Design of the urban transportation networks using harmony search optimization technique

Bu çalışmada, şehiriçi ulaşım ağlarındaki trafik sıkışıklıklarının azaltılabilmesi için ağda yapılacak fiziksel ve yönetsel iyileştirmeleri kapsayan Ayrık Ulaşım Ağ Tasarımı (AUAT) problemlerinin çözümü ele alınmaktadır. Bu amaçla, literatürde başlıca AUAT problemleri olarak bilinen şerit iyileştirme/ilavesi ve şerit yönlendirme problemleri, doğrusal olmayan karma tamsayılı programlama (DOKTP) problemi olarak formülize edilmiştir. AUAT problemlerinin çözümü için son yıllarda sürekli ve ayrık optimizasyon problemlerinin çözümünde kullanılmaya başlanan sezgisel ARmoni ARaştırması (ARAR) optimizasyon tekniği tabanlı ULaşım Ağ Tasarım (ARARULAT) modelleri geliştirilmiştir. Geliştirilen ARARULAT modelleri ile herhangi bir şehiriçi karayolu ağındaki toplam seyahat süresi değerini en aza indirecek ağ yapılandırmasının elde edilmesi hedeflenmiştir. Modelleme aşamasında, sürücü güzergah seçim davranışlarını temsil eden trafik atama problemi, çalışma sayfası ve çözücü eklentisi kullanılarak çözülmüştür. ARARULAT modellerinin doğrulaması Sioux-Falls karayolu ağındaki şerit iyileştirme problemi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Model uygulamaları, Nguyen-Dupuis test ağına uyarlanan şerit ilavesi ve şerit yönlendirme problemlerinin çözümü ile yapılmıştır. Sürücü davranışlarının ağ yapılandırması üzerindeki etkilerinin araştırılması amacıyla şerit ilavesi probleminin çözümü deterministik kullanıcı dengesi (DKD) ve stokastik kullanıcı dengesi (SKD) yaklaşımlarını içeren farklı ARARULAT modelleri ile çözülmüştür. Ayrıca, önerilen çözüm yaklaşımının performansını ortaya koymak amacıyla şerit ilavesi problemi, literatürde UAT problemlerinin çözümünde kullanılan İki-Seviyeli İteratif (İSİ) modelleme yaklaşımı ile çözülmüş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. ARARULAT modelleri, şerit ilavesi problemi için yaklaşık %13, şerit yönlendirme problemi için ise yaklaşık %29 iyileştirme sağlamıştır. Sonuçlar, ARARULAT modellerinin AUAT problemlerinin çözümünde etkin şekilde olarak kullanılabileceğini göstermiştir.This study deals with the solution of Discrete Network Design Problem (DNDP) which includes the topological and operational improvements on urban transportation networks to reduce the traffic congestion. Thus, two common DNDP problems, which are lane improvement/addition and lane re-allocating, have been formulized as nonlinear mixed integer programming problems. For this purpose, meta-heuristic Harmony Search (HS) optimization algorithm based DNDP solution models (named ARARULAT) are developed. The main aim of the proposed models is determining the optimum lane improvement/addition or re-allocating configuration to minimize the total travel time on an urban road network. The traffic assignment problem, which represents the drivers' route choice behaviors, is solved using spreadsheets and solver add-in during the modeling process. The model validation is carried out by solving a lane improvement problem for Sioux-Falls road network. The performance of the proposed models is tested with lane addition and lane re-allocating problems on Nguyen-Dupuis test network. In order to investigate the effects of the drivers' behavior on the network design, the lane addition problem is solved under deterministic and stochastic user equilibrium conditions for different ARARULAT models. Besides, the lane addition problem is solved with bi-level iterative (so called mutually consistent) modeling approach to test the performance of the proposed models. ARARULAT models provide 13% and 29% improvements for lane addition and lane re-allocating problems, respectively. Results showed that the ARARULAT models can effectively be used to solve DNDPs