ارزیابی پایداری شبکه‌های حمل و نقل بار چندوجهی

ارزیابی پایداری شبکه‌های حمل و نقل بار چندوجهی

حمل و نقل بار چندوجهی امکان تغییر بین حالت‌های مختلف حمل و نقل را برای استفاده کارآمدتر از امکانات حمل و نقل فراهم می‌کند. این مقاله رویکردی را در مدل‌سازی شبکه و ارزیابی استحکام برای شبکه‌های حمل و نقل بار چندوجهی ارائه می‌دهد، که در آن گره‌ها نشان‌دهنده تقاطع‌ها، پایانه‌ها و گذرگاه‌ها و پیوندها نشان‌دهنده مسیرها هستند. مدل شبکه، ویژگی‌های اتصال و وابستگی متقابل را در بر می‌گیرد. بار می‌تواند بین حالت‌های مختلف در پایانه‌های به هم پیوسته تغییر کند، در حالی که اختلال در یک گره وابسته به هم (به عنوان مثال، پل، تونل، گذرگاه راه‌آهن) بر چندین حالت تأثیر می‌گذارد. با در نظر گرفتن اختلال در عناصر زیرساخت و کاهش ظرفیت مسیرها به عنوان اختلالات، استحکام شبکه به عنوان افزایش کل زمان سفر ناشی از این اختلالات ارزیابی می‌شود. ما مدل ارزیابی استحکام خود را برای حمل و نقل بار هلند اعمال می‌کنیم و سه حالت را در نظر می‌گیریم: آبراه داخلی، جاده و راه‌آهن. بحرانی بودن گره، که به عنوان تأثیر حذف یک گره بر کل زمان سفر تعریف می‌شود، شبیه توزیع توانی است که مستقل از تخصیص‌های مختلف ترافیک است. این ویژگی بدون مقیاس، نشان‌دهنده وضعیت نسبتاً مقاوم شبکه در برابر اختلالات تصادفی منفرد است. علاوه بر این، ما نشان می‌دهیم که بحرانی‌ترین گره‌ها را می‌توان تقریباً با ویژگی‌های توپولوژیکی آنها شناسایی کرد. تحقیقات ما با اختصاص اولویت به زیرساخت‌های حیاتی، به برنامه‌ریزی تعمیر و نگهداری کمک می‌کند.

مقدمه

بخش حمل و نقل بار در مناطق داخلی اروپا، به منظور کاهش اشباع سیستم‌های جاده‌ای، تغییر به سمت حمل و نقل چندوجهی مانند راه‌آهن، آبراه‌های داخلی و حمل و نقل دریایی را هدف قرار داده است [1]، [2]. حمل و نقل بین وجهی و حمل و نقل همزمان وجهی به عنوان دو راه حل امیدوارکننده مطرح شده‌اند. حمل و نقل بین وجهی امکان جابجایی کالا را با استفاده از روش‌های مختلف به صورت متوالی فراهم می‌کند [3]. حمل و نقل همزمان وجهی با هدف تغییر در زمان واقعی و انعطاف‌پذیر بین روش‌های مختلف حمل و نقل بر اساس آخرین اطلاعات لجستیکی، به منظور استفاده کارآمدتر از همه امکانات حمل و نقل انجام می‌شود [4]، [5].

شبکه‌های حمل و نقل مستعد ابتلا به اختلالات مختلف، به عنوان مثال خرابی زیرساخت‌ها و تعطیلی موقت به دلیل کارهای ساختمانی هستند. اختلالات شدیدتر، مانند اعتصابات یا آب و هوای شدید (مانند خشکسالی، برف سنگین، بادهای شدید)، می‌تواند منجر به عدم دسترسی نسبی به شبکه‌های حمل و نقل شود. استحکام شبکه به عنوان معیاری از پاسخ شبکه به اختلالات یا چالش‌های تحمیل شده بر شبکه تفسیر می‌شود [6]، [7]، که هم توپولوژی شبکه و هم خدماتی را که شبکه برای آن طراحی شده است در نظر می‌گیرد [8]. در حوزه حمل و نقل، “استحکام” به اجتناب از ضررهای اقتصادی مستقیم و غیرمستقیم یک شبکه حمل و نقل اشاره دارد که به عنوان میزان عملکرد شبکه حمل و نقل در حضور اختلالات مختلف ظرفیت در عناصر حمل و نقل تعریف می‌شود [9]. در تجزیه و تحلیل استحکام، ارزیابی کاهش عملکرد شبکه تحت اختلالات شبکه یک رویکرد رایج است. بررسی جامع‌تر آثار مرتبط به بخش 2 اشاره دارد. با وجود اینکه رویکردهای ارزیابی زیادی در حالت‌های مختلف حمل و نقل اعمال شده است، چارچوب ارزیابی استحکام برای شبکه‌های چندوجهی به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته است [10]. مسائلی از جمله (۱) چگونگی انتزاع زیرساخت‌های خاص (مثلاً پایانه‌ها و گذرگاه‌ها) در حمل و نقل چندوجهی؟ (۲) چگونگی ارزیابی استحکام شبکه تحت هر دو اختلال ساختاری و تخریب ظرفیت؟ (۳) ویژگی توپولوژیکی عنصر زیرساخت حیاتی مبتنی بر ترافیک چیست؟ هنوز حل نشده است. هدف این مطالعه پرداختن به سؤالات فوق است.

معرفی مفاهیم علوم شبکه در تحقیقات حمل و نقل به ما این امکان را می‌دهد که چارچوبی برای مدل‌سازی شبکه، ارزیابی پایداری و شناسایی ساختار بحرانی برای حمل و نقل چندوجهی بار پیشنهاد دهیم. مطالعه پایداری در علوم شبکه با آستانه نفوذ بحرانی در گراف‌های تصادفی آغاز شد [11]، [12]. در سال‌های اخیر، موضوعات تحقیقاتی نوظهور در علوم شبکه، مانند شبکه وابسته [13]، شکست آبشاری [14]، فرآیند گسترش، مدل نفوذ، مورد توجه قرار گرفته‌اند، زیرا این مدل‌ها با قابلیت تفسیر بالا می‌توانند رفتارهای جامع‌تری را در شبکه‌های دنیای واقعی، مانند شبکه‌های برق، شبکه‌های توزیع آب، انتشار ازدحام، نشان دهند. یک شبکه وابسته در علوم شبکه، یک شبکه چند لایه متشکل از انواع مختلف شبکه‌ها است که برای عملکرد خود به یکدیگر وابسته هستند [13]. وابستگی متقابل در شبکه‌ها برای اندازه‌گیری پایداری شبکه‌های ارتباطی که شبکه‌های برق را کنترل و پشتیبانی می‌کنند [15]، به ویژه با بررسی تأثیر شکست آبشاری [14]، [16]، اعمال شده است.

نمایش شبکه‌های وابسته به هم، یک معیار عالی برای ساختار شبکه‌های چندوجهی است که برای اولین بار در سیستم‌های حمل و نقل اعمال می‌شود. با در نظر گرفتن چندین روش (مانند آبراه داخلی، جاده و راه‌آهن)، زیرساخت حمل و نقل به عنوان یک شبکه چندلایه مدل‌سازی می‌شود که در آن گره‌ها نشان‌دهنده تقاطع‌ها، پایانه‌ها و گذرگاه‌ها و پیوندها نشان‌دهنده مسیرها هستند. این شبکه دارای دو ویژگی است: اتصال متقابل [17] و وابستگی متقابل [16]. به طور خاص، پایانه‌های بارگیری، امکاناتی هستند که در آن‌ها می‌توان بار را از یک حالت حمل و نقل به حالت دیگر منتقل کرد و به عنوان اتصالات متقابل مدل‌سازی می‌شوند. گذرگاه‌ها، که عملکرد آن‌ها بر چندین حالت حمل و نقل تأثیر می‌گذارد (مانند پل‌ها)، گره‌های وابسته به هم هستند. بنابراین، اختلال در یک گذرگاه به معنای عدم دسترسی همزمان به مسیرهای مرتبط در چندین لایه شبکه است. در نتیجه، این مدل شبکه ماکروسکوپی، اتصال پیچیده شبکه‌های حمل و نقل چندوجهی را خلاصه می‌کند و همچنین انواع مختلف اختلالات شبکه را مشخص می‌کند.

بر اساس مدل شبکه، ما میزان پایداری شبکه‌های حمل و نقل چندوجهی را ارزیابی می‌کنیم. ما کل زمان سفر برای حمل تمام بارها را به عنوان یک شاخص عملکرد در نظر می‌گیریم که معمولاً به دلیل اختلال در هر عنصر زیرساختی افزایش می‌یابد [18]. چارچوب ما فرض می‌کند که افزایش کل زمان سفر ناشی از حذف یک گره، نشان‌دهنده میزان بحرانی بودن این گره است. سپس، می‌توان با در نظر گرفتن افزایش زمانی ناشی از حذف هر گره به صورت آماری، میزان پایداری یک شبکه را اندازه‌گیری کرد. توزیع میزان بحرانی بودن گره در یک شبکه در مقیاس بزرگ می‌تواند بینش‌هایی در مورد تکامل رفتارهای حمل و نقل ارائه دهد. علاوه بر این، ما همبستگی بین افزایش زمانی ناشی از حذف یک گره و ویژگی‌های توپولوژیکی این گره را بررسی می‌کنیم که به شناسایی سریع‌تر گره‌های بحرانی کمک می‌کند.

ما رویکرد خود را با یک مطالعه موردی گسترده در شبکه حمل و نقل بار در هلند ارزیابی می‌کنیم. مطالعه موردی محدود به تخصیص ترافیک همه یا هیچ (AoN) [19] نیست، بلکه مدل‌های ترافیکی کاربردی‌تری از جمله تقسیم مودال (MS) [20]، تعادل کاربر (UE) [21] و بهینه سیستم (SO) [21] را نیز در بر می‌گیرد. ما عملکرد مقاوم‌سازی و ویژگی‌های توپولوژیکی گره‌های بحرانی را تحت تخصیص‌های مختلف ترافیکی بررسی می‌کنیم. ارزیابی تحت اختلالات تک عنصری، گره‌های بحرانی را شناسایی می‌کند که اختلال آنها منجر به افزایش نسبتاً بالای زمان سفر می‌شود. گره‌های بحرانی باید اولویت بالاتری برای تعمیرات و نگهداری توسط سازمان مسئول داشته باشند. ارزیابی مقاوم‌سازی تحت تخریب ظرفیت مسیرها می‌تواند به ارزیابی تأثیر یک فاجعه در مقیاس بزرگ و تدوین برنامه‌های احتمالی کمک کند. یک چارچوب بازیابی کلی برای هر نوع شبکه در [22] ارائه شده است که امکان ارزیابی عملکرد اقدامات بازیابی در شبکه‌های حمل و نقل را فراهم می‌کند. برای متن باز چارچوب ارزیابی ما و داده‌های نقشه‌برداری شبکه حمل و نقل هلندی ما، می‌توانید به پروژه RMTN1 در Github مراجعه کنید. سهم اصلی این اثر را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

الف. ما مفاهیم اتصال و وابستگی متقابل را در مدل‌سازی شبکه‌های چندوجهی معرفی می‌کنیم که امکان ارزیابی تأثیر ناشی از اختلال در پایانه‌ها و گذرگاه‌ها را فراهم می‌کند.

ب. چارچوب ارزیابی شبکه حمل و نقل به طور سیستماتیک اختلال/تخریب زیرساخت‌ها را تحت رفتارهای مختلف ترافیکی در نظر می‌گیرد.

ج. چارچوب ارزیابی، روشی را برای شناسایی تقریبی گره‌های بحرانی با استفاده از ویژگی‌های توپولوژیکی گره‌ها توسعه می‌دهد.

این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. مروری کوتاه بر کارهای مرتبط در بخش 2 ارائه شده است. ما روش مدل‌سازی یک شبکه حمل و نقل چندوجهی را در بخش 3 معرفی می‌کنیم. بخش 4 چارچوبی برای ارزیابی پایداری پیشنهاد می‌دهد و یک شاخص پایداری را تعریف می‌کند. ما در بخش 5 روش ارزیابی را برای شبکه حمل و نقل باری هلند اعمال می‌کنیم. بخش 6 یافته‌های ما را خلاصه می‌کند و این مقاله را به پایان می‌رساند.(منبع).