Multi-objective rapid transit network design

Abstract

Kent içi hızlı ulaşım ağı tasarımı, mevcut kentsel trafik şartlarında, ray hatlarının ve istasyonların konumlandırılacağı yerleri belirler. Diğer ulaşım tiplerine benzer bir şekilde hızlı ulaşım ağlarının, kent halkı üzerinde sosyal ve ekonomik etkileri bulunduğundan, tasarım ve yapım aşamalarında konuya dâhil olan birçok kişi tarafından dikkate alınması gereken birçok ölçüt vardır.Son yıllarda kentsel planlamada sürdürülebilirliğin önemi arttığından, uzmanlar daha çevre dostu çözümler bulmaya dikkat etmektedirler. Başta yoğun nüfuslu bölgeler olmak üzere birçok şehirde hava kirliliği araçlardan çıkan gazlarla ilişkilendirilir. Bu yan etkileri azaltabilmenin önemli bir yolu toplu taşımayı teşvik etmektir. Otobüs ve ya metrobüs gibi toplu taşıma araçları da zehirli gazlar saldığından dolayı, bu çalışma hızlı ulaşım ağları üzerine yoğunlaşmaktadır. Ancak bu tip ağların en belirgin özelliğinin, diğer toplu taşıma tiplerine oranla daha yüksek bir yatırım maliyetine sahip olması olduğunu belirtmek gerekir. Dahası, istasyon sayısı arttıkça, yapım maliyeti de artacaktır. Bu çalışmada, mevcut araç ağını da dikkate alarak, başlangıç ve bitiş noktaları önceden belirlenmemiş tek bir hattın tasarımı incelenmiştir. Problem, gaz salınımının ve yapım maliyetinin iki ayrı amaç olarak üst seviyede en azlanacağı, kullanıcıların trafik davranış eğilimlerinin ise alt seviyede incelendiği çok ölçütlü iki seviyeli bir model olarak tasarlanmıştır. Model, gidecekleri noktaya mümkün olan en kısa yolu seçerek gerçekçi davranacağı varsayılan kullanıcıların seçimlerini yansıtmaktadır. Baskın çözümleri bulabilmek amacıyla, NSGA-II çok ölçütlü evrimsel algoritması probleme uyarlanmış ve alt seviyedeki trafik atama problemini çözebilmek için de Frank-Wolfe Algoritmasının bir uyarlaması kullanılmıştır. Önerilen algoritma, literatürde çokça kullanılan bir probleme uygulanmış ve önemli çıkarımlar sunulmuştur.

Urban rapid transit network design consists of the location of train alignments and stations in an urban traffic context. There are so many criteria that may be taken into account by many decision makers that are involved in design and construction of these alignments because transit networks, like other types of transportation networks, have social and economical affects on the inhabitants of any city or region.Since the importance of sustainability in urban planning increases in the last decades, authorities pay attention to create more environment-friendly solutions. Air pollution in many cities in the world, especially in highly populated regions, is attributed to the emissions of vehicles. An important mean to reduce these side effects is to enhance public transportation. This study focuses on the design of rapid transit networks because public surface transportation with or without privileged lanes also release harmful gases most of the time. However, it should be noted that the most significant aspect of this type of networks is their required investment costs which are relatively higher than any other means. Moreover, the higher the number of stations involved in the alignment, the more costly the construction will be. In this study, the design of a single transit line with no predetermined origin and destination is investigated while considering the existing road network. The problem is formulated as a bi-level multi-objective optimization problem where the minimization of line investment and vehicle emissions are considered as two separate objectives at the upper level, and user traffic behavior is considered at the lower level. The model reflects the mode choice of the users which are assumed to act rationally by selecting the shortest time path to their destination. The well known multi-objective genetic algorithm NSGA-II is adapted so as to find non-dominated solutions of the problem, and a variant of Frank-Wolfe algorithm is used to solve the lower level traffic assignment problem. The proposed algorithm is applied on a benchmark problem existing in the literature and important insights are provided.