خدمات شبيه‌سازي در زمينه راه‌آهن و مترو

شبيه‌سازي يکي از مهم‌ترين ابزارهاي پشتيباني تصميم‌گيري در خصوص بسياري ازمسائل مي‌باشد. از شبيه‌سازي براي مسائل زير در زمينه راه‌آهن مي‌توان استفاده نمود:

3    طراحي سيستم‌هاي جديد

•   احداث خطوط جديد

• احداث خط متناسب با بازار تقاضا و ظرفيت‌سنجي خط

•  بررسي مسائل مرتبط با تصادف‌هاي احتمالي

•  بررسي سناريوهاي مختلف برنامه‌ريزي زمانبندي

• بررسي تأثير خط جديد بر روي کل شبکه ريلي

• تأثير احداث ايستگاه بر روي کل شبکه ريلي

•  تأثير گذر خط از جاده‌ها بر روي‌ترافيک جاده‌اي

•  بررسي اثرگذاري تک خط شدن خط برخي از نواحي بر روي ساير پارامترهاي سيستم

3    تجزيه و تحليل سيستم‌هاي فعلي

3    تأثير تغييرات ناشي از تغيير در:

•  وضعيت خطوط

•  وضعيت عملکردي، ظرفيت و ... ايستگاه‌ها

•  طراحي سيستم سرويس، تعميرات و نگهداري خطوط و قطارها

•  برنامه زمانبندي حرکت

بر روي:

o       ترافيک ريلي

o       تصادفات محتمل

o       ايجاد تأخيرات

o       پاسخگويي به تقاضاي بازار

   و ...

1. مقدمه

Incontrol Enterprise Dynamic ارائه‌دهنده خدمات مشاوره و نرم‌افزار تخصصي در خصوص شبيه‌سازي لجستيک و تجزيه تحليل مقداري مي‌باشد. به عبارت دقيق‌تر:

شرکت Incontrol در زمينه صنعت حمل‌ونقل و زيرساختارهاي مرتبط با آن در سازمان‌هاي توليدي، شرکت‌هاي توزيع کننده و بخش خدمات فعال مي‌باشد. در طي ساليان اخير، Incontrol مطالعات بسيار زيادي در زمينه شبيه‌سازي در حوزة لجستيک راه‌آهن انجام داده است.

Incontrol به مشتريان خود در طراحي زيرساختار راه‌آهن، سرويس و خدمات در خصوص برنامه‌ريزي زمانبندي بسيار قوي و بهبود عمليات را ارائه مي‌دهد. Incontrol با استفاده از دانش کاربردي خود، طيف گسترده اي از تجربيات و همچنين ابزار پيشرفته شبيه‌سازي در خصوص شبيه‌سازي زير ساختارهاي راه‌آهن در تمامي زمينه‌هاي زير:

3    ايستگاه و محوطه Yard

3    خطوط راه‌آهن

3    و کل شبکه ريلي

خدمات گسترده‌اي ارائه مي‌دهد.

2. شبيه‌سازي ايستگاه‌ها و محوطه Yard

قطارها به طور همزمان وارد محوطه و ايستگاه‌ها مي‌شوند تا عمليات بارگيري و بارگذاري محموله‌ها و هم‌چنين ورود و خروج مسافران را انجام دهند. در اغلب مواقع به هنگام استفاده از منابع زيرساختاري محدود، مانور پيچيدة قطارها در محوطه و ايستگاه‌ها در يک زمان رخ مي‌دهد. در عمل محوطه و ايستگاه‌ها منبع ايجاد تأخير و هزينه‌هاي اضافي عملياتي غير پيش‌بيني شده مي‌باشد.

3  شبيه‌سازي ابزاري بسيار مهم در جهت پشتيباني تصميم‌گيري براي طراحي Yard و ايستگاه‌ها و بهبود وضعيت فعلي و آتي عمليات مي‌باشد.

