Yüksek hızlı izli ulaşım sistemlerinin çok ölçütlü değerlendirilmesi
Multi-criteria evaluation of high speed tracked transport systems
Yazar: DAMLA ALTINCI
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Dünyadaki hızlı kentleşme süreciyle birlikte ulaşım modlarına olan talep artmıştır. Özellikle de yüksek hızlı ulaşım sistemlerine olan ilgi artmıştır. Daha yüksek hızlarda ulaşım sağlamak uzun süredir uğraş konusu olmuştur. Uzak mesafeli yolculuklarda seyahat süresini kısaltmak ve bununla birlikte seyahat maliyetlerini mümkün olduğunca düşürerek yüksek hız ve yenilikçi ulaşım sistemlerinin geliştirilmesi önem kazanmıştır. Yüksek hızlı izli ulaşım sistemleri sağladığı yüksek hız, konforlu ve güvenli seyahat imkanı, işletme güvenilirliği ile karayolu ve havayolu taşımacılığına bir alternatif oluşturmuştur. Bu bağlamda, günümüzde yaygın olarak kullanılan Yüksek Hızlı Demiryolu (YHD) teknolojisi ile birlikte Maglev ve Hyperloop gibi yenilikçi sistemler de geliştirilmeye başlanmıştır.  
Konvansiyonel yüksek hızlı demiryolları, 20. yüzyılın ikinci yarısında ortaya çıkan ve geleneksel demiryolu sistemlerine kıyasla çok daha yüksek hızlarda seyahat edebilen tren sistemleridir. Bu sistemler, Japonya'nın Shinkansen'i, Fransa'nın TGV'si ve Almanya'nın ICE'si gibi başarılı örneklerle dünya genelinde yaygınlaşmıştır. Türkiye'de 2009 yılında Ankara-Eskişehir hattının açılmasıyla, ülkemizde yüksek hızlı demiryolu teknolojisi kullanılmaya başlamıştır. Avrupa'da ve diğer bölgelerde de yüksek hızlı demiryolu ağlarının genişlemesiyle bu sistemlerin etkinliği kanıtlanmıştır.  Türkiye'de de yüksek hızlı demiryolu hatlarının artması, ülkenin ulaşım altyapısında önemli bir gelişmeyi temsil etmektedir. Yüksek hızlı demiryolların, mevcut hatlarda 200km/sa ve yeni inşa edilen hatlar için 250 km/sa üzerindeki hızlarda çalışabilen trenlerin kullanıldğı özel olarak inşa edilmiş veya iyileştirilmiş hatlarda işletilen sistemlerdir.Yüksek hızlı demiryollarının en büyük avantajlarından biri, yüksek yolcu kapasitesi ve şehir merkezlerini birbirine bağlayarak şehir içi ve şehirler arası yolculuk sürelerini önemli ölçüde kısaltmasıdır. Ayrıca, bu sistemler, karayolu ve havayolu ulaşımına kıyasla daha düşük karbon ayak izine sahip olup, çevre dostu bir alternatif sunmaktadır. 
Maglev trenleri, manyetik kaldırma prensibiyle çalışan tekerleksiz ulaşım araçlarıdır. Manyetik alanlar kullanarak sürtünmeyi azaltan bu trenler, yüksek hızlara ulaşabilme potansiyeline sahiptir. Maglev teknolojisi, tarihsel olarak 20. yüzyılın başlarına dayanmaktadır ve Japonya, Almanya ve Çin gibi ülkelerde geliştirilmiştir. Levitasyon prensibi, mıknatısın aynı kutuplarının birbirini çekmesi ve zıt kutupların birbirini itmesi prensinin araçları havada tutmak için kullanılmasını içermektedir. Maglev trenlerinde yanal kılavuzluk ilkesi, manyetik alanların kontrolüyle sağlanır. Maglev ulaşım sistemlerinin elektromanyetik süspansiyon (EMS) ve elektrodinamik süspansiyon (EDS) olmak üzere iki farklı teknoloji bulunmaktadır. EMS, manyetik çekim kuvvetiyle levitasyon sağlar, ancak doğrusallığı ve kararsızlığı nedeniyle bazı dezavantajlara sahiptir. EDS ise manyetik itme kuvvetleriyle treni havada taşımaktadır ve daha yüksek hızlara ulaşabilir, ancak daha karmaşıktır ve başlangıçta tekerlekler kullanılması gerekmektedir. EMS ve EDS sistemleri arasında farklı avantajlar ve dezavantajlar bulunmaktadır. EDS, daha yüksek hızlar için daha uygun olabilirken, EMS sistemi enerji tüketimi açısından avantajlıdır. Ayrıca, EMS trenlerin hızı için bir asgariye ihtiyaç duymazken, EDS için belirli bir hız gereklidir. Maglev trenleri, temiz ve sessiz toplu taşıma seçenekleri olarak bilinir. Yüksek başlangıç maliyetleri ve sınırlı uyumlulukları gibi dezavantajlar da vardır. Sürekli araştırma ve geliştirme, bu dezavantajların üstesinden gelmek için önemlidir.
