گسترش شهرنشینی در دهه­های اخیر موجب شده است كه شهرها و حومه­های آنها به عنوان مهمترین مراكز سكونت و فعالیت انسان معاصر مطرح شوند. افزایش مستمر جمعیت شهرنشین در بسیاری از كشورها به موضوع چالش برانگیزی برای مسئولان دولتی تبدیل شده است. چرا كه محدودیت­های موجود در سیستم­های حمل­ونقل شهری از جمله محدودیت زمین، ظرفیت معابر و مسایلی از این دست مانع از توسعه آنها همگام با رشد جمعیت و در نتیجه رشد تقاضاهای سفر می­شوند. تصمیمات برای سرمایه­گذاری و بهبود سیستم­های حمل­ونقل شهری باید با در نظر گرفتن مسایلی چون منابع مالی موجود، تاثیرات تصمیمات در بهبود ازدحام خودروها در معابر و مسایلی از این دست صورت گیرند.

در همین راستا، دسته­ای از مطالعات بهینه­سازی به طراحی و بهبود شبكه­­های حمل­ونقل شهری می­پردازد. شبكه­های حمل­ونقل شهری شامل زیرمجموعه­هایی چون شبكه معابر شهری و شبكه­های حمل­ونقل عمومی هستند كه تصمیمات طراحی در آنها را می­توان در قالب سلسله مراتبی از تصمیم­های بلندمدت، میان­مدت و كوتاه­مدت تقسیم­بندی کرد. تصمیمات بلندمدت بیشتر به توسعه زیرساخت­ها و توپولوژی شبكه­ها اختصاص دارند. ساخت معابر جدید، توسعه ظرفیت معابر موجود، طراحی مسیرهای عبور و مرور شبكه حمل­ونقل عمومی مثال­هایی از این تصمیمات هستند. تصمیمات میان­مدت به نحوه بهره­گیری از منابع فعلی می­پردازد، مانند جهت­دهی به معابر و تخصیص خطها در دو جهت معابر دوطرفه. نهایتاً تصمیمات كوتاه­مدتی چون تنظیم چراغ­های راهنمایی، تنظیم عملیات روزمره را شامل می­شوند.مسایل طراحی شبكه حمل­ونقل شهری، با رویكرد نظریه بازی­ها مدلسازی می­شوند. به جهت نوع مساله، دو گروه بازیگر وجود

 دارند. گروه اول مسئولان دولتی و تصمیم­گیران هستند كه نقش رهبر را ایفا می­كنند و گروه دوم كاربران شبكه هستند كه به تناسب تصمیمات اخذ شده برای شبكه توسط مسئولان، به انتخاب مسیر در شبكه می­پردازند كه نتیجه آن تغییر در الگوهای جریان­های ترافیكی در سطح معابر شهر است. این رویكرد مدل سازی منجر به توسعه مدل­های ریاضی دوسطحی برای این مسایل می­شود كه نا محدب هستند و حل آنها به طور ذاتی NP-سخت است.

جهت­دهی به معابر یا تصمیم­گیری برای یک طرفه یا دوطرفه کردن آنها، از جمله تصمیماتی است كه می­توان ادعا کرد که به جهت نوع اثرات آن در شبكه حمل­ونقل شهری، باید با دقت و حساسیت بیشتری مورد توجه قرار گیرد. چنانچه در مطالعات اشاره شد، یک طرفه کردن معابر در عین حال كه منجر به افزایش ظرفیت 10 تا 20 درصدی ظرفیت جریان ترافیكی در آنها شود، می­تواند موجب افزایش مسافت­های طی شده توسط بخشی از كاربران، افزایش ازدحام در بخش دیگری از شبكه و مواردی از این قبیل شود. با عنایت به توضیحات بالا، اهمیت استفاده از مدل­های تصمیم­گیری كه تاثیرات تغییر جهات در معابر را بر روی الگوهای جریان ترافیكی و در نتیجه عملكرد شبكه در سطح كلان در نظر بگیرند، آشكار می­شود.

تصمیم یک طرفه کردن معابر می­تواند به طور همزمان با سایر تصمیمات طراحی شبكه معابر شهری همچون افزایش ظرفیت معابر موجود، ساخت معابر جدید ، تخصیص نامتقارن خط­ها در چگونگی جهت معابر دوطرفه و تنظیم چراغ راهنما در تقاطع­ها منظور شود. در این صورت، علاوه بر ایجاد هم­افزایی در بهبودهای ایجاد شده در ظرفیت ترافیكی شبكه، این احتمال وجود دارد كه هزینه­های مورد نیاز برای سرمایه­گذری را، نسبت به وضعیتی كه هر یك از تصمیمات جداگانه مطرح شود، كاهش دهد.

تقاطع­های کنترلی(دارای چراغ راهنما) یکی از اجزای اصلی شبکه­های حمل ونقل جاده­ای هستند که جریان وسایل نقلیه در سطح شهر را تنظیم و تعدیل می کنند. جریان­های ترافیکی در تقاطع­های کنترلی باعث ایجاد تاخیر در وسایل نقلیه می شوند. اگرچه چراغ راهنما از حرکت دایمی وسایل نقلیه در تقاطع­ها جلوگیری میکند، ولی به طور کلی در صورت محاسبه صحیح زمان بندی آن متوسط تاخیر وسایل نقلیه از زمانی که تقاطع بدون چراغ راهنماست، کمتر است. افزایش تاخیر در تقاطع­ها باعث افزایش زمان سفر کاربران، افزایش آلودگی­های محیطی وصوتی و کاهش قابلیت اطمینان شبکه می شود. بنابراین، باید به تقاطع­ها و بهینه­سازی آنها از در مسایل توجه داشت.

