پروژه های پژوهشی در مورد بهینه سازی ظرفیت ترافیک شبکه جاده ای شهری با افراز خطوط جاده ای ...

ارسال شده در 29 مهر 1400 توسط نجفی زهرا در بدون موضوع

در شبکه های شهری بیشتر زمان سفر در تقاطعها (تاخیر) سپری می شود. 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 نمی توانند 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:

1. رویکرد بهینهسازی موضعی.

1. رویکرد بهینهسازی سراسری.

در کارهای]۱۵[،]۲۱[،]۴۹[و]۵۰[ 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 ارائه مدل و روشهای حل برای این نوع مساله دوسطحی طراحی شبکه ارائه شده اند.

رویکرد بهینه سازی موضعی]۵۰[

روش بهینهسازی موضعی تنظیمات سیگنال^[۲۸] 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 می شود و الگوریتم سعی می شود 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]۵۰[

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 ^[۲۹] 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 ۱۰ تقاطع قابل قبول است، این روش برای مسایلی بزرگتر با توجه به زمان محاسباتی بالا کاربردی نیست.

مفهوم ظرفیت ذخیره سیستم

ظرفیت ذخیره را میتوان در قالب بزرگ ترین ضریب قابل اعمال در ماتریس تقاضای سفر تعریف کرد، به طوری که جریانهای عبوری تخصیص داده شده افزایش یافته، از معابر از ظرفیت جریان معابر بیشتر نشود. معمولاً ظرفیت جریان معابر به عواملی چون تعداد خطهای معبر، عرض معبر و شکل هندسی آن، برنامه زمانی چراغهای راهنمایی تعبیه شده برای معبر و مواردی از این قبیل بستگی دارد. بیشینهسازی ظرفیت ذخیره عبارتست از بیشینه کردن بزرگ ترین ضریب قابل اعمال در ماتریس تقاضای سفر. مفهوم ظرفیت ذخیره به منظور پیش بینی میزان افزایش تقاضای قابل تحمل در شبکه به کار میرود.
در ]۲۲[، یک فرمولبندی صریح برای محاسبه ظرفیت ذخیره یک تقاطع دارای چراغ ارائه شد.آلسوپ]۲۳[ تعریف ظرفیت ذخیره را برای یک تقاطع ارائه کرد و یک مدل برنامه ریزی خطی برای تعیین ظرفیت ذخیره در شرایط پیچیدهتر یک تقاطع منفرد دارای چراغ ارائه کرد.این برنامه ریزی خطی بعدها توسط یاگار]۲۴[ بسط داده شد.
یانگ و وانگ]۲۵[ 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 ارائه 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 ]۸ [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 بهره گرفتن 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 می شود که در همین تحقیق معرفی شد.