شکل 1: شبيه‌سازي يک Yard

 3. شبيه‌سازي خطوط

 خطوطي که محوطه Yard و ايستگاه‌ها را متصل مي‌نمايند، شريان‌هاي يک شبکه ريلي مي‌باشند. يک خط ميبايست اين توانايي را داشته باشد تا درخصوص‌ ترافيک ريلي فعلي و مورد نظر آينده به کار گرفته شود. در عمل، توانايي‌هاي يک خط با استفاده از تعداد زيادي از عوامل تعيين مي‌گردد.

3  شبيه‌سازي ابزار مهم پشتيباني تصميم‌گيري به منظور طراحي خطوط مي باشد تا ظرفيت خطوط را تعيين نموده و استفاده از ظرفيت عملي آن را بهبود بخشد.

شکل 2: شبيه‌سازي يک خط

4. شبيه‌سازي شبکه ريلي

Yardها، ايستگاه‌ها و خطوط ساختار تشکيل دهندة يک شبکه ريلي مي‌باشند. هنگاميکه کارايي کل يک شبکه راه‌آهن مدنظر مي‌باشد، بهينه سازي يک Yard و يا يک خط معمولاً بهترين رويکرد حل مسائل نمي‌باشد. برنامه‌ريزي زمانبندي و زيرساختار شبکه شامل تعداد بسيار زيادي از عوامل تأثيرگذار بر يکديگر که بر روي کارايي تأثيرگذار هستند، مي‌باشد. پيکره‌بندي‌‌هاي مختلف از يک شبکه با استفاده از برنامه‌ريزي‌هاي زمانبندي مختلف وجود دارد که نشان‌دهنده تفاوت‌هاي شديدي در قدرتمندي در مديريت تأخيرات مي‌باشد.

3  شبيه‌سازي ابزار مهم تصميم‌گيري در خصوص طراحي پيکره‌بندي شبکه راه‌آهن و ارزيابي خوب بودن برنامه‌ريزي‌هاي زمانبندي مي‌باشد.

شکل3: شبيه‌سازي کل شبکه ريلي هلند

5. ابزار شبيه‌سازي راه‌آهن

Incontrol ابزار بسيار قدرتمند و مدرني را توسعه داده است که در خصوص تعداد بسيار زيادي از مطالعات شبيه‌سازي انجام گرفته توسط Incontrol و ساير شرکت‌ها به کار گرفته شده است. اين ابزارهاي عبارتند از:

3    الگوي راه‌آهن Incontrol (IRT)

به منظور شبيه‌سازي Yardها، ايستگاه‌ها و خطوط

3    Simone

براي شبيه‌سازي شبکه‌هاي ريلي

IRT شامل عناصر مورد نياز جهت ساخت سادة و راحت مدل Yardها، ايستگاه‌ها و خطوط به طور اختصاصي و ويژه مي‌باشد.

 Simone به منظور ساخت مدل شبيه‌سازي شبکه مي‌باشد و محيط شبيه‌سازي آن در محيط Windows است تا با استفاده از آن بتوان مدل سازي نمود، شبيه‌سازي را انجام داد و شبکه‌هاي بزرگ و پيچيده ريلي را تجزيه و تحليل کرد. Simone توسط Incontrol براي ProRail و با همکاري آن شرکت توسعه داده شده است. ProRail سازماني است که مديريت ظرفيت کل زيرساختار شبکه ريلي هلند را براي دولت هلند انجام مي‌دهد.

