![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
استراتژی بهرهبرداری بهینه در سیستم حمل و نقل بار شهری مشارکتی با مفهوم تخصیص ظرفیت
در سراسر جهان، تقاضای حمل و نقل بار شهری به سرعت گسترش یافته است. خدمات حمل و نقل بار مشارکتی، که سیستم حمل و نقل عمومی موجود را در خدمات حمل و نقل بار ادغام میکند، یک راه حل امیدوارکننده برای حل چنین مشکل حمل و نقل بار شهری پس از همهگیری خواهد بود. در حالی که اکثر تحقیقات قبلی در مورد این موضوع، عملکرد خدمات حمل و نقل عمومی و خدمات تحویل بار را به طور جداگانه در نظر گرفتهاند، این مقاله بر چگونگی تعیین استراتژیهای عملیاتی هماهنگ خدمات حمل و نقل عمومی و حمل و نقل بار مشارکتی در یک رژیم مشارکتی تمرکز خواهد کرد. به طور خاص، تعریف رویداد تخصیص ظرفیت برای تشویق جابجاییهای بار یکپارچهتر در مراکز انتقال در محدوده زمانی محدود داده شده، با در نظر گرفتن تأخیر سفر برای مسافران حمل و نقل عمومی و تمام هزینههای عملیاتی متحمل شده برای ارائه خدمات حمل و نقل بار مشارکتی، پیشنهاد شده است. برای این منظور، ما یک مدل ریاضی چند هدفه برای توصیف طراحی عملیات خدمات حمل و نقل بار مشارکتی پیشنهاد میکنیم، که هدف آن به حداکثر رساندن جابجایی بار هماهنگ در مرکز انتقال و به حداقل رساندن تأخیر سفر مسافر و هزینههای عملیاتی است. یک روش حل تکامل تفاضلی چند هدفه برنشتاین (MOBDE) که نیازی به پارامترهای کنترل از پیش تعیین شده ندارد، برای یافتن کارآمد راهحل بهینه به کار گرفته شده است. در نهایت، یک مثال توضیحی برای نشان دادن اعتبار فرمولبندی مدل و کارایی روش حل برای طراحی عملیات خدمات حمل و نقل بار مشارکتی ارائه شده است.
مقدمه
حمل و نقل بار شهری برای اقتصاد شهری و قابلیت زندگی در هر شهر بزرگی در جهان اساسی است. علاوه بر این، اگر از طرفداران خرید حضوری در فروشگاهها بودید، این بیماری همهگیر به دلیل ترجیح ساکنان به ماندن در خانه و کاهش تماس با جمعیت، عادات خرید را از بسیاری جهات آشکار و برخی نه چندان آشکار تغییر داد. امروزه، این موارد اهمیت محوری آن را برجسته کرده است زیرا بیشتر کالاها باید توسط سیستم حمل و نقل بار شهری تحویل داده شوند. پیشبینی میشود که این وضعیت در آینده به عنوان یک “وضعیت عادی جدید” پس از همهگیری باقی بماند. تقاضای رو به رشد، چالشهای جدیدی را برای خدمات حمل و نقل بار شهری ایجاد میکند. اگرچه ساخت زیرساختهای بیشتر و گسترش خدمات به طور قابل توجهی واقعبینانه نیست، اما کلید حل این چالش، در واقع به کارگیری کامل عملکرد و ظرفیت زیرساختها و امکانات موجود برای برآورده کردن نیاز تحویل حمل و نقل کالا است. یک راه حل بالقوه، توسل به خدمات حمل و نقل عمومی موجود، یکی دیگر از بخشهای اساسی سیستم حمل و نقل شهری است. در واقع، در بسیاری از شهرهای بزرگ، سیستمهای حمل و نقل عمومی که خدمات با فرکانس بالا را در یک شبکه متراکم و متصل ارائه میدهند، ایجاد شدهاند. با این حال، در دوره زمانی خاص، مانند ساعات غیر اوج یا صرفاً یک بیماری همهگیر، تقاضای مسافر بسیار کمتر از ظرفیت کامل آن است. برای این منظور، حمل و نقل مشارکتی، با ایجاد این ایده که چندین اپراتور خدمات حمل و نقل که زنجیره حمل و نقل یکسانی دارند، میتوانند اشتراک زیرساختها و خدمات را در نظر بگیرند، یک راه حل امیدوارکننده برای مشکل حمل و نقل بار شهری در آینده خواهد بود.