نویسندگان در ]۲۶[ کار با ارزشی در این زمینه ارائه دادند. پایه مطالعات تحقیق آنها بر اساس کار]۲۵[ بوده است. اختلاف کار آنها با کار ارائه شده پیشین در دو مطلب خلاصه می شود. 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 و تقاطعها رخ میدهد، در این تحقیق مقدار ضریب تقاضای برای همه جفت مبادی و مقاصد یکسان فرض نشده، بلکه به صورت یک بردار نمایش داده شده است.
تفاوت دوم اینست که در مدل سطح بالا که تحت تصمیم گیری طراحان سیستم است، علاوه بر بردار متغیر زمان سیگنالهای ترافیکی، بردار متغیر تصمیم گیری افزایش ظرفیت خیابانها نیز اضافه شده و بنابراین در این سطح بدنبال بیشنیهسازی مقدار ظرفیت ذخیره سیستم توسط روش ترکیبی است که شامل تنظیم سیگنالهای ترافیکی در تقاطعها و افزایش ظرفیت خیابانهای مختلف است.
نویسندگان در ]۲۷[ در یک مطالعه سودمند به مقایسه دو مفهوم ظرفیت ذخیره سیستم و زمان سفر برای کل کاربران شبکه در قالب دو تابع هدف بیشینهسازی ظرفیت ذخیره و کمینهسازی زمان سفر پرداختند. در این تحقیق، دو تابع هدف در مسایل جداگانه با پارامترهای یکسان و شبکه مشابه به کار گرفته شدند ومقدار بهینه هر یک در مساله مربوط به خود محاسبه شد. سپس، مقادیری متناسب با هر یک را به ازای مقدار بهینه دیگری بدست آوردند و با انجام مقایسات مختلف به نتایج جالبی دست یافتند. از جمله این که در شبکه ها با حجم تقاضای متوسط و کم، تابع هدف بیشنیهسازی ظرفیت تقاضا نتایج بهتری بدست می دهد. ولی با افزایش تدریجی حجم تقاضا در شبکه نتایج حاصل از دو تابع هدف به یک دیگر نزدیک می کردند.
کار آمده در ]۲۸[ مطالعه دیگری است که به حل مساله طراحی شبکه با هدف بیشینهسازی ظرفیت ذخیره در قالب کاهش زمان توقف و افزایش ظرفیت معابر می پردازد، با این تفاوت که برای حل مساله از مفاهیم ریاضی مانند شرایط کروش –کیون- تاکر^[۳۰] برای حل مدل استفاده کرده است. در این مطالعه، در مورد چراغ راهنمایی خیلی ریز به جزییات پرداخته و چندین عامل در نظر گرفته شد، از جمله زمان دور، زمان شروع و مدت زمان موثر رنگ سبز چراغ راهنماو از این قبیل. در این مقاله یک روش حل ترکیبی ارائه می شود که آن را ^[۳۱]SET نامیده است و ادعا می شود که در مقایسه با روش های حل ارائه شده پیشین جواب بهتری بدست می دهد.
در]۲۹[ مساله پیدا کردن بیشینه افزایش ممکن در تقاضا سفر و تعیین میزان افزایش بهینه ظرفیت خیابانها را با استفاده ازمفهوم ظرفیت ذخیره برای تقاطعهای کنترلی فرمولبندی شد. برای حل مساله در نقاط کروش –کیون- تاکر روش پیش بینی گوس-نیوتون را ارائه کرد. دو نوع مساله ریاضی با محدودیت تعادلی برای حل کمینهسازی تاخیر و بیشنیهسازی ظرفیت ذخیره ارائه شد. روش گوسی-نیوتون ارائه شده، قابلیت حل کمینه سازی تاخیر در طراحی شبکه با چراغ راهنما و افزایش ظرفیت معابر را داراست. مسایل عددی کارایی و توانمندی SET ارائه شده در حل مسایل طراحی شبکه با چراغ راهنما را نشان داده اند، در حالی که ظرفیت ذخیره شبکه بر اساس کمینه سازی زمان تاخیر تنظیمات سیگنال بدست میاید.
چنانچه که در بخش مرور ادبیات اشاره شد، در قریب به اتفاق مطالعات صورت گرفته، غلبه با تابع هدف کمینهسازی زمان کل یا هزینه کل سفر کاربران در سطح شبکه بوده است. اما بیشینهسازی ظرفیت ذخیره به عنوان یکی از توابع هدف ارائه شده برای مسایل RNDP در معدودی از مطالعات درنظرگرفته شده است.
معمولا از ظرفیت ذخیره در مسایل طراحی شبکه پیوسته استفاده می شود. میاندوآبچی]۳۰[ برای اولین بار از مفهوم ظرفیت ذخیره در یک مسالهDNDP استفاده کرد. وی طراحی جهت خیابانها، تعیین تعداد خط اضافه شده به شبکه برای افزایش ظرفیت معابر شبکه را با توجه به مفهوم ظرفیت ذخیره رافرمولبندی و برای حل مدل دوسطحی ارائه شده از روشهای بالا ابتکاری استفاده کرد.
بهینهسازی ظرفیت ذخیره در حالت تک هدفی در ترکیب با جهتدهی معابر و افزایش ظرفیت معابر در قالب متغیر گسسته و با در نظر گرفتن تنظیم چراغهای راهنمایی در تقاطعها توسط خوبان]۴۴[ مطرح شد. در مطالعه انجام شده در ]۴۴[، افزایش ظرفیت معابر به صورت تصمیم صفر و یک (افزایش یا عدم افزایش ظرفیت معبر) منظور شده است، در حالی که در این پایان نامه افزایش ظرفیت به صورت متغیر عدد صحیح در نظر گرفته می شود. هم چنین در]۴۴[ تخصیص خطها در معابر دو طرفه با محدودیت تقارن است که در مقابل در این پایان نامه در حالت نامتقارن مدلسازی می شوند. همچنین، روشهای حل توسعه یافته در این پایان نامه متفاوت هستند.
به طور طبیعی، محاسبه ظرفیت ذخیره باید در هر مسیریابی ترافیکی انجام شود. وقتی تقاضای سفر در یک شبکه به حدی بالا می رود که به مرز اشباع آن نزدیک می شود، ازدحام ترافیک بر روی توریع جریان در مسیرهای شبکه تاثیر به سزایی می گذارد که این امر موجب ایجاد تغییر در الگوی جریان ترافیک و متعاقباً تغییر در مقدار ظرفیت ذخیره سیستم می گردد. بنابراین، الگوی جریان ترافیک و ظرفیت ذخیره بستگی به تنظیم سیگنالهای ترافیکی دارد. بنابراین، مسالهای که در این تحقیق با آن روبرو هستیم، یافتن بیشینه مقدار ممکن افزایش در تقاضای ترافیکی به وسیله تنظیم چراغ راهنمایی در تقاطعهای مختلف می باشد در حالی که به طور همزمان به یافتن رفتار کابران در انتخاب مسیر در سیستم می پردازیم.

یک طرفه یا دوطرفه کردن معابر و مسایل مربوط

چنان که در بخش تعریف مساله اشاره شد، تصمیم برای یک طرفه یا دوطرفه کردن معابر از جمله تصمیمات میانمدت در طراحی شبکه های حملونقل شهری است. در بدو طراحی و توسعه شبکه های حملونقل شهری به مفهوم امروزی، حرکت در خیابانها به صورت دوطرفه منظور میشد، اما پس از جنگ جهانی دوم و با توسعه شهرنشینی و در نتیجه افزایش حجم رفتوآمد شهری با خودروها، مساله یک طرفه کردن حرکت در خیابانها به عنوان یک رویکرد برای کاهش ترافیک و روانتر کردن حرکت خودروها در مسیرهای پررفتوآمد شهری مطرح شد]۳۱[. به طوری که طبق اشارات برخی منابع، این رویکرد ظرفیت ترافیکی خیابانها را بین ۱۰ تا ۲۰ درصد افزایش میدهد]۳۲[.
اگر چه این رویکرد تا سالها پس از آن به شدت مورد قبول برنامه ریزان ترافیک بود، اما در دهههای اخیر مقالات و مطالعاتی مدعی شده اند که به دلایلی که به آنها اشاره خواهد شد، خیابانهای دوطرفه، باید دوباره جایگزین خیابانهای یک طرفه شوند. از جمله معایب رویکرد خیابانهای یک طرفه، میتوان به موارد زیر اشاره نمود (]۳۲[،]۳۳[):