وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
دانشگاه علوم و فنون مازندران
پایان نامه
مقطع کارشناسی ارشد
رشته: مهندسی سیستم های اقتصادی و اجتماعی
موضوع: بهینه سازی ظرفیت ترافیک شبکه جادهای شهری با افراز خطوط جادهای و تنظیم هوشمند سیگنالهای کنترل ترافیک
استاد راهنما: پرفسور ایرج مهدوی
دکتر بابک شیرازی
استاد مشاور: مهندس رضا حسن زاده
دانشجو: معصومه دیوسالار
تابستان 1392
سپاس ازسه وجود مقدس:
آنان که ناتوان شدند تا ما به توانايي برسيم…
موهايشان سپيد شد تا ماروسفيد شويم…
و عاشقانه سوختند تا گرمابخش وجود ما و روشنگر راهمان باشند…
پدرانمان
مادرانمان
استادانمان
چكيده
شبكههاي حملونقل شهري را ميتوان مجموعهاي از شبكه معابر شهري و شبكههاي حملونقل عمومي فعال در آن در نظر گرفت. تصميمهاي مرتبط با طراحي شبكههاي حملونقل شهري سلسله مراتبي، تصميمات بلندمدت، ميانمدت و كوتاهمدت را شامل ميشوند. تصميمات بلندمدت در ارتباط با طراحي و توسعه زيرساختها و طراحي توپولوژي شبكه و تصميمات ميانمدت در ارتباط با زيرساختها و منابع شبكه مطرح هستند. جهتدهي به معابر از تصميمات ميانمدت و تنظيم چراغهاي راهنمايي از تصميمات كوتاهمدت در طراحي شبكههاي حملونقل شهري هستند.
در این پایان نامه مساله طراحی شبکه ترکیبی تصميمات رده بلندمدت، ميانمدت و كوتاهمدت با رويكرد بیشینهسازی ظرفيت ذخيره شبكه ارایه شده است. ظرفیت ذخیره، بزرگترین مضرب ماتریس تقاضاست که میتوان به شبکه تخصیص داد بدون اینکه محدودیت ظرفیت معابر را نقض کند. مساله مورد مطالعه با رويكرد مدل رياضي دوسطحي مدلسازي می شود. هدف سطح بالا بیشینهسازی ظرفیت ذخیره از طریق تنظیم سیگنال چراغ راهنما در تقاطعها ،جهتدهی به معابر و افزایش ظرفیت معابر از طریق اضافه کردن خط به معابر است.مساله سطح پایین، تخصیص ترافیک تعادلی کاربر است که هدف آن کمینهسازی زمان سفر کاربران است. به دلیل نامحدب بودن مدل، از روش های فوق ابتکاری (الگوریتم ژنتیک ترکیبی با شبیهسازی تبرید و الگوریتم زنبور عسل) برای حل آنها استفاده می کنیم. برای بررسی کارایی الگوریتم،برای حل مساله در سه سایز مختلف استفاده می شود. نتایج نشان داده که توانایی هر دو الگوریتم در بهبود وضعیت ظرفیت ذخیره یکسان است، ولی سرعت همگرایی الگوریتم ژنتیک ترکیبی با شبیهسازی تبرید نسبت به الگوریتم زنبور عسل بیشتر است.

کلمات کلیدی: طراحی شبکه حمل ونقل ترکیبی، ظرفیت ذخیره، جهتدهی به معابر، اضافه کردن خط، تنظیم سیگنال، برنامه ریزی دو سطحی، روشهای بالا ابتکاری

فهرست
فصل 1- :مقدمه و کلیات تحقیق1
1-1- مقدمه2
1-2- سيستم حمل ونقل5
1-3- تقسیم بندی سیستم های حمل ونقل6
1-4- طراحي شبكه‏هاي حمل‏ونقل شهري و تقسيم‏بندي‏هاي مربوط7
1-5- طراحي شبكههاي معابر جادهای8
1-6- جهتدهی به معابر9
1-7- تنظیم چراغ راهنمایی9
1-8- ظرفیت ذخیره شبکه حمل ونقل10
1-9- مدل سازی مسایل طراحي شبكه‏هاي حمل‏ونقل جادهای11
1-10- محدوده پروژه13
فصل 2- مرور بر ادبيات و پیشینه تحقیق14
2-1- مرور مطالعات انجام شده در زمينه RNDP15
2-2- مسایل طراحی تنظیمات سیگنال(SSDP)21
2-2-1- رویکرد بهینه سازی موضعی22
2-2-2- رویکرد بهینه سازی سراسری22
2-3- مفهوم ظرفیت ذخیره سیستم22
2-4- یک طرفه يا دوطرفه کردن معابر و مسایل مربوط26
2-5- توسعه‏ و نوآوري‏پایان نامه28
2-5-1- تركيب با تصميمات RNDP28
فصل 3- مدل ریاضی پیشنهادی و روش حل32
3-1- تعريف مساله33
3-1-1- ويژگي‏هاي كلي مساله33
3-1-2- فرضيات مساله33
3-1-3- ورودي‏هاي مساله34
3-1-4- خروجي‏هاي مساله34
3-1-5- تابع هدف مساله34
3-2- مدل سازی مساله35
3-3- مدل رياضي38
3-4- روش‏ حل توسعه داده شده40
3-4-1- کلیات الگوریتم ژنتیک41
3-4-2- کلیات الگوریتم زنبور عسل44
3-4-3- ویژگی مشترک الگوریتمها45
3-4-4- الگوريتم ژنتيك تركيبي با شبيه‏سازي تبريد47
3-4-5- الگوریتم زنبور عسل54
3-4-6- بهینه سازی موضعی تنظیمات سیگنال54
فصل 4- نتایج محاسباتی57
4-1- مقدمه58
4-2- مساله در اندازه کوچک60
4-2-1- نتایج برای مساله کوچک61
4-3- مساله در اندازه متوسط TX62
4-3-1- نتایج برای مساله متوسط63
4-4- مساله در سایز متوسط CG65
4-4-1- نتایج برای اندازه متوسط CG68
4-5- مساله در اندازه بزرگ71
4-5-1- نتایج برای شبکه SF75
4-6- بررسی قابلیت الگوریتم ها78
فصل 5- نتيجه‏گيري و تحقيقات آتي81
5-1- جمع‏بندي و نتيجه‏گيري82
5-2- پيشنهادها برای کارهای آتي82
فهرست مراجع84
پيوست ها88
الف- مساله تخصيص سفر89
الف-1- توابع جريان ترافيك- زمان سفر90
الف-2- تخصيص سفر تعادلي91
ب- روش جستجوی بخشبندی طلایی97
ج- الگوریتم دایسترا98
چکیده انگلیسی100
فهرست شكل‌ها
شکل ‏11- اجزای سيستم‏هاي حمل‏ونقل6
شکل ‏12- تصمیمات مورد مطالعه9
شکل ‏31- مدل سازی رياضي يك معبر ]45[38
شکل ‏32- یک نمودار گردشی برای الگوریتم ژنتیک43
شکل ‏35- يك شبكه نمونه49
شکل ‏36- نمايش كروموزوم شبكه نمونه49
شکل ‏37- شماره‏دهي يال‏هاي شبكه نمونه براي گره محور 150
شکل ‏38- چگونگي اجراي عملگر تقاطع50
شکل ‏41- شبکه کوچک ZY60
شکل ‏42- جهتدهی بهینه شبکه ZY61
شکل ‏43- شبکه متوسط TX62
شکل ‏45- جهتدهی بهینه شبکه متوسط TX63
شکل ‏47- شبکه متوسط CG65
شکل ‏48- جهتدهی بهینه شبکه متوسط CG68
شکل ‏410- شبکه بزرگ SF71
شکل ‏412- جهتدهی بهینه شبکه متوسط SF75
شكل ‏01- نمونه‏اي از يك نمودار تابع زمان سفر (]8[)90
فهرست جداول
جدول ‏21- خلاصه مطالعات انجام شده در زمينه MNDP…………………………………….. 26
جدول ‏21-مقايسه مطالعات تركيبي در RNDP36
جدول ‏41- مسایل آزمايشي و مشخصات آنها58
جدول ‏42- مقادير پارامترهاي الگوريتم‏هاي HGA و BA59
جدول ‏43- ورودی های مساله ZY60
جدول ‏44- ورودی های مساله TX62
جدول ‏46- مقادیر خروجی شبکه TX64
جدول ‏48 – ورودی های مساله CG66
جدول ‏49- مقادیر خروجی شبکه CG69
جدول ‏411- ورودی های مساله SF72
جدول ‏413- مقادیر خروجی شبکه SF.76
جدول ‏415- خلاصه نتایج محاسباتی78
جدول ‏418- میزان بهبودظرفیت ذخیره مسایل آزمون79
جدول ‏01- تعدادي از توابع زمان سفر ]9[91
:مقدمه و کلیات تحقیق
در اين فصل به جايگاه مساله مورد مطالعه در ادبيات، محدوده شمول مساله، تعاريف و تقسيمبنديها موجود در رابطه با مساله مورد مطالعه در اين پایان نامه می پردازیم و چگونگي مدلسازي مساله را خلاصه تشریح می کنیم.
