aalto1 untyped-item.component.html
Hierarchical portfolio optimization of reinforcement actions in transportation networks
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
51
Series
Abstract
Transportation networks, such as railway networks, are critical infrastructure enabling the transportation of goods and people. Their importance highlights the need to reinforce them against disruptions caused by the deterioration of their components or deliberate attacks. Reinforcing the network often comprises of reinforcing its components, for example, its nodes. Given limited resources allocated to reinforcing, identifying those collections of reinforcement actions, which have the greatest positive impact relative to the cost of implementing these actions, is crucial. Such collections of reinforcement actions are called cost-efficient portfolios.
Large transportation networks often have multiple decision makers responsible for separate parts of the network. This thesis proposes a hierarchical portfolio optimization model for computing cost-efficient portfolios of reinforcement actions in partitionable transportation networks that reflect the real-world management of responsibilities. The objective is to maximize expected enabled traffic volume while minimizing reinforcement costs. Only probabilistic node disruptions are considered, and they are assumed to occur independently of other disruptions. Portfolios consisting of reinforcement actions, which decrease the disruption probabilities of nodes of the network, are considered.
The proposed model is illustrated with a case study on a part of the Finnish railway network comprising ten stations in Northern Savonia. Most of the nodes of the network represent railway switches and the edges connecting them correspond to railway tracks. The results indicate that the reinforcement of some switches are included in a relatively high share of cost-efficient portfolios, suggesting a higher importance of them in enabling traffic. Conversely, the reinforcement of some switches appear in no cost-efficient portfolios, suggesting that they have less impact relative to their cost.
Overall, the proposed hierarchical portfolio optimization model is a powerful framework for supporting decision-making in the reinforcement of critical transportation networks, and additionally, it may better reflect real-world management of responsibilities than approaches with a single decision maker. The results help identify key reinforcement actions and exclude actions that do not appear in any cost-efficient portfolio.
Liikenneverkot, kuten rautatieverkot, ovat kriittinen osa infrastruktuuria ja mahdollistavat tavaroiden ja ihmisten kuljetuksen. Niiden tärkeys korostaa niiden vahvistamisen arvoa häiriöitä vastaan, jotka voivat johtua verkon komponenttien rappeutumisesta tai tahallisista hyökkäyksistä. Verkon vahvistaminen toteutetaan usein vahvistamalla sen komponentteja, kuten verkon vaihteita. Vahvistukseen allokoidut rajatut resurssit tulisi kohdentaa sellaisiin vahvistustoimiin, joilla on suurin positiivinen vaikutus suhteessa kustannuksiin. Tällaisista vahvistustoimista koostuvia kokoelmia kutsutaan kustannustehokkaiksi portfolioiksi.
Suurissa liikenneverkoissa on usein useita päätöksentekijöitä vastuussa omasta osastaan verkkoa. Tässä työssä esitetään hierarkkinen portfolio-optimointimalli kustannustehokkaiden portfolioiden määrittämiseen liikenneverkoissa, jotka ovat jaettavissa aliverkkoihin. Mallin rakenne vastaa paremmin todellista resurssien jakoa. Tavoitteina on maksimoida liikenneverkon odotusarvollisesti mahdollistettua liikennöintimäärä ja minimoida vahvistustoimien kustannukset. Vain solmujen vikaantumisia tarkastellaan ja niiden oletetaan tapahtuvan riippumattomasti muista vikaantumisista. Vahvistustoimet pienentävät solmujen vikaantumistodennäköisyyttä.
Esitettyä mallia havainnollistetaan esimerkkitapauksella, joka on osa Suomen rataverkkoa ja koostuu kymmenestä asemasta Pohjois-Savossa. Suurin osa verkon solmuista vastaa rautatievaihteita ja niitä yhdistävät kaaret puolestaan kiskoja. Tulokset osoittavat, että joidenkin rautatievaihteiden vahvistaminen kuuluu suhteelliseen suureen osaan kustannustehokkaista portfolioista, joka viittaa siihen, että näiden rautatievaihteiden vahvistaminen lisää verkon mahdollistamaa liikennöintimäärää enemmän. Toisaalta joidenkin rautatievaihteiden vahvistaminen ei kuulu yhteenkään kustannustehokkaista portfolioista, joten näiden vahvistaminen on vähemmän tärkeää.
Tämä hierarkkinen portfolio-optimointimalli osoittautuu tehokkaaksi työkaluksi tukemaan päätöksentekoa kriittisten liikenneverkkojen vahvistamisessa. Lisäksi se saattaa paremmin vastata hallinnollista vastuunjakoa kuin yhden päätöksentekijän malleissa. Tulokset mahdollistavat sekä keskeisten vahvistustoimien identifioimisen, että sellaisten vahvistustoimien poissulkemisen, jotka eivät esiinny missään kustannustehokkaassa portfoliossa.