کشف نقاط ضعف: راهکار نوین جلوگیری از تأخیر قطارها

بهبود دقت زمان‌بندی قطارها با استفاده از روش‌های شبکه‌ای

برای بهبود دقت زمان‌بندی و درک چگونگی گسترش تأخیرها و شناسایی قطارهای بحرانی، محققان از مرکز علوم پیچیدگی (CSH) به همراه راه‌آهن فدرال اتریش (ÖBB) یک روش جدید مبتنی بر شبکه توسعه داده‌اند. تأخیرات قطار نه تنها یک ناامیدی رایج برای مسافران هستند، بلکه می‌توانند منجر به خسارات اقتصادی قابل توجهی نیز شوند، به ویژه زمانی که این تأخیرات در شبکه ریلی گسترش می‌یابند. زمانی که یک قطار تأخیر می‌افتد، معمولاً یک واکنش زنجیره‌ای را آغاز می‌کند که مشکلات جزئی را به تأخیرات گسترده در کل سیستم تبدیل می‌کند. این موضوع می‌تواند هزینه‌بر باشد. گزارشی از انجمن راه‌آهن‌های آمریکایی (AAR) نشان می‌دهد که یک اختلال سراسری در راه‌آهن ایالات متحده می‌تواند روزانه بیش از ۲ میلیارد دلار به اقتصاد آسیب برساند. بنابراین، سؤال مهم برای اپراتورهای راه‌آهن این است که چگونه می‌توانند به طور مؤثر و با حداقل تلاش، اثرات زنجیره‌ای تأخیرات را مدیریت کنند؟

روش جدید مبتنی بر شبکه

با استفاده از یک رویکرد جدید مبتنی بر شبکه، محققان از مرکز علوم پیچیدگی (CSH) خطر سیستماتیک ناشی از قطارهای فردی را برای کل شبکه ریلی اتریش اندازه‌گیری کردند. ویتو سرویدیو از CSH توضیح می‌دهد: “این به ما این امکان را می‌دهد که نقاط ضعف در سیستم را شناسایی کنیم — آن دسته از قطارهایی که تأخیرات را به خدمات بعدی منتقل می‌کنند.” این مطالعه در نشریه npj Sustainable Mobility and Transport منتشر شد.

شناسایی “قطارهای تأثیرگذار”

محققان با تحلیل داده‌های مربوط به مسیر شلوغ ایستگاه مرکزی وین به وینر نوشتات (با حداکثر ۱۰۰۰ قطار مسافری در روز) بین سال‌های ۲۰۱۸ تا ۲۰۲۰، و همچنین داده‌های اضافی از تمام مسیرهای قطار در اتریش در یک دوره ۱۴ روزه، یک مدل شبکه‌ای ساختند. در این مدل، گره‌ها نمایانگر خدمات قطار و لینک‌ها نمایانگر تعاملاتی هستند که می‌توانند باعث تأخیر شوند. با استفاده از این مدل، محققان توانستند قطارها را بر اساس پتانسیل آن‌ها برای گسترش تأخیرات رتبه‌بندی کرده و “قطارهای تأثیرگذار” را شناسایی کنند. برای تأیید یافته‌های خود و ارزیابی استراتژی‌های کاهش تأخیر، آن‌ها یک شبیه‌سازی مبتنی بر عامل از راه‌آهن اتریش ساختند که دینامیک و تعاملات روزانه قطارها را تکرار می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که قطارهایی که کمی قبل و در طول ساعت اوج فعالیت می‌کنند، بحرانی‌ترین هستند — “که شاید چندان هم تعجب‌آور نباشد. با این حال، ما می‌توانیم تشخیص دهیم که کدام یک از آن‌ها در شبکه پیچیده ارتباطات در ساعات اوج، بیشترین تأثیر را دارند.” سیمون دانیوتی، دانشجوی دکتری در CSH و نویسنده اصلی این مطالعه، این را بیان می‌کند.

علت اصلی زنجیره‌ای تأخیرات: ناوگان ریلی

محققان دریافتند که زنجیره‌ای از تأخیرات در مدل عمدتاً به دلیل اشتراک ناوگان ریلی (لوکوموتیوها و واگن‌ها) ایجاد می‌شود، با وجود اینکه نقاط تماس بین ناوگان ریلی کمتر از زیرساخت‌ها است. دانیوتی توضیح می‌دهد: “آنچه ما مشاهده می‌کنیم این است که موادی مانند ناوگان ریلی و پرسنل، نقش بسیار بیشتری در گسترش تأخیرات در شبکه ریلی نسبت به خود حرکت قطارها دارند.”