مقدمه
گسترش شهرنشيني در دهههاي اخير موجب شده است كه شهرها و حومههاي آنها به عنوان مهمترين مراكز سكونت و فعاليت انسان معاصر مطرح شوند. افزايش مستمر جمعيت شهرنشين در بسياري از كشورها به موضوع چالش برانگيزي براي مسئولان دولتي تبديل شده است. چرا كه محدوديتهاي موجود در سيستمهاي حملونقل شهري از جمله محدوديت زمين، ظرفيت معابر و مسایلي از اين دست مانع از توسعه آنها همگام با رشد جمعيت و در نتيجه رشد تقاضاهاي سفر ميشوند. تصميمات براي سرمايهگذاري و بهبود سيستمهاي حملونقل شهري بايد با در نظر گرفتن مسایلي چون منابع مالي موجود، تاثيرات تصميمات در بهبود ازدحام خودروها در معابر و مسایلي از اين دست صورت گيرند.
در همين راستا، دستهاي از مطالعات بهينهسازي به طراحي و بهبود شبكههاي حملونقل شهري ميپردازد. شبكههاي حملونقل شهري شامل زيرمجموعههايي چون شبكه معابر شهري و شبكههاي حملونقل عمومي هستند كه تصميمات طراحي در آنها را ميتوان در قالب سلسله مراتبي از تصميمهاي بلندمدت، ميانمدت و كوتاهمدت تقسيمبندي کرد. تصميمات بلندمدت بيشتر به توسعه زيرساختها و توپولوژي شبكهها اختصاص دارند. ساخت معابر جديد، توسعه ظرفيت معابر موجود، طراحي مسيرهاي عبور و مرور شبكه حملونقل عمومي مثالهايي از اين تصميمات هستند. تصميمات ميانمدت به نحوه بهرهگيري از منابع فعلي ميپردازد، مانند جهتدهي به معابر و تخصيص خطها در دو جهت معابر دوطرفه. نهايتاً تصميمات كوتاهمدتي چون تنظيم چراغهاي راهنمايي، تنظيم عمليات روزمره را شامل ميشوند.مسایل طراحي شبكه حملونقل شهري، با رويكرد نظريه بازيها مدلسازي ميشوند. به جهت نوع مساله، دو گروه بازيگر وجود دارند. گروه اول مسئولان دولتي و تصميمگيران هستند كه نقش رهبر را ايفا ميكنند و گروه دوم كاربران شبكه هستند كه به تناسب تصميمات اخذ شده براي شبكه توسط مسئولان، به انتخاب مسير در شبكه ميپردازند كه نتيجه آن تغيير در الگوهاي جريانهاي ترافيكي در سطح معابر شهر است. اين رويكرد مدل سازی منجر به توسعه مدلهاي رياضي دوسطحي براي اين مسایل ميشود كه نا محدب هستند و حل آنها به طور ذاتی NP-سخت است.
جهتدهي به معابر يا تصميمگيري براي یک طرفه يا دوطرفه کردن آنها، از جمله تصميماتي است كه ميتوان ادعا کرد که به جهت نوع اثرات آن در شبكه حملونقل شهري، بايد با دقت و حساسيت بيشتري مورد توجه قرار گيرد. چنانچه در مطالعات اشاره شد، یک طرفه کردن معابر در عين حال كه منجر به افزايش ظرفيت 10 تا 20 درصدي ظرفيت جريان ترافيكي در آنها شود، ميتواند موجب افزايش مسافتهاي طي شده توسط بخشي از كاربران، افزايش ازدحام در بخش ديگري از شبكه و مواردي از اين قبيل شود. با عنايت به توضيحات بالا، اهميت استفاده از مدلهاي تصميمگيري كه تاثيرات تغيير جهات در معابر را بر روي الگوهاي جريان ترافيكي و در نتيجه عملكرد شبكه در سطح كلان در نظر بگيرند، آشكار ميشود.
تصميم یک طرفه کردن معابر ميتواند به طور همزمان با ساير تصميمات طراحي شبكه معابر شهري همچون افزايش ظرفيت معابر موجود، ساخت معابر جديد ، تخصيص نامتقارن خطها در چگونگی جهت معابر دوطرفه و تنظیم چراغ راهنما در تقاطعها منظور شود. در اين صورت، علاوه بر ايجاد همافزايي در بهبودهاي ايجاد شده در ظرفيت ترافيكي شبكه، اين احتمال وجود دارد كه هزينههاي مورد نياز براي سرمايهگذري را، نسبت به وضعيتي كه هر يك از تصميمات جداگانه مطرح شود، كاهش دهد.
تقاطعهای کنترلی(دارای چراغ راهنما) یکی از اجزای اصلی شبکههای حمل ونقل جادهای هستند که جریان وسایل نقلیه در سطح شهر را تنظیم و تعدیل می کنند. جریانهای ترافیکی در تقاطعهای کنترلی باعث ایجاد تاخیر در وسایل نقلیه می شوند. اگرچه چراغ راهنما از حرکت دایمی وسایل نقلیه در تقاطعها جلوگیری میکند، ولی به طور کلی در صورت محاسبه صحیح زمان بندی آن متوسط تاخیر وسایل نقلیه از زمانی که تقاطع بدون چراغ راهنماست، کمتر است. افزایش تاخیر در تقاطعها باعث افزایش زمان سفر کاربران، افزایش آلودگیهای محیطی وصوتی و کاهش قابلیت اطمینان شبکه می شود. بنابراین، باید به تقاطعها و بهینهسازی آنها از در مسایل توجه داشت.