به طور سنتی، یک سیستم حمل و نقل بار شهری توسط شرکتهای مختلف سازماندهی و اداره میشود. برای هر شرکت، توزیع بار شهری معمولاً دو مرحله را شامل میشود، حرکت کالا از مراکز انبار در حاشیه شهر به مناطق درون شهری با کامیونها شروع میشود و سپس حمل و نقل آخرین مایل با کامیونهای باری با حجم کمتر به پایان میرسد (Heeswijk et al., 2019; Crainic et al., 2020; Muriel et al., 2022; and Mohri et al., 2024). به عنوان مثال، Muriel et al. (2022) تأثیر استراتژیهای مختلف تحویل آخرین مایل را بر عملکرد وسایل نقلیه تحویل و شبکههای ترافیکی بررسی کرد و بینشهای ارزشمندی در مورد چگونگی تأثیر عواملی مانند پنجرههای تحویل، فراوانی و انواع وسایل نقلیه بر ازدحام ترافیک و کارایی تحویل ارائه داد. به طور مشابه، Mohri et al. (2024) یک مدل تحویل آخرین مایل پایدار از نظر زیستمحیطی را پیشنهاد کرد که استراتژیهای مسیریابی و تحویل پیشرفته را برای به حداقل رساندن انتشار کربن ادغام میکند و در نتیجه لجستیک شهری پایدار را پیش میبرد. برای ارتقای همکاری کارآمدتر بین اپراتورهای خدمات حمل و نقل بار، برخی از محققان ایدههای تحقیقاتی در مورد چگونگی تقسیم درآمد و پرداخت هزینههای عملیاتی در سیستم همکاری ارائه دادهاند (Bhattacharya و همکاران، 2014، Xu و Dessouky، 2022؛ و Wang و همکاران، 2023). به عنوان مثال، Bhattacharya و همکاران (2014) توسعه یک سیستم حمل و نقل بار چندوجهی را که برای بهینهسازی لجستیک زنجیره تأمین طراحی شده است، بررسی کردند. با این حال، این طرح همکاری بین خدمات حمل و نقل بار برای مواردی که تقاضای به سرعت در حال افزایش است، به خوبی کار نمیکند، زیرا بسیاری از مشکلات مانند انتشار گازهای گلخانهای، ازدحام ترافیک و ایمنی، زمانی ایجاد میشوند که تعداد زیادی وسیله نقلیه سنگین اضافی برای رسیدگی به تقاضای فزاینده معرفی شوند (Yaagoubi و همکاران، 2022). در این مورد، مطلوبتر است که از زیرساختها و خدمات موجود برای حل مشکل حمل و نقل بار شهری آینده استفاده شود. با پیروی از این رویکرد، برخی از محققان پیشنهاد کردهاند که ادغام مشارکتی خدمات حمل و نقل عمومی و حمل و نقل بار، یک راه حل امیدوارکننده برای دستیابی به یک سیستم حمل و نقل شهری پایدار خواهد بود (گالکینا و همکاران، ۲۰۱۹).