تأثیر تأخیر قطارها بر شبکه حمل و نقل

به عنوان مثال، اگر قطاری که قرار است در ساعت ۲ بعد از ظهر حرکت کند، به یک ناوگان ریلی وابسته باشد که توسط قطاری که در ساعت ۸ صبح حرکت کرده، استفاده می‌شود، هر گونه تأخیر در قطار قبلی می‌تواند به طور قابل توجهی بر قطار بعدی تأثیر بگذارد. این موضوع یک محدودیت جدی ایجاد می‌کند که می‌تواند بسیار مختل‌کننده باشد. هرچند مدل فعلی به دلیل کمبود داده‌ها، تغییرات پرسنلی را در نظر نمی‌گیرد، اما طراحی شده است تا عوامل اضافی مانند نیروی انسانی را در هر زمان لحاظ کند. این انعطاف‌پذیری امکان تحلیل دقیق‌تری از تأثیرات تأخیر زمانی را فراهم می‌آورد، به شرطی که این داده‌ها در دسترس باشند.

خدمات اضافی قطار

برای بررسی راه‌حل‌های ممکن، محققان یک تأخیر یک ساعته برای ۲ درصد از قطارهای پر تردد در خط راه‌آهن جنوبی اتریش از ایستگاه مرکزی وین به وینر نوشتات شبیه‌سازی کردند. این قطارها به عنوان تأثیرگذارترین قطارها بر شبکه شناسایی شدند. سرویدیو توضیح می‌دهد: “ما دریافتیم که اضافه کردن تنها سه خدمات قطار اضافی به مدل می‌تواند تأخیرهای کلی را در روزهای بحرانی حدود ۲۰ درصد کاهش دهد.” به گفته محققان، اعمال این رویکرد در کل سیستم راه‌آهن اتریش می‌تواند تأخیرها را در مدل تا ۴۰ درصد با اضافه کردن ۳۷ قطار یا اتصال جدید کاهش دهد. آن‌ها همچنین مشاهده کردند که هرچه ترافیک یک خط راه‌آهن بیشتر باشد، بهینه‌سازی آن دشوارتر است. از آنجا که خدمات قطار محلی با واحدهای کشش الکتریکی، مقرون به صرفه‌ترین گزینه‌ها برای شرکت‌های راه‌آهن هستند و قطارهای بین‌المللی جایگزینی دشوار و پرهزینه دارند، محققان بررسی کردند که آیا تأثیرات مختلف به نوع خدمات قطار اضافه شده بستگی دارد یا خیر. سرویدیو می‌گوید: “جالب است که ما دریافتیم با اضافه کردن سه خدمات قطار مقرون به صرفه به خط راه‌آهن جنوبی، می‌توانیم کاهش مشابهی حدود ۲۰ درصد در تأخیرهای کلی به دست آوریم.”

رویکرد پیشگامانه

آد روبن-بالداف، مدیر برنامه ÖBB می‌گوید: “دقت یکی از اهداف اصلی ÖBB است. مدلی که CSH توسعه داده است، ابزار اضافی برای دستیابی به این هدف در سیستم پیچیده ریلی ما فراهم می‌کند.” استفان تورنر، رئیس CSH می‌گوید: “شبیه‌سازی یک سیستم راه‌آهن ملی پیچیده است و شامل تعداد زیادی قطار و نقاط عملیاتی است که میلیاردها سناریو تولید می‌کند. روش‌های سنتی معمولاً در این مقیاس ناکافی هستند، اما تحلیل شبکه و علم پیچیدگی ابزارهای مدل‌سازی قوی برای شناسایی آسیب‌پذیری‌های سیستمی ارائه می‌دهند.” این مطالعه نمونه‌ای از مزایای قابل توجه پیوند تحقیقات علمی با تخصص صنعتی است و نشان می‌دهد که چگونه نوآوری‌های مشترک می‌توانند راه‌حل‌های مؤثری برای مسائل عملیاتی پیچیده ارائه دهند.

درباره مطالعه

مطالعه “رویکرد ریسک سیستمی برای کاهش تأخیرهای زنجیره‌ای در شبکه‌های ریلی” توسط س. دانیوتی، و. د. پ. سرویدیو، ج. کاگر، آ. روبن-بالداف و س. تورنر در نشریه npj Sustainable Mobility and Transport منتشر شد. این مطالعه به عنوان بخشی از پروژه “پیش‌بینی عملیات قطار” که یک ابتکار مشترک بین CSH و ÖBB است، انجام شده و هدف آن توسعه استراتژی‌های بهینه‌سازی برای حمل و نقل مسافری ÖBB به منظور کاهش تأخیرهای سالانه کلی در سیستم است.