Hyperloop ulaşım sistemi ilk olarak Elon Musk tarafından 2013 yılında beşinci ulaşım modu olarak gündeme gelmiştir. Hala kavramsal aşamada olan Hyperloop fikri ilk olarak 1910'larda Amerikalı roket bilimci Robert Goddard tarafından tünel içinde yüzen vakum treni olarak ortaya atılmıştır. Hyperloop teknolojinin çalışma prensibi, kapsüllerin düşük basınçlı bir tüpte lineer asenkron motorlarla sürtünmeyi ve hava direncini en aza indirerek 1220 km/saat gibi çok yüksek hızlara ulaşmasıdır. Hyperloop teknolojisinin çalışma prensibi, manyetik kaldırma ilkesine dayanır ve yüksek hızlarda seyahat eden otonom kapsüllerin düşük hava basıncına sahip tüplerde taşınmasını içermektedir. Kapsüller, hava sürtünmesini en aza indirerek araçların ses üstü hızlara ulaşmasını sağlamaktadır. Yolcu veya yük taşımak için kullanılan kapsüller ve bunların hareket ettiği tüpler sistemin temel bileşenleridir. Tüpler, vakumlanmış silindir şeklinde tasarlanır ve kapsüllerin etrafındaki hava akışını sağlamaktadır. Kapsüllerin tasarımında, sürtünmeyi azaltmak için aerodinamik yapılar kullanılır ve iç kısımları yolcu konforunu ön planda tutacak şekilde düzenlenmektedir. Hyperloop'un yapı özellikleri, tüp geometrisi, kapsül tasarımı ve istasyonların yapısı gibi unsurları içermektedir. Tüplerin yapı malzemesi çelikten olup, pilonlarla desteklenir ve arazi kullanımını azaltmak için prefabrik kolonlar üzerine inşa edilmektedir. Kapsüllerin tasarımı, hava direncini azaltmak ve yüksek hızlara ulaşmak için optimize edilmiştir. Yolcu kapsüllerinin iç tasarımı, konfor ve güvenlik açısından özenle planlanmıştır. Hyperloop'un avantajları arasında yüksek hız kabiliyeti, enerji verimliliği, kısa seyahat süreleri, sürdürülebilir ulaşım ve trafik sorununun olmaması gibi unsurlar yer almaktadır. Ancak, güvenlik endişeleri, yüksek ilk yatırım maliyeti, teknik fizibilite zorlukları ve kamu kabulü gibi dezavantajlar da göz önünde bulundurulmalıdır.
Üç yüksek hızlı izli taşıma sisteminin teknik gereksinimleri ve çalışma prensipleri birbirlerinden farklıdır. Her sistemin kendine özgü avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu sistemler farklı yaklaşımlarla karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme literatürde bulunan bilgiler esas alınarak yapılmıştır. Hangi sistem veya teknolojinin tercih edilmesi gerektiği konusunda karar vermek karmaşık bir süreçtir. Bu süreçte dikkate alınması gereken bir dizi önemli ölçüt bulunmaktadır. Yüksek hızlı ulaşım sistemlerinin değerlendirilmesi için genel performans özellikleri, geometrik standartları, maliyet ve çevresel etkiler olmak üzere dört adet ana ölçüt belirlenmiştir. Hız, sefer aralığı, kapasite, hızlanma ivmesi, seyahat süresi, mevcut sistemler ile uyumluluk, istasyonlar arası mesafe, minimum yatay kurp yarıçapı, minimum düşey kurp yarıçapı, dever, maksimum boyuna eğim, enkesit genişliği, inşa maliyeti, altyapı işletme ve bakım maliyeti, araç işletme ve bakım maliyeti, enerji tüketimi, sera gazı emisyonu, elektriklenme şekli, gürültü, titreşim, arazi kullanımı olmak üzere toplam 21 alt ölçüte yer verilmiştir.
