Planejamento e roteamento de trens utilizando a meta heurística VNS e técnicas em grafos

dc.contributor.advisor1Paiva, Marcia Helena Moreira
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-7314-6129
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8026444214173343
dc.contributor.authorCosta, Higor D Talles
dc.contributor.referee1Moraes, Renato Elias Nunes de
dc.date.accessioned2024-05-29T22:12:01Z
dc.date.available2024-05-29T22:12:01Z
dc.date.issued2019-05-06
dc.description.abstractRailway transportation is one of the most efficient means for overland transportation of high volumes of bulk cargo and a range of commodities. To be highly efficient it is necessary for trains to make few stops and run at optimal speeds defined for each section of railway. A good route, and train traffic planning, can ensure this. Both objectives can be attained by minimizing the two problems: the number of conflicted schedules along routes and the stopping time accrued by trains in service. A route is defined by a set of sequential nodes that connect a source node with a destination node in a network. Conflicts occur when two or more trains try to use the same railway resource at the same time. To optimize performance a method was put forward to find a solution, a method composed of three stages: (a) create viable routes, (b) minimize conflicting schedules of all rail routes and (c) reduce travel times. In the first stage, routes were obtained using graph techniques. In the second stage, conflicts and travel times were minimized by the use of a metaheuristic. Finally, in the third stage, stop times were minimized by eliminating unnecessary delays. To perform the optimization task of the second stage, we decided to implement a multi-objective version of the Variable Neighborhood Search (VNS) algorithm. In fact, the multi-objective version was based on the Skewed VNS scheme. This algorithm, regarding the current objective, is much more suitable for finding solutions in very distant Neighborhoods. Solution proposed by heuristic method, due to the nature of the problem, was NP-Hard regarding computational complexity theory. The developed algorithm was tested in 5 random planar graphs with n vertices and m edges, where n/m is given by: 49/57, 94/112, 184/222, 274/332 and 364/442. The number of running trains in each graph was adjusted to 20% of the number of vertices to each one of them. It was planned as having 73 trains running in the most complex case. Scenarios were created using 1 or 3 routes for each train, for which we used weighted graphs or graphs with unitary weights on their vertices. Furthermore, we used the betweenness centrality measure. It is relevant to emphasize that many conflicts among train routes were purposefully generated, aiming to test the algorithm in extreme conditions. To verify the optimization process quality a Pareto Front was built and its quality was checked using three measures suggested by some papers and a fourth one proposed by this research. The results were very good when compared to proposed objectives and to the complexity of tested topologies
dc.description.resumoO modo de transporte ferroviário é um dos mais eficientes para o transporte terrestre de grandes volumes de carga a granel e de commodities diversas. Para que sua eficiência seja alta é necessário que as composições realizem poucas paradas e trafeguem à velocidade ótima definida para cada trecho de ferrovia. Um bom planejamento de rotas e de tráfego de trens pode garantir isso. Ambos os problemas podem ser resolvidos pela minimização de dois objetivos: número de conflitos entre rotas e tempo de parada dos trens em circulação. Uma rota é definida por um conjunto de nós sequenciais que conectam um nó de origem a um nó de destino em uma rede. Os conflitos ocorrem quando dois ou mais trens tentam utilizar o mesmo trecho de ferrovia em intervalos de tempo concorrentes. Para realizar a tarefa de otimização, foi proposto um método de solução composto por três etapas: (a) criação de rotas viáveis, (b) minimização de conflitos entre rotas e (c) redução de tempos de viagem. Na primeira etapa as rotas foram obtidas por técnicas em grafos. Na segunda etapa os conflitos e os tempos de viagem foram minimizados por uma meta-heurística. Por fim, na terceira etapa, os tempos de parada foram minimizados pela eliminação de atrasos desnecessários. Para a otimização da segunda etapa decidiu-se pela implementação de um algoritmo Variable Neighborhood Search (VNS) multiobjetivo. De fato, a versão multiobjetivo foi baseada no esquema Skewed VNS. Este algoritmo é bastante apropriado para a busca de soluções em vizinhanças muito distantes da solução corrente. A solução por métodos heurísticos foi proposta devido à natureza do problema, que é do tipo NP-Hard segundo a teoria da complexidade computacional. O algoritmo foi testado em 5 grafos planares aleatórios com n vértices e m arestas, onde n/m é dado por: 49/57, 94/112, 184/222, 274/332 e 364/442. O número de trens em circulação em cada grafo foi ajustado como sendo 20% do número de vértices de cada um deles. No caso mais complexo foi planejada a circulação de 73 trens. Foram criados cenários utilizando 1 ou 3 rotas por trem, para os quais foram utilizados grafos ponderados ou com pesos unitários em seus vértices. Além disso, foi utilizada a medida de centralidade betweenness. É importante ressaltar que, propositalmente, foram gerados muitos conflitos entre as rotas dos trens com a finalidade de testar o algoritmo em condições extremas. Para verificar a qualidade do processo de otimização foi construída a Fronteira de Pareto, cuja qualidade foi checada por três métricas sugeridas na literatura e uma quarta proposta neste trabalho. Os resultados obtidos foram muito bons frente aos objetivos propostos e à complexidade das topologias testadas
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/13673
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Elétrica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.rightsopen access
dc.subjectTransporte
dc.subjectPlanejamento e roteamento de trens
dc.subjectOperação ferroviária
dc.subjectOtimização multiobjetivo
dc.subjectVariable neighborhood search
dc.subjectFronteira de Pareto
dc.subjectTrain scheduling and routing
dc.subjectRailway operations
dc.subjectMulti-objective optimization
dc.subjectVariable neighborhood search
dc.subjectPareto Front
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Elétrica
dc.titlePlanejamento e roteamento de trens utilizando a meta heurística VNS e técnicas em grafos
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typemasterThesis

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