باعث اطمینان از این مسئله خواهد بود که ترافیک بسیاري در اطراف تسهیلات پارك سوار از بین خواهد رفت.
-5 تعریف مسئله:
همان طور که بیان شد هورنر و گروز در سال 2006 مدلی براي مکان یابی تسهیلات پارك سوار ارائه نمودند که هدف آن بیشینه کردن ترافیک کاسته شده از شبکه بود. معیار ترافیک در این مدل، مجموع مسافت طی شده توسط تمام خودروها در پریود زمانی مشخصی در نظر گرفته شده بود. در ارتباط با مدل هورنر و گروز نکات زیر حائز اهمیت است:
· در بسیاري از مواقع مسافت معیار مناسبی براي ارزیابی فاصله بین دو نقطه نمی باشد، زیرا این احتمال وجود دارد که یک مسیر کوتاه اما پر ازدحام در مدت زمانی بیش از یک مسیر طولانی، که داراي ازدحام کمتري نسبت به مسیر قبلی است، طی شود. لذا مناسب تر است که از عامل زمان براي ارزیابی فاصله بین دو نقطه استفاده گردد.
در تحقیق انجام شده تنها یک یک مرکز تجاري شامل کل محدوده مرکزي تجاري براي شهر در نظر گرفته شده است. همچنین میزان تقاضاي سفر از هر یک از نقاط تقاضا به مرکز تجاري برابر با میزان سفر از هریک از نقاط تقاضا به کل نقاط موجود در محدوده مرکز تجاري فرض شده است. (شکل(1 به لحاظ اعمال شرایط واقعی در مدل می توان با تقسیم محدوده مرکزي تجاري شهر به نواحی کوچکتر و منظور نمودن هر یک از آنها به عنوان یک مرکز تجاري و در نظر گرفتن میزان تقاضاي سفر از هر یک از نقاط تقاضا به هریک از این مراکز تجاري نتایج دقیق تري به دست آورد.
· از شاخصه هاي مهم در بررسی سیستم هاي حمل و نقل عمومی و ارائه خدمات به مسافرین، میزان رضایت مسافر از زمان و کیفیت سفر می باشد که در تحقیق آقایلن هورنر و گروز مد نظر قرار نگرفته بود. افراد درصورتی از پارك سوار استفاده می نمایند که نسبت زمان سفر از پارك سوار با استفاده از وسیله شخصی و بدون استفاده از پارك سوار، از مقدار معینی بیشتر نباشد.
· تجربه نشان داده است در صورتی که فاصله میان تسهیلات پارك سوار و نقطه شروع حرکت از حد معینی کمتر باشد، مسافر تمایلی به استفاده از این تسهیلات نخواهد داشت.
در این تحقیق با در نظر گرفتن عامل زمان و رضایت مسافر و تعدد مراکز تجاري مدلی ارائه می گردد که مکان هاي مناسب براي استقرار پارك سوار بر روي شبکه حمل و نقل شهري به نحوي تعیین می شوند که ترافیک شبکه به بیشترین میزان ممکن کاهش یابد. در ارائه مدل فرض هاي زیر در نظر گرفته شده اند:
1. احداث تمامی پارك سوارها داراي هزینه یکسان می باشد.
2. پارك سوارها داراي محدودیت ظرفیت نمی باشند.
3. ارتباط متقابلی بین پارك سوارهاي استقرار یافته وجود ندارد.
4. در صورت برقراري دو شرط زیر براي هر یک از نقاط بالقوه، قابلیت تخصیص تقاضاي میان نقطه تقاضا و مرکز تجاري به آن نقطه بالقوه وجود دارد: الف- نسبت زمان سفر با استفاده از پارك سوار به زمان سفر با خودروي شخصی بیش از مقدار معینی نباشد. ب- فاصله بین نقطه تقاضا و نقطه بالقوه بیش از مقدار تعیین شده باشد.
5. هزینه سفر با خودروي شخصی بیش از هزینه سفر با استفاده از سیستم حمل و نقل عمومی می باشد. از این رو از میان نقاط بالقوه اي که پارك سوار در آنها استقرار یافته و امکان تخصیص سفر به آنها وجود دارد، مکان بالقوه اي که داراي کمترین زمان سفر با استفاده از خودروي شخصی باشد انتخاب می شود.
6. در صورتی که مسافر از تسهیلات پارك سوار استفاده نماید زمان سفر به مراکز تجاري از جمع زمان سفر از نقطه مبدا به پارك سوار و زمان سفر از پارك سوار به مرکز تجاري حاصل می شود. در این عبارت، زمان سفر از تسهیل پارك سوار به مرکز تجاري، از طریق تقسیم فاصله تسهیلات پارك سوار تا مرکز تجاري بر متوسط سرعت وسیله حمل و نقل عمومی محاسبه می شود.