Öncelikle Çok Ölçütlü Karar Verme (ÇÖKV) yöntemlerinden olan Analitik Hiyerarşi Prosesi (AHP) yöntemi ile kriter ağırlıkları belirlenmiştir. Elde edilen kriter ağırlıklarında en önemli ana kriter genel performans özellikleri olarak belirlenmesine rağmen maliyet ana ölçütünün inşa maliyeti, altyapı işletme ve bakım maliyeti en önemli alt ölçütler olmuştur. Arazi kullanımı, titreşim ve enkesit genişliği ise en az öneme sahip alt kriterler olarak belirlenmiştir. 
Daha sonra belirlenen ölçütlere göre alternatifler ÇÖKV yöntemlerinden olan MOORA yönteminin farklı adımları olan MOORA-Oran yöntemi, Referans Noktası Yaklaşımı, Tam çarpım Formu Yaklaşımı kullanılarak değerlendirilmiştir. MOORA yöntemlerinin her biri farklı kriter ve hesaplama yöntemlerine odaklandığından, her yöntemde farklı sonuçlar ortaya çıkmış, ancak elde edilen sıralamalar MULTIMOORA yöntemi ile bir araya getirilerek nihai sıralama yapılmıştır. MULTIMOORA yöntemi, üç farklı MOORA yönteminin sonuçlarını birleştirerek daha dengeli ve kapsamlı bir sıralama sunmaktadır. Bu kapsamlı değerlendirme sonucunda Hyperloop, genel performans ve ölçüt değerlendirmelerinde en yüksek puanı alarak birinci sırada yer almıştır. Bu durum, Hyperloop'un yenilikçi teknolojisi, yüksek performans potansiyeli ve çevresel etkiler avantajı sayesinde diğer alternatiflere göre daha üstün bir seçenek olduğunu göstermektedir. Yüksek Hızlı Demiryolları, dengeli performansı ve düşük inşa maliyeti etkinliği ile ikinci sırada yer alırken, Maglev yüksek inşa maliyetleri, düşük çevresel etkiler performansı nedeniyle üçünsü sırada yer almıştır. Hyperloop yüksek bakım maliyetlerine, mevcut sistemler ile uyumlu olmamasına rağmen yapılan değerlendirmede sağladığı hız, seyahat süresi ve minimum çevresel etkileriyle en iyi performansa sahip seçenek olarak görülmektedir. Ancak Hyperloop ulaşım sisteminin hala teorik bir teknoloji olması ve henüz aktif bir işletmesinin bulunmaması unutulmamalıdır. Bu çalışmanın, karar vericilerin projelerini planlarken hangi alternatifin daha avantajlı olacağını belirlemelerine yardımcı olması amaçlanmıştır.

Abstract:
With the rapid urbanisation process in the world, the demand for transport modes has increased. In particular, interest in high-speed transport systems has increased. Providing transport at higher speeds has been a subject of endeavour for a long time. It has become important to shorten the travel time for long distance journeys and to develop high speed and innovative transport systems by reducing travel costs as much as possible. High-speed tracked transport systems have become an alternative to road and air transport with their high speed, comfortable and safe travel and operational reliability. In this context, innovative systems such as Maglev and Hyperloop have started to be developed along with High Speed Rail (HSR) technology, which is widely used today. 
Conventional high-speed railways are train systems that emerged in the second half of the 20th century and can travel at much higher speeds compared to conventional railway systems. These systems have become widespread around the world with successful examples such as Japan's Shinkansen, France's TGV and Germany's ICE. With the opening of the Ankara-Eskişehir line in Turkey in 2009, high-speed railway technology has started to be used in our country. With the expansion of high-speed railway networks in Europe and other regions, the effectiveness of these systems has been proven.  The increase of high-speed railway lines in Turkey represents an important development in the transport infrastructure of the country. High-speed railways are systems that operate on specially constructed or upgraded lines using trains capable of operating at speeds above 200 km/h on existing lines and 250 km/h for newly constructed lines. One of the major advantages of high-speed railways is their high passenger capacity and the ability to connect city centres, significantly shortening journey times within and between cities. In addition, these systems have a lower carbon footprint compared to road and air transport and offer an environmentally friendly alternative.
