تعیین نوع بهینه تقاطع غیرهمسطح با استفاده از الگوریتم انبوه ذرات (PSO)

توضیحات

تعیین نوع بهینه تقاطع غیرهمسطح با استفاده از الگوریتم انبوه ذرات (PSO)این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد. چکیده: امروزه با افزایش تعداد وسایل نقلیه،تقاطع¬های همسطح دچار مشکلات بسیاری هستند.راهکارهای متفاوتی برای رفع این مشکل وجود دارد که در حال حاضر تبدیل تقاطع همسطح به تقاطع غیرهمسطح بسیار مورد توجه مهندسین قرار گرفته است.اما مدلی که با در نظر گرفتن عوامل مختلف تقاطع غیرهمسطح بهینه را تعیین کند،وجود ندارد و نیاز به چنین مدلی کاملاً احساس می¬گردد.دراین تحقیق سعی شده است تا مدلی برای انتخاب نوع بهینه تقاطع غیرهمسطح با در نظر گرفتن عوامل مؤثر ارائه گردد. .تقاطع¬های مورد بررسی در این تحقیق، تقاطع¬های جهتی، شبدري کامل، نیمه شبدري، تک¬نقطه¬اي و لوزي می¬باشند که با استفاده از نرم¬افزار AIMSUN شبیه¬سازي می-شوند.پارامترهای درنظر گرفته شده براي هر کدام از تقاطع¬ها، میزان تولید آلاینده¬هاي هوا، میزان مصرف سوخت و زمان سفر می¬باشند. مقدار پارامترهاي ذکر شده از خروجی¬هاي نرم¬افزار AIMSUN به دست می¬آیند و سپس تمامی آنها به هزینه تبدیل می¬گردند. سپس با استفاده از الگوریتم انبوه ذرات ( PSO) ادامه¬ي پژوهش انجام می¬گیرد که این الگوریتم برای احجام ترافیکی 1000 ، 3500 و 6500 وسیله نقلیه در ساعت،به ترتیب تقاطع¬های غیرهمسطح جهتی ،لوزی و تک¬نقطه¬ای را به عنوان تقاطع غیرهمسطح بهینه ارائه نموده است. واژه¬های کلیدی: تقاطع غیرهمسطح ،اولویت¬بندی ،الگوریتم انبوه ذرات (PSO) فهرست مطالب مقدمه.............................................................................................................................................................................1 فصل 1 5 1-1- معرفی انواع تقاطع¬ها 7 1-1-1- انواع تقاطع¬های همسطح 7 1-1-2- انواع تقاطع¬های غیرهمسطح 9 1-2- مروری بر پژوهش¬های گذشته 16 1-2-1- روش واتلورث و اینگرام در انتخاب تقاطع غیرهمسطح 16 1-2-2- روش مولینازی و ساترلی در انتخاب تقاطع غیرهمسطح 16 1-2-3- روش اسمیت و گاربر در انتخاب تقاطع غیرهمسطح 18 1-2-4- روش سید کمال سید حسین در انتخاب تقاطع غیر همسطح 19 1-2-5- اولویت¬بندي عوامل مؤثر بر انتخاب تقاطع¬های غیرهمسطح توسط شهاب حسن پور 23 1-2-6- روش آرین امیرامجدی در انتخاب تقاطع غیرهمسطح 28 فصل 2 31 2-1- مقدمه 33 2-2- معرفی نرم¬افزار شبیه¬سازی 34 2-3- عوامل مؤثر بر انتخاب نوع بهینه تقاطع¬های غیرهمسطح 38 2-3-2- منابع آلاینده هوا 43 2-3-3- زمان سفر 45 2-3-4- سوخت 45 2-4- مدل¬سازی تقاطع¬های غیرهمسطح 46 2-4-1- پارامترهاي ترافيكي 46 2-4-2- مشخصات فنی خودروها 47 2-4-3- مدل¬سازی 48 2-4-4- خروجی¬های نرم¬افزار 49 2-4-5- یکسان سازی واحد پارامترهای زمان سفر،آلاینده¬ها و سوخت 49 2-4-5-1- هزینه¬ی زمان سفر 49 2-4-5-2- هزینه¬ی تولید آلاینده¬های هوا 51 2-4-5-3- هزینه¬ی سوخت 53 2-5- معرفی الگوریتم انبوه ذرات 53 2-5-1- متغیرهاي مستقل و وابسته پژوهش 54 2-5-1-1- متغیرهاي وابسته تحقیق 55 2-5-1-2- متغیرهاي مستقل تحقیق 55 2-5-2- تعریف مدل و تابع هدف مسئله 55 2-5-3- محدودیت مسئله 56 2-5-4- کدگذاري و شيوه نمايش جواب¬ها 56 2-5-5- روندنمای الگوريتم انبوه ذرات 58 2-5-5-1 