در همین راستا، مساله مطرح شده در این پایان نامه موضوع كلی مورد بحث در سطوح بالا را در بر می­گیرند. مساله مورد بررسی، اختصاص به تركیب تصمیم جهت­دهی معابر با سایر تصمیمات مربوط به شبكه معابر شهری دارد كه شرح آن در سطور بالا آمد. با توجه به ویژگی­های NP-سخت بودن و نامحدب بودن مدل­های دوسطحی، برای حل مسایل در این پایان نامه از روش­های بالا ابتكاری استفاده می شود.

با توجه با توضیحات بالا، در فصل اول به تعارف اولیه و تعیین محدوده مساله مورد بررسی می­پردازیم. فصل دوم شامل مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق است. در فصل سوم با تعریف متغیرها، پارامترها و مفروضات مساله، مدل ریاضی برای مساله و روش حل مدل ارایه می شوند. دسته­ای مسایل نمونه برگرفته از مقالات مرتبط با اندازه­های مختلف با روش حل پیشنهادی حل می شوند و نتایج محاسباتی در فصل چهارم ارایه می شوند. در نهایت، به جمع­بندی مطالب و ارایه پیشنهادها برای تحقیقات آتی در فصل  پنجم می پردازیم.

1-2- سیستم حمل ونقل

یك سیستم حمل­و­نقل[1] را می­توان به صورت مجموعه­ای از تسهیلات ثابت[2]، نهادهای جریان[3] و یك سیستم كنترلی[4] تعریف نمود كه به مسافران و كالا امكان می­دهد بر محدودیت­های جفرافیایی غلبه و به موقع در فعالیت­های مورد نظر شركت كنند]1[. در واقع، یك سیستم حمل­و­نقل شامل مجموعه­ای از اجزاء است كه امكان جابه جایی انسان و كالا را از مكانی به مكان دیگر فراهم می­کند. تسهیلات ثابت، اجزای فیزیكی سیستم حمل­و­نقل هستند كه در یك مكان ثابت واقع می شوند و شامل یال­های شبكه[5] (مانند جاده­ها، ریل­ها و لوله­ها) و گره­های[6] (مانند تقاطع­ها، پایانه­ها، بنادر و فرودگاه­ها) سیستم هستند. طراحی این تسهیلات شامل مسایلی  چون مهندسی خاك و پی، طراحی سازه، طراحی شبكه­های آبیاری و طراحی هندسی می­شود. نهاده­های جریان، واحدهایی هستند كه از تسهیلات ثابت عبور می­كنند. این نهاده­ها می­توانند وسایل نقلیه، واحدهای كانتینر، واگن­های قطار و غیره باشند، مثلاً در مورد سیستم بزرگراه­ها، تسهیلات ثابت برای انواع وسایل نقلیه اعم از دوچرخه و یدك­كش­های بزرگ قابل استفاده هستند. سیستم كنترلی شامل كنترل جریان[7] و كنترل وسیله نقلیه[8] می­شود. كنترل وسایل نقلیه به روش­هایی اطلاق می­شود كه وسایل نقلیه را در سیستم حمل­و­نقل هدایت می­كنند كه این هدایت می­تواند دستی یا خودكار باشد. به طور مثال، در مورد هدایت خودروها در بزرگراه­ها، عامل انسانی و رفتار انسان به عنوان سیستم كنترلی وسیله نقلیه عمل می­كند. سیستم­های كنترل جریان شامل ابزارهایی هستند كه جریان روان حركت وسایل نقلیه را ضمن كاهش ازدحام­ در سیستم حمل­ونقل، فراهم می­كنند. این سیستم­ها می­توانند شامل انواع علامتگذاری­ها در طول مسیرهای حمل­ونقل، چراغ­های راهنمایی و مقررات وضع شده برای حركت در مسیرها باشند.شکل 1-1 تقسیم­ بندی اجزای سیستم­های حمل ­و­نقل را نمایش می­دهد.

1-1- تقسیم بندی سیستم های حمل ونقل

طبق آنچه در ادبیات برنامه­ریزی حمل­ونقل مطرح می­شود، سیستم­های حمل­ونقل را می­توان از جهات گوناگون طبقه­بندی کرد. تقسیم­بندی سیستم­های حمل­و­نقل از نظر روش حمل مورد استفاده، یكی از مهمترین تقسیم­بندی­های موجود در ادبیات است. محدوده مورد بررسی در این پایان نامه، روش “حمل جاده­ای” (منظور جاده­ها، بزرگراه­ها و خیابان­ها) است. نوع دیگر تقسیم­بندی را می­توان بر اساس محدوده جغرافیایی وقوع فعالیت­های حمل­و­نقل انجام داد. سیستم­های حمل­و­نقل مورد بررسی در این پایان نامه “محدوده درون شهری” را در برمی­گیرند. بخش اعظم حمل­و­نقل شهری به جابه جایی مسافر اختصاص دارد و مهمترین روش حمل مورد استفاده در شهرها، حمل­و­نقل زمینی است. حمل­و­نقل زمینی در شهرها در قالب حمل­و­نقل شخصی (خودروها و موتورسیكلت­های شخصی و پیاده­روی) و خدمات حمل­ونقل عمومی از طریق اتوبوس­های شهری در بزرگراه­ها و مترو و سایر انواع قطارها در راه­آهن درون شهری انجام می­شود.

شبكه­ های حمل­ ونقل شهری در واقع متشكل از شبكه معابر شهری و شبكه حمل­ونقل عمومی هستند كه مانند شبكه اتوبوس و تراموا در شبكه معابر و مانند شبكه مترو یا مجزای از معابر تعریف می­شوند.