Maglev trains are wheelless transport vehicles operating on the principle of magnetic levitation. By reducing friction using magnetic fields, these trains have the potential to reach high speeds. Maglev technology dates back to the early 20th century and was developed in countries such as Japan, Germany and China. The principle of levitation involves using the principle that the same poles of a magnet attract each other and the opposite poles repel each other to keep the vehicles in the air. The principle of lateral guidance in Maglev trains is achieved by controlling magnetic fields. Maglev transport systems have two different technologies: electromagnetic suspension (EMS) and electrodynamic suspension (EDS). EMS provides levitation by magnetic attraction, but has some disadvantages due to its linearity and instability. EDS, on the other hand, levitates the train by magnetic repulsion and can reach higher speeds, but is more complex and initially requires the use of wheels. There are different advantages and disadvantages between EMS and EDS systems. While EDS may be more suitable for higher speeds, the EMS system is advantageous in terms of energy consumption. Also, EMS does not require a minimum for the speed of the trains, while EDS requires a certain speed. Maglev trains are known as clean and quiet public transport options. There are also disadvantages, such as their high initial costs and limited compatibility. Continuous research and development is important to overcome these disadvantages.
Hyperloop transport system was first proposed by Elon Musk in 2013 as the fifth mode of transport. The idea of Hyperloop, which is still in the conceptual stage, was first put forward by American rocket scientist Robert Goddard in the 1910s as a floating vacuum train in the tunnel. The working principle of Hyperloop technology is that the capsules reach very high speeds of 1220 km/h by minimising friction and air resistance with linear asynchronous motors in a low-pressure tube. The working principle of Hyperloop technology is based on the principle of magnetic levitation and involves the transport of autonomous capsules travelling at high speeds in tubes with low air pressure. The capsules minimise air friction, allowing vehicles to reach supersonic speeds. The capsules used to carry passengers or cargo and the tubes in which they move are the basic components of the system. The tubes are designed as vacuumised cylinders and provide the air flow around the capsules. In the design of the capsules, aerodynamic structures are used to reduce friction and the interiors are organised to prioritise passenger comfort. Hyperloop's structural features include elements such as tube geometry, capsule design and the structure of the stations. The construction material of the tubes is steel, supported by pylons and built on prefabricated columns to reduce land use. The design of the capsules is optimised to reduce air resistance and achieve high speeds. The interior design of the passenger capsules has been carefully planned for comfort and safety. The advantages of Hyperloop include high speed capability, energy efficiency, short journey times, sustainable transport and no traffic problems. However, disadvantages such as safety concerns, high initial investment cost, technical feasibility challenges and public acceptance should also be considered.
The technical requirements and operating principles of the three high-speed tracked transport systems are different from each other. Each system has its own advantages and disadvantages. These systems have been compared and evaluated with different approaches. This evaluation is based on the information available in the literature. Deciding which system or technology should be preferred is a complex process. There are a number of important criteria to be considered in this process. Four main criteria have been identified for the evaluation of high speed transport systems: general performance characteristics, geometric standards, cost and environmental impacts. A total of 21 sub-criteria including speed, travel interval, capacity, acceleration acceleration, travel time, compatibility with existing systems, distance between stations, minimum horizontal curve radius, minimum vertical curve radius, curve, maximum longitudinal slope, cross-section width, construction cost, infrastructure operation and maintenance cost, vehicle operation and maintenance cost, energy consumption, greenhouse gas emission, electrification pattern, noise, vibration, land use were included.
Firstly, the criteria weights were determined by Analytical Hierarchy Process (AHP) method, which is one of the Multi-criteria Decision Making (MCDM) methods. Although the most important main criterion in the obtained criterion weights was determined as general performance characteristics, the most important sub-criteria were the construction cost, infrastructure operation and maintenance cost of the cost main criterion. Land use, vibration and cross-section width were determined as the least important sub-criteria. 
Then, the alternatives were evaluated according to the determined criteria by using the different steps of the MOORA method, which is one of the CRM methods, namely MOORA-Ratio method, Reference Point Approach, Exact Product Form Approach. Since each of the MOORA methods focuses on different criteria and calculation methods, different results were obtained in each method, but the final ranking was made by combining the rankings obtained with the MULTIMOORA method. The MULTIMOORA method provides a more balanced and comprehensive ranking by combining the results of three different MOORA methods. As a result of this comprehensive evaluation, Hyperloop ranked first in the overall performance and criteria evaluations with the highest score. This shows that Hyperloop is a superior option compared to other alternatives due to its innovative technology, high performance potential and environmental impact advantages. High-Speed Railways ranked second due to its balanced performance and low construction cost effectiveness, while Maglev ranked third due to its high construction costs and low environmental impact performance. Although Hyperloop has high maintenance costs and is not compatible with existing systems, it is seen as the best performing option with its speed, travel time and minimal environmental impacts. However, it should be noted that the Hyperloop transport system is still a theoretical technology and there is no active operation yet. This study is intended to help decision makers determine which alternative will be more advantageous when planning their projects.