در همين راستا، مساله مطرح شده در اين پایان نامه موضوع كلي مورد بحث در سطوح بالا را در بر ميگيرند. مساله مورد بررسی، اختصاص به تركيب تصميم جهتدهي معابر با ساير تصميمات مربوط به شبكه معابر شهري دارد كه شرح آن در سطور بالا آمد. با توجه به ويژگيهاي NP-سخت بودن و نامحدب بودن مدلهاي دوسطحي، براي حل مسایل در اين پایان نامه از روشهاي بالا ابتكاري استفاده می شود.
با توجه با توضیحات بالا، در فصل اول به تعارف اولیه و تعیین محدوده مساله مورد بررسی میپردازیم. فصل دوم شامل مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق است. در فصل سوم با تعریف متغیرها، پارامترها و مفروضات مساله، مدل ریاضی برای مساله و روش حل مدل ارایه می شوند. دستهای مسایل نمونه برگرفته از مقالات مرتبط با اندازههای مختلف با روش حل پیشنهادی حل می شوند و نتایج محاسباتی در فصل چهارم ارایه می شوند. در نهایت، به جمعبندی مطالب و ارایه پیشنهادها برای تحقیقات آتی در فصل پنجم می پردازیم.
سيستم حمل ونقل
يك سيستم حملونقل1 را ميتوان به صورت مجموعهاي از تسهيلات ثابت2، نهادهاي جريان3 و يك سيستم كنترلي4 تعريف نمود كه به مسافران و كالا امكان ميدهد بر محدوديتهاي جفرافيايي غلبه و به موقع در فعاليتهاي مورد نظر شركت كنند]1[. در واقع، يك سيستم حملونقل شامل مجموعهاي از اجزاء است كه امكان جابه جايي انسان و كالا را از مكاني به مكان ديگر فراهم ميکند. تسهيلات ثابت، اجزای فيزيكي سيستم حملونقل هستند كه در يك مكان ثابت واقع می شوند و شامل يالهاي شبكه5 (مانند جادهها، ريلها و لولهها) و گرههاي6 (مانند تقاطعها، پايانهها، بنادر و فرودگاهها) سيستم هستند. طراحي اين تسهيلات شامل مسایلي چون مهندسي خاك و پي، طراحي سازه، طراحي شبكههاي آبياري و طراحي هندسي ميشود. نهادههاي جريان، واحدهايي هستند كه از تسهيلات ثابت عبور ميكنند. اين نهادهها ميتوانند وسايل نقليه، واحدهاي كانتينر، واگنهاي قطار و غيره باشند، مثلاً در مورد سيستم بزرگراهها، تسهيلات ثابت براي انواع وسايل نقليه اعم از دوچرخه و يدككشهاي بزرگ قابل استفاده هستند. سيستم كنترلي شامل كنترل جريان7 و كنترل وسيله نقليه8 ميشود. كنترل وسايل نقليه به روشهايي اطلاق ميشود كه وسايل نقليه را در سيستم حملونقل هدايت ميكنند كه اين هدايت ميتواند دستي يا خودكار باشد. به طور مثال، در مورد هدايت خودروها در بزرگراهها، عامل انساني و رفتار انسان به عنوان سيستم كنترلي وسيله نقليه عمل ميكند. سيستمهاي كنترل جريان شامل ابزارهايي هستند كه جريان روان حركت وسايل نقليه را ضمن كاهش ازدحام در سيستم حملونقل، فراهم ميكنند. اين سيستمها ميتوانند شامل انواع علامتگذاريها در طول مسيرهاي حملونقل، چراغهاي راهنمايي و مقررات وضع شده براي حركت در مسيرها باشند.شکل 1-1 تقسيمبندي اجزای سيستمهاي حملونقل را نمايش ميدهد.
تقسیم بندی سیستم های حمل ونقل
طبق آنچه در ادبيات برنامهريزي حملونقل مطرح ميشود، سيستمهاي حملونقل را ميتوان از جهات گوناگون طبقهبندي کرد. تقسيمبندي سيستمهاي حملونقل از نظر روش حمل مورد استفاده، يكي از مهمترين تقسيمبنديهاي موجود در ادبيات است. محدوده مورد بررسي در اين پایان نامه، روش “حمل جادهاي” (منظور جادهها، بزرگراهها و خيابانها) است. نوع ديگر تقسيمبندي را ميتوان بر اساس محدوده جغرافيايي وقوع فعاليتهاي حملونقل انجام داد. سيستمهاي حملونقل مورد بررسي در اين پایان نامه “محدوده درون شهري” را در برميگيرند. بخش اعظم حملونقل شهري9 به جابه جايي مسافر اختصاص دارد و مهمترين روش حمل مورد استفاده در شهرها، حملونقل زميني است. حملونقل زميني در شهرها در قالب حملونقل شخصي (خودروها و موتورسيكلتهاي شخصي و پيادهروي) و خدمات حملونقل عمومي از طريق اتوبوسهاي شهري در بزرگراهها و مترو و ساير انواع قطارها در راهآهن درون شهري انجام ميشود.
شبكههاي حملونقل شهري در واقع متشكل از شبكه معابر شهري و شبكه حملونقل عمومي هستند كه مانند شبكه اتوبوس و تراموا در شبكه معابر و مانند شبكه مترو يا مجزاي از معابر تعريف ميشوند.
طراحي شبكه‏هاي حمل‏ونقل شهري و تقسيم‏بندي‏هاي مربوط
در رابطه با عبارت مساله طراحي شبكههاي حملونقل شهري و تعاريف آن برداشت واحد و يكساني وجود ندارد و معمولاً عناويني چون Urban Road Network Design Problem، Transportation Network Design Problem و يا به طور عمومي Network Design Problem و مشابه اينها براي اطلاق مساله به كار ميروند. اما در اغلب مراجع عبارت آخر يا مخفف آن NDP به كار ميرود. تعاريف ارایه شده براي مساله را ميتوان به سه گروه تقسيم کرد.
تعريف “الف”]3[: طراحي شبكه حملونقل در برگيرنده سلسله مراتب كاملي از فرايندهاي تصميمگيري مطرح در مسایل حملونقل است و در سه سطح استراتژيك، ميانمدت و كوتاهمدت قابل طرح است. اين تعريف طيف وسيعي از مسایل مطرح در برنامهريزي حملونقل را تحت اين عنوان دربر می گیرد. از جمله انتخاب يالها، جهتدهي به خيابانها، مكانيابي، زمانبندي چراغهاي راهنمايي و مواردي از اين قبيل. اين تعريف در يكي از مطرحترين و پرارجاعترين مراجع مرتبط با طراحي شبكههاي حملونقل آمده است.
تعريف “ب” ]4[: طراحي شبكه عبارتست از انتخاب بهينه تسهيلات براي افزودن به يك شبكه حملونقل يا تعيين ميزان بهينه بهبود ظرفيت در تسهيلات موجود شبكه حملونقل. تسهيلات ميتوانند گرهها يا يالهاي شبكه باشند. با اين تعريف، مساله انتخاب يالهاي شبكه و مكانيابي تسهيلات در شبكه، جزو مسایل مرتبط با طراحي شبكه قرار ميگيرند.
تعريف “ج”(]5[و]6[و بسياري از مراجع مرتبط): طراحي شبكه عبارتست از تصميمگيري در مورد انتخاب يالهاي جديد براي افزودن به شبكه و يا توسعه ظرفيت يالهاي موجود. اين تعريف تقريباً در همه مطالعاتي كه تنها حل مساله بالا را مد نظر قرار دادهاند ارایه شده و به عبارتي در ادبيات اين دست مسایل كاملاً معمول است.