این سیستم حمل و نقل مشارکتی به یک استراتژی عملیاتی جدید اشاره دارد که در آن خدمات حمل و نقل عمومی (به عنوان مثال، خدمات قطار عمومی و خدمات اتوبوس) به گونهای برنامهریزی شدهاند که بار را به طور جداگانه یا هم مسافر و هم بار را به طور همزمان جابجا کنند. به عنوان مثال، اپراتورهای خدمات راهآهن شهری میتوانند قطارهای باری را بین قطارهای مسافربری اداره کنند یا فضاهای خاصی را در قطارهای مسافربری جدا کنند؛ اپراتورهای اتوبوس میتوانند یک تریلر باری مخصوص حمل کالا طراحی کنند. پس از انتقال همه کالاها به یک مرکز انتقال، از کامیونهای باری برنامهریزی شده شهری برای تکمیل تحویل آخرین مایل استفاده میشود. در واقع، تحقیقات بیشتری برای پشتیبانی از حمل و نقل بار مشارکتی با خدمات حمل و نقل عمومی انجام شده است. موتراگی و مارینوف (۲۰۱۲) این مدل را برای تکمیل حمل و نقل بار توسط شبکههای قطار سبک شهری شبیهسازی کردند. گیلاس و همکاران (۲۰۱۶) مدل بهینهسازی را برای حمل کالا با خدمات SL (خط برنامهریزیشده) موجود توسعه دادند. گانسترر و هارتل (۲۰۱۶) استراتژیای را برای ارزشگذاری مجموعه الزامات سفارش از اپراتورهای مختلف با به حداکثر رساندن سود کل ارائه دادند. وانگ و همکاران (۲۰۱۶) یک مدل بهینهسازی تصادفی برای یک مسئله تخصیص بار یکپارچه توسعه دادند و تأثیر مقیاسبندی تنظیم ظرفیت کشتی را بیشتر بررسی کردند. متعاقباً، ماسون و همکاران (۲۰۱۷) نشان دادند که هزینههای عملیاتی وسایل نقلیه با استفاده از یک شبکه حمل و نقل بار و حمل و نقل عمومی یکپارچه در شهر لا روشل فرانسه به طور قابل توجهی کاهش مییابد. فرناندز و همکاران (۲۰۱۸) یک مسئله مسیریابی وسیله نقلیه با همکاری مشترک را فرموله کردند، که در آن چندین اپراتور بیش از یک بسته را به یک مشتری حمل میکردند. اورساواس و ژو (۲۰۱۸) پیشنهاد کردند که قطارهای ریلی برای حمل و نقل مسافر و بار استفاده شوند. کلئوفاس و همکاران (2019) ثابت کرد که حمل و نقل مشارکتی هزینههای عملیاتی حمل و نقل بار را کاهش میدهد. لین و ژانگ (2024) یک سیستم مبتنی بر وسیله نقلیه مدولار را برای حمل و نقل هم وجهی مسافر و بار معرفی کردند. این نوآوری در وسایل نقلیه سازگار نهفته بود که نیازهای حمل و نقل شهری را در زمان واقعی برآورده میکردند و کارایی و مقیاسپذیری را در محیطهای شهری افزایش میدادند. در برخی از کشورهای اروپایی، به طور گسترده پذیرفته شده است که خدمات حمل و نقل عمومی شهری بهترین گزینه برای شبکههای حمل و نقل بار مشارکتی است (Fatnassi و همکاران، 2015، Yaagoubi و همکاران، 2022، Li و همکاران، 2022). Li و همکاران (2021) همچنین یک رویکرد عملیاتی را پیشنهاد کردند که حمل و نقل ریلی شهری را برای حمل و نقل بار، یا با معرفی قطارهای باری اختصاصی یا با استفاده از قطارهای مسافربری موجود، در بر میگیرد. آنها بر اهمیت حیاتی هماهنگی عملیات قطار و کامیون در بهینهسازی عملکرد محوطه تأکید کردند که به طور قابل توجهی بر ظرفیت حمل و نقل و سطح تراکم تأثیر میگذارد. از رویکردهای نظریه بازی، Tamannaei و همکاران (2021) نتیجه گرفتند که حمایت دولت برای افزایش خدمات سیستم مشارکتی ممکن است دولت را از پرداخت یارانه معاف کند. Ma و همکاران (2022) نیز مزایای سیستم حمل و نقل مشارکتی را تأیید کردند و آنها تعاملات استراتژیک بین شرکت مترو و اپراتورهای لجستیک را از نقطه نظر رژیمهای مختلف قدرت بازار مورد مطالعه قرار دادند. با الهام از شیوههای حمل و نقل بار شهری، فن و همکاران (2020) با هدف تعیین نقاط بارگیری بهینه برای حمل و نقل کامیونی به منظور به حداقل رساندن هزینه کل سطلهای زباله مورد استفاده، اقدام به تعیین نقاط بارگیری بهینه برای حمل و نقل کامیونی کردند. لابارت و همکاران (2024) رویکردی برای حمل و نقل بار شهری معرفی کردند که خدمات درخواستی را با حمل و نقل عمومی همافزایی میکند تا پایداری و کارایی خدمات را افزایش دهد. آنها بر اساس یک شبکه واقعی در فرانسه، نشان دادند که چگونه همسفری