ارزیابی ترکیب الگوریتم فراابتکاری زنبورها با الگوریتم بهینه‌سازی کلونی مورچگان در ارتقاء عملکرد آن به منظور مکان‌یابی هواپیماهای رزرو در صنعت هوایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران.

2 گروه سیستم های اطلاعات مکانی، دانشکده مهندسی ژئودزی و ژئوماتیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.

چکیده

مقدمه: تاخیر در پرواز یکی از مشکلات عمده در صنعت حمل‌و‌نقل هوایی است. مطالعات قبلی کمتر به هواپیماهای رزرو و تأثیر محل استقرار آن‌‌ها در کاهش زمان تأخیر در پروازها پرداخته‌‌اند. همین مطالعات کم نشان می‌دهد که اکثر شرکت‌های هواپیمایی آن‌ها را در فرودگاه‌های اصلی خود یا همان هاب‌ها مستقر می‌کنند. به‌این‌ترتیب، در این تحقیق از شبیه‌سازی عامل‌مبنا در ترکیب با الگوریتم فراابتکاری زنبورها برای مکانی‌یابی این هواپیماها استفاده شد. شبیه‌سازی ‌عامل‌مبنا امکان قرار‌گیری هواپیماهای رزرو در فرودگاه‌های متفاوت و محاسبه میانگین تاخیر در پروازها را فراهم می‌کند. الگوریتم زنبورها هم امکان یافتن وضعیت مناسب استقرار هواپیماهای رزرو را برای کاهش تاخیرهای پرواز در زمان کوتاه فراهم می‌کند. از طرفی این الگوریتم با الگوریتم فراابتکاری بهینه‌سازی کلونی مورچگان ترکیب شد. بررسی نتایج این ترکیب در ارتقاء عملکرد الگوریتم زنبورها یکی از اهداف اصلی تحقیق است. هدف دیگر بررسی تاثیر مکان‌یابی مناسب هواپیماهای رزرو در کاهش تاخیرها در مقایسه با استقرار آن‌ها در هاب‌هاست.

مواد و روش ها: در این تحقیق از نرم افزارAnylogic ‌ و نقشه GIS آن استفاده شد. همچنین از داده‌های پروازی شرکت هواپیمایی قشم‌ایر به عنوان داده واقعی استفاده شد. شبیه‌سازی هم به صورت عامل‌مبنا شامل عامل اصلی، عامل فرودگاه‌ها، عامل هواپیماهای اصلی و عامل هواپیماهای رزرو انجام شد. در شروع شبیه‌سازی هواپیماهای اصلی بر اساس زمان پروازهای خود در هفته به سمت مقصد حرکت کرده و سپس دوباره به فرودگاه مبدا بر‌می‌گردند. در ادامه فرودگاه‌ها در صورت خرابی ‌یک هواپیما، نزدیکترین هواپیمای رزرو خود را فرا‌می‌خوانند. هواپیمای رزرو هم بلافاصله پس از رسیدن به فرودگاه درخواست‌کننده، به سمت مقصد پرواز کنسل‌شده حرکت خواهد کرد. سپس به فرودگاه مبدا خود باز‌می‌گردد. میانگین زمان پرواز هواپیماهای رزرو به فرودگاه‌های درخواست‌کننده در کل زمان شبیه‌سازی به‌عنوان میانگین تاخیر در پروازها در‌نظر گرفته شد. این میانگین تاخیر به‌عنوان تابع هدف مورد‌نیاز برای هر زنبور در اجرای الگوریتم زنبورها استفاده می‌شود. از طرفی الگوریتم فراابتکاری زنبورها هم در 3 سناریوی پیشنهادی با الگوریتم بهینه‌سازی کلونی مورچگان ترکیب شد. سناریوی اول، دوم و سوم به‌ترتیب ترکیب در بخش جستجوی محلی الگوریتم، ترکیب در بخش جستجوی سراسری و ترکیب به‌صورت همزمان در هر دو بخش در‌نظر گرفته شد. سپس با 50 اجرای مستقل از هر‌یک از الگوریتم‌های ترکیبی و الگوریتم اولیه هر‌کدام با 15 تکرار، تاثیر این سناریوها در ارتقاء عملکرد الگوریتم زنبورها مورد بررسی قرار گرفت.

نتایج و بحث: نتایج تحقیق، تاثیر چشمگیر هر 3 سناریو را در ارتقاء عملکرد الگوریتم زنبورها در سه بخش همگرایی الگوریتم، تکرارپذیری نتایج و همین‌طور میانگین تعداد تکرارها برای رسیدن به جواب بهینه (بهترین جواب یافت‌شده) نشان داد. سناریوی سوم به‌عنوان موثرترین سناریو، در بخش تکرارپذیری نتایج موجب رسیدن به 50 جواب بهینه از 50 اجرای انجام شده در مقایسه با 3 جواب بهینه در الگوریتم اولیه زنبورها شد که نتیجه‌ای بسیار چشمگیر است. همین‌طور این سناریو میانگین 56/14 تعداد تکرارها در الگوریتم اولیه زنبورها برای رسیدن به جواب بهینه را با کاهش 57 درصدی به 26/6 تکرار رساند. سناریوهای اول و دوم هم به‌ترتیب در مرتبه‌های بعدی اثرگذاری قرار گرفتند. همچنین الگوریتم ترکیبی پیشنهادی در مقایسه با الگوریتم‌های ترکیبی مشابه در تحقیق‌های دیگر عملکرد مناسب و قابل‌قبولی نشان داد. از طرفی نتایج تحقیق، تاثیر قابل توجه حدود 60 درصدی مکان‌یابی مناسب هواپیماهای رزرو در کاهش تاخیرهای پرواز را در مقایسه با بهترین نحوه استقرار آن‌ها در هاب‌ها نشان داد. همین‌طور نتایج تاثیر حدود 87 درصدی در کاهش تاخیرها را در مقایسه با بدترین استقرار هواپیماهای رزرو به‌عنوان بیشترین تاثیر مکان‌یابی مناسب آن‌ها نشان داد.

