چشم‌انداز مدیریت صنعتی

چشم‌انداز مدیریت صنعتی

مدل بهینه‌سازی تاب‌آور برای تأمین قطعات یدکی در شبکه‌های متروی شهری استان تهران با رویکرد استوار سناریومحور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مدیریت تکنولوژی، دانشکده مدیریت و اقتصاد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران
2 استاد، گروه مدیریت صنعتی، واحد تهران غرب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران مدیریت صنعتی
3 استادیار،گروه مدیریت صنعتی، واحد فیروزکوه، دانشگاه آزاد اسلامی، فیروزکوه، ایران
4 گروه مدیریت صنعتی، دانشکده مدیریت و اقتصاد ،دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات،تهران
10.48308/jimp.2026.242964.1686
چکیده
شبکه‌های متروی شهری به‌عنوان یکی از حیاتی‌ترین زیرساخت‌های حمل‌ونقل عمومی، نقشی کلیدی در جابه‌جایی روزانه شهروندان و پایداری عملکردی شهرها ایفا می‌کنند. پیچیدگی ساختاری این شبکه‌ها، تراکم بالای مسافر و وابستگی شدید عملیاتی میان ایستگاه‌ها سبب می‌شود که حتی وقوع یک خرابی محدود در تجهیزات یا سامانه‌های حیاتی یک ایستگاه، به‌سرعت به اختلال در بخشی از خط یا کاهش کارایی کل شبکه منجر شود. چنین اختلال‌هایی نه‌تنها پیامدهای اقتصادی قابل‌توجهی دارند، بلکه آثار اجتماعی گسترده‌ای همچون نارضایتی عمومی، کاهش اعتماد به حمل‌ونقل عمومی و افزایش فشار بر سایر مدهای حمل‌ونقل را نیز به دنبال خواهند داشت. در این شرایط، طراحی یک شبکه نگهداری تاب‌آور و تضمین تأمین به‌موقع قطعات یدکی برای بازیابی سریع ایستگاه‌ها و تداوم سرویس‌دهی، به یک ضرورت راهبردی برای بهره‌برداران مترو تبدیل می‌شود. با وجود اهمیت این موضوع، بخش عمده پژوهش‌های پیشین یا بر تحلیل‌های توپولوژیک تاب‌آوری شبکه‌های مترو متمرکز بوده‌اند، یا مسئله تأمین قطعات یدکی را به‌صورت مجزا و مستقل از ساختار واقعی شبکه بررسی کرده‌اند. این شکاف پژوهشی نشان‌دهنده نیاز به یک چارچوب یکپارچه است که تصمیمات مکانی، جریان‌های تأمین و تعاملات عملیاتی میان ایستگاه‌ها را به‌طور هم‌زمان در نظر بگیرد.



در پاسخ به این نیاز، پژوهش حاضر یک مدل جامع بهینه‌سازی عدد صحیح مختلط برای طراحی شبکه تأمین قطعات یدکی مترو ارائه می‌دهد که برای نخستین‌بار، ساختار فیزیکی شبکه، نیازهای نگهداری و تعمیرات، جریان قطعات و واکنش عملیاتی به خرابی ایستگاه‌ها را در قالب یک چارچوب واحد ادغام می‌کند. مدل پیشنهادی شامل تصمیم‌گیری هم‌زمان درباره مکان‌یابی بهینه پایگاه‌های اصلی نگهداری، انتخاب ایستگاه‌های پشتیبان محلی، تعیین سطوح قابلیت‌اعتماد و طراحی سازوکار انتقال افقی قطعات میان ایستگاه‌هاست. به‌منظور مواجهه با عدم‌قطعیت‌های ناشی از شدت و مکان خرابی‌ها، نوسانات تقاضای قطعات و شرایط عملیاتی متغیر، از یک رویکرد بهینه‌سازی استوار سناریومحور استفاده شده است. در این چارچوب، کمبود قطعات به‌طور کامل غیرمجاز در نظر گرفته شده و هدف، حداقل‌سازی هزینه موردانتظار سیستم همراه با کنترل رفتار آن در سناریوهای بدبینانه است.



