پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

پیش بینی تاخیرات قطارهای مسافری با استفاده از یادگیری ماشین مطالعه موردی راه اهن جمهوری اسلامی ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استاد، دانشکده مهندسی صنایع و سیستم‌ها، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی صنایع و سیستم‌ها، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
3 استادیار، دانشکده مهندسی صنایع و سیستم‌ها، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
هدف از این مقاله، پیش‌بینی تاخیرات قطارهای مسافری در نواحی ریلی راه آهن جمهوری اسلامی ایران با استفاده از داده‌های تاریخی حرکت قطارهای مسافری و داده‌های آب و هوایی با روش‌های یادگیری ماشین است. پیش‌بینی تاخیرات در نواحی ریلی با شرایط آب و هوایی در آن ناحیه در فصل زمستان می تواند برای تصمیم گیری و اقدامات پیشگیرانه موثر واقع شود. داده‌های بکار گرفته شده در این مطالعه شامل داده های تاخیرات قطار-های مسافری از سال 1396 تا 1400 و داده‌های آب و هوایی ایستگاه‌های سینوپتیک از سال 1396 تا 1400 است. که در بردارنده 46596 رکورد است. متغیر‌های مستقل شامل سال، ماه، روز ماه، روز هفته، محور حرکت، نوع قطار، ناحیه ریلی، حداکثر سرعت باد، حداقل دید افقی، دمای کمینه، دمای بیشینه، تعداد گزارش‌های یخ‌زدگی در سطح زمین و بارش 24 ساعته باران و برف هستند. روش پیشنهادی برای حل مسئله موجود مبتنی بر CRISP-DM یک متدولوژی برتر در زمینه پیاده‌سازی تکنیک‌های یادگیری ماشین و داده کاوی در حوزه تحقیقاتی و اجرایی است. مدلسازی پیش‌بینی به صورت طبقه‌بندی انجام شده است. جهت پیش‌بینی طبقه‌بندی متغیر وابسته تاخیر به دو طبقه به موقع و با تاخیر تقسیم شده‌اند. از روش‌های یادگیری نظارت شده از نوع طبقه‌بندی برای پیش بینی تثیر عوامل آب و هوایی در به وجود آمدن تاخیر در نواحی ریلی استفاده شده‌است. برای ارزیابی نتایج پیش‌بینی از اعتبارسنجی متقابل برای بررسی صحت مدل استفاده شده‌است. نتایج نشان می‌دهد که تاثیر عوامل آب و هوایی در فصل زمستان در طی دوره 5 ساله در بررسی‌های سال به سال در به وجود آمدن تاخیر در نواحی ریلی تاثیر مثبت، منفی یا خنثی داشته‌است. در انتهای مقاله برای انطباق صنعت ریلی با تهدیدات اقلیمی در آینده اقدامات پیشگیرانه‌ای ارائه شده‌است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Passenger Trains Delay Prediction via Machine Learning (Case Study: Railways of the Islamic Republic of Iran)

نویسندگان English

Seyed Hesamoddin Zegordi 1
Farhan Sagheb Maleki 2
Elham Akhondzadeh 3
1 Professor, Faculty of Industrial & Systems Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
2 M.Sc., Grad., Faculty of Industrial & Systems Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
3 Assistant Professor, Faculty of Industrial & Systems Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
چکیده English

The purpose of this article is to predict the delays of passenger trains in the railway areas of the Islamic Republic of Iran using historical data of passenger trains and weather data with machine learning methods. Forecasting delays in railway areas with weather conditions in that area in the winter season can be effective for decision-making and preventive measures. The data used in this study includes passenger train delay data from 2017 to 2022 and weather data from synoptic stations from 1396 to 1400. which contains 46596 records. Independent variables include year, month, day of the month, day of the week, axis of movement, type of train, railway area, maximum wind speed, minimum horizontal visibility, minimum temperature, maximum temperature, number of frost reports on the ground surface and precipitation. It rains and snows 24 hours a day. The proposed method for solving the existing problem based on CRISP-DM is a superior methodology in the field of implementing machine learning and data mining techniques in research and executive fields. Predictive modeling has been carried out in the form of classification. In order to predict the classification of the delay dependent variable, they are divided into two classes, on time and with delay. Supervised learning methods of the classification type have been used to predict the influence of weather factors on the occurrence of delays in railway areas. To evaluate the prediction results, cross-validation has been used to check the validity of the model. The results show that the influence of weather factors in the winter season during the 5-year period in the year-by-year surveys had a positive, negative or neutral effect on the occurrence of delays in railway areas. At the end of the article, preventive measures are presented to adapt the railway industry to climate threats in the future.