7. فاصله بین دو نقطه برابر با کوتاهترین مسیر بین آنها بر روي شبکه فرض می شود.
8. فواصل ارائه شده بیانگر فاصله بین مرکز دو ناحیه مورد نظر می باشد.
در توسعه مدل پیشنهادي نمادهاي زیر براي پارامترها و متغیرها در نظر گرفته شده است:
: n تعداد مراکز تجاري شهر
: m تعداد نقاط بالقوه براي استقرار تسهیلات پارك سوار
: d تعداد نقاط تقاضا
: ,PR حداکثر تعداد پارك سوارها
متوسط تقاضاي سفر از نقطه تقاضاي k ام به مرکز تجاري s ام
فاصله بین نقطه تقاضاي k ام و نقطه بالقوه p ام
فاصله بین نقطه بالقوه p ام و مرکز تجاري s ام
V متوسط سرعت وسیله نقلیه عمومی
متوسط زمان سفر از نقطه تقاضاي k ام به مرکز تجاري s ام (در صورتی که کل این مسیر با استفاده از خودروي شخصی طی شود، به عبارت دیگر از تسهیل پارك سوار استفاده نشود).
متوسط زمان سفر از نقطه تقاضايk ام به نقطه بالقوه p ام (این مسیر با استفاده از خودروي شخصی طی می شود.)
متوسط زمان سفر از نقطه بالقوه p ام به مرکز تجاري s ام (این مسیر توسط سیستم حمل و نقلtعمومی طی می شود.)
بنابراین با توجه به تمام نکات و همچنین فرض 6 که در صفحه قبل به آن اشاره شد، زمان سفر از تسهیلات پارك سوار به مرکز تجاري از طریق رابطه زیر به دست می آید
: متوسط زمان سفر از نقطه تقاضاي k ام به مرکز تجاري s ام با استفاده از پارک سوار مستقر نقطه بالقوه p ام که طبق فرض6 ، زمان سفر به مرکز تجاري در صورت استفاده از پارك سوار برابر است با:
با استفاده از روابط (1) و (2) خواهیم داشت
ضریب رضایت براي سفر از نقطه تقاضاي k ام به مرکز تجاريs بر مبناي فرض 4، نقاط بالقوه اي که در محدودیت زیر صدق کنند، سفر رضایت بخشی را بین نقطه تقاضاي k ام و مرکز تجاري s ام فراهم می آورند
:DC حداقل فاصله مجاز بین نقاط تقاضا و نقاط بالقوه.
طبق فرض 4، شرط لازم براي تخصیص تقاضاي سفر نقطه k ام و هریک از مراکز تجاري به نقطه بالقوه p فراهم می شود.
اگر نقطه بالقوه p ام فرض 4 را برآورده سازد، آنگاه مقدار این متغیر برابر اب 1 و در غیر این صورت مقدار آن صفر است. به طور کلی هر یک از نقاط بالقوه p که قابلیت این را داشته ,باشد tکه تقاضاي سفر بین نقطه تقاضاي k ام و مرکز تجاري s ام به آن تخصیص داده شود، مقدار آن 1 و در غیر این صورت مقدار آن صفر است. بنابراین طبق روابط (4) و (5) داریم:
رابطه((6 همچنین متغیرهاي زیر، نیز در این مدل مورد استفاده قرار گرفته اند:
:yp اگر پارك سوار در نقطه بالقوه p ام استقرار داده شود، مقدار آن برابر 1 و در غیر این صورت مقدار آن, برابر 0 است:
بر اسا فرض 5 می دانیم که تقاضاي سفر از نقطه تقاضاي k ام به مرکز تجاري sام به پارك سواري اختصاص می یابد که در میان تمامی پارك سوارهایی که امکان تخصیص سفر میان این دو نقطه، نقطه تقاضاي k ام و مرکز تجاري s ام، به آنها وجود دارد، داراي کمترین طمان سفر با استفاده از خودروي شخصی باشد. متغیر , بیانگر نقطه بالقوه اي است که تقاضاي سفر از نقطه تقاضاي k ام به مرکز تجاري sام، به آن اختصاص می یابد. از این رو در صورتی که میزان تقاضاي سفر از نقطه تقاضاي k ام به مرکز تجاري s ام، به نقطه بالقوه p ام تخصیص داده شود مقدار آن برابر 1 و در غیر این صورت برابر 0 است.
.1-5 ارائه مدل:
