برنامه ريز پويا براي زمانبندي سيستم اتوبوسراني

مراجع و منابع:

۱- حمل و نقل در ترافيك تهران در يك نگاه – سازمان حمل و نقل و ترافيك تهران-مهر ۸۴ تا فروردين ۸۵
۲- شركت مطالعات جامع حمل و نقل و ترافيك تهران، آبان ۱۳۸۵

چكيده:
در اين مقاله سعي شده جديدترين كاربرد سيستم هاي حمل و نقل عمومي پيشرفته براي برنامه ريزي پويا سيستم اتوبوسراني به منظور زمانبندي حركت اتوبوسها، تشريح گردد. مبناي محاسباتي اين روش بر اساس الگوريتم كالمن استوار است واز داده هاي سيستم مكانيابي خودكار وسيله نقليه و شمارش خودكار مسافر در محاسبات خود استفاده مي نمايند.

وجه تمايز اين روش با روشهاي مشابه قبلي در اين است كه زمان ماندن اتوبوس در ايستگاه و زمان حركت آن در خطوط را بطور جداگانه محاسبه مي نمايد لذا مي تواند اثر زود و يا دير رسيدن اتوبوس، بر زمان ماندن آن در ايستگاه و يا برعكس را مشخص نمايند. در خاتمه روش مورد نظر با روشهاي شبكه عصبي، رگرسيون خطي و روش تاريخچه داده هاي قبلي مقايسه شده است.

كليد واژه: برنامه ريزي و زمانبندي اتوبوسراني، برنامه پويا، حمل و نقل عمومي پيشرفته شمارش خودكار وسليه نقليه، مكانيابي خودكار وسيله نقليه.

۱- مقدمه
در شهرهائي كه از سيتم هاي حمل و نقل عمومي پيشرفته بهره نمي برند، برنامه ريزي و زمانبندي سيستم اتوبوسراني، از پيش تعيين شده و به صورت ثابت اعمال مي گردد. مبناي محاسباتي روشهاي زمانبندي مذكور اغلب مبتني بر استراتژي بهينه مي باشد كه بر اساس ويژگي هاي خاص و عوامل موثر پروژه مورد نظر نظير: سرعت جريان ترافيك، طول چرخه سرويس اتوبوسراني، زمان انتظار، زمان سفر با وسيله نقليه، تراكم ترافيك و … استوار است.

در اينگونه روشهاي زمانبندي؛ كه در اين مقاله به عنوان روشهاي قديمي معرفي مي‌شوند؛ چنانچه بواسطه برخي از حوادث پيش بيني نشده نظير: تصادفات، خرابي وسايل نقليه در مسير و غيره تغييري در سرعت جريان ترافيك، چگالي آن و… رخ دهد، رفتار سيستم قابل پيش بيني نبوده و منجر به بروز تأخير مي گردد. وليكن در روشهاي جديد ويا همان روشهاي پوياي زمانبندي حركت اتوبوسها، تغييرات ايجاد شده در جريان ترافيك در برنامه ريزي بهنگام مي گردد.

براي نشان دادن اهميت مطالعه برنامه ريزي و زمانبندي حركت اتوبوسها، از آمار و ارقام سال ۱۳۸۳ در شهر تهران استفاده مي گردد. به طور موتوسط در هر روز هفته ۲۴۷۷۲۷۰ مسافر توسط سيستم حمل و نقل اتوبوسراني در شهر تهران جابجا مي‌شود. حال چنانچه با زمانبندي و مديريت صحيح حركت اتوبوسها، تأخير هر مسافر را فقط به ميزان ۲ دقيقه بتوان كاهش داد. در يك روز به طور متوسط از ۸۲۵۷۵ ساعت، اتلاف وقت مسافران جلوگيري مي شود و با فرض هر روز كاري ۸ ساعت مي توان روزانه ۳/۲۸ نفر – سال در وقت شهروندان تهراني صرفه جويي كرد.

تاكنون روشهاي مختلفي براي پيش بيني زمانبندي سيستم اتوبوسراني توسعه يافته است. كه در اين مقاله جديد ترين مدل پيش بيني زمان اعزام و رسيدن اتوبوسها در سيستم حمل و نقل عمومي اتوبوسراني؛ با استفاده از اطلاعات سيستم هاي حمل و نقل عمومي پيشرفته؛ بيان مي شود.

۲- مروري بر سيستم هاي پيشرفته حمل ونقل عمومي
سيستم هاي پيشرفتة حمل و نقل عمومي جزئي از سيستم هاي هوشمند حمل و نقل مي باشند كه در حمل و نقل عمومي و به منظور بهبود عملكردها شامل: افزايش ايمني، افزايش صرفه اقتصادي، بهبود كيفيت خدمات و … ، استفاده شوند.

