شماره ركورد
33939
پديد آورنده
محمد علي زاينده رودي
عنوان
رتبهبندي و انتخاباقدامات متقابلايمني در گذرگاههاي همسطح جاده و ريل با استفاده از روشهاي يادگيري ماشين
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
عمران
سال تحصيل
1400
تاريخ دفاع
1404/6/25
استاد راهنما
دكتر برات مجردي دكتر مرتضي باقري
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
تصادفات در گذرگاههاي همسطح جاده و ريل يكي از چالشهاي اساسي حمل و نقل ريلي در سراسر جهان به شمار ميرود. به همين دليل، سازمان¬هاي حمل¬ و نقل ريلي با توجه به ويژگي هاي زير ساختي هر گذرگاه، اقدامات متقابل ايمني مؤثر را براي كاهش تصادفات در اين گذرگاهها به كار ميگيرند. هدف اين رساله ارزيابي و انتخاب مؤثرترين اقدامات متقابل ايمني به منظور كاهش تصادفات در اين گذرگاهها، با استفاده از روش¬هاي داده محور است.
در اين پژوهش، از مجموعه دادههاي انجمن راهآهن فدرال (FRA) ايالات متحده آمريكا در طول سال¬هاي 2010 تا 2022 استفاده شده است. عوامل تاثيرگذار بر تصادفات با استفاده از الگوريتم يادگيري ماشين LightGBM، شناسايي شدند و گذرگاهها بر پايه روش تحليل كلاس پنهان عميق (DLCA) به چهار خوشه همگن تقسيم شدند.
براي محاسبه ضريب تعديل تصادف (CMF)، چندين رويكرد شامل قبل و بعد ساده، رويكرد پيشرفتهتر مبتني بر چارچوب بيز تجربي (EB) و چارچوب بيز كامل (FB) بهكار گرفته شد. در رويكرد بيز تجربي، مدل رگرسيون دوجملهاي منفي (NB) براي تخمين فراواني تصادفات استفاده گرديد و باقيماندههاي تخمين با شبكه عصبي حافظه طولانيمدت (LSTM) مدلسازي شدند. مدل NB-LSTM به دليل توانايي در مدلسازي دادههاي سري زماني و وابستگيهاي طولانيمدت، عملكرد بهتري از نظر مقادير خطاي استاندارد نسبت به ساير رويكردها داشت. بنابراين تخمين هاي CMF نهايي در اين رساله برآمده از مدل NB-LSTM تحت چارچوب بيز تجربي در نظر گرفته شد. در اين پژوهش، براي انتخاب بهترين اقدام متقابل در هر گذرگاه، از شبكه عصبي بيزي چند خروجي (BNN) استفاده شده¬است. اين مدل ابتدا خوشه مربوط به هرگذرگاه را پيشبيني كرده و CMF براي هر يك از اقدامات متقابل مورد بررسي براي آن گذرگاه را محاسبه مي¬كند. سپس مؤثرترين اقدام متقابل ايمني با انتخاب اقدام متقابلي كه كمترين ميزان CMF تخمين زده شده را دارد، پيشنهاد مي¬شود. نتايج انتخاب اقدامات متقابل نشان داد براي گذرگاههايي با تعداد قطارهاي روزانه بالاتر از 60، مسيرهاي عمدتاً مستقيم، و سطح AADT بالاتر از 4000 وسيله نقليه، دروازهها معمولا بهعنوان مؤثرترين اقدام متقابل انتخاب مي¬شوند، همچنين در گذرگاههايي با سطح AADT پايينتر از 2000 وسيله نقليه كه نشاندهنده جادههاي كمترافيك هستند، چراغهاي چشمكزن به طور معمول جزء موثرترين اقدامات متقابل هستند. نتايج اين پژوهش نشان ميدهد كه استفاده از مدلهاي دادهمحور، به ويژه مدل NB-LSTM تحت چارچوب بيز تجربي، ميتواند به بهبود قابل توجهي در تخمين ضريب تعديل تصادف و انتخاب مؤثرترين اقدامات ايمني در گذرگاههاي همسطح منجر شود.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/07/26
عنوان به انگليسي
Ranking and selection of safety countermeasures at highway rail grade crossings using machine learning methods
تاريخ بهره برداري
9/16/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمدعلي زاينده رودي
چكيده به لاتين
Collisions at highway-rail grade crossings (HRGC) between roads and railways are considered one of the major challenges in rail transportation worldwide. For this reason, railway companies, taking into account the infrastructural characteristics of each HRGC, implement effective safety countermeasures to reduce collisions at these HRGCs. This dissertation aims to use advanced methods to evaluate and select the most effective safety countermeasures for reducing collisions at these HRGCs.
In this research, data from the U.S. Federal Railroad Administration (FRA) covering the years 2010 to 2022 were used. First, influential factors affecting collisions were identified using the LightGBM machine learning algorithm. Next, HRGCs were clustered using the Deep Latent Class Analysis (DLCA) method, which groups HRGCs into homogeneous clusters. In this stage, the HRGCs were divided into four clusters.
To calculate the Crash Modification Factor (CMF), a simple before-and-after approach was initially used. Then, a more advanced approach based on the Empirical Bayes (EB) framework was applied. In this approach, a Negative Binomial (NB) regression model was used to estimate collision frequency, and the residual estimates were modeled with a Long Short-Term Memory (LSTM) neural network. The NB-LSTM model was also compared with the NB and NB-XGBoost methods within the EB framework. Due to its ability to model time-series data and long-term dependencies, the NB-LSTM model performed better.
To compare the proposed method (NB-LSTM model within the Empirical Bayes framework) for calculating CMF, the Full Bayes (FB) framework was also used, which showed higher standard error values than the proposed model. Therefore, the final CMF estimates in this research were based on the NB-LSTM model within the EB framework.
Finally, to select the best countermeasure for each HRGC, a multi-output Bayesian Neural Network (BNN) was used. This model first predicts the cluster for each HRGC and calculates the CMF for each countermeasure considered for that crossing. Then, the most effective safety countermeasure is recommended by selecting the one with the lowest estimated CMF.
The results of countermeasure selection showed that for HRGCs with a high number of daily trains, mostly straight tracks, and an AADT (Annual Average Daily Traffic) above 4,000 vehicles, gates are usually chosen as the most effective countermeasure. In contrast, for HRGCs with an AADT below 2,000 vehicles, indicating low-traffic roads, flashing lights are generally among the most effective countermeasures.
كليدواژه هاي فارسي
تقاطعهاي همسطح جاده و ريل، انتخاب اقدامات متقابل، ضريب اصلاح تصادف، يادگيري ماشين
كليدواژه هاي لاتين
highway rail grade crossings, countermeasure selection, crash modification factor, machine learning , highway rail grade crossing
Author
mohammadali zayandehroodi
SuperVisor
barat mojaradi morteza bagheri