به منظور ايجاد قابليت بيان و تقسيمبندي محورهاي مورد مطالعه در پيشنهاد پایان نامه زير يك چتر واحد، در اين پایان نامه تعريف “الف” مد نظر قرار گرفته و ادبيات موضوع در قالب اين تقسيمبندي معرفي و بررسي شده است. قابل ذكر است كه تعريف “الف” خود به نوعي دربرگيرنده تعريف “ب” نيز هست. بر اساس تعريف انتخاب شده، ميتوان انواع تصميمات قابل اخذ در زمينه طراحي شبكههاي حملونقل شهري را بر اساس سلسله مراتب تصميمگيريها به صورت زیر تقسيمبندي کرد.
تصميمات استراتژيك: تصميمگيري براي مسایل زيرساختي مرتبط با شبكههاي حملونقل شهري كه براي درازمدت طراحي ميشوند، مانند توسعه معابر موجود از طريق افزايش عرض آنها يا ايجاد معابر جديد.
تصميمات ميان مدت: تصميمگيري براي به كارگيري موثر منابع و زيرساختهاي سيستم حملونقل هستند، مانند تعيين یک طرفه يا دوطرفه بودن خيابانها در سيستمهاي حملونقل شهري، يا تعيين نحوه تخصيص خطها در معابر براي جهتهاي رفت و برگشت.
تصميمات عملياتي: تصميات مربوط به دورههاي زماني كوتاه مدت كه بيشتر در رابطه با كنترل جريانهاي ترافيكي در معابر هستند، مانند تنظيم چراغهاي راهنمايي، تعيين ميزان عوارض تعیین شده براي استفاده از بعضي بزرگراهها، تعيين فركانسهاي سرويسدهي وسايل حملونقل عمومي.
طراحي شبكههاي معابر جادهای
به آن دسته از مسایل طراحي شبكه حملونقل شهري كه دربرگيرنده تصميمات مرتبط با معابر شبكه هستند، ميتوان عبارت Road Network Design Problem (RNDP) يا “طراحي شبكههاي معابرجادهای” را اطلاق کرد. مسایل RNDP را ميتوان بر اساس ماهيت متغيرهاي مورد استفاده در سه گروه طبقهبندي کرد.
مساله “طراحي شبكه حملونقل گسسته10″ (DNDP): اين نوع مسایل با متغيرهاي گسسته سروكار دارند. مانند ايجاد معابر جديد، توسعه ظرفيت معابر جديد با افزودن خط به آنها يا تعريض و بهبود طراحي آنها، تعيين یک طرفه يا دو طرفه بودن معابر.
مساله”طراحي شبكه حملونقل پيوسته11″ (CNDP): اين نوع مسایل با متغيرهاي پيوسته سروكار دارند، مانند توسعه ظرفيت معابر از نوع متغير پيوسته، تنظيم چراغهاي راهنمايي و يا تعيين عوارض عبور از برخي معابر خاص.
مساله”طراحي شبكه حملونقل تركيبي12” (MNDP): اين نوع مسایل با تركيبي از متغيرهاي پيوسته و گسسته یاد شده در موارد قبلی سروكار دارند.
مطالعات اين پایان نامه MNDPرا در بر ميگيرد. بر اساس شکل 1-2، محدوده مسایل مورد مطالعه در اين پایان نامه، شامل انواع تصميمات بلندمدت و ميان مدت خواهد بود.
جهتدهی به معابر
جهت دادن به حرکت در معابر سیستمهای حمل ونقل، یکی از تصمیمات میان مدت مطرح شده در زمینه مسایل طراحی شبکه است که در دهههای پس از جنگ جهانی دوم به منظور افزایش کارایی شبکه و کاهش ازدحام ترافیک مطرح شد. جهتدهی به یال های شبکه با این دیدگاه عبارتست از تعیین جهت حرکت در یالهای شبکه حمل ونقل به طوری که امکان سفر بین هر دو نقطه از شبکه با توجه به محدودیتهای ایجاد شده برای حرکت در برخی مسیرها از بین نرود. به عبارت دیگر، شبکه حمل ونقل پس از تعیین جهت یالها همبند باقی بماند.
تنظیم چراغ راهنمایی
سیستمهای کنترلی یکی از ارکان سه گانه یک سیستم حمل ونقل هستند که خود به دو زیر مجموعه سیستمهای کنترل جریان و سیستمهای کنترل وسیله نقلیه تقسیم میشوند. سیستمهای کنترل جریان در شبکه، باید برآورد کننده شاخص متضاد حرکت وایمنی در کنار هم باشند. استفاده از چراغ راهنمایی در تقاطعها یکی از مهمترین ابزارهای کنترل جریان در شبکه است. چراغ راهنما باعث تاخیر کاربران (توقف زمانی که چراغ قرمز است) در تقاطعها میشود. افزایش تاخیر سبب آلودگی هوا، آلودگی صوتی و افزایش مصرف سوخت میشود. تنظیم بهینه زمان بندی چراغ راهنما باعث کاهش اثرات منفی تاخیر در تقاطعها میشود.
در واقع، اهداف اصلی استفاده از چراغ راهنما عبارتست از:
بیشینهسازی ظرفیت ذخیزه کل شبکه.
بیشینهسازی ظرفیت معابر پرازدحام در تقاطعها.
کمینهسازی اثرات منفی ترافیک بر محیط زیست و مصرف سوخت.
کمینهسازی زمان سفر.
افزایش امنیت .
مجموع زمانی توالی زمانی چراغ سبز را یک دور چراغ13 می نامند. نسبت زمان سبز چراغ راهنما را به کل زمان دور نرخ سبز14 چراغ گویند، که در اغلب مسایل مطرح شده در ادبیات موضوع، به عنوان عامل تصمیم گیری، برای بهبود سیستم کنترل بیشینه میشود. در هر تقاطع، به نسبت تعداد جریان مخالف ورودی، زمان دور به بخش های کوچکتری تقسیم میشود که هر بخش را یک فاز15 گویند. در خلال یک فاز، دسته ای از جریانهای موافق در تقاطعهای کنترلی دارای چراغ سبز و دیگر جریانهای مخالف دارای چراغ قرمز خواهند بود.
ظرفیت ذخیره شبکه حمل ونقل
در زمینههای طرحریزی، طراحی و عملیاتی تسهیلات ثابت یک شبکه حمل ونقل از مفهوم ظرفیت بسیار استفاده شده است. ظرفیت یک شبکه حمل ونقل با تعداد زیادی جفت مبدا-مقصد مانند ظرفیت یک تقاطع متغیر است و بدون در نظر گرفتن الگوی تقاضا بین مبادی-مقاصد نمی توان در مورد آن بحث کرد. برای مثال مقدار ظرفیت یک شبکه با افزایش تقاضای جفتهای مختلفی از مبادی و مقاصد متفاوت خواهد بود. برای بسط مفهوم ظرفیت برای یک شبکه حمل ونقل با تقاضای متعدد، مفهوم ظرفیت ذخیره معرفی می گردد. به نحوی که ظرفیت ذخیره یک شبکه، به صورت یک تقاضای مازاد که به سیستم تزریق کرد، تعریف میشود بدون اینکه خصوصیات های فیزیکی شبکه تغییر کند یا ظرفیت همه یالها افزایش یابد. به علاوه، این تقاضای اضافی با توجه به تقاضای موجودبرای هر جفت مبدا-مقصد، بین آنها تقسیم می شود[7].
