Train Platforming Problem Solving

Ing. Emine Akyol Özer

Doctoral thesis

Abstract:

This dissertation addresses train platforming problem in busy complex stations at peak times which poses a great challenge for railway network controllers. The aim of the dissertation is to propose decision-making tool for an assignment plan of one-day timetable without conflicts. In this context, a special version of train platforming problem is described in detailed way. The characteristics of problem belongs to Prague main railway station. For the purpose of overcome the problem, two solution methods are applied: a mixed integer programming model and a matheuristic algorithm. The objective is to minimize total weighted delays in which weight is synonymous with importance level of each train. Train platforming problem can be solved easily for small railway stations with very few trains and platform tracks. By the help of mixed integer mathematical model that is called M1 in this context, it can be reached optimal solutions for these kind of railway stations. However, M1 model is not capable for large railway stations due to the Np-hard nature of problem. So, a matheuristic algorithm is presented and it consists of three stages: (i) platform track assignment algorithm, (ii) calculation of total weighted delay, (iii) improvement algorithm. In the proposed matheuristic, the algorithms and the sub-problem (M2) work cooperatively. Platform track assignment algorithm for allocation of track for each train. M2 model that is reduced version of M1 calculates all decision variables. Finally, improvement algorithm is enhancing the quality of solutions in each step. The mixed integer model and matheuristic algorithm have been implemented in GAMS/Cplex solver and validated using real-world data from Prague main railway station. One day timetable for a weekday in 2016/2017 year is divided into the time intervals. There are approximately 700 arriving and departing trains from/to the station for one day. In each interval, assignments of 36 trains are determined and allocation of the trains which are in intersection time for two consecutive intervals are transferred to next interval. Based on these rules, computational results are presented and solution of two methods are compared.

Abstract:

Tato disertační práce je zaměřena na problém přidělování dopravních kolejí (s nástupištní hranou) v rozsáhlých železničních stanicích, což je problém, který vytváří ve špičkových časech velké nároky na výpravčí nebo dispečery. Cílem disertační práce je navrhnout rozhodovací nástroj, který (pokud je možné) umožní nalezení bezkonfliktního přiřazení kolejí vlakům, tzv. plánu obsazení kolejí, v rámci jednoho provozního dne. V tomto kontextu je detailně charakterizována speciální varianta problému přidělování kolejí vlakům. Aplikace je provedena v železniční stanici Praha hl. n. Jsou uplatněny dvě varianty řešení problému: smíšený celočíselný model matematického programování a matheuristický algoritmus. Kritériem je minimalizovat součet vážených zpoždění vlaků. Váhy jsou stanoveny na základě důležitosti vlaku. Problém přidělování dopravních kolejí (s nástupištní hranou) vlakům je možné snadno řešit ve stanicích s velmi malým počtem kolejí a vlaků. Při využití smíšeného celočíselného modelu matematického programování, tento model, označený jako M1, umožňuje dosáhnout optimálního řešení pro tyto stanice. Nicméně, model M1 není možné využít pro rozsáhlé železniční stanice s velkým rozsahem provozu, neboť model je NP-složitý. Pro tyto případy je navržen druhý ? matheuristický model, který je se sestává ze tří kroků: (i) přiřazení dopravních kolejí (s nástupištní hranou) vlakům, (ii) stanovení součtu vážených zpoždění vlaků (pro výchozí řešení), (iii) aplikace algoritmu zlepšujícího řešení. Navržený matheuristický algoritmus, algoritmy a dílčí problém (M2) jsou provázány. Problém přiděluje dopravní koleje (s nástupištní hranou) vlakům. Model M2 je zjednodušenou verzí modelu M1, umožňujícího výpočet všech rozhodovacích proměnných. Celkově, zlepšující algoritmus v každém kroku zvyšuje kvalitu dosaženého řešení. Smíšený celočíselný model matematického programování i matheuristický alogismus byly implementovány v GAMS/Cplex řešiteli a validovány s využitím dat ze železniční stanice Praha hl. n. Jízdní řád pro jeden pracovní den (2016/17) je rozdělen do časových úseků. Zahrnuto je přibližně 700 příjezdů a odjezdů vlaků za jeden den. V každém časovém úseku je dopravní kolej přiřazována 36 vlakům. Vlaky, jejichž obsazení zasahuje do více časových úseků, jsou do dalšího úseku přenášeny. Na základě těchto předpokladů dosažené výsledky jsou prezentovány a oba přístupy k řešení porovnány.

Keywords

Metaheuristický algoritmus, smíšený celočíselný model matematického programování, přidělování kolejí s nástupištní hranou, kapacita železniční dopravní infrastruktury, optimalizační modely na železnici, přidělování dopravních kolejí vlakům.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 9. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 20. 11. 2017

University of Pardubice

Faculty of Transport Engineering

Doctoral programme / field:
Technique and Technology in Transport and Communications / Transport Means and Infrastructure