SUPERVISOR
Mohammad Tamannaei
محمد تمنایی (استاد راهنما)
STUDENT
Shima Taheri
شیما طاهری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی حملونقل
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
An integrated rail transportation network design with consideration of government and freight owners’ perspectives: Proposing a three-level approach based on sustainable development, regarding competition of rail, road, and intermodal systems
Rail traortation network design, concentrating on establishing new rail corridors, developing existing corridors’ capacities, and interaction between rail corridors and logistics centers, is one of the substantial and strategic issues in the field of traortation. Finding an optimal solution to this problem, considering capacity constraints and network pricing, can lead the freight traortation demand to the green rail mode and reduce economic, environmental, and social costs. In this paper, for the first time, a three-level integrated intermodal network design problem (MIINDP) with consideration of modal competition, network elements’ capacity constraints, budget limitation, and different actors’ points of view is addressed. On upper-level, intermodal terminal and rail corridor candidates are selected by concentrating on budget limitation. On the middle level, road and rail and intermodal annual freight demand are calculated by logit discrete choice model, and freight demand will be updated. Finally, the demands are assigned to lower-cost routes capacity-based incremental assignment method. In this problem, freight demand is assigned to the networks based on four types of rail accessibility of origins and destinations. Due to capacity constraints in rail traortation system, it is possible to exist unmet rail/intermodal annual fright demand of an OD-pair. Therefore, in this situation, the demand is assigned to OD-pair’s lowest-cost road route. A mathematical programming model is formulated, aimed to minimize the total cost, including both internal and external costs of freight traortation in rail and road networks. In the proposed mathematical model, the government selects candidates due to budget limitation to minimize the network’s total cost after applying the logit model and choosing the appropriate traortation mode by the freights’ owners. It is worth noting that the b freight’s owners choose the reasonable traortation mode without considering the external costs and only by regarding internalities. Although, the government considers the total cost of the network after allocating all the freight demand, by imposing externalities. Due to the NP-hardness of the problem, an innovative solution approach, based on genetic algorithm and heuristic indices are proposed and implemented in the Java programming environment. The heuristic indices and the Roulette wheel heuristic algorithm are employed to restrict the candidate combinations and to initialize a genetic algorithm population. To prioritize establishment and development candidates, candidate’s Absolute Priority Index (API) is introduced to designate the importance of each candidate for choosing. Besides, another heuristic index, named Similarity Index (SI) is defined to determine the similarity of candidates. Also, to evaluate and validate the proposed solution approach, some examples are designed in small-scale and compared with each other. This comparison indicates that the results obtained from the proposed solution approach differ by a maximum of 0.085% from the optimal solution, obtained from the exact exhaustive enumeration algorithm. However, the average solution times of the designed examples by the exhaustive enumeration algorithm and the proposed solution approach are 3600 and 240 minutes, respectively. Then, with consideration of establishing and developing rail corridor candidates in Iran’s rail traortation network, and also different amounts of budget, optimal integrated Iran’s rail network design was presented. Some examples of Iran Rail Network by considering the origin-destination demand matrix of different good groups in the year 1414 (including 390 centroids) And 247 candidates (45 intermodal terminals and 202 rail corridors) were solved. The average time to solve each of the problems using the proposed solution approach in the research was 1500 minutes. As a consequence of this paper, considering a higher budget and establishing more candidates does not necessarily lead to lower external costs of rail and road networks. This managerial insight means that there may be scenarios of rail network design, in which, the external costs are less than the external costs in the complete network (existing all candidates).The achievementof this paper can be used as an effective and efficient tool for policy making and prioritization of railway network infrastructure projects. Keywords: Environmentally friendly modes, Multilevel integrated intermodal network design problem, External costs, Rail accessibility, Heuristic indices.