معمولاً ظرفیت ذخیره بزرگتر از صفر است. مقدار کم تر از برای یک ظرفیت ذخیره بدین معنی است که تقاضا در شبکه بیش از توان شبکه است و در شبکه حالت ازدحام ایجاد شده است. ظرفیت ذخیره بزرگ تر از یک بدین معنی است که شبکه در برخی از معابر هنوز ظرفیت خالی برای افزایش جریان را داراست.
بنابراین، میتوان ظرفیت ذخیره یک سیستم را نمایندهی از سطح خدمت شبکه دانست و از آن در جهت تعیین سیاستهای بهینه برای جلوگیری از ترافیک، کنترل رشد تقاضا، مدیریت و طرح ریزی شبکه حمل ونقل استفاده کرد.
در یک مساله حمل و نقل، چنان چه یک تقاضای برآوردی ثابت به صورت یک ماتریس OD برای کل شبکه حمل ونقل در نظر بگیریم، ظرفیت ذخیره سیستم، بیشترین افزایش قابل اعمال در تقاضای سفر در شبکه (به صورت ضریبی در کل ماتریس سفرها) با تغییر عامل های درگیر در شبکه خواهد بود، به طوریکه در این شرایط، جریان محاسبه شده معابر پس از افزایش تقاضا، از ظرفیت تعیین شده برای آنها تجاوز نکند.
مدل سازی مسایل طراحي شبكه‏هاي حمل‏ونقل جادهای
يكي از بزرگترين مسایلي كه برنامهريزان حملونقل با آن مواجه هستند، پيشبيني اثرات سناريوهاي مختلف طراحي شبكههاي حملونقل شهري است. كاربران سيستمهاي حملونقل را عموماً انسانها تشكيل ميدهند و هر نوع برنامهريزي يا تدوين سناريو براي توسعه و اصلاح شبكه حملونقل نيازمند پيشبيني عكسالعملهاي كابران در قالب تغييرات الگوي جريان ترافيك و مسيرهاي مورد استفاده توسط آنها و چگونگي استفاده آنها از وسايل نقليه است. حضور تصميمگيري عامل انساني در اين مسایل، آنها را در زمره مسایل مطرح در نظريه بازيها قرار ميدهد كه ماهيت مدل سازی آنها را از بسياري از مسایل تصميمگيري كه مساله عكسالعمل عامل انساني در آنها مطرح نيست متفاوت ميكند.
ماهيت اين مسایل ايجاب ميكند كه آنها به صورت يك بازي رهبر- پيرو16 يا بازي استكلبرگ17، و در نتيجه در قالب يك مدل برنامهريزي دو سطحي18 مطرح شوند. در اين بازي، برنامهريزان شبكه و مسئولان شهري كه طراحي شبكه را بر عهده دارند، نقش رهبر، و كاربران كه آزادنه مسيرها را بر اساس طرح ايجاد شده در شبكه براي سفر انتخاب ميكنند، نقش پيرو را دارند]8[. اين طور فرض ميشود كه برنامهريزان حملونقل قادر به تاثيرگذاري روي رفتار كاربران در انتخاب مسير هستند، اما نميتوانند آن را تحت كنترل خود درآورند. رفتار كاربران براي آنها قابل پيشبيني است، اما كاربران قادر به پيشبيني تصميمات طراحي شبكه نيستند و به اقتضاي طراحي انجام شده عكسالعمل نشان ميدهند. اين تعامل ميتواند در قالب یک مدل كلي دو سطحي به صورت زیر نمايش داده شود:
(1-1)(U^0)
min┬u⁡〖F(u,v(u))〗(1-2) s.t.
G(u,v(u))≤0 ,که در آن v(u)با حل مدل زیر مشخص می شود.
(1-3)(L^0)
min┬v⁡〖f(u,v)〗(1-4) s.t.
g(u,v)≤0 .
واضح است كه مدل دو سطحي از دو زير مدل تشكيل شده است: U0 كه به عنوان مساله سطح اول يا سطح بالا19 و L0 كه به عنوان مساله سطح دوم يا سطح پايين20 تعريف ميشود. F و u در مساله U0 به ترتيب تابع هدف و بردار متغيرهاي تصميم طراحي شبكه براي تصميمگيران سطح بالا يا مسیولانشبكه و G مجموعه محدوديتهاي اين مساله است. f و v در مسالهL0 به ترتيب تابع هدف و بردار متغيرهاي تصميم براي كاربران شبكه و g مجموعه محدوديتهاي مرتبط هستند، وv(u) معمولاً تابع عكسالعمل يا پاسخ ناميده ميشود. اين تابع متغيرهاي عكسالعمل كاربران را به ازاي متغيرهاي پارامتري شده طراحي شبكه u محاسبه ميكند. متغيرهاي عكسالعملu كاربران عموماً شامل جريانهاي ترافيكي و گاهي تقاضاي هر يك از مدهاي حمل نيز هستند. v(u) تابعی ضمنی است و به صورتی صريح و در قالب يك تابع قابل نمايش نيست. لذا آن را به صورت يك مدل رياضي و در سطح پايين مدل اصلي نمايش ميدهند. در واقع، به ازاي هر سناريوي طراحي شبكه، نياز است كه از طريق حل مساله سطح پايين مقادير متغيرهاي مربوط به عكسالعمل كاربران محاسبه شود. هدف مساله دو سطحي، يافتن بردار تصميم u* است، به طوريكه تابع هدف سيستم F، با توجه به محدوديتهاي داده شده براي طراحي شبكه و همچنين پاسخ كاربران در برابر تصميمات طراحي شبكه مورد نظر بهينه شود. مدل سطح بالا با توابع هدف، محدوديتها و متغيرهاي گوناگون قابل مدل سازی است كه در بخش بعدی به آنها می پردازیم.
مدل سطح پايين معمولاً در قالب يك مدل بازي تعادلي نش-كورنت21مدل سازی ميشود كه در آن كاربران برای استفاده از شبكه حملونقل شهري، در قالب جريانهاي ترافيكي با يكديگر رقابت ميكنند. نتيجه تعادل در رقابت، جريانات ترافيكي در شرايط تعادلي هستند كه در شبكه تخصيص داده ميشوند (پيوست الف).
محدوده پروژه
مساله پیشنهادی، در حوزه مسایل طراحی شبکه حمل ونقل شهری جای میگیرد. در علم حمل ونقل، ساخت و احداث تسهیلات ثابت حمل ونقل بر عهده مهندسین عمران است. در حالی که برنامه ریزی و طراحی بهینه سیستمهای حاکم بر این شبکه بر عهده مهندسین برنامه ریزی و صنایع است.در این پایان نامه از یک مدل دوسطحی استفاده می کنیم. در میان مسایل مطرح در مورد طراحی شبکه حمل ونقل شهری، مسایل جهتدهی معابر، تخصیص خطها برای افزایش ظرفیت معابر و برنامه ریزی چراغ راهنمایی بررسی خواهند شد.
مرور بر ادبيات و پیشینه تحقیق
در اين فصل، مطالعات مرتبط با مسایل طراحي شبكههاي حملونقل شهري با رويكرد مطالعات انجام شده در اين پایان نامه بررسي می شوند. مطالب اين بخش در برگيرنده بررسي مطالعات قبلي انجام شده در زمينه مسایل RNDPخواهند بود.
