بخشی از مقاله
خلاصه
بهرهبرداری بهینه از ظرفیت حمل و نقل ریلی، یکی از اهداف اساسی در برنامهریزی حرکت قطارها محسوب میشود. ترتیب اعزام قطارها و همچنین برنامه توقف قطارها در ایستگاهها و جایگاههای بین راهی، دو عامل اساسی در استفاده بهینه از ظرفیت حمل و نقل ریلی است. تاکنون زمانبندی قطار با در نظر گرفتن محدودیتهای متفاوت توسط محقیین مدلسازی شده است که در بیشتر این تحقیقات، هدف اصلی حداقل کردن تاخیرات هست. در این مقاله، مدلی برای زمانبندی بهینه حرکت قطارها از دو دیدگاه مشتریان و مدیران و با توجه به محدودیتها و اهداف توسعه یافته سیستم حمل و نقل تک ریلی اراده شده است. دو مسیر تک خطه شرقی-شمالی و شرقی-غربی در نظر گرفته شده است که هر مسیر شامل تعداد مشخصی ایستگاه و بلوک است. × مدل توسعه یافته با استفاده از نرمافزار گمز در ابعاد کوچک و همچنین با استفاده از الگوریتم فراابتکاری شبیهسازی تبرید حل گردید. نتایج نشان میدهد که الگوریتم مورد استفاده جوابی نزدیک به بهینه خوبی ارائه میدهد.
کلمات کلیدی: حمل و نقل ریلی، زمان بندی قطار، خطوط راهآهن تکریلی
مقدمه
مساله زمانبندی حرکت قطار از دشوارترین مسائل زمانبندی در سیستمهای حمل و نقل محسوب می شود. با افزایش تقاضای سفر و توسعه خطوط ریلی، اهمیت مسئله زمانبندی و توالی اعزام دو چندان شده است؟ هدف از زمانبندی حرکت قطارها حداقل کردن زمان سیر قطارها از مبداء به مقصد، کم کردن تمام هزینههای عملیاتی، سوخت، پرسنل و غیره، جلب رضایت مسافران و صاحبان کالا با کم کردن تاخیرها در ایستگاهها و حداکثر کردن استفاده از ظرفیت خطوط و ایستگاهها و خدمه است ؟در صورتی که یک شبکه راه آهن از برنامه زمانبندی بهینه برخوردار باشد هزینه های سفر، زمان سفر و تاخیرات کاهش یافته و در نتیجه باعث افزایش رضایت مشتریان و افزایش کیفیت خدمات مسافران شده و بر نحوه تصمیمگیری آنها تاثیر خواهدگذاشت؟
در شبکههای شلوغ، دهها ایستگاه و صدها قطار در روز وجود دارد که معمولا مسیر آنها پیچیده است و موانع متعددی ”تلاقی، تعمیرات، شرایط فیزیکی شبکه“ در طول مسیر وجود دارد؟از طرف دیگر ،انواع مختلف قطار، زمانهای انتظار ایستگاه ها، زمان سفر هر قطار، مسیرهای متفاوت و خطوط ارجح متفاوتی وجود دارد ؟ افزایش سهم حمل و نقل ریلی در اقتصاد کشورها و همچنین افزایش سرعت رایانه ها و استفاده از نرم افزارها باعث شده که محققان هر روز روش های جدیدی برای حل مسایل ارایه دهند و با استفاده از روش های بهینه سازی، برنامه ریزان قطار را در ساخت سریع برنامه های زمان بندی کارآمد برای کاهش هزینه های راه آهن کمک دهند؟
تعریف مساله و اهداف تحقیق
امروزه یکی از شاخصهای توسعهیافتگی کشورها، میزان رشد و پیشرفت صنعت حمل و نقل آنها است در این میان حمل و نقل ریلی با داشتن مزایایی چون امکان حمل و نقل انبوه و ارزان، آلودگی کمتر محیط زیست، مصرف سوخت بسیار کمتر و ایمنی بیشتر، جایگاه ویژه ای دارد. با توجه به سرمایه گذاریهای سنگین برای توسعه حمل و نقل ریلی، استفاده بهینه از امکانات موجوددر این صنعت اهمیت شایانی دارد. راه آهن برای تأمین هزینه های روبه افزایش که ناشی از افزایش قیمتها می باشد نیازمند افزایش کارایی خود، استفاده مطلوب از منابع و امکانات میباشد.این تحقیق به دنبال یافتن زمان بندی نزدیک به بهینه حرکت قطار با استفاده از الگوریتم فراابتکاری است ؟در این مساله مسیر حرکت تک ریله بوده و دارای یک مبداودو مقصدمیباشد؟همچنین شرایط متفاوت سیستمهای حمل و نقل ریلی از جمله شرایط ایمنی و توقفات اضطراری با هدف حداقل سازی زمان سفر و هزینههای مرتبط با آن که مد نظر مشتریان و مدیران است، در نظر گرفته می شود؟مدل های برنامهریزی زمان بندی غالبا از نوع مسائل پیچیده هستند، بنابراین حل آن ها نیازمند به کارگیری الگوریتم های فرا ابتکاری است؟به دلیل حجم و اندازه بالای مساله حل آن با استفاده از الگوریتمهای فراابتکاری میسر است؟
مروری بر ادبیات موضوع
تحقیقات زیادی درباره ی زمان بندی بهینه ی قطارها از دهه ی 1960 وجود داشته است. ×آنچه در تاریخچه ی این مسایل قابل مشاهده است این است که چون در یافتن جواب بهینه مشکلات متعددی - همانند پیچیدگی و ابعاد بزرگ مساله - وجود دارد، روش های حل به سمت یافتن یک جواب قابل قبول مناسب به جای جواب بهینه تمایل پیدا کرده اند.در این رابطه اشپیگل [1]1براساس مسأله برنامهریزی ماشینآلات، مسأله مورد نظر را بصورت یک مدل برنامهریزی خطی با فرض زمان های شروع ثابت و در نظر گرفتن حداکثر سرعت برای قطارها مدلسازی کرده و سپس با استفاده از روش شاخه و حد مسأله را حل کرده ا ست؟
میلزو همکاران[2]2، تکنیک برنامه ریزی غیر خطی را برای مساله ی زمان بندی قطار به کار گرفتند. فرضیات این مدل تک خطه بودن و سرعت ثابت قطارها می باشد و هدف مدل ارایه شده حداقل کردن مجموع هزینه های سوخت و هزینه های تاخیر است.هارکر و جوانویک[3] 3 مدلی برای زمان بندی حرکت قطارها بر فرض تصادفی بودن زمان سفر ارایه دادند. مدل آن ها یک مساله ی برنامه ریزی عدد صحیح مختلط می باشد و سرعت قطارها ثابت در نظر گرفته شده است. هدف آن ها کمینه کردن هزینه های سوخت و تاخیر قطارها بوده است.مسالهی زمان بندی حرکت قطار را کای و گاه [4]4، در خطوط تک ریلی به صورت یک مدل برنامه ریزی عدد صحیح ارایه نمودند.