طراحی شبکه حملونقل ریلی با تمرکز بر احداث خطوط جدید، بهبود ظرفیت خطوط موجود و نیز اندرکنش بین خطوط ریلی و مراکز لجستیک، یکی از مسائل مهم و راهبردی حوزهی حملونقل است. یافتن پاسخ بهینه برای این مسأله با توجه به کلیهی محدودیتهای ظرفیتی و قیمتگذاری شبکه، میتواند تقاضای حملونقل کالا را هرچه بیشتر به سمت گونهی سبز ریلی سوق دهد و سبب کاهش هزینههای اقتصادی، زیستمحیطی و اجتماعی گردد. در پژوهش حاضر، برای اولین بار، مسألهی سه سطحی طراحی یکپارچه شبکهی حملونقل ترکیبی با لحاظ رقابت بین گونههای جادهای، ریلی و ترکیبی، محدودیت ظرفیت اجزای شبکه، محدودیت بودجه و تفاوت دیدگاه بازیگران ارائه شدهاست. در سطح بالای مسأله، پایانههای حملونقل ترکیبی و محورهای ریلی کاندیدا با در نظرگرفتن محدودیت بودجه انتخاب میشوند. در سطح میانی، تقاضای سالانهی بار برای گونههای جادهای و ریلی و ترکیبی با استفاده از مدل لوجیت و بروزرسانی ورودیهای آن محاسبه میگردد. در نهایت، تقاضاهای محاسبه شده به کمک روش تخصیص جزئی مبتنی بر ظرفیت به کمهزینهترین مسیرهای زوج مبدأ-مقصدها تخصیص داده میشود. در این مسأله، تقاضای بار بر اساس چهار نوع دسترسی ریلی مبدأ و مقصد تقاضا به شبکه ها اختصاص می یابد. به علت محدودیت ظرفیت در شبکهی ریلی، امکان عدم برآورد همهی تقاضای ریلی- ترکیبی یک زوج مبدأ-مقصد از طریق شبکهی ریلی وجود دارد. بنابراین، در این شرایط تقاضا به کمهزینهترین مسیر جادهای آن زوج مبدأ- مقصد تخصیص مییابد. یک مدل بهینهسازی ریاضی با هدف کمینهسازی هزینهی کل شامل هزینههای مستقیم و غیرمستقیم حملونقل بار در شبکه های ریلی و جادهای ارائهشدهاست. در این مدل بهینهسازی، دولت با توجه به محدودیت بودجه، سبد بهینهی کاندیداهای زیرساخت را به نحوی برمیگزیند که هزینهی کل شبکه پس از اعمال مدل لوجیت و انتخاب گونهی مناسب حملونقل توسط صاحبان کالا، کمینه گردد. شایان ذکر است که صاحبان کالا بدون توجه به هزینههای غیرمستقیم و صرفاً با در نظرگرفتن هزینههای مستقیم گونهی مناسب خود را انتخاب میکنند؛ اما دولت هزینهی کل شبکه را پس از تخصیص همهی تقاضا، با اعمال هزینههای غیرمستقیم در نظر میگیرد. به علت NP-hard بودن مسأله، یک روش حل نوآورانه مبتنی بر الگوریتم ژنتیک و شاخصهای ابتکاری پیشنهاد شد و در محیط برنامهنویسی جاوا پیادهسازی گردید. شاخصهای ابتکاری و الگوریتم ابتکاری چرخ رولت به منظور کاهش ارزیابی ترکیبات ممکن کاندیداها و ایجاد جمعیت اولیهی شدنی برای الگوریتم ژنتیک مورد استفاده قرار گرفتهاند. جهت اولویتدهی کاندیداهای احداث و بهبود، شاخص اولویتدهی مطلق کاندیداها معرفی شدهاست تا اهمیت هر کاندیدا جهت انتخاب تعیین شود. به علاوه، شاخص ابتکاری مشابهت کاندیداها جهت تعیین مشابهت هر دو کاندیدا به یکدیگر مورد استفاده قرار گرفتهاست. به منظور ارزیابی و صحت سنجی روش حل پیشنهادی، مثالهایی در مقیاس کوچک با 18 کاندیدا (8 پایانهی حملونقل ترکیبی و 10 محور ریلی) طراحی گردید و جوابهای حاصل از بهکارگیری روش حل پیشنهادی با جوابهای حاصل از روش دقیق شمارش کامل مورد مقایسه قرار گرفتند. این مقایسه نشان میدهد که نتایج حاصل از روش حل پیشنهادی، حداکثر 085/0 درصد نسبت به جواب بهینه (حاصل از روش دقیق شمارش کامل) اختلاف دارند؛ این در حالی است که میانگین زمان حل مثالهای طراحی شده توسط الگوریتم شمارش کامل و روش حل پیشنهادی به ترتیب 3600 و 240 دقیقه هستند. در ادامه، با در نظر گرفتن کاندیداهای احداث و بهبود زیرساختهای ریلی در شبکه ایران و نیز مقادیر متفاوت بودجه، طراحی بهینه شبکه یکپارچه ریلی کشور ارائه گردید. مثالهای شبکه ریلی ایران، با در نظر گرفتن ماتریس تقاضای مبدأ-مقصد انواع کالا در سال افق 1414 (شامل 390 شهرستان) و ??? کاندیدا (?? پایانهی حملونقل ترکیبی و ??? محور ریلی) حل شدند. میانگین زمان حل هر یک از مسائل با استفاده از روش حل پیشنهادی در پژوهش، ???? دقیقه بوده است. براساس نتایج پژوهش حاضر، میتوان دریافت که برخورداری از بودجهی بالاتر و احداث کاندیداهای بیشتر، لزوماً منتج به هزینهی غیرمستقیم کمتر برای مجموعه شبکههای ریلی و جادهای نمیشود. این بینش مدیریتی بدان معناست که ممکن است حالاتی از طراحی شبکهی ریلی وجود داشته باشند که هزینهی غیرمستقیم به ازای آن حالات، کمتر از هزینهی غیرمستقیم در حالت شبکهی کامل (احداث کلیهی کاندیداها) باشد. نتایج این پژوهش میتواند به عنوان ابزاری مؤثر و کارا جهت سیاستگذاری و اولویتبندی پروژههای زیرساختی شبکه ریلی، مورد استفاده مدیران و سیاستگذاران قرار گیرد. کلمات کلیدی: طراحی یکپارچه شبکه، دیدگاه دولت، محدودیت بودجه، رقابت بین گونهای، مسألهی سه سطحی، شاخصهای ابتکاری، الگوریتم ژنتیک.