سيستم شبکة ريلي هلند يکي از پيچيده‌ترين شبکه‌هاي ريلي و پربارترين در نوع خود در دنيا مي‌باشد. برنامه زمانبندي کل شبکه بسته به تقاضاي بازار براي بار و مسافر هر سال تغيير مي‌يابد. به علاوه شبکه بطور مستمر در قالب جديد زيرساختار جديد افزايش پيدا مي‌کند تا بتواند به نياز بازار پاسخ دهد. اين محيط متلاطم انجام تصميم‌گيري به منظور محل توسعة زيرساختار شبکة جديد و چگونگي قالب آن و محل اختصاص ظرفيت شبکه را به شرکت‌هاي مديريت عمليات راه‌آهن، بسيار پيچيده مي‌نمايد. Incontrol و ProRail راهکار Simone را توسعه داده‌اند تا پويايي لازمه را براي برنامه‌ريزي زمانبندي فراهم آورند. يک ويژگي بسيار مهم  Simone امکان تهيه سريع و راحت مدل‌هاي شبيه‌سازي از زيرساخت‌ها تا بانک اطلاعاتي برنامه‌ريزي‌هاي زمانبندي مي‌باشد. شکل 4 معماري برنامه Simone را نشان مي‌دهد.

شکل 4: معماري Simone

Simone مي تواند حجم بسيار وسيعي از اطلاعات آماري را جمع‌آوري کند. محتواي اين اطلاعات از کارايي کل شبکه تا آمار بسياز جزئي در مورد يک قطار خاص در يک ايستگاه خاص شامل مي‌گردد.

در اين راه اين امکان وجود دارد که به مدل از زاويه کلان تا سطح بسيار ريز جزئيات نگريسته شود.

يکي از خصوصيات کليدي Simone توليد نمودارهاي شبکه‌اي Network Diagram مي‌باشد. کارايي يک شبکه به عنوان يک کليت مي‌تواند در قالب يک شکل‌ ترسيم شود. هم‌چنين ساير نمودارهاي شبکه‌اي نيز در قالب‌هاي متفاوت از قبيل ميزان استفاده از شناوري، مختل شدن حرکت و غيره قابل تهيه مي‌باشند.

شکل 5: خروجي Simone، کارايي شبکه

6. پروژه‌هاي انجام يافته

3    Betuweroute

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي Betuweroute. Betuweroute يک پروژه چندين ميليون دلاري است که خط ارتباطي فيمابين بندر رتردام و کشور آلمان است. از شبيه‌سازي به منطور ارزيابي ظرفيت Betuweroute و تعيين گلوگاه‌ها استفاده گرديد.

3    خط بندر رتردام

مشتري: NS Railinfrabeheer and Holland Railconsult

ارزيابي ظرفيت خط بندر رتردام و مقايسة آلترناتيوهاي مختلف طراحي

3    West Tracks of Utrecht

مشتري: NS Railinfrabeheer and Holland Railconsul

مطالعة شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Utrecht

3    Distribution network “Clockwise” for Railion

مشتري: Railion

Clockwise يک مفهوم جديدي براي شبکه‌هاي توزيع ريلي مي‌باشد. Incontrol با استفاده از شبيه‌سازي امکان‌سنجي اين مفهوم را ارزيابي نمود و ظرفيت‌ ترمينال‌هاي شبکه ريلي را تعيين کرد.

3    Utrecht GE

مشتري: Railion

شبيه‌سازي فرايندها در ايستگاه Utrecht GE

3    IJsselmonde

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي ايستگاه IJsselmonde

3    Kijfhoek

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي بارانداز ايستگاه راه‌آهن Kijfhoek

3    Maasvlakte

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Maasvlakte

3    Maasvlakte West

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Maasvlakte West

3    Botlek

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Maasvlakte West

3    Botlek

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Botlek

3    Europoort

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Europoort

3    Waalhaven Zuid

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعة شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Waalhaven Zuid

3    Pernis

مشتري: Railinfrabeheer and Holland Railconsult

مطالعه شبيه‌سازي فرآيندها در ايستگاه Pernis

3    Simone

مشتري: ProRail

طراحي و توسعة Simone. Simone نام برنامة شبيه‌سازي شبکه‌ها مي‌باشد که مبتني بر سيستم عامل Windows است و با استفاده از آن مي‌توان مدل‌هاي شبيه‌سازي شبکه‌ها پيچيده ريلي را توليد، شبيه‌سازي و تجزيه و تحليل نمود.