کلیدواژه‌ها English

Weather
Predicting
Delays
Passenger Trains
Machine Learning
 -Berger, A., Gebhardt, A., Müller-Hannemann, M., & Ostrowski, M. (2011). Stochastic delay prediction in large train networks. In 11th Workshop on Algorithmic Approaches for Transportation Modelling, Optimization and Systems. Schloss Dagstuhl-Leibniz-Zentrum fuer Informatik.‏
-Büker, T., & Seybold, B. (2012). Stochastic modelling of delay propagation in large networks. Journal of Rail Transport Planning & Management, 2(1-2), 34-50.‏
-Carey, M., & Kwieciński, A. (1994). Stochastic approximation to the effects of headways on knock-on delays of trains. Transportation Research Part B: Methodological28(4), 251-267.‏
-Corman, F., & Kecman, P. (2018). Stochastic prediction of train delays in real-time using Bayesian networks. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 95, 599-615.‏
-Gao, B., Ou, D., Dong, D., & Wu, Y. (2020). A data-driven two-stage prediction model for train primary-delay recovery time. International Journal of Software Engineering and Knowledge Engineering, 30(07), 921-940.‏
-Hallowell, S. F., & Harker, P. T. (1996). Predicting on-time line-haul performance in scheduled railroad operations. Transportation Science, 30(4), 364-378.‏
-Hauck, F., & Kliewer, N. (2020). Data analytics in railway operations: Using machine learning to predict train delays. In Operations Research Proceedings 2019. Springer, Cham, 741-747.
-Hauck, Florian, & Kliewer, Natalia. (2020). Data analytics in railway operations: Using machine learning to predict train delays. In Operations Research Proceedings 2019, Springer.741-747.
-Huang, P., Wen, C., Fu, L., Lessan, J., Jiang, C., Peng, Q., & Xu, X. (2020). Modeling train operation as sequences: A study of delay prediction with operation and weather data. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 141, 102022.‏
-Huang, P., Wen, C., Fu, L., Peng, Q., & Li, Z. (2020). A hybrid model to improve the train running time prediction ability during high-speed railway disruptions. Safety Science, 122, 104510.‏
-Lemnian, M., Rückert, R., Rechner, S., Blendinger, C., & Müller-Hannemann, M. (2014). Timing of train disposition: Towards early passenger rerouting in case of delays. In 14th Workshop on Algorithmic Approaches for Transportation Modelling, Optimization, and Systems. Schloss Dagstuhl-Leibniz-Zentrum fuer Informatik.‏
-Li, ZhongCan, Wen, Chao, Hu, Rui, Xu, Chuanlin, Huang, Ping, & Jiang, Xi. (2021). Near-term train delay prediction in the Dutch railways network. International Journal of Rail Transportation, 9(6), 520-539.
-Marković, Nikola, Milinković, Sanjin, Tikhonov, Konstantin S, & Schonfeld, Paul. (2015). Analyzing passenger train arrival delays with support vector regression. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 56, 251-262.
-Shi, R., Wang, J., Xu, X., Wang, M., & Li, J. (2020). Arrival train delays prediction based on gradient boosting regression tress. In Proceedings of the 4th International Conference on Electrical and Information Technologies for Rail Transportation (EITRT) 2019: Rail Transportation Information Processing and Operational Management Technologies. Springer Singapore, 307-315.
-Yaghini, M., Khoshraftar, M. M., & Seyedabadi, M. (2013). Railway passenger train delay prediction via neural network model. Journal of Advanced Transportation, 47(3), 355-368.‏
-Yuan, J. (2007). Dealing with stochastic dependence in the modeling of train delays and delay propagation. In International Conference on Transportation Engineering, 3908-3914.
-Zhang, L., Feng, X., Ding, C., & Liu, Y. (2020). Mitigating errors of predicted delays of a train at neighbouring stops. IET Intelligent Transport Systems, 14(8), 873-879.‏
-Zilko, A. A., Kurowicka, D., & Goverde, R. M. (2016). Modeling railway disruption lengths with Copula Bayesian Networks. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 68, 350-368.‏