شهری میتواند با ادغام جابجایی بار و مسافر، اثرات زیستمحیطی را به طور مؤثر کاهش داده و مزایای اقتصادی، زیستمحیطی و اجتماعی را تقویت کند. اخیراً، اقدامات بعدی، بحثها و تحقیقات بیشتری را در مورد ادغام مشارکتی حمل و نقل بار و حمل و نقل عمومی برانگیخته است. اساساً، در شرایط عادی پس از همهگیری، تقاضای سفر در خدمات حمل و نقل عمومی کاهش مییابد، زیرا بسیاری از کارمندان، تنظیم انعطافپذیری در مکانهای کار و ساعات کاری خواهند داشت. اکثر اپراتورهای خدمات از نظر مالی در مضیقه هستند (ژو و همکاران، 2023). در این حالت، شلوغی مرسوم در اتوبوسها یا قطارها اغلب مشاهده نمیشود و خدمات حمل و نقل عمومی ظرفیت بیش از حدی برای همکاری در سیستم حمل و نقل بار برای برآوردن تقاضای رو به رشد سریع تحویل بار خواهند داشت. در همین حال، سیستمهای حمل و نقل عمومی میتوانند ظرفیت خود را با حمل و نقل بار به اشتراک بگذارند تا از دست دادن درآمد حمل و نقل مسافر را جبران کنند. علاوه بر این، هزینههای جدید اضافی مرتبط با تمیز کردن مکرر وسایل نقلیه و تأسیسات، اپراتورها را وادار میکند تا برای حفظ پایداری مالی شبکه حمل و نقل عمومی موجود در شرایط عادی پس از همهگیری، از سایر وظایف حمل و نقل موجود کمک بگیرند. در مجموع، این سرویس مشارکتی جدید، یعنی جابجایی بار در سیستم حمل و نقل عمومی، یک راه حل بهینه برای الگوی جدید تقاضای حمل و نقل شهری خواهد بود که با عادت جدید سفر تغییر شکل داده است.
علیرغم اینکه مفهوم حمل و نقل بار مشارکتی به وضوح مطرح شده است، هنوز مشخص نیست که چگونه میتوان استراتژیهای عملیاتی بهینه را در کاربردهای عملی با در نظر گرفتن صریح هماهنگی بین عملیات خدمات حمل و نقل عمومی و عملیات تحویل بار با این فرض که سرویس حمل و نقل بار مشارکتی توسط یک اپراتور واحد اداره میشود، تعیین کرد. اکثر کارهای قبلی در مورد سرویس حمل و نقل بار مشارکتی، موضوع را از دریچه اپراتورهای تحویل بار بررسی کردهاند، در حالی که فرض میکنند عملیات سرویس حمل و نقل عمومی ثابت و داده شده است. با این حال، در این مطالعه، فرض میکنیم که سرویس حمل و نقل بار مشارکتی توسط یک اپراتور اداره میشود (به عنوان مثال، یک اپراتور سرویس حمل و نقل عمومی اصلی که به دنبال ارائه همزمان سرویس حمل و نقل بار است)، که در این صورت، استراتژیهای عملیاتی سرویس حمل و نقل عمومی و سرویس تحویل بار باید در یک رژیم مشارکتی تعیین شوند. به طور خاص، از دیدگاه اپراتور سرویس حمل و نقل بار مشارکتی، باید به عملیات همزمان سرویسهای حمل و نقل عمومی شرکتکننده و سرویسهای تحویل بار توجه کافی شود. کلید اصلی در واقع در همگامسازی و هماهنگی بین شیوههای حمل و نقل مشارکتی نهفته است، به طوری که میتوان به اهداف متعددی دست یافت، مانند به حداکثر رساندن پتانسیل انتقال همزمان بار بین وسایل نقلیه حمل و نقل عمومی و حمل و نقل باری، به حداقل رساندن کل تأخیر برای کاربران حمل و نقل عمومی و هزینههای عملیاتی برای عملیات حمل و نقل باری.
به طور خاصتر، سیستم مشارکتی از وسایل نقلیه حمل و نقل عمومی برای مرحله اولیه حمل و نقل بار استفاده میکند، در حالی که تحویل نهایی توسط وسایل نقلیه باری اختصاصی انجام میشود. اگر ورود وسایل نقلیه خدمات حمل و نقل عمومی و عزیمت وسایل نقلیه باری به خوبی هماهنگ نباشد، ممکن است انتقال موفقیتآمیز بین آنها کاهش یابد و منجر به هزینههای ذخیرهسازی اضافی در نقاط انتقال به دلیل ظرفیت ذخیرهسازی محدود یا تأخیر در زمانهای تحویل مورد نیاز شود. بنابراین، لازم است اپراتور این دو حالت حمل و نقل را در سیستم مشارکتی هماهنگ کند. علاوه بر این، اساساً لازم است که ادغام حمل و نقل بار هزینههای اضافی مانند اشغال، تأخیر یا هزینههای ذخیرهسازی و غیره را بر خدمات مسافر تحمیل نکند. از آنجایی که حمل و نقل مسافر و حمل و نقل کالا به طور همزمان انجام میشود، باید در عمل، تعادل بین حفظ کیفیت بالای خدمات مسافر و به حداقل رساندن هزینههای حمل و نقل بار برقرار شود.
