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Título: Railway traffic management: simulation and heuristic optimization
Título(s) alternativo(s): Controle de tráfego ferroviário: simulação e otimização heurística
Autor(es): Silva, Fernando Augusto Constantino da
Orientador(es): Corrêa, Fernanda Cristina
Palavras-chave: Ferrovias
Transportes - Planejamento
Levantamentos de rotas
Simulação (Computadores)
Heurística
Railroads
Transportation - Planning
Route surveying
Computer simulation
Heuristic
Data do documento: 5-Mar-2021
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Ponta Grossa
Citação: SILVA, Fernando Augusto Constantino da. Railway traffic management: simulation and heuristic optimization. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2021.
Resumo: As operações ferroviárias comumente requerem um planejamento das rotas dos trens de modo a cumprir com restrições físicas (como operações em linhas singelas) enquanto gerencia prioridades em cruzamentos e ultrapassagens, entre outros. De modo a facilitar o desenho das rotas, algumas ferramentas auxiliares foram construídas. Estre projeto visa criar uma ferramenta de simulação de código aberto para roteamento ferroviário, aplicando uma otimização baseada em duas meta-heurísticas bio-inspiradas (Algoritmo Genético e Otimização por Nuvem de Partículas) e um outro controlador baseado em ações aleatórias. Uma revisão de literatura sobre o contexto histórico das ferrovias ao redor do mundo e principalmente no Brasil é realizada, de onde as rotas utilizadas para comparação são baseadas. Os resultados dos controladores são depois comparados sobre o melhor custo de simulação, o número total de simulações bem-sucedidas, tempo total de execução e a evolução do custo por época. Um teste de Wilcoxon pareado é executado para cada possível par de controladores de modo a determinar a diferença estatística entre os conjuntos de dados. Os resultados obtidos sugerem que o controlador RND se sai melhor nos cenários avaliados, obtendo o tempo de execução mais curto em ambos os cenários e alcançando o melhor custo de simulação global no mais difícil. A ferramenta também exporta um vídeo apresentando o painel sinóptico com toda a execução da simulação, permitindo um fácil teste e depuração da solução. Ela foi construída utilizando Python em um contêiner Docker de modo a ser executada em diferentes plataformas e arquiteturas, sendo hospedado no GitHub e disponível publicamente para futuras contribuições.
Abstract: The railroad operations often require planning on the routing of the trains in order to comply with physical restrictions (like single-track operations) while handling priorities on crossings and overtakes, among others. In order to facilitate the route design, some auxiliary tools were made. This project aims to create an open-source simulation tool for railroad routing and perform an optimization based on two bio-inspired metaheuristics (Genetic Algorithm - GA and Particle Swarm Optimization - PSO) and another randomaction controller (RND). A literature review about the historical context of railroads over the world and mainly in Brazil is made, from where the routes used for comparisons are based. The controllers’ results are later compared over the best solution cost, the total number of successful solutions, total execution time, and the cost evolution per epoch. A Wilcoxon signed-rank test is executed for each possible pair of controllers in order to determine the statistical difference of the resulting data-sets. The obtained results suggests that the RND controller performs better in the evaluated scenarios, having the faster execution time on both scenarios and achieving the best global solution cost in the harder one. The tool also outputs a video presenting the synoptic panel with the entire execution of the simulation, allowing an easy audition and debugging of the solution. It was built using Python in a Docker container so it can run under different platforms and architectures, being hosted on GitHub and available for further public contributions after the registry process.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25058
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