Kent içi raylı sistemlerde talep odaklı tren sefer çizelgeleme
Demand-oriented train timetabling for urban rail transit systems
Yazar: SERKAN BUCAK
Danışman: DOÇ. DR. TUFAN DEMİREL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Ulaşım = Transportation
Dizin: Bekleme süresi = Waiting time ; Raylı sistemler = Railway systems ; Tren = Train ; Çizelgeleme = Scheduling

Özet:
Nüfusa bağlı olarak artan kentsel mobilite toplu ulaşımı oldukça önemli hale getirmiştir. Kent içi raylı sistemler, yüksek kapasiteye sahip olmaları, hızlı hareket etmeleri ve yüksek güvenilirlik sunmaları sebebiyle yolcular tarafından daha fazla tercih edilmektedir. Diğer modlara kıyasla talebin daha yüksek olduğu raylı sistemlerin etkin planlanması, toplu ulaşımı daha verimli kılmak adına elzemdir.   
Raylı sistemlerin planlanması, talep analizi, hat planlama, tren sefer çizelgeleme, araç çizelgeleme ve ekip yönetimi olmak üzere beş farklı problemden oluşmaktadır. Yolcu memnuniyeti ve karlılığa doğrudan etkisi sebebiyle tren sefer çizelgeleme problemi literatürde kendine geniş bir yer bulmuştur. Bu tez çalışmasında, tren sefer çizelgeleme problemi detaylı olarak incelenmiş, hem yolcular hem de firma açısından kazanımlar sağlamayı amaçlayan bir optimizasyon modeli geliştirilmiştir. 
Tren sefer çizelgeleme problemi, her bir trenin her bir istasyona varış ve kalkış zamanının belirlenmesi işlemidir. Gerçekleştirilecek sefer sayısı, enerji ve personel gibi doğrudan maliyetler ile arıza ve bakım gibi dolaylı maliyetleri belirleyen ana etkendir. Benzer şekilde, yolcuların bekleme süresini, başka bir deyişle, hizmet kalitesini de doğrudan belirleyecektir. Sonuç olarak, optimal tren sefer çizelgesi, en az sefer sayısı ile en fazla yolcunun taşındığı ve yolcuların en az beklediği çizelgedir. 
Bu çalışmada, öncelikle mevcut literatür incelenmiş ve günümüze kadar yapılan çalışmalarda araç kapasitesi, filo büyüklüğü ve tren sirkülasyonunun yeterince dikkate alınmadığı görülmüştür. Bu boşluğu doldurmak adına, operasyonel kısıtlarla birlikte kaynak kısıtlarını da dikkate alan, yolcu talebinin dinamik olarak adapte edildiği, doğrusal olmayan bir model formüle edilmiştir. Modelin amacı, yolcuların ortalama bekleme süresini minimize etmektir. Ayrıca, sınırlı araç kapasitesinden dolayı yolcuların gelen ilk trene binememe ihtimali anlamına gelen "doygunluk durumu" modele dâhil edilmiştir. Son aşamada, yolcu memnuniyeti ve işletme maliyetleri arasındaki en iyi uzlaşımı belirlemek amacıyla bir duyarlılık analizi icra edilmiştir. 
Önerilen yaklaşımın etkinliğini değerlendirmek adına İstanbul M1A metro hattında gerçek bir vaka çalışması gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, modelin ürettiği optimal tren çizelgesinin mevcut çizelgeye kıyasla çok daha avantajlı olduğunu göstermiştir.

Abstract:
With greater urban mobility owing to increased population, public transit has become a tremendously important issue. As they offer greater capacity, higher speed, and greater reliability, urban rail transit systems are favored more by passengers.  In order to make public transit more efficient, it is essential to more effectively plan rail transit systems which involve higher demand compared to other modes of transport. 
The planning of rail transit systems consists of five steps, i.e., demand analysis, line planning, train timetabling, rolling stock scheduling, and crew scheduling. Due to its direct impact on both passenger satisfaction and profitability, train timetabling occupies a considerable place in the relevant literature. This thesis examines in detail the problem of train timetabling, and develops an optimization model with a view to providing benefits for both passengers and operators.  
The train timetabling problem refers to the activity of setting arrival and departure times for each train at each station. The number of trips defined in the schedule is the primary factor determining direct costs such as energy and personnel as well as indirect costs such as failure and maintenance. Furthermore, it also impacts upon passenger waiting times or, to put it differently, the level of service. Consequently, the optimal timetable is the one transporting the highest number of passengers with the minimum number of trips and providing for the least waiting times for passengers. 
The study primarily, starting with a review of the current literature, maintains that the existing models, for the most part, fail to sufficiently take into account train capacity, fleet size, and vehicle circulation. To bridge this research gap, a nonlinear model was formulated taking into account operational constraints along with resource constraints, adapting to dynamic behavior of passenger demand. The model in question is intended to minimize the average waiting times for passengers. Besides, the model also incorporated the oversaturated condition, referring to the possibility that some passengers may not be able to take the first incoming train due to limited train capacity. Finally, a sensitivity analysis is conducted to attain the best trade-off between passenger satisfaction and operation cost.
To evaluate the effectiveness of the proposed approach, a real-world case study is performed on the M1A metro line in Istanbul. The results show that the optimized train timetable is more advantageous when compared to its counterpart that is currently use by the operator.