3    Weesp

مشتري: ProRail

Incontrol تأثير تداخلات در ايستگاه Weesp را بر روي کارايي شبکه‌هاي پيرامون بررسي نمود. هدف اين مطالعه بهبود طراحي برنامه‌ريزي زمانبندي بود.

3    Hengelo

مشتري: ProRail

Incontrol تأثير تداخلات موجود در ايستگاه Hengelo بر روي کارايي شبکه پيرامون تعيين نمود. هدف اين مطالعه بهبود طراحي برنامه‌ريزي زمانبندي بود.

7. انتظار براي  SIMONE

SIMONE برنامه‌ريزي زمانبندي را آزمايش مي نمايد و شبيه‌سازي تأثيرات تأخيرات را نشان مي‌دهد. [1]

سيستم راه‌آهن هلند به صورت بسيار زيادي مورد استفاده واقع شده و بواسطه‌ ترافيک پيچيده آن که انواع قطارها با تناوب زياد در آن حرکت مي‌نمايد به طور يک شاخص مطرح است. به منظور اينکه انتخاب‌هاي کافي به مسافران ارائه شود، ارتباطات در بسياري از ايستگاه وجود دارد. به اقتضاي استفاده زياد و وجود تعداد بسيار زياد ارتباطات و وابستگي‌هاي موجود فيمابين قطارها منجر به ايجاد تأخير و انتقال اين تأخيرات از يک قطار به ساير قطارها مي‌شود. برنامه‌ريزي حرکت با استفاده از برنامه زمانبندي عمومي در دسترس همگان مي‌باشد. پيش از اين، مطالعات سطح بالايي در خصوص برنامة زمانبندي صورت مي‌گيرد. مطالعات راهبردي برنامه زمانبندي در ارتباط با ظرفيت مورد نياز در آينده مي‌باشد. براي ميان مدت ظرفيت موجود به تقاضاي بازار که توسط شرکت‌هاي عملياتي قطارها اختصاص داده مي‌شود. تمامي درخواست‌ها به يک سطح ملي ارتقاء مي‌نمايد. زيرا برنامه زمانبندي در هلند در عمل براي هر ساعت تکرار مي‌شود که اين الگوي مبنا براي ساعت پيک و غيرپيک‌ ترافيک توسعه داده شده است.

 ProRail سازمان مديريت ظرفيت و ايمني شبکه ريلي مي‌باشد که با استفاده از سيستم DONS الگوي مبناي برنامه ساعتي را توليد مي‌نمايد.[2] DONS ابزاري مناسب مي‌باشد که برنامه‌ريزي زمانبندي بدون تداخلي را بر پايه نيازهاي بازار، زيرساختارها و اطلاعات ورودي انجام مي‌دهد.[3] محاسبات براي برنامه زمان حرکت و زمان توقف قطارها انجام مي‌شود. سپس محدوديت‌ها با توجه به تعداد قطارهاي موجود بر روي مسيرهاي مختلف، ارتباطات و سرعت اعمال مي‌شود. همچنين زمان‌هاي ورود، خروج و عبور همانند ميزان استفاده از قطارها و شناوري‌هاي مورد نياز به منظور مواجه با تغييرات در فرآيندها به کار گرفته مي‌شود.

8. آزمايش ثبات

مطالعات فني و استراتژيک برنامه‌ريزي زمانبندي ويرايش‌هاي مختلفي از برنامه‌هاي زمانبندي را با معيارهايي از قبيل ابعاد حمل‌ونقل، زمان مسافرت، امنيت، محيط، هزينه و کيفيت مقايسه مي‌نمايد. کيفيت در اينجا درجه امکان‌پذيري يا ثبات برنامه زمانبندي مي‌باشد.

نکتة مهم ميزان حساسيت نسبت به اختلالات و تغييرات جزئي مي‌باشد. جزئي در اينجا به معني مي‌باشد که به تغييرات بزرگ همانند لغو نمودن برنامه قطار نياز نبوده و در نتيجه برنامه سالم مي‌ماند. سوالي که مطرح مي‌باشد اين است که اگر طراحي برنامه زمانبندي به شکلي باشد که توانايي بهبود يافتن و يا تنظيم خودکار را داشته باشد آيا برنامه داراي ثبات کافي مي‌باشد و يا در اثر تغييرات کوچک مختل شده و از کار مي‌افتد؟ مفهوم ثبات به طرق مختلفي قابل اندازه‌گيري مي‌باشد. شاخص‌هاي مهم در اين راستا در ميان ساير شاخص‌ها اين است که ميزان تأخيرات به چه مقدار زمان نياز دارند تا از بين رفته و برنامه مجدداً به حالت عادي بازگردد و همچنين سرعت عمل چقدر مي‌باشد. فاکتور مهم ديگر ميزان شناوري در دسترس مي‌باشد که در برنامه زمانبندي مورد نياز بوده و ايجاد تأخيرات کدام قسمت از شبکه را تحت تأثير قرار مي‌دهند.

به منظور اينکه بتوان کيفيت را مورد ارزيابي قرار داد، ProRail Innovation به همراه بخش مسافري راه‌آهن هلند (NS Reizigers) و Incontrol Enterprise Dynamics آزمايشات بررسي ثبات برنامه را توسعه دادند و متدولوژي توسعه داده شده که در قلب آن شبيه‌سازي قرار دارد. امکانات متفاوتي وجود دارد تا بتوان يک برنامه‌اي از فرآيندها را مختل نمود. مي‌توان تغييراتي را در فرآيندها، ميزان اختلال و چارچوب زماني که اين تغييرات ايجاد شده ايجاد نمود. در آزمايش ثبات برنامه برنامه‌هاي زمانبندي مختلف مي‌توانند با يکديگر مقايسه شوند. نتايج مي‌توانند منجر به آزمايشات بيشتري از قبيل تحقيقات بيشتر بر روي تأثيرات گلوگاه شود.

9. مطالعات موردی

نمونه‌هايي چند در دسترس مي‌باشند که در آنها محاسبات و تجزيه و تحليل کامل يک سيستم شبکه ريلي بر اساس مدل‌هاي شبيه‌سازي انجام شده اند[3]. به طور کلي مطالعات شبيه‌سازي صورت بر روي بخش محدودي از شبکه مانند نقطه اتصال چند خط انجام شده‌اند. بر اساس مطالعات صورت گرفته بوسيلة FASTA [4]، ProRail از رويکرد rough-to-fine استفاده نموده است. مطابق با اين رويکرد شبکه از يک سطح بسيار بالا و بطور بسيار خلاصه شده نگريسته مي‌شود. نتايج حاصله در اين سطح از شبکه مي‌تواند نقطة شروعي براي مطالعه با سطح جزئيات بالا و به صورت محدود و منطقه‌اي باشد. آزمايش ثبات برنامه توسطه SIMONE انجام مي‌شود. SIMONE مخفف Simulation Model for Networks مي‌باشد. SIMONE به طور مشترک توسط ProRail و Incontrol Enterprise Dynamics توسعه داده شده است. مدل شبيه‌سازي به منظور قضاوت و انجام آزمايش بر روي برنامه‌هاي زمانبندي توسعه داده شده تا با اين ابزار پشتيبان تصميم‌گيري بتوان با نگرش شفاف‌تري تصميم سازي نمود. با استفاده از SIMONE بينش کافي در خصوص حساسيت نسبت به اختلالات و آگاهي نسبت به پيچيدگي شبکه کسب مي‌شود:

براي مثال SIMONE ميتواند موارد زير را پشتيباني نمايد:

3    تعيين ميزان ثبات يک برنامه زمانبندي ( چگونه و به چه ميزاني برنامه نسبت به اختلالات مقاومت مي‌نما¡