از كاربرد هاي سيستم هاي پيشرفتة حمل و نقل عمومي؛ ايجاد پتانسيل خدمات بيشتر براي كاربران در كنترل فعاليت هاي ناوگان اتوبوس و بهبود سرعت، ايمني و راحتي سفر مي باشد. ارتقاء تكنولوژي حمل و نقل عمومي نظير سيستم هاي خودكار مكانيابي وسيله نقليه (AVL) ، سيستم هاي خودكار شمارنده مسافرين (APC) اثرات زيادي بر عملكرد سيستم اتوبوسراني دارد.

سيستم هاي پيشرفته حمل و نقل عمومي داراي قدمت كمي مي باشند. نمونه هاي اوليه اين سيستم در عمل به دهه ۶۰ اوايل دهه ۷۰ بر مي گردد. اغلب اين تكنولوژي ها بر اساس نشانگرهاي ثابتي بودند، كه مي بايست در مسير اتوبوس نصب مي شدند.

اين نشانگرها مجهز به مبدل الترونيكي هستند و زماني كه اتوبوس ها از كنار آنها عبور مي‌كنند، سيستم گيرنده تعيين وقت داخل وسيله، كد شناسائي را دريافت كرده، زمان و تاريخ عبور اتوبوس از كنار نشانگر مورد نظر را ثبت مي نمايند.

اجرا و نگهداري سيستم هاي پيشرفتة حمل و نقل عمومي اوليه نظير نشانگر هاي ثابت، داراي هزينه هاي زيادي بودند. كه از آن به بعد، تكنولوژي هاي جديدي مثل سيستم موقعيت يابي جهاني (GPS) ارائه گرديد كه باعث كاهش هزينه ها شد. اداره حمل و نقل فدرال سيستم هاي پيشرفته حمل و نقل عمومي را به صورت زير تقسيم بندي كرده است.

• مديريت ناوگان
شكل ۱: نمامي كلي سيستم خودكار مكانيكي وسيله نقليه ]۳[
• اطلاعات مسافرين
• پرداخت الكترونيكي كرايه
• مديريت تقاضا
در اينجا؛ با توجه ارتباط موضوع؛ مديريت ناوگان مورد توجه قرار مي گيرد.

۲-۱ مديريت ناوگان
استراتژي هاي مديريت ناوگان بر بهبود برنامه ريزي و زمانبندي يك ناوگان متمركز است. انگيزه هاي تكنولوژي هاي مديريت ناوگان عبارت از افزايش قابليت اطمينان به سرويس ها، افزايش ايمني، بهبود عملكرد سرويس ها است. به طور كلي سيستم هاي نوين مديريت ناوگان، اطلاعات اتوبوسراني قرار مي‌دهد كه از آنها براي كنترل و يا برنامه ريزي و زمانبندي ناوگان حمل و نقل عمومي استفاده مي نمايند.

اداره حمل و نقل فدرال سيستم مديريت ناوگان را به شش دسته زير تقسيم كرده است:
• سيستم هاي ارتباطي
• سيستم هاي اطلاعات جغرافيايي
• سيستم هاي خودكار مكانيابي وسيله نقليه
• سيستم هاي خودكار شمارنده مسافرين
• نرم افزار هاي عملكرد حمل و نقل عمومي
• اولويت در چراغ هاي راهنمائي

كه در اينجا با توجه به ارتباط موضوع به برخي مفاهيم و تعاريف اشاره مي شود.
۲-۱-۱- مكان يابي خودكار وسيله نقليه
سيستم هاي خودكار مكانيابي وسيله نقليه (AVL) شامل يك سري تجهيزات و سيستم هاي كامپيوتري هستند كه موقعيت وسايل نقليه را تعيين مي نمايند. موقعيت و محل واقعي وسيله نقليه تعيين شده و اطلاعات آن به مركز كنترل منتقل مي گردد.

اطلاعات راجع به موقعيت وسيله به صورت چند ثانيه و يا چند دقيقه باقي مي ماند. اطلاعات موقعيتي را مي توان به صورت داده هاي خام يا پردازش شده به مركز كنترل انتقال داد. نماي كلي سيستم خودكار مكانيابي وسيله نقليه در شكل ۱ نمايش داده است.

۲-۱-۲- شمارش خودكار مسافر
يكي از مهمترين اطلاعات در مديريت و برنامه ريزي سيستم حمل و نقل عمومي تخمين و يا شمارش تعداد مسافران مي باشد. براي شمارش مسافران در سيستم اتوبوسراني از روشهاي مختلف استفاده مي شود، كه شامل روشهاي ساده نظير شمارش دستي و روشهائي با پيشرفتة شمارش تعداد مسافران نظير جمع آوري الكترونيكي كرايه و شمارشگرهاي خودكار و… مي باشد.

يكي از سيستم هاي APC يا شمارش خودكار مسافر مي باشد كه مسافرين را كه در ايستگاه، هنگام سوار يا پياده شدن شمارش مي نمايد. تكنولوژي هاي بكار برده شده در سيستم شمارش خودكار مسافر متفاوت مي باشد. در برخي از آنها با پا گذاردن مسافرين روي مادون قرمز، هنگام عبور از امواج و شكستن آن در محل درب اتوبوس مسافر شمارش مي گردد.

در اين سيستم ها علاوه بر تعداد مسافرين معمولاً محل ايستگاه، زمان و تاريخ ورود اتوبوس به ايستگاه، زمان باز و بسته شدن درها، تعداد مسافرين داخل وسيله و تعداد مسافرين خارج وسيله را ثبت مي نمايد. اين اطلاعات در مورد مسيرها و اتوبوسهاي مشخص ثبت و ذخيره مي شوند. و توسط سيستمهاي ارتباطي به مراكز كنترل و … منتقل مي گردند.

۳- پيش بيني زمان اعزام و رسيدن اتوبوس به ايستگاه با استفاده از اطلاعات AVL , APC
اين روش مبتني بر اطلاعات مديريت ناوگان؛ شامل شمارش خودكار مسافرين (APC) و مكانيابي خودكار وسايل نقليه (AVL) بوده و در محاسبات خود از الگوريتم كالمن استفاده مي‌كند.

شكل ۲-مسير حركت اتوبوس با چند ايستگاه ]۵[

مطالعات زياد در خصوص استفاده از APC , AVL در پيش بيني زمانبندي حركت اتوبوسها انجام شده است، نظير: مطالعات كالاپوتاپو و ديمت اسكي؛ لاين و زينگ؛ وال و ديلي؛ و …
وليكن آنچه مهم است اينكه تمام اين روشها، مجموع زمان ماندن اتوبوس در ايستگاه با زمان حركت آن در خطوط را يكجا مي دهند. چنين مدلهائي صراحتاً نمي توانند اثر زود يا دير اتوبوس، بر زمان ماندن آن در ايستگاه و يا بر عكس را مشخص نمايند. ناديده گرفتن چنين ارتباطي مدل را نسبت به اثرات تغيير رفتار در ايستگاه هاي بالا دست، غير حساس مي‌كند.

Shalaby & Farhabn . A از دانشگاه تورنتو در سال ۲۰۰۴ روشي را ابداء كردند كه چنين پيامدهائي را پاسخگو باشد. دراين روش زمان حركت اتوبوس در طول خط و زمان توقف در ايستگاه بطور جداگانه در يك چارچوب مدلسازي سازگار، مدل شده اند.

در اينجا فرض شده است اطلاعات زمانهاي حقيقي براي موقعيت اتوبوس در هر مكان و لحظه، تعداد مسافران كه سوار و پياده مي شوند و زمانهاي حقيقي اعزام و رسيدن اتوبوس از سيستم APC , AVL قابل دريافت باشند. سيستم مدلسازي فوق شامل دو الگوريتم جداگانه براي پيش بيني زمان حركت در خطوط و زمان توقف در ايستگاه مي باشد كه هر دو از الگوريتم كالمن استفاده كرده اند.

براي پيش بيني زمان حركت اتوبوس در طول يك خط مشخص در لحظه k+1 الگوريتم اول؛ يا همان از اطلاعات سه روز گذشته زمان حركت در خط مورد نظر استفاده شده است. به همين ترتيب زمان حركت اتوبوس در خطوط براي اتوبوس قبلي در روز جاري در لحظه k محاسبه مي شود. در اين مطالعه از اطلاعات سه روز گذشته؛ بعلت محدوديت در آمار؛ استفاده شده است، بديهي است كه در كاربردهاي عملي اين الگوريتم مي توان از اطلاعات روزهاي بيشتري استفاده كرد.

الگوريتم دوم؛ يا همان مدل پيش بيني نرخ ورود مسافران؛ بطور مشابه از اطلاعات روزهاي قبل استفاده مي نمايد. براي پيش بيني زمان توقف در يك ايستگاه بخصوص، نرخ ورود پيش بيني شده در فاصله عبور زمان پيش بيني شده ضرب مي شود. در واقع با تفاضل زمان رسيدن اتوبوس قبلي به ايستگاه از زمان پيش بيني رسيدن اتوبوس بعدي به همان ايستگاه، اين فاصله عبور زماني محاسبه مي شود. در ضمن در اين مطالعه فرض شده كه زمان صرف شده براي سوار شدن هر مسافر به اتوبوس ۵/۲ ثانيه مي باشد.

در نظر گيري الگوريتم جداگانه براي پيش بيني زمان حركت در خطوط اتوبوسراني و زمان ماندن (توقف) در ايستگاه توانائي مدل را در تعيين اثر زود و يا دير رسيدن اتوبوس به ايستگاه، بر پيش بيني زمان توقف در ايستگاه و اعزام از ايستگاه را افزايش مي‌دهد و اين بديهي است، چون پيش بيني زمان ماندن اتوبوس در ايستگاه، تحت تأثير زمان عملي رسيدن اتوبوس به ايستگاه، تحت تأثير زمان عملي رسيدن اتوبوس به ايستگاه، مي باشد. شكل ۲ يك مسير اتوبوس با چند ايستگاه را نمايش ميدهد.

در اين شكل وقتي كه اتوبوس n ام از ايستگاه i حركت مي‌كند، زمان اعزام آن از سيستم AVL تشخيص داده مي شود. در اين لحظه الگوريتم پيش بيني كالمن؛ كه براي پيش بيني زمان حركت در خطوط مي باشد؛ زمان حركت در خط بعدي را پيش بيني خواهد كرد، يعني زمان حركت بين ايستگاه I و I+1 و متعاقباً زمان رسيدن اتوبوس به ايستگاه پائين دست؛ يعني ايستگاه I+1 ام؛

حاضر در ايستگاه i قرار دارد، خواهيم داشت:
كه در آن:
زمان پيش بيني شده رسيدن اتوبوس n ام به ايستگاها i+1 ام،
زمان حركت اتوبوس n ام بين ايستگاه i و i+1 كه توسط الگوريتم كالمن پيش بيني شده است، و
زمان واقعي اعزام اتوبوس n ام از ايستگاه i، از اين زمان پيش بيني شده (رابطه ۱) براي محاسبه زمان ماندن اتوبوس n ام در ايستگاه i+1 استفاده مي شود (رابطه ۲).

كه در آن:
زمان ماندن اتوبوس n ام در ايستگاه i+1
نرخ ورود مسافر به ايستگاه i+1 با استفاده از الگوريتم كالمن،
زمان واقعي ورود اتوبوس قبلي (n ام)در ايستگاه i+1 و
فاصله عبور زماني پيش بيني شده اتوبوس Nام در ايستگاه i+1 و

ميانگين زمان سوار شدن مسافرين به اتوبوس كه ۵/۲ ثانيه به ازاي هر نفر در نظر گرفت شده.
در معادله (۲) فرض بر اين است كه سوار شدن مسافران در هر ايستگاه اتوبوس در مقايسه با زمان پياده شدن آنها، معني داري روي زمان ماندن اتوبوس در ايستگاه دراد.
با داشتن پيش بيني زمان رسيدن و ماندن اتوبوس nام در ايستگاه i+1 ميتوان زمان اعزام براي اتوبوس nام را از طريق رابطه (۳) محاسبه كرد.

كه در آن:
زمان اعزام اتوبوس n ام از ايستگاه i+1 ، و ساير پارامترها قبلاً تعريف شده اند.
اين زمان اعزام پيش بيني شده، بستگي به زمان پيش بين شده رسيدن و ماندن اتوبوس ‌n ام در ايستگاه i+1 مي باشد. بنابراين اثر هر تغيير در عملكرد اتوبوس نظير: زود يا دير رسيدن مي تواند در اين ايستگاه؛ براي تعيين اثر آن در ايستگاه هاي پائين دست؛ اعمال شود.

۵- ارزيابي عملكرد مدل
براي پيش بيني عملكرد مدل كالمن Shalaby . A & Farhan . A اين مدل با ساير مدلهائي كه قبلاً در همان مسير اجرا شده است، مقايسه كردند. اين مدلها شامل مدل رگرسيون، مدل ميانگين داده هاي گذشته و مدل شبكه عصبي مصنوعي مي باشند.

براي مقايسه از متوسط خطاي نسبي (رابطه ۱۸)، مربع خطاي نسبي (رابطه ۱۹) و حداكثر خطاي نسبي (رابطه ۲۰) استفاده كردند:
(۱۸)