Sustainable stochastic traffic assignment with multiple objectives and user classes

Abstract

Ulaşımda sürdürülebilirlik, özellikle küresel ısınmanın ciddi bir problem haline gelmiş olmasından dolayı güncel ve önemli bir konudur. Bu kapsamda, ulaşımda sürdürülebilirliğe ilişkin ölçütler tanımlamak ve bunlardan faydalanarak ulaşım sistemlerinin performansını ölçmek ve verimliliklerini arttırmak büyüyen bir çalışma alanıdır. Bu çalışmada, kent içi ulaşım planlamasının trafik ataması aşaması için geliştirilen bir çözümün sürdürülebilirliğini değerlendirebilmek için bazı sosyal, çevresel ve ekonomik ölçütler ortaya konmuştur: ağdaki merkezlere erişilebilirlik, merkezlerin erişilebilirliğinde eşitlik, oluşan yol kazası sayısı, ulaşım araçlarının karbondioksit salınımı ve yaydıkları gürültü, bireylerin taşıma maliyetlerini bütçelerinden karşılayabilirlikleri. Ölçütler yardımıyla sürdürülebilir bir trafik ataması yapabilmek için iki seviyeli bir matematiksel model geliştirilmiştir. ?ki seviyeli modelin alt seviyesinde rastlantısal kullanıcı dengesi, bu denge modelinde de çok terimli logit seçim ve gelir seviyelerine göre kullanıcı sınıfları dikkate alınmıştır. ?ki seviyeli modelin üst seviyesinde ise sosyal, çevresel ve ekonomik amaçlar göz önünde bulundurularak her bir kullanıcı sınıfı için eniyi geçiş ücretleri belirlenmeye çalışılmıştır. Üst seviyede birden fazla amaç bulunmasından ve bu amaçların birbirleri ile çelişmesinden dolayı Pareto eniyi çözümler kümesi elde edilmeye çalışılmıştır. Bunun için çok amaçlı eniyileme problemlerinin çözümünde etkinliği gösterilmiş Baskın-Olmayan Sınıflandırmalı Genetik Algoritma kullanılmıştır. Genetik algoritmanın herbir iterasyonunda nesli oluşturan her birey (geçiş ücreti vektörü) için alt seviyeyi oluşturan rastlantısal kullanıcı dengesi probleminin çözülmesi gereklidir. Bunu etkili biçimde gerçekleştirebilmek içinse ağdaki yollar yerine bağlantıları göz önünde bulunduran ve bu sayede büyük çaplı problemlerin çözülmesine imkan veren Öz-Düzenlemeli Ortalamalar Yöntemi kullanılmıştır. Çalışmanın sonunda yazında iyi bilinen bazı ulaşım ağlarının verileri kullanılarak oluşturulan matematiksel modeller geliştirilen yöntemle çözülmüş ve elde edilen sonuçlar kapsamlı bir şekilde ele alınmıştır.Anahtar sözcükler : Sürdürülebilir trafik ataması, iki seviyeli programlama, Çok amaçlı eniyileme, Rastlantısal kullanıcı dengesi, Baskın-olmayan sınıflandırmalı genetik algoritma

As the global warming has become a major concern, the sustainability of transportation is an actual and crucial issue. Within this context, defining criteria in relation with the transportation sustainability and by using these criteria, measuring the performance of the transportation systems and increasing their efficiency is an active research area. In this study, we introduce some social, environmental and economic criteria to evaluate the sustainability of a solution developed for the traffic assignment stage of the urban transportation planning: accessibility to the network centers, equity in the accessibility to the centers, number of road accidents, carbon dioxide and noise emissions due to the transportation vehicles, and affordability of transportation for the individuals. Then, we develop a bilevel mathematical model to assign the traffic flow in a sustainable way by paying attention to these criteria. The lower level of our bilevel model includes the stochastic user equilibrium, and concepts such as multinomial logit choice and multiple user classes are considered at this equilibrium model. Our main aim is to identify each user class optimum toll pricing scheme at the upper level of the bilevel model while taking into account social, environmental and economic objectives. As multiple objectives exist at the upper level and these objectives are in conflict, we try to generate the Pareto optimum solution set. To achieve this, we use the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm which has a proven performance record for solving multiobjective optimization problems. At each iteration of the genetic algorithm, the stochastic user equilibrium problem is to be solved for each individual (toll pricing vector) of the current population. Consequently, we use the Self-Regulated Averages Method which enables to solve large size problems efficiently by concentrating on the network links instead of the network paths. Finally, we solve some well-known transportation network planning problems from the literature by using the developed solution method and elaborate on the obtained results.Keywords : Sustainable traffic assignment, Bilevel programming, Multiobjective optimization, Stochastic user equilibrium, Non-dominated sorting genetic algorithm