هدف آن ها به حداقل رساندن مجموع هزینه های توقف در ایستگاه ها و تاخیر در رسیدن به مقصد می باشد. آن ها به کمک الگوریتمی ابتکاری مدل پیشنهادی خود را حل کردند. اساس کار آن ها در الگوریتم ارایه شده، استفاده از بهینگی های موضعی در حل تلاقی ما بین قطارها می باشد.مدلی توسط کرای[5] 1 ارایه شد که برای قطارهای باری در آمریکای شمالی به کار رفته است. تابع هدف غیر خطی است و بیانگر هزینه های ناشی از دیرکردها و همچنین هزینه های ناشی از استفاده ی بیش از حد پرسنل قطار - بیش از 12 ساعت - می باشد. کاربرد این مدل در خطوط تک خطه و سرعت متغیر است.هیگینز و کوزان[6]2 یک مدل برنامه ریزی غیر خطی مختلط با هدف به حداقل رساندن مجموع هزینه های تاخیر و هزینه های عملیاتی قطارها ارایه دادند. آن ها میزان سرعت قطارها را در هر بلاک متغیر و میزان حرکت قطارها از مبداشان را ثابت در نظر گرفتند.
کاربرد مدل آن ها برای خطوط راه آهن تک ریلی می باشد و برای حل مدل از یک روش ابتکاری که بر اساس تکنیک انشعاب و تحدید بنا شده است، کمک گرفتند.قصیری و همکاران [7]3 مدلی چند هدفه را برای زمان بندی قطارهای مسافربری ارایه کردند. کاربرد این مدل برای شبکه ی ریلی تک خطه و دو خطه است و فرضیات آن سرعت متغیر قطارها و مجاز بودن سبقت گرفتن می باشد. مدل مذکور محدودیت های حرکت پیوسته ی قطار و زمان سفر را با هدف کمینه کردن مصرف سوخت یا زمان کل سفر ارضا می کند. گه، مس [8]4استفاده از مفاهیم شبکه را جهت مدل سازی مسأله پیشنهاد نموده اند به این صورت که کمان ها بیانگر بلاک ها و گروهها نشان دهنده ایستگاه ها هستند ؟در این مدل زمان بصورت پیوسته در نظر گرفته شده و نتیجه حاصل بصورت یک شبکه پویا است و مسأله مورد نظر با استفاده از معادلات دیفرانسیل درقالب یک مسأله کنترل بهینهسازی شده است.
مدبرب9ب،یک برنامه زمانبندی حرکت قطارها با استفاده از الگوریتم ابتکاری بر پایه شاخه و حد با مطالعه موردی را ارائه نمود. در این پژوهش مساله زمانبندی حرکت قطارها در مسیر تک خطه در قالب یک مدل ریاضی نوشته شده است نتایج بدست آمده از این پژوهش نشان می دهد که طول زمان سفر به میزان چشمگیری کاهش یافته است.جوانشیر و همکارانب10ب،در پژوهشی یک مدل ریاضی چند هدفه برای زمانبندی حرکت قطارها در خطوط تک ریلی با در نظر گرفتن تقاطع ارائه نمودند. این مدل ریاضی دارای دو تابع هدف می باشد هدف اول حداقل کردن زمان کل تاخیر قطارها در یک بازه ی زمانی خاص و هدف دوم حداقل کردن هزینه ها می باشد.
مسعود یقینی[11] در پژوهشی زمان بندی حرکت قطارها را با در نظر گرفتن توقف نماز مدل سازی کرده است. در تحقیق انجام شده مدل برای مسیر تک مسیره حل گردیده است.
توسعه مدلدر حل مدل زمان بندی حرکت قطار به دنبال حداقل کردن زمان حرکت قطار و میزان انحراف از مدت زمان مطلوب رسیدن قطار به مقصد و همچنین کاهش هزینههای مرتبط با زمان بندی از جمله هزینه های توقفات و تاخیرات برنامه-ریزی نشده و همچنین کاهش مصرف سوخت با در نظر گرفتن مدت زمان مطلوبی که قطار از مبدا تا مقصد حرکت میکند هستیم. در ادامه مفروضات مدل مطرح میگردد:
مفروضات مدل:
