بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مسیریابی خودروهاي حامل مواد خطرناك در شبکه معابر شهري
(مطالعه موردي؛ شهر تهران)
چکیده
ارتقاي ایمنی سیستم حمل و نقل، از مهمترین فاکتورهاي تصمیم گیري در مدیریت کلانشهرها به شمار می رود. تردد خودروهاي حامل مواد خطرناك به دلیل ریسک بالاي این محمولات نیازمند برنامه ریزي و توجه ویژه است. در این مطالعه سعی شده است با استفاده از یک مدل بهینه سازي ریاضی و پیاده سازي آن در نرم افزار GIS، الگوي تردد بهینه براي حمل و نقل مواد خطرناك در شبکه معابر درونشهري تعیین گردد. در مطالعه موردي، با استفاده از روش پیشنهادي این تحقیق، مسیرهاي بهینه براي حمل و نقل چندین گروه از مواد خطرناك در سطح شبکه معابر شهر تهران تعیین شده است. به کمک این روش پیشنهادي، مدیران شهري و متولیان امر می توانند به ازاي زوج مبدا – مقصد هاي معین، با تعیین و بکارگیري مسیرهاي بهینه، ضمن رعایت ملاحظات اقتصادي شرکت هاي حمل و نقلی این محمولات، میزان انواع ریسک تحمیلی به شهر را کنترل نمایند.
کلید واژه: کالاي خطرناك، مسیریابی بهینه، GIS ، شبکه حمل و نقل درونشهري، تهران
١
-1 مقدمه
به طور کلی ماده خطرناك1 به ماده اي گفته می شود که ممکن است با ایجاد خطر، سلامتی انسان ها، حیوانات و محیط زیست را تهدید کند. عناصر آسیب پذیر در حمل و نقل مواد خطرناك شامل: جمعیت، محیط زیست (نظیر جنگلها، مراتع و کشتزارها، دریاچه ها و رودخانه ها)، اموال و دارایی ها (نظیر پلها و تونلها و ابنیه) است. مواد خطرناك به طور کلی در نه گروه دسته بندي میشوند. یکی از مباحث مهم مرتبط با مواد خطرناك حمل و نقل آنها است. از آنجا که در اکثر موارد محل تولید و مصرف مواد خطرناك یکی نیست و باید این مواد را از محل تولید به محل مصرف منتقل کرد، حملونقل این کالاها از اهمیت ویژه اي برخوردار است.
در سالهاي اخیر کاروتنوتو و همکاران [1] از مسئله-K امین کوتاهترین مسیر به منظور حداقل سازي مجموع ریسک حمل و نقل مواد خطرناك با رویکرد توزیع عادلانه ریسک، استفاده کردهاند.بونویسینی و اسپادونی[2] 2براي مسیریابی کالاهاي خطرناك، یک مدل چند-کالایی با در نظر گرفتن ریسک جمعیتی و هزینه هاي خارج از توان را تعریف کردهاند. شریعت مهیمنی و خدادادیان [3] یک مدل جهت تخصیص بهینه جریان کامیون در داخل شبکه حمل و نقل که ترکیب وزنی از اهداف را حداقل میکند، ارائه کردهاند. شن[4] 3 براي اولین بار یک مدل ریاضی چندهدفه براي مسیریابی کالاي خطرناك با محدودیت بازه زمانی و ویژگی زمان- متغیر ارائه کرده است.
اندروتسوپولوس و زاگرافوس [5] به مسیریابی و زمان بندي مسئله توزیع مواد خطرناك پرداخته و هزینه و ریسک را وابسته به زمان در نظر گرفتهاند. در سال 2004 کارا و ورتر [6] دیدگاه جدیدي را در مدل سازي مسئله حمل و نقل مواد خطرناك به صورت یک مسئله طراحی شبکه دو سطحی معرفی کردند. ارکات و آلپ[7] 4 جهت طراحی مسیر حمل و نقل مواد خطرناك در داخل مرکز جمعیتی اصلی، مسئله فوق را به صورت یک شبکه متصل (یک درخت) به شکل برنامه ریزي عدد صحیح، با هدف حداقل سازي ریسک حمل و نقل، فرموله کردهاند. ارکات و گزارا [8] مسئله حمل و نقل مواد خطرناك را به صورت یک مسئله طراحی شبکه مورد بررسی قرار دادهاند. ایشان این مسئله را به صورت جریان شبکه دو سطحی مدل سازي کردهاند. در مدل دو سطحی مذکور در سطح اول تصمیم گیران دولتی سعی در حداقل کردن ریسک حمل و نقل مواد خطرناك داشته، و در سطح دوم شرکتهاي حمل کننده سعی در استفاده از کوتاهترین مسیر را دارند.بیانسو و همکاران [9] یک مدل دو سطحی جریان در شبکه با هدف حداقل کردن ریسک در شبکه حمل و نقل و توزیع عادلانه ریسک
٢
در شبکه را ارائه کردهاند. از سال 1996 استفاده از نرم افزار GIS در برآورد ریسک حاصل از تردد خودروهاي حامل مواد خطرناك رونق قابل توجهی پیدا کرد، چرا که قابلیتهاي این نرم افزار محاسبه ریسک را براي کمانهاي موجود در شبکه بسیار آسان می نمود. به عنوان مثال ژانگ و همکاران [10] از مدل انتشار آلودگی گاوس براي تعیین شعاع تأثیر مواد خطرناك استفاده کرده و با استفاده از این شعاع تأثیر در محیط نرم افزار GIS، جمعیت تحت تأثیر و پیامد ناشی حادثه براي هر کمان از شبکه را محاسبه کردهاند. ورتر و کارا [11] ریسک حمل و نقل مواد خطرناك را در سه بخش ریسک اجتماعی، جمعیت تحت تأثیر و احتمال تصادف مورد مطالعه قرار دادهاند. بو هوانگ و همکاران [12] با استفاده از الگوریتم ژنتیک به معیارها و شاخصهاي انتخاب شده از FHWA وزن دهی نموده و این معیارها و شاخصها را در محیط GIS براي هر کمان محاسبه کردهاند.
-2ملاحظات مسیریابی کالاهاي خطرناك
فرآیند مسیریابی عبارتست از شناسایی و ارزیابی معیارهایی که باعث ارجحیت یک مسیر نسبت به مسیر دیگر شده و انتخاب مسیر بهتر بر اساس این معیارها. وزارت حمل و نقل امریکا [13] معیارهاي موثر بر انتخاب مسیر بهینه تردد وسایل نقلیه حامل مواد خطرناك را 13 مورد ذکر کرده است، که این معیارها در (جدول (1 آورده شده است.
-3روش پیشنهادي
چهارچوب کلی روش ارائه شده براي انجام مسیریابی کالاهاي خطرناك در این پژوهش در (شکل (1 آورده شده است. در مرحله اول این روش، باید مراکز تولید و مصرف مواد خطرناك، جمعیت، مراکز حساس، مراکز امداد رسانی، منابع زیست محیطی و شبکه معابر شناسایی و در نرم افزار GIS وارد گردد. در مرحله دوم، به منظور ایجاد یک شبکه امکانپذیر جهت تردد خودروهاي حامل مواد خطرناك، معابر محلی و فرعی از شبکه اولیه حذف و ساختار توپولوژي شبکه در GIS اصلاح می شود. در مرحله سوم، با توجه به شعاع تاثیر مواد خطرناك حمل شده، جمعیت آسیب پذیر هر کمان، کمانهاي اطراف مراکز حساس، منابع زیست محیطی و مراکز امداد رسانی مشخص می گردد. در مرحله بعد، زمان سفر در هر یک از کمانهاي شبکه معابر مورد نظر محاسبه می گردد. در نهایت، این مشخصات به صورت یک برچسب به هر کمان اختصاص داده می شود.
هدف اصلی در مسئله مسیریابی کالاهاي خطرناك، پیدا کردن بهترین مسیر بین هر زوج مبدأ- مقصد بر اساس معیارهاي معین براي هر کمان شبکه است. در این مطالعه با توجه به پژوهشهاي انجام شده، معیارهاي موثر بر مسیریابی به صورت برچسب کمان در نظر گرفته شده، و مدلی براي مسئله مسیریابی کالاهاي خطرناك ارائه شده است که میتوان آن را معادل مسئله کوتاهترین مسیر در شبکه حمل و نقل دانست.
اگر برچسب کمان ij براي عبور خودروي حامل مواد خطرناك در شبکه حمل و نقل، برابر uij باشد،
مدل ریاضی مسئله را میتوان به صورت (رابطه (1 نوشت.
که در آن؛ Oمجموعه گره هاي مبدأ،D مجموعه گره هاي مقصد، N مجموعه گره هاي میانی که
مبدأ یا مقصد نیستند، A مجموعه کمانهاي مسیر، uij برچسب کمان ij، xij متغیر تصمیم گیري که مقدار آن براي کمانهایی که در مسیر بهینه قرار دارند، یک، و براي سایر کمانها، صفر میباشد. در مساله مسیریابی هدف یافتن کوتاهترین مسیر بین زوج مبدا و مقصدهاست. لذا تابع هدف این مساله به صورت کمینه سازي مجموع برچسب کمانهاي عضو مسیر بهینه روي کل شبکه در نظر گرفته شده است. برچسب کمانهاي ij در شبکه را میتوان از روابط (2 ) تا (4) بدست آورد .
