Optimization Approaches for Line Planning in Linear Railway Systems
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
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
2024-05-21
Department
Major/Subject
Systems and Operations Research
Mcode
SCI3055
Degree programme
Master’s Programme in Mathematics and Operations Research
Language
en
Pages
57
Series
Abstract
The relevance of public transportation has only increased in the past decades given its counteracting effect on climate change. The positive effects of public transit are increased when more passengers perceive it as an attractive option compared to alternative means of travel, which gives motivation to design the service such that the passengers’ convenience is maximized. The problem becomes more complex when the operator’s interest in making a profit is taken into account. This thesis concentrates on the line planning stage of public transportation planning, in which the objective is to determine which lines are operated and how regularly. Line planning is studied with an emphasis on examining various ways of modeling passengers’ convenience, specifically on linear public transportation networks. Three passenger-oriented line planning models are developed, where the following passenger convenience metrics are considered: congestion, number of direct passengers, and initial waiting time. The models are formulated as mixed-integer linear programs, where the operator’s interest in exploiting a minimal fleet is regarded as a constraint. Analogously, models where the operator’s interest is maximized and the passengers’ convenience is constrained are also studied. The models are specifically designed for linear railway networks, which excludes the need to account for various passenger routes. Moreover, the models are augmented with the possibility to limit the number of terminal stations, which allow for lines to begin and end. These models are experimentally evaluated in numerous experiments in which data generated for both the network and passenger demand is employed. The experimental evaluation indicates that the models are successful in improving the passengers’ convenience. For instance, almost all passengers can travel directly when the appropriate model is solved and if the solution is feasible. The results depend both on the fleet size and terminal stations, where some terminals are identified as more influential for improving passengers’ convenience. The line concepts obtained with the different models can be rather conflicting in the sense that they provide poor performance when evaluated on the other metrics. This result suggests further development for regarding the different objectives simultaneously. In addition, the models require further evaluation with real-world networks and passenger data since the results obtained in this thesis are based on only generated data.Julkisen liikenteen merkitys on kasvanut entisestään viimeisimpinä vuosikymmeni- nä, mikä johtuu osaltaan sen mahdollisuuksista torjua ilmastonmuutosta. Julkisen liikenteen hyödyt korostuvat erityisesti silloin, kun useammat matkustajat pitävät sitä houkuttelevana vaihtoehtona muihin matkustustapoihin verrattuna. Näin ollen joukkoliikenne kannattaa suunnitella siten, että matkustajien mukavuus maksimoituu. Ongelmasta tulee vielä monimutkaisempi, kun otetaan lisäksi huomioon palveluntarjoajan tavoite tehdä voittoa. Tässä diplomityössä tarkastellaan yhtä julkisen liikenteen suunnitteluvaihetta linjaoptimointia, jossa päätökset koskevat linjojen valintaa sekä vuorojen tiheyttä. Työn tavoitteena on tutkia erilaisia tapoja mallintaa matkustajien mukavuutta keskittyen erityisesti lineaarisiin rautatieverkkoihin. Tässä työssä kehitetään kolme matkustajalähtöistä linjasuunnittelumallia, joiden tavoitefunktiot ottavat huomioon ruuhkautumisen, suorien matkojen lukumäärän sekä odotusajan lähtöasemilla. Mallit muotoillaan sekalukutehtäviksi, joissa palveluntarjoajan tavoite käyttää mahdollisimman pientä määrää junia otetaan huomioon rajoitteena. Työssä tutkitaan vastaavasti myös malleja, joissa palveluntarjoajan tavoitetta maksi- moidaan ja matkustajien tavoitetta rajoitetaan. Lisäksi mallit räätälöidään lineaarisille rataverkoille, mikä poistaa tarpeen huomioida matkustajien useampia mahdollisia reittejä. Malleihin lisätään myös mahdollisuus rajoittaa pääteasemien määrää, jotka voivat toimia linjojen päätepysäkkeinä. Näitä malleja arvioidaan kokeellisesti hyödyntäen generoitua dataa sekä rautatieverkon että matkustajamäärien osalta. Tulokset osoittavat, että mallit pystyvät lisäämään matkustajien mukavuutta. Melkein kaikki matkustajat voivat matkustaa ilman vaihtoja, mikäli käytetään kyseistä mallia ja kapasiteettirajoitteet täyttyvät. Tulokset ovat myös melko riippuvaisia käytettävissä olevien junien lukumäärästä sekä pääteasemista, joista osalla on suuri merkitys matkustajien mukavuuden lisäämisessä. Eri malleilla optimoidut linjaratkaisut voivat olla melko ristiriitaisia keskenään. Tulokset voivat olla heikkoja, mikäli niitä arvioidaan muiden kuin optimoinnissa käytettyjen metriikkojen perusteella. Nämä tulokset viittaavat siihen, että jatkotutkimuksessa pitäisi keskittyä eri tavoitefunktioiden samanaikaiseen optimointiin. Lisäksi malleja pitäisi käyttää linjasuunnitelmien tekemiseen oikealla rataverkko- ja matkustajamäärädatalla, koska tässä työssä esitellyt tulokset nojaavat pelkästään generoituun dataan.Description
Supervisor
Schiewe, PhilineThesis advisor
Schiewe, PhilineKeywords
line planning, public transportation, mathematical programming, linear programming