محاسبه ی مقدار برازندگی 60 2-5-3-2- انتخاب Pbest و Gbest 61 2-5-3-3- ضرایب یادگیری 61 2-5-4- نحوه¬ی پیاده¬سازی الگوریتم انبوه ذرات 62 2-5-4-1- نحوه کدنویسی 63 2-5-4-2- نحوه پیاده¬سازی 64 فصل 3 65 3-1- مقدمه 67 3-2- خروجی¬های نرم¬افزار 67 3-3- معادلات مربوط به پارامترهای زمان سفر و میزان آلاینده و سوخت 76 3-4- معادلات زمان سفر 76 3-5- معادلات میزان تولید آلاینده 76 3-6- معادلات میزان مصرف سوخت 77 3-7- محاسبه¬ی محدودیت¬های مسئله 77 3-8- نتایج اجرای الگوریتم انبوه ذرات 78 3-9- اعتبار سنجی مدل 82 3-10- نتیجه¬گیری کلی 83 3-11- پیشنهادات 84 پیوست 1 85 پیوست 2 93 پیوست 3 99 منابع و مراجع ..................................................................................... ...................................................................105 فهرست شکل¬ها شکل 1-1 تقاطع سه راهی T و Y شکل 7 شکل 1-2 تقاطع سه راهی T و Y شکل اصلاح شده 8 شکل 1-3 تقاطع چهار راهی اصلاح شده 8 شکل 1-4 فلکه 9 شکل 1-5 تقاطع غیر همسطح لوزی 10 شکل 1-6 تقاطع غیر همسطح تک¬نقطه¬ای 11 شکل 1-7 تقاطع غیر همسطح شیپوری 12 شکل 1-8 تقاطع غیر همسطح شبدری کامل 13 شکل 1-9 تقاطع غیر همسطح نیمه شبدری 14 شکل 1-10 تقاطع غیر همسطح جهتی 15 شکل 1-11 اولویت¬بندي پارامترهاي مؤثر بر انتخاب نوع بهینه تقاطع غیرهمسطح 27 شکل 2-1 روندنمای پژوهش 33 شکل 2-2 محیط نرم¬افزار ایمسان 37 شکل 2-3 میزان تأثیرگذاری سه عامل مورد بررسی بر انتخاب گزینه برتر تقاطع غیرهمسطح 41 شکل 2-4 مقایسه سهم منابع آلاینده های هوا 44 شکل 2-5 سهم گروه¬هاي مختلف سيستم حمل و نقل در آلودگي منتشره از منابع متحرك در هواي تهران 44 شکل 2-6 تقاطع غیرهمسطح جهتی در نرم¬افزار ایمسان 48 شکل 2-7 هزینه خسارات ناشی از آلاینده¬هاي مختلف هوا در ایران ( گزارش بانک جهانی 2006 (EER, 52 شکل 2-8 روندنمای الگوریتم انبوه ذرات 59 شکل 2-9 شبه کد الگوریتم انبوه ذرات 61 شکل 2-10 روندنمای اجرای مراحل تحلیل 62 شکل 3-1 نمودار میزان تولید آلاینده- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح تک¬نقطه¬ای 68 شکل 3-2 نمودار میزان تولید آلاینده- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح شبدری کامل 68 شکل 3-3 نمودار میزان تولید آلاینده- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح نیمه شبدری 69 شکل 3-4 نمودار میزان تولید آلاینده- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح جهتی 69 شکل 3-5 نمودار میزان تولید آلاینده- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح لوزی 70 شکل 3-6 نمودار میزان مصرف سوخت- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح تک¬نقطه¬ای 70 شکل 3-7 نمودار میزان مصرف سوخت- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح شبدری کامل 71 شکل 3-8 نمودار میزان مصرف سوخت- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح نیمه شبدری 71 شکل 3-9 نمودار میزان مصرف سوخت- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح جهتی 72 شکل 3-10 نمودار میزان مصرف سوخت- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح لوزی 72 شکل 3-11 نمودار زمان سفر- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح تک¬نقطه¬ای 73 شکل 3-12 نمودار زمان سفر- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح شبدری کامل 73 شکل 3-13 نمودار زمان سفر- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح نیمه شبدری 74 شکل 3-14 نمودار زمان سفر- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح جهتی 74 شکل 3-15 نمودار زمان سفر- حجم ترافیکی برای تقاطع غیرهمسطح لوزی 75 شکل 3-16 نمودار تقاطع غیرهمسطح جهتی به عنوان تقاطع غیرهمسطح بهینه در حجم ترافیک 1000 وسیله نقلیه در ساعت 79 شکل 3-17 نمودار تقاطع غیرهمسطح لوزی به عنوان تقاطع غیرهمسطح بهینه در حجم ترافیک 3500 وسیله نقلیه در ساعت 80 شکل 3-18 نمودار تقاطع غیرهمسطح تک¬نقطه¬ای به عنوان تقاطع غیرهمسطح بهینه در حجم ترافیک 6500 وسیله نقلیه در ساعت 81 فهرست جداول جدول 1-1 مقایسه خصوصیات انواع مختلف تبادل¬ها 24 جدول 1-2 مروری بر پژوهش¬های گذشته 30 جدول 2-1 سهم وسایل نقلیه شماره¬گذاری شده در شهر تهران 47 جدول 2-2 شکل شماتيک يک مثال از مساله انتخاب نوع بهینه تقاطع غیرهمسطح 58 جدول 3-1 واریانس جواب¬های حاصل از الگوریتم انبوه ذرات 82 مقدمه مقدمه: با افزایش جمعیت و به تبع آن رشد تقاضاي سفر، مدیران حمل ونقل با چالش فرایند انتقال ایمن و کارآمد انسان و کالا با توجه به محدودیت¬هاي تملک اراضی و بودجه مواجه می¬باشند،که بویژه درآزادراه¬ها و راه¬هاي پرتراکم واقع در نواحی شهري و برونشهري که امکان افزایش ظرفیت راه وجود ندارد، ایجاد ازدحام سبب افزایش زمان سفر و کاهش ایمنی و در نتیجه شرایط غیرقابل تحمل براي راننده می¬شود. در سال¬هاي اخیر تبدیل تقاطع¬هاي همسطح به غیرهمسطح به عنوان یک راه حل امید بخش در مدیریت مؤثر تقاطع¬ها با توجه به زیرساخت¬هاي موجود مورد توجه قرار گرفته است که کاربرد این تبدیل منافع بالقوه¬اي مانند بهبود زمان¬هاي سفر،کاهش آلاینده¬هاي زیست محیطی، ذخیره¬ي سرمایه در بلند مدت و کاهش در مصرف سوخت را فراهم می¬کند. در سال 1972 میلادی واتل¬ورث و اینگرام براي ارزیابی ترافیکی هر یک از گزینه ها، ظرفیت ساعت اوج آنها را با استفاده از یک مدل خطی محاسبه کرده¬اند. عضوي از تقاطع که تحت تأثیر حجم ماکزیمم بوده و شرایط بحرانی¬تري دارد شناسایی شده و در مرحله بعدي افزایش ظرفیت می یابد تا مدل مناسب نتیجه شود. در سال 1973 مولینازی و ساترلی مقایسه تقاطع هاي غیر همسطح را از طریق سطح سرویس، ایمنی، انعطاف¬پذیري طول و تعداد خطوط مناطق همگذري ،زمان سفر، و فاکتورهاي اجتماعی بر روي تقاطع¬هاي غیرهمسطح انجام داده¬اند. در سال 1977 اسمیت و گاربر بر اساس پارامتر ایمنی دو تقاطع غیرهمسطح لوزي و تک¬نقطه¬اي را با هم مقایسه کردند. تعریف مسأله: یکی از راهکارهایی که جهت بهبودبخشی وضعیت تقاطع موجود مد نظر مهندسین قرار می¬گیرد اصلاح طرح هندسی، اعمال محدودیت¬هاي ترافیکی و غیره می¬باشد که در ردیف راه حل¬هاي کم هزینه قرار می¬گیرند. در صورتی که اینگونه راهکارها نتواند مشکل ترافیکی تقاطع را حل نماید راه حل دیگري که همان تبدیل تقاطع همسطح به تقاطع غیرهمسطح می¬باشد مد نظر قرار می¬گیرد. با توجه به تنوع زیاد انواع تقاطع-هاي غیرهمسطح و حوزه عملکرد هریک از آنها و نیز هزینه¬هاي متفاوت اقتصادي آنها گزینه¬هاي متفاوتی براي انتخاب نوع تقاطع غیرهمسطح وجود دارد. در کشور ما نیز هنگامی¬که یک تقاطع همسطح به یک تقاطع غیرهمسطح تبدیل می¬شود هیچگونه معیاري براي انتخاب بهینه¬ي تقاطع غیرهمسطح وجود ندارد . وجود مدلی که بتواند عواملی همچون عوامل ترافیکی ، اقتصادي ، زیست محیطی را در یک چارچوب کلی براي انتخاب بهینه نوع تقاطع غیرهمسطح ارائه کند از نیازهاي اصلی و اساسی جامعه مهندسان می¬باشد. در نتیجه ضروري است به منظور ایجاد یکنواختی روش¬ها و ضوابط طراحی و اجرائی و مدیریتی این مدل تدوین شود تا بتواند به عنوان یک قضاوت کارشناسی و نیز یک راهنما مورد استفاده قرار گیرد. در پژوهش پیش¬رو،با استفاده از داده¬های ترافیکی و نرم¬افزار شبیه¬سازی،پنج نمونه از تقاطع¬های غیرهمسطح شبیه¬سازی شدند و تحت بار¬های ترافیکی مختلف قرار گرفتند و در نهایت از خروجی¬های نرم-افزار شبیه¬سازی،معادلات مربوط به پارامترهای مورد نظر که عبارتند از زمان سفر،میزان آلاینده¬های زیست محیطی و میزان مصرف سوخت بودند،حاصل گشت.سپس با استفاده از این معادلات و الگوریتم بهینه¬سازی انبوه ذرات به حل مساله پرداخته شده است. محتواي فصول بعدي: در ادامه ، سه فصل پیش رو می¬باشد ،که فصل اول به معرفی انواع مختلف تقاطع¬های غیرهمسطح و مزایا و معایب هرکدام می¬پردازد و سپس مروری بر پژوهش¬های انجام گرفته در رابطه با موضوع مورد بحث که همان انتخاب نوع بهینه تقاطع غیرهمسطح می¬باشد را شامل می¬شود.در فصل دوم با عنوان مواد و روش¬ها ،به معرفی اطلاعات و داده¬های اولیه پرداخته می¬شود و نیز نحوه¬ی انجام و بکارگیری روش¬های مورد استفاده در این پژوهش تشریح می¬گردد.در فصل سوم با موضوع بحث و نتیجه¬گیری به بیان نتایج حاصله از روش¬های بکار رفته (و مذکور در فصل دوم) پرداخته شده است و نهایتاً نتایج ،جمع¬بندی و همچنین پیشنهاداتی برای پژوهش¬های آتی ارائه می¬گردد. فصل 1 ( بررسی منابع ) 1-1- معرفی انواع تقاطع¬ها 1-1-1- انواع تقاطع¬های همسطح الف- تقاطع های سه¬شاخه (سه راهی ) متداولترین نوع سه راهی¬ها T و Y شکل هستند،که این نوع از تقاطع¬ها برای ارتباط راه¬های فرعی،راه¬های محلی و حتی تقاطع راه¬های اصلی و فرعی مورد استفاده قرار می¬گیرد،البته شایان ذکر است که در این نوع تقاطع¬ها باید حجم ترافیک کم باشد که در غیر اینصورت باید به رفع این مشکل روی آورد که با اصلاحاتی همچون لاله¬ای کردن(تعریض کردن)و یا ایجاد خطوط گردش و هدایت کننده،مشکل این تقاطع¬ها برای مدت زمانی مرتفع می¬شود. ]2و11[ شکل 1-1 تقاطع سه راهی T و Y شکل]17[ شکل 1-2 تقاطع سه راهی T و Y شکل اصلاح شده]17[ ب- تقاطع¬های چهار رویکردی ( چهارراه ) این نوع از تقاطع¬ها نیز برای ارتباط راه¬های فرعی،راه¬های محلی و حتی تقاطع راه¬های اصلی و فرعی مورد استفاده قرار می¬گیرد،البته لازم به ذکر است که در این نوع تقاطع¬ها باید حجم ترافیک بالا نباشد که در غیر اینصورت باید به اصلاح این تقاطع¬ها پرداخت که با اصلاحاتی مانند لاله¬ای کردن(تعریض کردن)و یا ایجاد خطوط گردش و هدایت کننده مشکل این تقاطع¬ها برای مدت زمانی مرتفع می¬شود. ]2و11[ شکل 1-3 تقاطع چهار راهی اصلاح شده]17[ ج- تقاطع های میدانی ( فلکه ) فلکه¬ها نوع خاصی از تقاطع¬های همسطح می باشند که به دلیل احتیاج به فضای زیاد استفاده از آنها محدود می¬باشد و همچنین به دلیل اینکه ماکزیمم حجم ترافیک ورودی به فلکه 3000 وسیله در ساعت می-باشد،با توجه به افزایش روزافزون ترافیک،استفاده از این نوع تقاطع بسیار محدود شده است. ]2و11[