Urban transportation network design problem with sustainability considerations

Trafik sıkışıklığı ve şehir içi ulaşımdan kaynaklanan çevresel etkenler verimlilik, sağlık ve yaşam standardları üzerinde yarattıkları olumsuz etkiden dolayı günümüzde şehirlerde en önemli sorunlardan biri olarak kabul ediliyor. Gelişmekte olan ülkelerde senede yaklaşık olarak yarım milyon insan ulaşımdan kaynaklanan gaz salımını sebebiyle hayatlarını kaybetmekte, aynı zamanda trafik kazalarından da bir o kadar insan hayatını kaybetmektedir. Bu sebeplerden dolayı sürdürebilir bir ulaşım sistemi yaratılması günümüz şehirlerinde en önemli sorunlardan biri haline gelmiştir. Tezimde, şehirlerde daha sürdürebilir bir arazi kullanımı ve ulaşım sistemi için optimizasyon modeli ve çözüm algoritması geliştirmiş bulunmaktayım. Bu çalışmada, iki adet özgün stokastik iki amaçlı arazi kullanımı ve ulaşım optimizasyon modellemesi sürdürebilir bir ulaşım ağı yaratmak için sosyal, çevresel ve ekonomik etkenleri kapsayarak karbon monoksit salımını, trafik sıkışıklığı ve ulaşım masrafını minimuma indirmek amacıyla formule edilmiştir. Bu modellemede amaç, şehirde genişleyecek olan yerleşim alanlarını ve yolları belirlemektir. Şehirdeki ulaşım talebi trafik sıkışıklığı ve ulaşım masrafını belirleyen rastlantısal değişken olarak ele alınmaktadır. Trafik sıkışıklığının olasılığını çok değişkenli normal dağılım olarak hesaplamak için, kapalı formda bir ifade olarak Cholesky çarpanlara ayırma matrisi optimizasyon modeline kısıt olarak eklenerek formule edilmiştir. ϵ- kısıt metodu çok amaçlı optimizasyon probleminin çözülmesi için modele eklenmiştir. Bunlara ek olarak; arazi kullanımı, ulaşım ağı ve çevresel etkenler arasındaki ilişkiyi gösteren bazı yararlı kavramlar bulunmuştur. Önerilen modeller çok türlü varsayımlar düşünülerek geliştirilmiştir. Problem iki katmanlı optimizasyon modeli olarak formule edilmiştir. Alt katmanda, ulaşım modellemesi ulaşım masrafını minimuma inderme amacıyla modellenmiş ve üst katmanda karbon monoksit salımını ve trafik sıkışıklığını minimuma indirme amacıyla model geliştirilmiştir. Alt katmanda kapalı yapıda en iyileme ifadeleri Karush-Kuhn-Tucker (KKT) koşulları kullanılarak formule edilmiştir. Bu en iyileme koşulları üst katman probleminde kısıtlama olarak birleştirilerek tek katmanlı modelleme elde edilmiştir. Tek katmanlı bu model, iki amaçlı doğrusal olmayan karışık tam sayı programlama problemi (MINLP) olarak formule edilmiştir. Dışsal yakınsama ve ϵ- kısıt metodu temel alınarak oluşturulan kesin çözüm algoritması iki amaçlı MINLP problemini çözmek için uygulanmıştır. Geliştirilen modeller İstanbul, Türkiye için gaz salınımını ve aşırı akışı minimuma indirmek amacıyla uygulanmıştır. Gaz salınım miktarları her yoldaki trafik sıkışıklığının etkisinin gerçek ortalama hız değerleri üzerindeki etkisi dikkate alınarak fonksiyon olarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada, 38 ayrı bölgenin ulaşım yapımı ve cazibesi ve 17663 ana yol her yoldaki şerit sayısı, uzunluk ve maksimum hız limiti şeklinde veriler modelleme için veri olarak kullanılmıştır. Tüm bu veriler başarılı bir şekilde işlenmiş ve modeller en iyilemeye uygun bir şekilde çözülmüştür. Optimizasyon modelinin sonuçları kapasite artırımınına uygun seçilen yolları ve eklenmesi gereken toplu taşıma taşıtlarını göstermektedir. Sonuçlar belli yolların gaz salınımı ve trafik sıkışıklığı üzerinde İstanbul için önemli etkisi olduğunu göstermektedir. Bunlara ek olarak bu yollardaki trafik sıkışıklığının ve kirliliğinin sebepleri analiz edilmiştir. Ayrıca, değişik akaryakıt tiplerinin gaz salınımı üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. Bu çalışma İstanbul için mikro ölçekli ve trafikten doğan gaz salınımını analiz eden ilk optimizasyon modeli durumundadır. Ayrıca, bu tezde elektrikli araçlar için şarj istasyonlarının nereye konulması gerektiği ortaya çıkarılmıştır. Elektrikli araçların kattettiği mesafeyi (VMT) maksimuma çıkarmak ve elektrikli araç şarj talebini karşılamak için ulaşım modelleri dikkate alınarak optimizasyon modeli önerilmiştir. Formule edilmiş olan bu model Beijing, Çin için üç haftalık 11880 taksinin araç yörüngesi üzerine uygulanmıştır. Matematiksel modelleme GAMS ve Cplex programları kullanırak en iyi sonucu bulmak için formule edilmiştir. Matematiksel modellemeye uygun şekilde yapılması, veri dönüşümünün girilmesi ve Cplex ayarları büyük ölçekli veri dikkate alınarak yapılmıştır. 40 adet halka açık şarj istasyonunun yeri, model tarafından ortaya çıkan yeni en iyi yerleri ile değiştirildiği zaman yavaş ve hızlı şarj seçeneklerine göre elektrikli araçların kattettiği mesafe sırasıyla %59 ve %88 olarak artmıştır.