شیوه‌ای نوین برای جلوگیری از تأخیر زنجیره‌ای قطارها

بهبود دقت زمان‌بندی قطارها با روش‌های نوین

برای کمک به بهبود دقت زمان‌بندی و درک چگونگی گسترش تأخیرها و شناسایی قطارهای بحرانی، محققان از مرکز علوم پیچیدگی (CSH) در همکاری با راه‌آهن فدرال اتریش (ÖBB) یک روش جدید مبتنی بر شبکه توسعه داده‌اند. تأخیرات قطار نه تنها یک ناامیدی رایج برای مسافران است، بلکه می‌تواند منجر به خسارات اقتصادی قابل توجهی نیز شود، به‌ویژه زمانی که این تأخیرات در شبکه ریلی گسترش می‌یابند. زمانی که یک قطار تأخیر می‌خورد، معمولاً یک زنجیره واکنشی به‌وجود می‌آید که مشکلات جزئی را به تأخیرات گسترده‌ای در کل سیستم تبدیل می‌کند. این موضوع می‌تواند هزینه‌بر باشد. گزارشی از انجمن راه‌آهن‌های آمریکا (AAR) نشان می‌دهد که یک اختلال سراسری در راه‌آهن ایالات متحده می‌تواند روزانه بیش از ۲ میلیارد دلار به اقتصاد آسیب برساند. بنابراین، پرسش مهم برای اپراتورهای راه‌آهن این است که چگونه می‌توانند اثر زنجیره‌ای تأخیرها را به‌طور مؤثر و با حداقل تلاش مدیریت کنند؟

روش نوین 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 به‌طور قابل توجهی منتقل می‌کنند.” این مطالعه در نشریه npj Sustainable Mobility and Transport منتشر شده است.

شناسایی “قطارهای تأثیرگذار”

محققان با تحلیل داده‌های مربوط به مسیر شلوغ ایستگاه مرکزی وین به وینر نوشتات (که روزانه تا ۱۰۰۰ قطار مسافری در آن تردد می‌کند) 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 به تأخیر منجر 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 اعتبارسنجی یافته‌های خود و ارزیابی استراتژی‌های کاهش تأخیر، آن‌ها یک شبیه‌سازی مبتنی بر عامل از راه‌آهن اتریش ایجاد کردند که دینامیک و تعاملات روزانه قطارها را بازتولید می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که قطارهایی که کمی قبل و در طول ساعت اوج فعالیت می‌کنند، از اهمیت بالایی برخوردارند. سیمونه دانیوتی، دانشجوی دکتری در CSH و نویسنده اول این مطالعه، می‌گوید: “این شاید چندان تعجب‌آور نباشد. با این حال، می‌توانیم تشخیص دهیم که کدام یک از آن‌ها در شبکه پیچیده ارتباطات در ساعات اوج تأثیر بیشتری دارند.”

علت اصلی زنجیره‌ای شدن تأخیرات: ناوگان ریلی

محققان دریافتند که زنجیره‌ای شدن تأخیرات در مدل عمدتاً ناشی از اشتراک ناوگان ریلی (لوکوموتیوها و واگن‌ها) است، با وجود اینکه نقاط تماس بین ناوگان ریلی کمتر از زیرساخت‌هاست. دانیوتی توضیح می‌دهد: “آنچه ما مشاهده می‌کنیم این است که مواد مانند ناوگان ریلی و پرسنل، نقش بسیار بیشتری در گسترش تأخیرات در شبکه ریلی نسبت به حرکات خود قطارها ایفا می‌کنند.”

تأثیر تأخیر قطارها بر شبکه حمل و نقل

به عنوان مثال، اگر قطاری که قرار است ساعت ۲ بعدازظهر حرکت کند به واگن‌هایی وابسته باشد که توسط قطاری که ساعت ۸ صبح حرکت کرده، استفاده می‌شود، هرگونه تأخیر در قطار قبلی می‌تواند به شدت بر قطار بعدی تأثیر بگذارد. این موضوع یک محدودیت سخت ایجاد می‌کند که می‌تواند بسیار مختل‌کننده باشد. اگرچه 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 گنجانده و به تحلیل دقیق‌تری از تأثیرات تأخیرها دست یابد، زمانی که این داده‌ها در دسترس باشند.

خدمات قطار اضافی

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 افزودن تنها سه سرویس قطار اضافی در مدل می‌تواند تأخیرهای کلی را در روزهای بحرانی به طور تقریبی ۲۰ درصد کاهش دهد.” به گفته محققان، اعمال این رویکرد در کل سیستم راه‌آهن اتریش می‌تواند تأخیرها را در مدل به میزان ۴۰ درصد با افزودن 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، کم‌هزینه‌ترین گزینه‌ها برای شرکت‌های راه‌آهن هستند و قطارهای بین‌شهری جایگزینی دشوارتر و پرهزینه‌تر دارند، محققان بررسی کردند که آیا تأثیرات مختلف بستگی به نوع خدمات قطار اضافه شده دارد یا خیر. سرویدیو می‌گوید: “جالب است که ما دریافتیم با افزودن سه مورد از مقرون به صرفه‌ترین خدمات قطار به خط راه‌آهن جنوبی، می‌توانیم کاهش مشابهی در حدود ۲۰ درصد در تأخیرهای کلی داشته باشیم.”

رویکرد نوآورانه

آد روبن-بالداف، مدیر برنامه ÖBB می‌گوید: “دقت زمانی یکی از اهداف اصلی ÖBB است. مدلی که CSH توسعه داده، 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 را تولید می‌کند. روش‌های سنتی اغلب در این مقیاس ناکافی هستند، اما تحلیل شبکه و علم پیچیدگی ابزارهای مدل‌سازی قوی را 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 راه‌آهن” توسط S. دانیوتی، V. D. P. سرویدیو، J. کگر، A. روبن-بالداف و S. تورنر در نشریه npj Sustainable Mobility and Transport منتشر شد. این مطالعه به عنوان بخشی از پروژه “پیش‌بینی عملکرد 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.