Rekabetçi toplu taşıma sistemi için çok amaçlı ve çok türlü ağ tasarım modeli önerisi
Multi-objective and multi-modal network design model for a competitive public transportation system
Yazar: MEHMET METİN MUTLU
Danışman: DOÇ. DR. YALÇIN ALVER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Ulaştırma mühendisliği = Transportation engineering ; Ulaşım ağı = Transport net ; Ulaşım planlaması = Transport planning ; İnşaat mühendisliği = Civil engineering

Özet:
Ulaşım kaynaklı sorunların azaltılması için, toplu taşıma sisteminin hizmet kalitesini arttırarak kullanım oranını arttırmak, ulaşım politikalarında öncelikli hedefler arasında yer almaktadır. Yetersiz hizmet seviyesine sahip olacağı için, uygun planlama yapılmadan sunulan bir toplu taşıma hizmeti ile bu hedefin gerçekleştirilmesi olası değildir. Doğru tasarlanmamış bir toplu taşıma sisteminin aynı zamanda işletme maliyetinin ve olumsuz çevresel etkilerinin yüksek olması beklenmektedir. Özel taşıt yerine tercih edilebilecek bir toplu taşıma hizmeti sağlayabilmek için faydalanılan yöntemlerden biri ayrılmış otobüs şeridi uygulamalarıdır. Bu çalışmada rekabetçi ve sürdürülebilir bir toplu taşıma sistemi oluşturmak için otobüs şeritlerinin ve otobüs hat frekanslarının belirlendiği bir çift seviyeli optimizasyon modeli geliştirilmiştir. 
Geliştirilen çift seviyeli modelin alt seviye probleminde, alınan ağ tasarım kararlarına göre ulaşım ağı kullanıcılarının ulaşım türü ve rota tercihleri çok türlü kullanıcı dengesi atama modeli ile belirlenmektedir. Atama modelinde otobüs şeridi olmaması durumunda yol ağı ve toplu taşıma ağı linklerinin maliyetleri iki türün taşıt akımlarından etkilenmektedir. Benzer şekilde, rota kesiti gösterimine dönüştürülen toplu taşıma ağında farklı linkler aynı otobüs hatlarını içerebildiği için, bir linkin maliyeti birden fazla linkin akımına bağlı olmaktadır. Link maliyetlerinin birbirinin akımından aynı oranda etkilenmemesi nedeniyle asimetrik maliyet fonksiyonuna sahip bu atama problemi, köşegenleştirme algoritması ile çözülmüştür. Geliştirilen atama modeli küçük ölçekli bir ağda uygulanmış ve göz önünde bulundurulan her iki ulaşım türü için kullanıcı dengesi koşullarının sağlandığı görülmüştür. 
Üst seviye optimizasyon modelinin amaç fonksiyonları, otobüs türel seçim oranı maksimizasyonu, toplu taşıma işletme maliyeti minimizasyonu ve ortalama yolculuk maliyeti minimizasyonudur. Çok türlü ulaşım ağ tasarım probleminin çözümü için çok amaçlı metasezgisel bir optimizasyon algoritması olan NSGA-III algoritması kullanılmıştır. NSGA-III algoritması kromozom yapısı ve operatörleri, ikili ve sürekli değişken türünde olan ağ tasarım karar değişkenlerine göre uyarlanmıştır. Küçük ve orta ölçekli iki ağda gerçekleştirilen uygulama sonuçları geliştirilen modelin belirlenen üç amaç fonksiyonunun geniş aralıkta değerleri için pareto optimal çözümler ürettiğini göstermiştir. Optimizasyon sonucunda elde edilen çözümler arasından seçim yapılırken yararlanılabilecek seçim ölçütleri önerilmiştir. Optimizasyon uygulaması sonuçları incelendiğinde, geliştirilen optimizasyon modelinin en uygun otobüs şeridi düzeni ve otobüs hat frekanslarının belirlenmesinde çok sayıda çözüm alternatifi sunan, çok ölçütlü bir karar destek sistemi olarak kullanılabileceği görülmüştür.

Abstract:
One of the top priority goals of transportation policies of governments is to increase the public transportation use to mitigate transportation-based problems by increasing the service quality of public transportation systems. Achieving such a goal is not likely with an unplanned public transportation service that leads to lower levels of quality. A poorly designed public transportation is expected to cause higher operational costs and adverse environmental impacts as well. Offering a public transportation service that is preferable to private transportation is possible through exclusive bus lane (EBL) applications. In this study, a bi-level multi-modal transportation network design model is developed to optimize exclusive bus lane layout on road network and bus line frequencies with the aim of designing a competitive and sustainable public transportation system. 
The effect of the network design decision on network users' joint transportation mode and route preferences is determined in the lower-level multi-modal assignment model of the bi-level model. Road network and transit network link costs depend on the flows of both modes, in the case of no EBL. Similarly, in the route section representation of the transit network, a link's cost depends on multiple links since different links can contain the same bus lines. The marginal effects of links' flows on costs of each other are not equal; in other words, the flows and travel time interactions between links are not symmetric. Therefore, the diagonalization method is employed in this multi-modal assignment problem with asymmetric cost functions. The assignment model is applied on a small-scale network. The assignment results show that user equilibrium flows can be obtained for both road and transit networks using the proposed model. 
The objective functions of the upper-level optimization model are public transportation modal share maximization, public transportation operation cost minimization, and average trip cost minimization. NSGA-III, a multi-objective metaheuristic optimization algorithm, is employed for the multi-modal network design problem. NSGA-III chromosome is structured conforming to the binary and continuous network design decision variables, and the proper genetic operators are adopted. The results of optimizations performed on a small-scale and a medium-scale network show that the developed model produces pareto-optimal solutions in wide ranges of values of three objective functions. Additional selection criteria are proposed to assist the decision-maker in selecting the proper solution between the ones produced by the optimization model. Optimization model application results show that the proposed model can be used as a multi-criteria decision support system for determining optimal EBL layout and bus line frequencies.