نتایج حاصل از مطالعات عددی مبتنی بر داده‌های واقعی شبکه مترو نشان می‌دهد که طراحی هم‌زمان پایگاه‌های اصلی و ایستگاه‌های پشتیبان، در کنار فعال‌سازی انتقال افقی قطعات، نقش معناداری در بهبود عملکرد و تاب‌آوری شبکه ایفا می‌کند. در شرایط عادی، جریان تأمین عمدتاً از طریق ساختار سلسله‌مراتبی شبکه انجام می‌شود، اما در شرایط بحرانی، مدل با فعال‌سازی خودکار انتقال افقی و بازتوزیع هوشمندانه موجودی میان ایستگاه‌ها، از بروز کمبود قطعات جلوگیری کرده و زمان بازیابی ایستگاه‌ها را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. همچنین نتایج مدل استوار نشان می‌دهد که به‌کارگیری چارچوب مالوی تعادلی مناسب میان هزینه متوسط و عملکرد شبکه در شدیدترین سناریوها ایجاد می‌کند، به‌گونه‌ای که پس از رسیدن به سطح مشخصی از محافظه‌کاری، بهبود بیشتر عملکرد سناریوها محدود شده و افزایش محافظه‌کاری اضافی اثر عملیاتی چشمگیری نخواهد داشت. در مجموع، چارچوب پیشنهادی ابزاری عملی و قابل‌پیاده‌سازی برای برنامه‌ریزی نگهداری و تأمین قطعات یدکی در شبکه‌های متروی شهری فراهم می‌کند و نشان می‌دهد که ادغام تصمیمات مکان‌یابی، جریان تأمین و انتقال افقی در یک مدل استوار می‌تواند به‌طور مؤثری تاب‌آوری عملیاتی شبکه را افزایش داده و زمان توقف ناشی از خرابی‌ها را کاهش دهد.

کلید واژه: تاب‌آوری شبکه مترو، اختلال انتقال افقی قطعات، بهینه‌سازی استوار، مدل سناریومحور
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A Scenario-Based Robust Optimization Model for Resilient Spare Parts Supply in Urban Metro Networks of Tehran Province

نویسندگان English

Arnoosh Shakeri 1
nazanin pilevari 2
seyed ahmad shayan nia 3
nima kazemi 4
1 Department of Management and Economics, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Industrial Management, West Tehran branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Department of Industrial Management, Fi.c., Islamic Azad University, Firoozkooh, Iran
4 Department of Industrial Management, Faculty of Management and Economics, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

Urban metro networks constitute one of the most critical public transportation infrastructures, playing a central role in daily passenger mobility and overall urban functionality. Due to their complex physical structure, high passenger density, and strong operational interdependencies among stations, metro systems are highly vulnerable to sudden equipment failures and operational disruptions. Even a localized failure at a key station can rapidly propagate through the network, leading to partial line shutdowns, significant service degradation, and substantial economic and social consequences. Under such circumstances, the timely availability of spare parts and the design of a resilient maintenance network become strategically essential to ensure rapid system recovery and service continuity. However, existing studies have predominantly focused either on the topological resilience analysis of metro networks or on spare-parts supply chains considered independently from the actual physical and operational structure of metro systems. This separation creates a critical gap in addressing real-world operational challenges. The primary objective of this research is therefore to develop a comprehensive framework for designing a resilient metro maintenance network that simultaneously and coherently integrates location decisions, capacity allocation, spare-parts flows, and operational interactions among stations.



To achieve this objective, this study proposes a comprehensive mixed-integer programming model for metro spare-parts supply network design. For the first time, the proposed model integrates the physical structure of the metro network, maintenance and repair requirements, spare-parts logistics flows, and operational responses to station failures within a unified optimization framework. The model jointly determines the optimal locations of central maintenance depots, the selection of local backup stations, the appropriate reliability levels, and the design of horizontal transshipment mechanisms that allow spare parts to be transferred directly between stations. To effectively address uncertainties associated with failure severity, demand patterns, and operational conditions, a scenario-based robust optimization approach is employed. In this framework, spare-parts shortages are strictly prohibited, reflecting the critical nature of metro operations, while the objective is to minimize the expected total system cost and simultaneously control cost deviations under worst-case scenarios.



Numerical experiments conducted using real data from an urban metro network demonstrate that the simultaneous design of central depots and backup stations, combined with the activation of horizontal transshipment, has a significant positive impact on network performance. The results indicate that under normal operating conditions, spare-parts supply flows are primarily handled through the hierarchical structure of the network. However, under disruption scenarios, the model automatically activates horizontal transshipment and intelligently redistributes inventory among stations, effectively preventing shortages. This adaptive mechanism leads to a substantial reduction in station recovery times, lower operational costs in severe disruption scenarios, and a notable improvement in the overall operational resilience of the metro network. Furthermore, the robust optimization results reveal that the adopted Mulvey-type framework achieves a balanced trade-off between average system cost and worst-case performance. Beyond a certain level of conservatism, the performance across scenarios converges, indicating that further increases in robustness yield diminishing operational benefits.



Overall, the proposed framework provides a practical and implementable decision-support tool for maintenance planning and spare-parts supply management in urban metro systems. The findings demonstrate that integrating location decisions, supply flows, and horizontal transshipment within a robust optimization framework can play a crucial role in enhancing operational resilience and significantly reducing service downtime in urban metro networks.



Keywords: Metro network resilience, horizontal spare-parts transshipment, robust optimization, scenario-based modeling

کلیدواژه‌ها English

Metro network resilience'
' horizontal spare parts '
'transshipment; robust optimization'
'scenario-based modeling

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 03 مهر 1405