SUPERVISOR
Mohammad Tamannaei,Mohammad ReisiNafchi
محمد تمنایی (استاد راهنما) محمد رئیسی نافچی (استاد مشاور)
STUDENT
Amin Khosravi bizhaem
امین خسروی بیژائم
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی حملونقل
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Crew Scheduling Problem in Railway System (Case Study: Iranian Railway Network)
The aim of this study is to propose a comprehensive approach for optimally solving the crew scheduling problem in the railway system. In this approach, the passenger trip data of the railway network are as inputs. The problem is divided into three different phases. In the first phase, all the feasible sequence of trips (called pairings) are generated by using a depth-search algorithm. In the second phase, the optimal pairings are determined. These two phases are solved in a centralized manner for whole of the network. To select the optimal pairings in the second phase of railway crew scheduling problem, a mathematical model based on the crew transition was proposed. In this model, a penalty cost is considered for the crew transition. The penalty is applied such that not only reducing the number of crew transition, but also maintaining the search space. The third phase is performed, aiming to assign the crew groups to the optimal pairings and is locally solved for each of the passenger depots. In order to perform this phase, an innovative mathematical programming model is proposed, which is solved by software CPLEX 12. This model, specifies how to assign different pairings to the crew and how much the minimum required crew in each depot is. In this model, the best value for minimum and maximum depot workloads can be determined, through a sensitivity analysis on different levels of workloads. In the proposed model, the solutions for which, the crew workloads are less than their minimum allowable values, are considered as feasible solutions imposed by reasonable penalty costs. To evaluate the proposed algorithms and the models, the Iranian railway network with all its passenger trips is investigated. These trips are considered in two main outlines, with time horizons of four and six days, based on the specific constraints of Iranian railways. The long-haul trips were divided to two or more ones, considering the depots situated near the borders of the railway areas. The total number of trips for four-day and six-day scenarios were 1068 and 1602, respectively. For each of two mentioned scenarios, different values of the maximum pairing time were tested, aimed to specify the best time horizon, appropriate for Iranian railways. A comparison of scenarios shows that the scenario with a time horizon of 6 days and 28 hours for maximum pairings time, is an appropriate option for Iranian railway conditions. According to the results of the superior scenario, 19025 feasible pairings were produced at the first phase of the problem. In the second phase, to find the optimal pairings, the proposed transition model with different penalty coefficients was applied for all generated feasible pairings. According to the results, coefficient of 1 was selected as the best value for crew transition penalty in Iran. The results show that 727 optimal pairings were selected for the six-day planning horizon. In the third phase, the crew rostering is implemented separately for each passenger depot of the network. Since the origins and the destinations of the railway network trips are continuously changed, the proposed approach is able to prepare the optimal crew timetables in a reasonable time.
هدف از پژوهش حاضر، ارائه رویکردی کامل جهت برنامه ریزی و زمانبندی بهینه خدمه ناوگان در سیستم ریلی می باشد. در این رویکرد، اطلاعات سفرهای مختلف شبکه ریلی به عنوان ورودی مسئله زمانبندی خدمه در نظر گرفته می شوند و مسئله به سه فاز مجزا تقسیم می گردد. در فاز اول، کلیه مأموریتهای موجه با استفاده از یک الگوریتم جستجوی عمقی تولید می شوند و در فاز دوم، مأموریت های تشکیل دهنده جواب بهینه یافت می شوند. فازهای اول و دوم به صورت متمرکز برای مأموریت های موردنیاز در کل شبکه حل می شوند. جهت انتخاب مأموریت های بهینه در فاز دوم مسئله زمان بندی خدمه ریلی، یک مدل ریاضی بر مبنای مفهوم انتقال خدمه پیشنهاد گردید. در مدل پیشنهادی، برای انتقال خدمه یک جریمه در هزینه تابع هدف در نظر گرفته می شود. نحوه اعمال این جریمه به گونه ای است که ضمن حفظ فضای جستجوی مسئله تعداد انتقال ها به حداقل ممکن کاهش می یابند. فاز سوم با هدف تخصیص گروه های خدمه به مأموریت های بهینه انجام می شود و به صورت محلی حل می گردد. به منظور حل مسئله در فاز سوم، یک مدل جدید برنامه ریزی ریاضی در پژوهش حاضر توسعه داده شده و برای حل آن از بسته نرم افزاری CPLEX12 استفاده گردیده است. در این مدل، علاوه بر تعیین مأموریت های تخصیص یافته به هر گروه خدمه، حداقل تعداد موردنیاز خدمه در هر ایستگاه ریلی نیز مشخص می شود. ضمن آنکه با انجام تحلیل حساسیت بر روی مقادیر مختلف بار کاری می توان بهترین مقدار را برای حداقل و حداکثر بارکاری در هر دپو مشخص نمود. مهمترین مزیت مدل ارائه شده در فاز سوم این است که در این مدل جواب هایی که در آنها مقدار بارکاری یک گروه خدمه از میزان حداقل تعیین شده کمتر باشد، به عنوان جواب غیر ممکن شناخته نمی شوند، بلکه برای چنین جواب هایی یک جریمه منطقی در تابع هدف اعمال می گردد. جهت ارزیابی الگوریتم ها و مدل های مورداستفاده، شبکه راه آهن سراسری جمهوری اسلامی ایران مورد بررسی قرار گرفت و اطلاعات کلیه سفرهای مسافری در این شبکه در نظر گرفته شدند. کلیه سفرهای مسافری شبکه ریلی کشور در دو بازه زمانی 4 و 6 روزه در نظر گرفته شدند و محدودیت های ویژه تولید مأموریت در شبکه راه آهن ایران لحاظ گردیدند. سفرهای طولانی، در دپوهای اطراف مرز نواحی به دو یا چند سفر کوچکتر تقسیم گردیدند. تعداد کل سفرهای موردبررسی در بازه های 4 روزه و 6 روزه، به ترتیب برابر با 1068 و 1602 سفر به دست آمد. به منظور مشخص نمودن بهترین بازه برنامه ریزی مناسب با شرایط راه آهن ایران 12 سناریو مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج مقایسه سناریوها نشان داد که سناریو با افق زمانی 6 روزه و حداکثر زمان مأموریت 28 ساعت، گزینه مناسبی جهت زمانبندی خدمه ناوگان ریلی در شبکه ایران می باشد. بر اساس نتایج حاصله در این سناریو، 19025 مأموریت موجه تولید شدند. در قسمت بعدی مدل پیشنهادی فاز دوم با ضرایب جریمه مختلف بر روی این مأموریت ها پیاده سازی گردید. با توجه به نتایج خروجی این بخش و همچنین شرایط راه آهن ایران ضریب 1، به عنوان بهترین ضریب جریمه انتقال خدمه انتخاب شد. بر این اساس 727 مأموریت بهینه برای بازه 6 روزه برنامه ریزی، انتخاب شدند. در بخش آخر مدل ارائه شده جهت تخصیص خدمه به مأموریت های بهینه به تفکیک دپوهای مسافری کشور اجرا گردید. در این بخش تحلیل حساسیت بر روی مقادیر مختلف بارکاری در دپوهای مختلف صورت گرفت. نتایج نشان داد که مقادیر بارکاری برای دپوهای مختلف می توانند متفاوت باشند. از آنجایی که مبادی و مقاصد و تعداد سفرهای شبکه مرتباً در حال تغییر هستند، رویکرد کامل ارائه شده قادر است با اخذ اطلاعات به هنگام سفرهای شبکه، جداول زمانی بهینه برنامهریزی خدمه ناوگان را به صورت پویا و در زمانی کوتاه تولید نماید.