که در آن؛ Tij بیانگر زمان سفر کمان ij و TNij مقدار نرمال شده آن، Rij بیانگر ریسک جمعیتی کمان ij و RNij مقدار نرمال شده آن، Dij بیانگر فاصله کمان ij از مراکز خاص، Fij بیانگر فاصله کمان ij از
مراکز آتش نشانی، Eij بیانگر فاصله کمان ij از منابع زیست محیطی، به ترتیب
بیانگر حداکثر و حداقل زمان سفر در میان همه کمان هاي شبکه و وبه ترتیب
بیانگر حداکثر و حداقل ریسک جمعیتی در میان همه کمان هاي شبکه میباشد. برچسب هر کمان به
صورت ترکیب وزنی پنج شاخص محاسبه گردیده است.
در این روش زمان سفر کمانها به عنوان شاخص هزینه در نظر گرفته شده است. این مشخصه کمانها به صورت متغیر مستقل از زمان و حجم ترافیک موجود لحاظ شده است. بدیهی است که با معلوم بودن طول (L) و سرعت متوسط سفر در هر کمان (V)، زمان سفر (T) آن کمان مطابق (رابطه (5 قابل محاسبه است.
براي محاسبه ریسک جمعیتی باید ابتدا جمعیت آسیب پذیر شناخته شود. جمعیت آسیب پذیر به جمعیتی اطلاق میشود که در ناحیه تأثیر ماده خطرناك حضور دارند . براي ارزیابی ریسک جمعیتی هر یک از کمانهاي شبکه، میتوان شاخص ریسک کمان ij شبکه را به صورت (رابطه (6 تعریف
که در آن؛ Rij شاخص ریسک کمانij، Pij احتمال وقوع پیامد حادثه کالاي خطرناك در کمانij، و Cij بزرگی پیامد حادثه درکمان ij است.
بزرگی پیامد حادثه در هر کمان، با جمعیت آسیب پذیر آن کمان محاسبه میشود. از حاصل ضرب تراکم جمعیتی کمان در مساحت ناحیه تأثیر5 آن، جمعیت آسیب پذیر آن کمان بدست میآید. احتمال وقوع پیامد حادثه در هر کمان، Pij، نیز از (رابطه (7 بدست می آید:
که در آن؛ Rate(A)ij نرخ تصادفات در کمانij، lij طول کمانij، است. مطابق (رابطه (8، براي محاسبه نرخ تصادفات، از رابطه خیستی و لل4 استفاده شده است .[14]
که در آن؛ نرخ تصادفات قطعه (تصادف به ازاي میلیون وسیله نقلیه در هرکیلومتر)،
تعداد تصادفات در دوره مطالعه T (تصادف)، T دوره مطالعاتی (سال)، V متوسط ترافیک روزانه در
سال (وسیله نقلیه) و L طول قطعه (کیلومتر) میباشد.
پارامترهايDij، Fij وEij پارامترهاي باینري می باشند. براي محاسبه این پارامترها، باید با ایجاد ناحیه تاثیر در اطراف نقاط مورد نظر در نرم افزار GIS، کمانهایی که در ناحیه تاثیر قرار می گیرند، با توجه به (جدول (2 مقادیر مورد نظر را اتخاذ می نمایند.
-4 مطالعه موردي
در شهر تهران، سه انبار بنزین و گازوییل در شهر ري، شمال غرب و شمال شرق، و یک انبار گاز مایع در شهر ري وجود دارد که روزانه، این فرآورده هاي نفتی از این مبادي به جایگاههاي توزیع سوخت (مقاصد) منتقل می شود. زوج مبدا - مقصدها بر اساس اطلاعات دریافتی مد نظر قرار گرفته است.
جهت اجراي روش پیشنهادي، ابتدا، اطلاعات مربوط به شبکه معابر تهران با مشخصات مورد نیاز و اطلاعات مربوط به بنزین و گاز مایع و گازوییل (زوج مبدا - مقصد ها) در نرم افزار GIS وارد گردید. سپس برچسب هر کمان مورد محاسبه قرار گرفته است.
براي محاسبه پارامتر ریسک جمعیتی، رویکرد استنتاج میزان تصادفات بر اساس سلسله مراتب شبکه معابر در پیش گرفته شده است. در واقع، محاسبه نرخ تصادفات مورد استفاده در این مطالعه مشابه مطالعات انجام شده توسط هاروود و همکاران[15] 6 است، که نرخ تصادفات وسایل نقلیه سنگین را به عنوان تابعی از نوع ناحیه و نوع راه ارائه دادهاند. در این مطالعه با توجه به آمار تصادفات رخ داده در معابر شهر تهران در سال 1389، تعداد تصادفات رخ داده بر حسب نوع راه تفکیک شده است. سپس با استفاده از (رابطه (8 نرخ تصادفات براي هر یک از معابر شریانی شهر تهران محاسبه شده است. براي محاسبه تعداد وسیله نقلیه- کیلومتر طی شده در طول یک سال نیز، از آمار ارائه شده براي تعداد وسیله نقلیه- کیلومتر طی شده در ساعت اوج صبح7، استفاده شده است.