مرور مطالعات انجام شده در زمينه RNDP
مطالعات مرتبط با طراحي شبكه معابر شهري از نظر نوع متغيرهاي تصميم، توابع هدف، تقاضاي سفر و نوع مساله تخصيص سفر قابل طبقهبندي هستند. در ]10[، مروری بر تعاریف،طبقه بندی، محدودیتها، متغیرهای تصمیمگیری و روشهای حل مسایل UTNDP) طراحی شبکه های حمل و نقل شهری( انجام شده است. بررسي جامعي در مورد مسایلRNDP و ويژگيها و متدولوژيهاي حل آنها در ]8[ انجام شده است. در اين مطالعه، ويژگيهاي گوناگون اين مسایل از نظر متغيرهاي تصميم، نوع توابع هدف و روشهاي حل آنها تقسيمبندي و بررسي قرار گرفته است. همچنين، در ]11[،]12[و ]13[ نيز مروري بر روشهاي حل مسایل دو سطحي طراحي شبكه انجام شده است. مسایل مطرح در حوزه RNDP را ميتوان از نظر ويژگيهاي مساله به شرح زیر طبقهبندي کرد.
متغيرهاي تصميم: همانگونه كه در بخش تعريف مساله اشاره شد، مسالهRNDP بر اساس نوع متغيرهاي تصميم شبكه در سه قالب متغيرهاي گسسته، پيوسته و تركيبي مطرح ميشود.
متغيرهاي گسسته: شامل افزودن معابر جديد به شبكه، افزودن خط به دو طرف معابر موجود، تعريض يا افزايش ظرفيت معابر در قالب افزودن يك مقدار حقيقي، تعيين تخصيص خطها در دو سوي معابر دو طرفه، تعيين یک طرفه يا دو طرفه بودن معابر.
متغيرهاي پيوسته: شامل افزايش ظرفيت معابر در قالب مقادير پيوسته، تنظيم چراغهاي راهنمايي، تنظيم عوارض قابل اخذ براي عبور از برخي معابر (به طور عمده بزرگراهها).
متغيرهاي تركيبي: تركيبي از متغيرهاي بالا.
نوع تقاضاي سفر:
تقاضاي ثابت22: در اين حالت فرض ميشود که ميزان تقاضا بين هر دو نقطه در شبكه معين و ثابت است.
تقاضاي متغير يا الاستيك23: در اين حالت، تقاضاي بين هر دو نقطه از شبكه به صورت تابعي از زمان سفر يا هزينه بين آن دو منظور ميشود. به طور سنتي بیشتر مطالعات موجود در ادبيات مسایلRNDP، با فرض تقاضاي ثابت مدل سازی ميشوند. به موازات اين مدل‌هاي سنتي، مطالعاتي نيز هستند كه طراحي شبكه را با فرض تقاضاي متغير بررسي می کند. فرض تقاضاهاي سفر متغير واقعيتر از فرض ثابت بودن آنهاست، زیرا با تغيير در طراحي شبكه مورد نظر، تقاضاي سفر براي استفاده از خودرو يا ساير وسايلنقليه شخصي به يك سطح جديد شيفت می یابد]8[. به طور مثال، ممكن است که با افزايش ازدحام در شبكه، افراد تمايل كمتري به استفاده از خودرو داشته باشند و به سوي ساير روش‌هاي حمل (مثلاً مترو) سوق یابند يا زمان‌هاي سفر غيرضروري را به زمان‌هاي ديگري غير از ساعات ازدحام موكول كنند، يا اين كه از برخي سفرها به طور كلي صرفنظر كنند.
تقاضاي تصادفي24: در اين حالت، تقاضاي بين هر دو نقطه از يك تابع توزيع تصادفي پيروي ميكند.
توابع هدف:
توابع زیر توابعي هستند كه به طور عمومي در اكثر مطالعات استفاده شده اند، هر چند ممكن است که در مواردي اهداف دیگری نيز مطرح شوند.
کمینهسازی تابع هزينه سفر: در اين حالت، كل هزينه سفر كه عبارتست از مجموع حاصل ضرب جريان هر معبر در زمان يا هزينه مورد نياز براي طي آن کمینه ميشود. قريب به اتفاق مطالعات انجام شده در رابطه با طراحي شبكه حملونقل اين تابع را در مساله منظور كردهاند.
بیشینهسازی ظرفيت ذخيره25 شبكه: مفهوم ظرفيت ذخيره شبكه براي اوخط بار به منظور اندازهگيري عملكرد و طراحي زمانبندي در تقاطعهاي چراغ راهنمايي مطرح شد. به شيوهاي مشابه، ميتوان اين مفهوم را در مورد مسایلRNDP براي پيش بيني ميزان افزايش تقاضاي قابل تحمل در شبكه پس از بهبود آن به كار برد. محاسبه ظرفيت ذخيره به اين معني است كه با در نظر گرفتن يك تقاضاي برآوردي ثابت براي شبكه، بيشترين افزايش قابل اعمال در تقاضاي سفر در شبكه (به صورت ضريبي در كل ماتريس سفرها) محاسبه شود، به طوريكه جريان محاسبه شده معابر پس از افزايش تقاضا، از ظرفيت تعيين شده براي آنها بيشتر نشود.
بیشینهسازی مازاد مصرف26: با فرض قابل تغيير بودن تقاضا در شبكه، کمینه سازی هزينه سفر براي مساله سطح بالاهدف مناسبي نیست. در اين حالت، شكل قابل قبولتري از شبكه عبارتست از بیشینه سازی مازاد مصرف.
توابع هدف دیگر: به غير از توابع هدف یادشده، از توابع ديگري نيز در برخي مطالعات استفاده شده اند كه از آن جمله ميتوان به مجموع هزينههاي ايجاد و توسعه معابر، ميزان مصرف سوخت، آلودگي هوا و مواردی مشابه اشاره کرد.
رويه تخصيص سفر (پيوست الف):
تخصيص سفر در قالب يك مساله سطح پايين تخصيص سفر تعادل كاربر.
تخصيص سفر در قالب يك مساله سطح پايين تخصيص سفر تعادل سيستم.
تخصيص سفر در قالب يك مساله سطح پايين تخصيص سفر تعادل كاربر تصادفي.
تخصيص سفر در قالب تخصيص همه يا هيچ.
مسایلRNDP عموماً با وروديها و محدوديتهاي زیر مطرح ميشوند.به طور كلي، وروديهاي مسالهRNDP به شرح زیر هستند:
توپولوژي شبكه معابر شهري
ميزان تقاضاي سفر برآورد شده بين هر يك نقاط شبكه در واحد زمان تعيين شده
ويژگيهاي معابر از قبيل ظرفيت، تعداد خطها، تابع زمان سفر آنها
مشخصات گزينههاي نامزد براي بهبود شبكه
ميزان بودجه در دسترس براي بهبود شبكه
حرکات مجاز در هر مرحله از مراحل تقاطع چراغ دار
محدوديتهايي كه معمولاً در اينگونه مسایل مد نظر قرار ميگيرند، بدین شرحند:
محدودیت های فنی:
محدودیتهای اتصال: باید بین هر مبدا-مقصد دست کم یک مسیر وجود داشته باشد.این محدودیت باعث میشود که از ایجاد شبکههای نامتصل جلوگیری شود.
محدودیت شبکه: به هر گره دست کم یک لینک وارد و دست کم یک لینک از آن خارج شود (در واقع، این دو محدودیت مانع از ایجاد یک شبکه ناهمبند می شوند).
کمینه و بیشینه زمان دور، زمان سبز، جریان و از این قبیل.