نتیجه گیری : نتایج نشان می‌دهد که مکان‌یابی مناسب هواپیماهای رزرو می‌تواند تاثیر بالایی در کاهش تاخیر‌های پرواز داشته باشد. از طرفی الگوریتم‌های فراابتکاری کارایی مناسب خود را در مکان‌یابی هواپیماهای رزرو نشان داد. همچنین نتایج تحقیق نشان داد که ترکیب‌های خلاقانه بین الگوریتم‌های فراابتکاری از جمله ترکیب پیشنهادی در این پژوهش، می تواند تاثیر قابل‌توجهی را در ارتقاء عملکرد آن‌ها داشته باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Combination of Bees Meta-Heuristic Algorithm with Ant Colony Optimization Algorithm to Upgrade its Performance for Site Selection of Reserve Aircraft in the Air Industry

نویسندگان [English]

  • Mohammad Akhondi 1
  • Mohammad Saadi Mesgari 2
1 Department of Civil Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
2 Department of Geospatial Information System, Faculty of Geodesy and Geomatics Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Flight delays are one of the major problems in the aviation industry. Previous studies have looked less at the reserve aircraft and the effect of their deployment location in reducing delays. These few studies show that most airlines deploy these aircraft at their hubs. As such, in this research was used agent-based simulation in combination with the Bees Meta-Heuristic Algorithm for site selection of these aircraft. The agent-based simulation allows the placement of reserve aircraft at different airports and the calculation of the average delay in flights. The bees algorithm also allows the finding of the optimal position of the reserve aircraft to reduce flight delays in a short time. On the other hand, this algorithm was combined with the ant colony optimization meta-heuristic algorithm. The review of results of this combination in improving the performance of the bees algorithm is one of the main goals of the research. Another purpose is to investigate the effect of proper site selection of reserve aircraft in reducing delays compared to their deployment in hubs.

Materials and methods: In this study, Anylogic software and its GIS map were used. Also, the flight data of Qeshm Air airline was used as real data. The simulation was done as agent-based, including the main agent, the airport agent, the main aircraft agent, and the reserve aircraft agent. At the beginning of the simulation, the main aircraft will fly to their destination based on time of their flights per week and then return to the origin. In the following, airports will call their nearest reserve aircraft in the event of an aircraft failure. The reserve plane will immediately move to the destination of the cancelled flight after arriving at the requesting airport. It will then return to its origin airport. The average flight time of all reserve aircraft to the requesting airports in the total simulation time was considered as the average delay in flights. This average delay is used as the objective function required for each bee in the execution of the bees algorithm. On the other hand, the bees meta-heuristic algorithm was combined with the ant colony optimization algorithm in 3 proposed scenarios. The first, second, and third scenarios were considered as combination in the local search section of the algorithm, combination in the global search section, and simultaneous combination in both sections, respectively. Then, with 50 independent runs of each of the combined algorithms and the initial algorithm with 15 replications each, the effect of these scenarios on improving the performance of the bees algorithm was investigated.

Results and Discussion: The results showed the significant effect of all three scenarios in improving the performance of the bees algorithm in three parts of the algorithm convergence, the repeatability of the results, as well as the average number of repetitions to achieve the optimal solution (the best result found). The third scenario, as the most effective scenario, in the repeatability of the results section, led to 50 optimal solutions out of 50 implementations compared to 3 optimal solutions in the initial bees algorithm, which is a very impressive result. Also, this scenario, the average number of replications in the initial bees algorithm to achieve the best result, which was 14.56, with a 57% reduction, changed to 6.26 replications. The first and second scenarios were ranked next in order of effectiveness, respectively. Also, the proposed hybrid algorithm showed appropriate and acceptable performance compared to similar hybrid algorithms in other research. On the other hand, the results of the research showed the significant effect of about 60% of the appropriate site selection of reserve planes in reducing flight delays compared to deploy them in hubs. Also, the results showed an effect about 87% in reducing delays compared to the worst deployment of reserve aircraft, as the greatest effect of their suitable site selection.

Conclusion: The results show that proper site selection of reserve aircraft can significantly reduce flight delays. On the other hand, meta-heuristic algorithms showed their appropriate efficiency in the site selection of reserve aircraft. Also, the results of the research showed that creative combinations of meta-heuristic algorithms, such as the proposed combination in this study, can have a significant effect on improving their performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bees meta-heuristic algorithm
  • Ant colony optimization algorithm
  • Agent-based
  • Reserve aircraft
  • site selection
  • Flight delays