بهينه‌سازي زمان‌بندي حركت و توقف قطارهاي مترو با استفاده از الگوريتم NSGA-II براي كاهش زمان سفر و افزايش كارآيي اقتصادي و زيست‌محيطي سيستم

Optimization of Subway Trains Service Schedule Using NSGAII in order to Decrease Passengers Travel Time, System Economic Loss and Energy Consumption

در طراحي و توسعه سيستم‌هاي حمل‌ونقل عمومي مانند راه‌آهن شهري، علاوه بر طراحي مسير شبكه و مكان ايستگاه‌ها، ارائه زمان‌بندي حركت ناوگان نيز مرحله‌اي از طراحي است. در زمان‌بندي مترو، جدا از فاصله زماني ميان ورود دو قطار متوالي به ايستگاه‌ها، متغيرهايي مانند مدت‌زمان شتاب‌گيري قطارها در شروع حركت بين دو ايستگاه، اندازه شتاب حركت آنها، مدت‌زمان ترمز گرفتن آنها در پايان حركت بين دو ايستگاه، اندازه شتاب آنها در هنگام ترمز و مدت‌زمان توقف آنها در ايستگاه‌ها، تأثير بسزايي در معيارهاي زمان‌بندي مانند مدت‌زمان سفر مسافران، هزينه‌هاي شركت بهره‌برداري مترو و انرژي مصرف شده توسط قطارها دارد. از آنجايي كه معيارهاي مذكور در تضاد با يكديگر هستند، در اين مطالعه سعي شـده است با استفـاده از الگوريتـم NSGAII، بهينه‌سازي زمان‌بندي حركت و توقف قطارهاي خط 1 متروي تهران انجام گيرد. براي اين كار، پس از مدل‌سازي مسئله و طراحي توابع هدف بهينه‌سازي مطابق با معيارهاي موردنظر در طراحي، راه‌حل‌هاي واقع در سطح پارتو مسئله به دست آمد. به علت تعداد زياد راه‌حل‌ها، با استفاده از تحليل KMeans خوشه‌بندي راه‌حل‌ها صورت گرفت و مراكز خوشه‌ها به عنوان راه‌حل‌هاي كانديد كه در اختيار مدير تصميم‌گيرنده قرار مي‌گيرد، مشخص شد. با بررسي نتايج به دست آمده، مي‌توان نتيجه گرفت كه روش ارائه شده در اين تحقيق، مجموعه‌اي از راه‌حل‌هاي متنوع را در اختيار تصميم‌گيرنده مي‌گذارد كه وي مي‌تواند بسته به اهميت هر كدام از سه معيار زمان، هزينه و انرژي مصرف‌شده، در شرايط مختلف راه‌حل ترجيح داده شده را برگزيند. در مرحله آخر، با مقايسه توابع هدف به ازاي راه‌حل‌هاي كانديد با زمان‌بندي كنوني، راه‌حل ترجيح داده شده انتخاب شد. نتايج اين مطالعه نشان مي‌دهد كه بكارگيري اين راه‌حل در مقايسه با زمان‌بندي كنوني، زمان سفر مسافران و هزينه ناشي از خالي ماندن ظرفيت قطارها را به ترتيب تا 16/7 و 13/5 درصد كاهش مي‌دهد.

Scheduling vehicles’ runtime and dwell time is one important phase of designing and developing public transportation systems. Apart from trains’ headway time in subway systems, parameters such as time and rate of acceleration when trains startup or brake and also their dwell time at stations influence scheduling design criteria including passengers travel time, economic efficiency of the service and the amount of energy consumed. Since these criteria are not positively correlated, Tehran subway line no. 1 service schedule has been optimized using NSGAII in this study. To achieve this goal, the problem was modelled first and objective functions of optimization procedure were formulated based on scheduling criteria. Then, by performing the multiobjection algorithm, solutions occurred on the Pareto Front was obtained. Since the number of solutions obtained by NSGAII are numerous, KMeans analysis was used to cluster solutions. Centroids of each cluster could be considered as candidate solutions that one of them will be chosen by decision makers as the preferred solution. Results of the study show that using the suggested approach would output a wide variety of solutions and provide possibility of choosing the final solution based on decision preferences for the decision maker. Calculated objective functions for candidate solutions were compared with those for current subway schedule that resulted in the preferred solution to be chosen which leads to passengers travel time and economy loss of the system decreasing by 7.16 and 5.13 percent respectively.