محدودیتهای خارجی: این محدودیتها کرانی را برای متغیرها تعیین میکنند. البته، این محدودیتها می توانند در مساله در نظر گرفته نشوند که این بستگی به ساختار مساله دارد.
محدوديت هزينه كل بهبود شبكه.
محدوديت حداكثر و حداقل افزايش ظرفيت قابل اعمال براي هر يك از معابر.
حداکثر سطح ایجاد انتشار آلودگی هوایی.
حداکثر سطح آلوگی صوتی.
محدوديت تخصیصی: این محدودیتها همواره در مسایلRNDP وجود دارند.
اثرات متقابل عرضه و تقاضا
بيشتر نبودن جريانهاي عبوري از معابر از ظرفيت آنها كه اين محدوديت در مورد توابع هدف افزايش ظرفيت ذخيره كاربرد دارد.
بخش اعظم مطالعات صورت گرفته در رابطه با RNDP، مربوط به مسایلCNDP است. يكي از علتها برای گستردگي مطالعات در اين زمینه، پيوستگي دامنه متغيرهاست كه امكان به كارگيري رويههاي مدل سازی و روشهاي حل متفاوتتري را نسبت به ساير مسایل فراهم ميآورد. اما در مورد مسایلDNDP در استفاده از روشهاي حل معمول مسایل خصوصاً روشهاي مبتنی بر مشتقگيري محدوديتهاي زيادي وجود دارند. در هر حال، خود مسایل CNDP از نظر حجم محاسباتي مورد نياز يكي از مشكلترين مسایل در علم حملونقل هستند. مسالهCNDP معمولاً در ادبيات با در نظر گرفتن افزايش ظرفيت معابر به صورت يك متغير پيوسته است كه براي هر يك معابر يك کران بالا و يك کران پايين براي ميزان افزايش ظرفيت قابل اعمال تعريف ميشود. در برخي از مطالعات نيز تركيب اين تصميم با تنظيم چراغهاي راهنمايي يا تعيين عوارض عبور از معابر مطرح ميشود. اغلب مطالعات CNDP اقدام به توسعه روشهاي مختلف براي حل مسالهکردهاند و تعريف مسایل مورد مطالعه اغلب مشابه است.
مطالعات انجام شده در زمينه مسایلDNDP نسبت به CNDP محدودتر هستند كه همان گونه كه قبلاً نيز اشاره شد، اين امر به دليل پيچيدگي مضاعف مساله ناشي از حضور متغيرهاي گسسته است. بخشي از مطالعاتDNDP در قالب ادبيات كلاسيك مسایل RNDP ميگنجد كه از همان ابتدا و همزمان با CNDP مورد توجه محققان بوده است. متغيرهاي عمده مورد بررسي در اين مسایل متغير ايجاد معابر جديد در شبكه و يا افزايش ظرفيت معابر موجود در قالب متغيرهاي گسسته است، كه اغلب به صورت متغير صفر و يك، كه نشانگر انتخاب يا عدم انتخاب پروژه بهبود است، مطرح ميشوند. اين تصميمات به تنهايي يا در تركيب با يكديگر منظور ميشوند. بخش دیگر مطالعات، جهت به معابر و تخصيص خطها در دو طرف معابر را به تنهايي و يا در تركيب با يكديگر بررسي می کنند. اغلب اين مطالعات به جاي تخصيص سفر تعادلي، از تخصيص سفر همه يا هيچ استفاده کرده اند. قريب به اتفاق روشهاي حل مورد استفاده در مسایل DNDP از نوع ابتكاري يا بالا ابتكاري هستند.
سومين گروه از مسایل RNDPمسایل MNDP هستند. مطالعات انجام شده در اين زمينه بسيار اندك است كه اغلب آنها به دهه اخير باز ميگردد. تصميمات مطرح در اين مسایل تركيبات متنوعي از تصميماتCNDP و DNDP است. خلاصه مطالعات انجام شده در زمينه RNDP در جدول ‏21آمده است.
در جدول 2-1، تقاضاي ثابت با F، تقاضاي الاستيك با E، تخصيص تعادل كاربر قطعي با DUE و تخصيص تعادل كاربر تصادفي با SUE نشان داده شدهاند.
جدول ‏21- خلاصه مطالعات انجام شده در زمينه MNDP
رديفنام مرجعمتغيرهاي تصميمتقاضامساله سطح پايينتوابع هدفروشهاي حلپيوستهگسستهافزايش ظرفيت معابر موجودتنظيم چراغهاي راهنماييتعيين عوارض عبور از معابریک طرفهکردن تواليهايي از معابرايجاد معابر جديدیک طرفه کردن برخي از معابرتخصيص خطها در دو طرف معابرافزایش ظرفیت معابر1يانگ و بل ]14[●●FDUEEnumeration Scheme with Other Methods2كانتارلا و همكاران ]15[●●FDUEکمینه سازی هزينه كل سفرهاSimulated Annealing, Tabu Search,
Genetic Algorithm,
Hybrid Metaheuristics3كانتارلا و ويتتا]16[●●●EDUE- کمینه سازی زمان كل و زمان سفر در پيادهروها
– کمینه سازی ميزان خروج گاز مونوكسيد كربن
– کمینه سازی تعداد كاربراني كه خارج از محدوده مقصد خودرو را پارك ميكنند
– بیشینه سازی تعداد كاربراني كه به استفاده از حملونقل عمومي رو ميآورند
– کمینه سازی كل زمان سفرها با حملونقل عموميGenetic Algorithm4دمیتریو و همکاران]17[●●ESUEبیشینهسازی سودGenetic Algorithm5ژانگ و گاوو ]18[●●FDUEکمینهسازی هزينه كل سفرهاGradient Based with Penalty Function Method6گالو و همكاران ]19[●●FDUEکمینهسازی هزينه كل سفرهاGenetic Algorithm7لواسپ و همکاران]20[●●FSUEکمینهسازی هزينه كل سفرهاCutting Constraint Algorithm
از آنجايي كه محوريت مسایل مورد مطالعه در اين پایان نامه، بهینهسازی سیگنال چراغ راهنما و یک طرفه يا دو طرفه کردن معابر در قالب ظرفیت ذخیره است، لذا ابتدا به تشريح و بررسي اين مسایل پرداخته شده و سپس ارتباط آن با ساير مسایل مطرح در زمينه RNDPمورد تحليل قرار خواهد گرفت. در نهايت مسایل طرح شده در اين پایان نامه، با توجه به نوآوري و توسعههاي قابل ارایه معرفي خواهند شد.
مسایل طراحی تنظیمات سیگنال27(SSDP)
طرحهای سیگنال ترافیکی از دو بخش تشکیل شداند. بخش اول تصمیمگیری درمورد حرکات مجاز در هر فاز است تا مانع درگیری و برخورد شود. این تصمیمها بر عهده متخصصین و مهندسین ترافیک است. بخش دیگر مربوط به زمان بندی سیگنال است که شامل تعیین زمان چرخه، نرخ موثر سبز و… است. زمان بندی سیگنال با هدف کاهش تاخیر در تقاطعها انجام میشود. در این پایان نامه، بر روی بهینهسازی زمان بندی نرخ موثر سبز کار میشود.