هدف این مقاله توسعه یک مدل بهینهسازی چندهدفه است که به طور مؤثر وسایل نقلیه حمل و نقل عمومی و باری را همگامسازی میکند، تأخیرهای انتقال و هزینههای ذخیرهسازی را به حداقل میرساند و در عین حال تضمین میکند که خدمات مسافربری تحت تأثیر عملیات حمل و نقل باری قرار نمیگیرد. دستاوردهای کلیدی این مطالعه عبارتند از: (1) معرفی یک مفهوم جدید برای رویدادهای تخصیص ظرفیت با هدف افزایش جابجایی یکپارچه بار در مراکز انتقال در محدودیتهای زمانی خاص، ضمن حفظ کیفیت خدمات حمل و نقل مسافر. (2) با بهرهگیری از مفهوم رویداد تخصیص ظرفیت، روشی را برای تعیین اینکه آیا میتوان بستهها را در یک واحد بار واحد در همان وسیله نقلیه باری تجمیع کرد، توسعه میدهیم و در نتیجه کارایی در عملیات حمل و نقل باری را بهبود میبخشیم. (3) با توجه به چندین هدف متضاد، یک مدل ریاضی برنامهریزی عدد صحیح مختلط چندهدفه برای به دست آوردن عملکرد بهینه سیستم حمل و نقل مشارکتی فرموله شده است. این مدل بر به حداکثر رساندن جابجایی هماهنگ بار بین وسایل نقلیه حمل و نقل عمومی و باری از دیدگاه اپراتور تمرکز دارد، در حالی که تأخیرهای مسافران را به حداقل میرساند و کل هزینههای عملیاتی مرتبط با خطوط سرویس برنامهریزی شده، ذخیرهسازی و عملیات وسایل نقلیه باری را کاهش میدهد. (4) یک الگوریتم مؤثر، بدون پارامتر و مبتنی بر جمعیت، یعنی تکامل تفاضلی چندهدفه برنشتاین (MOBDE)، برای مسئله بهینهسازی چندهدفه پیشنهاد شده است. MOBDE با ادغام چندجملهایهای برنشتاین در فرآیند تقاطع، تضمین میکند که راهحلهای نهایی یک جبهه پارتو (PF) هموار و با تقریب خوب تشکیل میدهند.
این مقاله به شرح زیر ساختار یافته است. بخش اول مروری بر پیشینه و انگیزه اصلی آن ارائه میدهد. بخش دوم، بیان مسئله را ارائه میدهد و مفهوم جدید رویدادهای تخصیص ظرفیت را معرفی میکند. بخش سوم، فرمولبندی مدل را ارائه میدهد و اجزای کلیدی و فرضیات سیستم حمل و نقل مشارکتی را تشریح میکند. به طور خاص، چالشهای زیر در مدل بهینهسازی مورد بررسی قرار میگیرند: (1) همترازی مکانی و زمانی در مراکز انتقال در شبکه حمل و نقل مشارکتی، (2) یک اصل حیاتی برای جلوگیری از هزینههای اضافی مشترک در خدمات حمل و نقل مسافر به دلیل فعالیتهای باری، و (3) توزیع بهینه ظرفیت بار بین بارهای باقیمانده در حمل و نقل عمومی و بارهای وسایل نقلیه برای کنترل هزینههای ذخیرهسازی محلی. بخش چهارم الگوریتم MOBDE پیشنهادی را برای حل کارآمد مسئله بهینهسازی شرح میدهد. در بخش پنجم، آزمایشهای عددی برای اعتبارسنجی مدل و ارزیابی اثربخشی رویکرد راهحل انجام میشود. در نهایت، مقاله بینشهای کلیدی را خلاصه کرده و توصیههایی برای تحقیقات آینده ارائه میدهد.(منبع).