در شبکههای شهری بیشتر زمان سفر در تقاطعها (تاخیر) سپری میشود. از این رو، بهینهسازی تقاطعهای کنترلی میتواند عملکرد شبکه های حمل ونقل را بهبود بخشد. مساله بهینهسازی تنظیمات سیگنال یا مساله طراحی تنظیمات سیگنال نوع خاصی از مسایل NDP هستند که در آن تنظیمات سیگنال (تعداد فازها، طول دور، زمان موثر سبز و…) نقش متغیر تصمیم را دارند، در حالیکه ویژگیهای توپولوژیکی شبکه (پهنا، تعداد خط، جهت معابر و …) در آنها ثابت هستند.
در مسایل طراحی تنظیمات سیگنال که یک مسالهNDP است، جریانها در معابر، متغیرها ضمنی هستند. طراحان نمیتوانند به طور مستقیم آنها را اصلاح کنند ولی میتوانند به طور غیر مستقیم با تغییر مقادیر متغیر تصمیم بر آنها اثر گذار باشند.
دو رویکرد کلی برای حل مسایل طراحی تنظیمات سیگنال وجو دارند که عبارتنداز:
رویکرد بهینهسازی موضعی.
رویکرد بهینهسازی سراسری.
در کارهای]15[،]21[،]49[و]50[ فرمولبندیهای کلی از مسایل طراحی تنظیمات سیگنال با توجه به دو رویکرد بالا موجودند.
می توان به مساله ترکیبی تخصیص سفر و تنظیم چراغ ها به صورت یک مساله طراحی شبکه دو سطحی نگریست، به نحوی که متغیر های تنظیم چراغها به عنوان یکی از متغیرهای سطح بالای مدل بررسی شود.تحقیقات زیادی در ارایه مدل و روشهای حل برای این نوع مساله دوسطحی طراحی شبکه ارایه شده اند.
رویکرد بهینه سازی موضعی]50[
روش بهینهسازی موضعی تنظیمات سیگنال28 در واقع یک روش حل متوالی تکراری بین مساله تخصیص تعادلی و بهینهسازی تنظیمات سیگنال است. این روش، با یک مقدار اولیه از تخصیص (جریان) شروع میشود و الگوریتم سعی میشود که با حل متوالی مساله تخصیص و مساله تنظیم سیگنال به یک جواب بهینه برسد. این تکرار تا رسیدن به همگرایی ادامه می یابد. در این روش هیچ تضمینی برای رسیدن به جواب بهینه وجود ندارد.
رویکرد بهینه سازی سراسری]50[
در روش بهینهسازی موضعی پارامتر های سیگنال هر تقاطع با توجه به کمینه سازی تابع هدف در هر تقاطع محاسبه میشوند، در حالی که در روش بهینهسازی سراسری تنظیمات سیگنال 29 پارامترهای سیگنال و جریان از طریق کمینهسازی تابع هدف کل شبکه بدست میآیند. به دلیل استفاده از گرادیان در محاسبه جریان تعادلی در هر تقاطع، این روش به زمان محاسباتی بسیار بالا نیاز دارد. زمان محاسباتی برای مسایلی باحداکثر 10 تقاطع قابل قبول است، این روش برای مسایلی بزرگتر با توجه به زمان محاسباتی بالا کاربردی نیست.
مفهوم ظرفیت ذخیره سیستم
ظرفيت ذخيره را ميتوان در قالب بزرگ ترين ضريب قابل اعمال در ماتريس تقاضاي سفر تعريف کرد، به طوري كه جريانهاي عبوري تخصيص داده شده افزايش يافته، از معابر از ظرفيت جريان معابر بيشتر نشود. معمولاً ظرفيت جريان معابر به عواملي چون تعداد خطهاي معبر، عرض معبر و شكل هندسي آن، برنامه زماني چراغهاي راهنمايي تعبيه شده براي معبر و مواردي از اين قبيل بستگي دارد. بیشینهسازی ظرفيت ذخيره عبارتست از بیشینه کردن بزرگ ترين ضريب قابل اعمال در ماتريس تقاضاي سفر. مفهوم ظرفيت ذخيره به منظور پيشبيني ميزان افزايش تقاضاي قابل تحمل در شبكه به کار ميرود.
در ]22[، یک فرمولبندی صریح برای محاسبه ظرفیت ذخیره یک تقاطع دارای چراغ ارایه شد.آلسوپ]23[ تعریف ظرفیت ذخیره را برای یک تقاطع ارایه کرد و یک مدل برنامه ریزی خطی برای تعیین ظرفیت ذخیره در شرایط پیچیدهتر یک تقاطع منفرد دارای چراغ ارایه کرد.این برنامه ریزی خطی بعدها توسط یاگار]24[ بسط داده شد.
یانگ و وانگ]25[ برای اولین بار از مفهوم ظرفیت ذخیره در تابع هدف یک مساله طراحی شبکه دارای چراغ راهنمایی استفاده کرد.آنها یک مدل دوسطحی را با تابع هدف بیشنیهسازی ظرفیت ذخیره برای محاسبات خود ارایه کردند که به تنظیمات چراغ های راهنمایی می پردازد. مفهوم ظرفیت ذخیره در مطالعات پیش از آن، تنها برای یک تقاطع منفرد دارای چراغ به کاربرده میشد. این مفهوم بیشتر برای اندازه گیری عملکرد و طراحی زمانی یک تقاطع به کار میرفت. مطالعات اولیه در زمینه معرفی ظرفیت ذخیره را قبلاً بیان کردیم.
یانگ و بل ]8 [ضمن باز معرفی تضاد براییس، استفاده از مفهوم ظرفیت ذخیره را به عنوان روشی جهت رویارویی با این تضاد معرفی کردند.در این تحقیق، به مزایای استفاده از ظرفیت ذخیره به عنوان تابع هدف اشاره شده است:
با استفاده از فرمولبندی بر پایه ظرفیت ذخیره میتوان میزان تقاضای اضافه شده به سیستم را که با اعمال تغییراتی در شبکه مانند افزایش معابر جدید یا افزایش ظرفیت معابر موجود به وجود می آید، به منظور اخذ سیاست های جدید در راستای رشد سیستم مشخص کرد.
تابع هدف سطح بالاتر در این مورد یک صورت ساده خطی دارد و بنابراین برای حل نسبت به دیگر انواع مسایل طراحی شبکه موجود راحتتر است.
تابع هدف بیشینهسازی ظرفیت ذخیره سیستم موجب میشود که طراحان سیستم تمایل بیشتری برای سرمایه گذاری در معابر با نرخ جریان بر ظرفیت بیشتر نشان دهند.
استفاده از این تابع هدف موجب جلوگیری از وقوع تناقض ظرفیت میشود که در همین تحقیق معرفی شد.
نویسندگان در ]26[ کار با ارزشی در این زمینه ارایه دادند. پایه مطالعات تحقیق آنها بر اساس کار]25[ بوده است. اختلاف کار آنها با کار ارایه شده پیشین در دو مطلب خلاصه میشود. اول این که در مقاله پیشیین مقدار ضریب تقاضای ماتریس مبدا-مقصد برای همه دارایههای ماتریس یکسان در نظر گرفته شده بود که این مقدار پس از تنظیم سیگنالهای ترافیکی همه تقاطعها بدست میآمد. اما در شرایط واقعی، موقعیت هر تقاطع با دیگری متفاوت است (از نظر میزان جمعیت منطقه درآمدها، تعداد مسیرهای مورد انتخاب برای کاربران،تعداد تقاطعها در یک مسیرو غیره) بنابراین، از آنجا که بیشترین سطح ازدحام ترافیک در برخی (نه همه) خیابانها



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید