![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
تحلیل افزونگی شبکه حمل و نقل بار: کاربردی برای شبکه دووجهی یوتا برای حمل زغال سنگ
شبکه حمل و نقل بار، ستون فقرات اساسی برای پشتیبانی از فعالیتهای صنعتی و توسعه اقتصادی کشور و تجارت جهانی است. در این مقاله، ما معیارهای مبتنی بر شبکه را که اخیراً توسط Xu و همکاران (2018) برای ارزیابی افزونگی شبکه حمل و نقل بار – یک مؤلفه مهم در مقاومتر و مقاومتر کردن شبکههای حمل و نقل بار در برابر اختلالات – توسعه داده شده است، گسترش میدهیم. افزونگی شبکههای حمل و نقل بار با دو معیار مبتنی بر شبکه مشخص میشود. معیار تنوع مسیر، وجود چندین مسیر کارآمد موجود برای کاربران بار یا میزان ارتباط بین یک جفت مبدا-مقصد (O-D) خاص را ارزیابی میکند، در حالی که معیار ظرفیت اضافی شبکه، ظرفیت اضافی در کل شبکه را با در نظر گرفتن صریح اثر تراکم و تقسیم وجهی، کمّی میکند. این دو معیار میتوانند با ارائه یک توصیف دو بعدی از افزونگی شبکه حمل و نقل بار که میتواند برای ارائه اطلاعات به کاربران بار و همچنین کمک به برنامهریزان شبکه در تصمیمگیریهای سرمایهگذاری زیرساختی آینده برای افزایش افزونگی شبکههای حمل و نقل بار استفاده شود، یکدیگر را تکمیل کنند. یک مطالعه موردی از شبکه حمل و نقل بار یوتا برای حمل زغال سنگ ارائه شده است تا ویژگیهای دو معیار افزونگی مبتنی بر شبکه و همچنین قابلیت کاربرد ارزیابی افزونگی شبکههای حمل و نقل بار را نشان دهد. تجزیه و تحلیلها نشان میدهد که این دو معیار نتایج مفیدی را از دو دیدگاه ارائه میدهند که ممکن است برای شرکتهای حمل و نقل بار و برنامهریزان سیستم حمل و نقل مفید باشد.
مقدمه
شبکههای حمل و نقل بار، ستون فقرات اساسی برای پشتیبانی از فعالیتهای صنعتی و توسعه اقتصادی کشور و تجارت جهانی هستند. اختلال در این شبکهها به دلیل بلایای طبیعی و/یا اقدامات مخرب انسانی میتواند به طور جدی به بهرهوری اقتصادی منطقه آسیب برساند. پیامدهای نامطلوب حوادث اخیر در سراسر جهان (به عنوان مثال، اعتراضات جنبش چتر هنگ کنگ در سال ۲۰۱۴، اعتراضات کاتالونیا در بارسلونا در سال ۲۰۱۷، زلزلههای مختلف در چین، ژاپن، نپال و افغانستان/پاکستان که در ده سال گذشته رخ داده است، طوفانهای هاروی و ایرما در ایالات متحده در سال ۲۰۱۷، طوفان هاتو در سطح ۱۰ در سال ۲۰۱۸ در هنگ کنگ/ماکائو و تأثیر اخیر ویروس کرونا در سال ۲۰۱۹ بر حمل و نقل جهانی) اهمیت این شبکهها را برای عملکرد جامعه مدرن نشان داده است، اما این شبکهها مستعد شکست هستند. برای سازمانهای دولتی مهم است که سیستم را برای مقاومت در برابر خسارات پیشبینیشده و پیشبینینشده، قویتر و مقاومتر کنند. برای مثال، وزارت حمل و نقل ایالات متحده (USDOT)، مفهوم تابآوری را در استراتژی ملی بازیابی حمل و نقل (USDOT، ۲۰۰۹) برای موارد زیر در نظر گرفته است: (۱) افزایش فرآیند بازیابی شبکههای حمل و نقل در شرایط اختلال، و (۲) افزایش سطح تابآوری زیرساختهای مختلف در جامعه. کنفرانس تجارت و توسعه سازمان ملل متحد (UNCTAD، ۲۰۱۷) نیز به طور فزایندهای بر توسعه حمل و نقل بار پایدار و تابآور از جمله بنادر تابآور، کریدورهای حمل و نقل، حمل و نقل چندوجهی و رویکردهای زنجیره تأمین از طریق تجارت بینالمللی تمرکز کرده است. همانطور که مشاهده میشود، تابآوری یک جزء ضروری از توسعه پایدار حمل و نقل بار در آینده است. این تحقیق بر مفهوم افزونگی، یک رویکرد مفید برای بهبود تابآوری در شبکه حمل و نقل، تمرکز دارد. ما دو معیار مبتنی بر شبکه را که اخیراً توسط Xu و همکاران (۲۰۱۸) برای ارزیابی افزونگی شبکه حمل و نقل بار توسعه داده شده است، گسترش میدهیم و کاربردی برای یک شبکه حمل و نقل دووجهی برای حمل زغال سنگ در یوتا ارائه میدهیم.
این بخش به بررسی ادبیات مربوط به تابآوری با تأکید بر اقدامات افزونگی اعمالشده بر شبکه حملونقل بار میپردازد. ما مرور ادبیات را به سه بخش تقسیم میکنیم تا توسعه اخیر تابآوری، مفهوم افزونگی از دیدگاه کلی و تأکید ویژه بر شبکههای حملونقل و چگونگی گنجاندن مفهوم افزونگی در برنامهریزی حملونقل بار را شرح دهیم.
ماتسون و جنلیوس (2015) تحقیقات مربوط به آسیبپذیری و تابآوری حملونقل در دهه گذشته را بررسی کردند. از نظر آنها، تابآوری به عنوان یک اقدام متقابل در برابر آسیبپذیری در نظر گرفته میشود که شامل ظرفیت سیستم برای حفظ عملکرد خود و سرعت سیستم برای بازگشت به حالت عملکرد عادی خود پس از یک اختلال یا فاجعه بزرگ است. با این حال، باید توجه داشت که هیچ تعریف جهانی از تابآوری وجود ندارد. معیارها و چارچوبهای تحلیلی مختلفی برای بررسی تابآوری شبکه حمل و نقل ارائه شده است (به عنوان مثال، Caplice و همکاران، 2008، Goodchild و همکاران، 2009، Ortiz و همکاران، 2009، Ta و همکاران، 2009، Cox و همکاران، 2011، Adams و همکاران، 2012، Chen و Miller-Hooks، 2012، Faturechi و Miller-Hooks، 2014، Faturechi و Miller-Hooks، 2015، D’Lima و Medda، 2015، Reggiani و همکاران، 2015، Loo و Leung، 2017، و Alderson و همکاران (2018)). مهندسان و دانشمندان علوم اجتماعی در مرکز چند رشتهای تحقیقات مهندسی زلزله (MCEER) چارچوبی برای تعریف تابآوری بر اساس مفهوم چهار «R» پیشنهاد کردهاند (Bruneau و همکاران، ۲۰۰۳):
• قدرت به «قدرت یا توانایی عناصر، سیستمها و سایر واحدهای تحلیل برای مقاومت در برابر سطح معینی از فشار یا تقاضا بدون تحمل تخریب یا از دست دادن عملکرد» اشاره دارد؛
• افزونگی به «میزان وجود عناصر، سیستمها یا سایر واحدهای تحلیل که قابل جایگزینی هستند، یعنی قادر به برآورده کردن الزامات عملکردی در صورت اختلال، تخریب یا از دست دادن عملکرد» اشاره دارد؛
• کاردانی به «ظرفیت شناسایی مشکلات، تعیین اولویتها و بسیج منابع در مواقعی که شرایطی وجود دارد که تهدید به اختلال در برخی عناصر، سیستمها یا سایر واحدهای تحلیل میکند» اشاره دارد؛ و
• سرعت به «ظرفیت برآورده کردن اولویتها و دستیابی به اهداف به موقع به منظور مهار ضررها و جلوگیری از اختلال در آینده» اشاره دارد.
علیرغم حجم فزایندهای از تحقیقات در مورد تابآوری شبکه حمل و نقل، تعداد بسیار کمی از آنها معیارهای کمی برای ارزیابی مفهوم چهار «R» که در بالا توضیح داده شد، به ویژه در مورد چگونگی ارزیابی افزونگی شبکههای حمل و نقل، و حتی کمتر در مورد شبکههای حمل و نقل بار، توسعه دادهاند. بخشهای فرعی زیر، تلاشهای تحقیقاتی قبلی مربوط به افزونگی را که محور این مطالعه است، خلاصه میکنند.
افزونگی رویکردی مفید در افزایش تابآوری در سیستمهای مختلف است. تعریف کلی افزونگی به صورت زیر تعریف میشود: (۱) فراتر رفتن از آنچه لازم یا عادی است، یا (۲) عمل کردن به عنوان یک عامل مضاعف برای جلوگیری از خرابی کل سیستم در صورت خرابی یک جزء (فرهنگ لغت وبستر/مریام، ۲۰۱۳). بسیاری از رشتهها، به عنوان مثال، مهندسی قابلیت اطمینان (O’Connor, ۲۰۱۰)، شبکه توزیع آب (Kalungi and Tanyimboh, ۲۰۰۳)، شبکه اینترنت (Wheeler and O’Kelly, ۱۹۹۹)، تأسیسات جامعه (Bruneau et al., ۲۰۰۳) و سایر رشتهها، افزونگی را به عنوان وجود بیش از یک وسیله میدانند که لزوماً برای انجام یک عملکرد خاص یکسان نیستند و عناصر یا سیستمهای قابل تعویض هستند. در لجستیک و زنجیره تأمین، شفی و رایس (۲۰۰۵) اظهار داشتند که انعطافپذیری و افزونگی عوامل کلیدی برای دستیابی به تابآوری هستند. افزونگی به مفهوم ذخیره احتیاطی، ظرفیت استفاده نشده یا موجودی ذخیره برای استفاده در صورت اختلال مربوط میشود، در حالی که انعطافپذیری میتواند به یک شرکت (یا یک تأمینکننده) کمک کند تا نه تنها در برابر اختلالات قابل توجه مقاومت کند، بلکه به نوسانات تقاضا نیز پاسخ دهد و در نتیجه رقابتپذیری خود را افزایش دهد.
الموتهاری و یازیچی (2015) یک شاخص حساسیت لینک بر اساس اصل تعادل کاربر (UE) برای رتبهبندی اجزای حیاتی در یک شبکه حمل و نقل بدون انجام چندین تخصیص ترافیک ارائه دادند. جانسووان و چن (2015) خطای ادراک را با استفاده از اصل تعادل تصادفی کاربر (SUE) برای توسعه معیار کارایی شبکه در نظر گرفتند و این معیار را برای رتبهبندی پلها در یک شبکه حمل و نقل تخریبپذیر به کار بردند. اولیویرا و همکاران (2016) شاخصهای قابلیت اطمینان و آسیبپذیری را برای رتبهبندی لینکهای یک سیستم جادهای پیچیده ارائه کردند.
بردیکا (2002) یک چارچوب مفهومی با برخی مفاهیم اساسی برای آسیبپذیری، قابلیت اطمینان، تابآوری و افزونگی در حمل و نقل ارائه داد. به گفته بردیکا (2002)، افزونگی «وجود مسیرهای/وسایل حمل و نقل اختیاری متعدد بین مبدا و مقصد است که میتواند در صورت اختلال در بخشی از سیستم، عواقب کمتری داشته باشد». از دیدگاه او، افزونگی مربوط به تنوع سیستم است که میتواند برای مدیریت اختلال شبکه استفاده شود. تعداد کمی از محققان معیارهای کمی برای ارزیابی افزونگی شبکههای حمل و نقل و استفاده از افزونگی برای افزایش تابآوری آن معرفی کردهاند. به عنوان مثال، گادشالک، 2003، موری-توئیت، 2006 افزونگی را به عنوان تعداد اجزای عملکردی مشابه که میتوانند هدف یکسانی را برآورده کنند تعریف کردهاند و از این رو سیستم با خرابی یک جزء از کار نمیافتد. یک مفهوم مرتبط با افزونگی، تنوع است که به تعدادی از اجزای عملکردی متفاوت اشاره دارد که از سیستم در برابر تهدیدات مختلف (به عنوان مثال، حالتهای حمل و نقل جایگزین) محافظت میکنند. به طور مشابه، گودچایلد و همکاران (2009) افزونگی را به عنوان یکی از ویژگیهای مطلوب تابآوری حمل و نقل بار معرفی کردند. آنها افزونگی را به عنوان در دسترس بودن گزینههای مسیریابی جایگزین متعدد در شبکه حمل و نقل بار تعریف کردند. از سوی دیگر، جنلیوس (2010) معیارهای مبتنی بر جریان و مبتنی بر تأثیر را برای تعیین کمیت اهمیت افزونگی لینکها به عنوان جایگزینهای پشتیبان در هنگام اختلال در سایر لینکهای شبکه پیشنهاد کرد. معیار مبتنی بر جریان، جریان ترافیک خالصی را که به لینکهای پشتیبان هدایت میشود، در نظر میگیرد، در حالی که معیار مبتنی بر تأثیر، افزایش زمان سفر (هزینه) به دلیل اثر تغییر مسیر را در نظر میگیرد. توجه داشته باشید که این دو معیار فقط اهمیت افزونگی محلی یک شبکه حمل و نقل را ارزیابی میکنند (یعنی، این معیارهای محلی نمیتوانند تنوع جایگزینها را در نظر بگیرند زیرا معیارهای مبتنی بر شبکه نیستند).
اورتیز و همکاران (2009) چندین استراتژی اضافی برای افزایش تابآوری شبکه حمل و نقل بار پیشنهاد کردند، از جمله هدایت ترافیک بار به مسیرهای جایگزین از پیش شناسایی شده، تعمیر زیرساختها پس از یک فاجعه برای محدود کردن اثر اختلال، و اضافه کردن ظرفیت (به عنوان مثال، خطوط اضافی، ظرفیت اتصال بین وسیلهای یا پلها در گذرگاههای رودخانه) در اتصالات بین وسیلهای حیاتی. اورتیز و همکاران (2009) همچنین پیشنهاد کردند که سیستم میتواند با مدیریت دو ویژگی شبکه، تابآوری ایجاد کند: آسیبپذیری و ظرفیت انطباقی. آسیبپذیری، سهولتی است که یک اختلال ممکن است باعث شود یک سیستم از رفتار عادی خود منحرف شود. ظرفیت انطباقی، توانایی یک سیستم برای اختصاص منابع برای پاسخ به یک اختلال است و از این طریق میتواند بزرگی و میزان عواقب نامطلوب را کاهش دهد. مفهوم مشابه ظرفیت انطباقی، انعطافپذیری ظرفیت است (به عنوان مثال، مورلوک و چانگ (2004) برای حمل و نقل بار و چن و کاسیکیتویوات (2011) برای حمل و نقل مسافر)، که به عنوان توانایی یک سیستم حمل و نقل برای تطبیق با تغییرات در تقاضای سفر، ضمن حفظ عملکرد رضایتبخش سیستم تعریف میشود. از سوی دیگر، میلر-هوکس و همکاران (2012)، هر دو ویژگی توپولوژیکی و عملیاتی را برای اندازهگیری و به حداکثر رساندن تابآوری یک شبکه حمل و نقل بینوجهی کالا در نظر گرفتند.
افزونگی یک شاخص مهم در توسعه یک طرح واکنش اضطراری و بازیابی است (FHWA، ۲۰۰۶). یک استراتژی معمول برنامهریزی پیش از فاجعه، بهبود تابآوری شبکه با افزودن افزونگی (به عنوان مثال، جادههای جدید) برای ایجاد گزینههای بیشتر برای کاربران یا با مقاومسازی زیرساختهای موجود (به عنوان مثال، مقاومسازی پلهای موجود) برای مقاومت در برابر اختلالات است. علاوه بر این، Transystems (2011) به اهمیت افزونگی به عنوان یکی از اقدامات تابآوری در طرح تابآوری حمل و نقل بار در سطح ایالت اشاره کرد. از نظر آنها، یک سیستم افزونگی باید بر در دسترس بودن مسیرها و/یا حالتهای جایگزین تمرکز کند. به طور کلی، یک سیستم بزرگراه باری از سه جزء اصلی تشکیل شده است: مسیرهای بزرگراه اصلی، فرعی و رابط.
به طور خاص، یک مسیر بزرگراه اصلی به عنوان یک مسیر فیزیکی تعریف میشود که نمایانگر یک کریدور حمل بار کلیدی با اهمیت در سطح ایالت است و گرههای اصلی فعالیت را در یک ایالت به هم متصل میکند. یک مسیر بزرگراه فرعی، مسیری جایگزین برای مسیر بزرگراه اصلی است که معمولاً یک مسیر ایالتی یا جادهای موازی با آزادراه بین ایالتی است که همان گرههای اصلی فعالیت را به هم متصل میکند. علاوه بر این، یک شیوه حمل و نقل جایگزین، مانند راه آهن، میتواند فرصتهای انتخاب شیوه حمل و نقل اضافی (مثلاً فقط راه آهن، کامیون-راه آهن، راه آهن-کامیون و کامیون-راه آهن-کامیون) را برای حمل محمولههای بار فراهم کند.
با این ساختار، مجموعهای متنوع از مسیرها و شیوهها تشکیل میشود تا در صورت عدم دسترسی به مسیرهای اصلی و/یا فرعی در طول یک اختلال، گزینههای مختلفی را ارائه دهد. با این حال، اندازهگیری صرف تنوع مسیرها و شیوههای جایگزین ممکن است تأثیر تغییر مسیر یا تغییر مسیر ترافیک به مسیرهای جایگزین یا سایر شیوههای حمل و نقل را نادیده بگیرد. تعداد زیاد کامیونهای تغییر مسیر دهنده میتواند ترافیک را در گلوگاههای مسیرهای فرعی و رابط مسدود کند و در نتیجه سطح خدمات شبکه را کاهش دهد. برای به دست آوردن کافی این ویژگیها، ظرفیت اضافی شبکه نیز باید به صراحت در توصیف افزونگی شبکه حمل و نقل در نظر گرفته شود. علاوه بر این، توجه داریم که انعطافپذیری برای تغییر عملیات با تغییر کالاها به مسیرها یا شیوههای جایگزین، عامل مهمی در افزایش افزونگی شبکه حمل و نقل است. به عنوان مثال، یک سیستم حمل و نقل چندوجهی را میتوان به عنوان یک سیستم اضافی در نظر گرفت، به خصوص زمانی که شیوه اصلی در طول یک فاجعه در دسترس نباشد، زیرا شیوههای جایگزینی را برای حمل محمولههای بار (مثلاً تغییر مسیر از کامیون به راه آهن، کامیون به بارج و غیره) فراهم میکند. در حالت عادی، حمل و نقل چندوجهی به دلیل مزیت ظرفیت استفاده مشترک، میتواند نقش مهمی در کاهش ازدحام شبکه ایفا کند.
این مطالعه، معیارهای مبتنی بر شبکه را که اخیراً توسط Xu و همکاران (2018) برای ارزیابی افزونگی شبکه حمل و نقل بار – یک مؤلفه مهم در مقاومتر و مقاومتر کردن شبکههای حمل و نقل بار در برابر اختلالات – توسعه داده شده است، گسترش میدهد. افزونگی شبکههای حمل و نقل بار با دو معیار مبتنی بر شبکه مشخص میشود. معیار تنوع مسیر، وجود چندین مسیر کارآمد موجود برای کاربران بار یا میزان ارتباط بین یک جفت مبدا-مقصد (O-D) خاص را ارزیابی میکند، در حالی که معیار ظرفیت اضافی شبکه، ظرفیت اضافی در کل شبکه را با در نظر گرفتن صریح اثر تراکم و تقسیم کیفی، کمّی میکند. این دو معیار میتوانند با ارائه یک توصیف دو بعدی از افزونگی شبکه حمل و نقل بار که میتواند برای ارائه اطلاعات به کاربران بار (یعنی رانندگان کامیون، حملکنندگان بار و غیره) و همچنین کمک به برنامهریزان شبکه در تصمیمگیریهای سرمایهگذاری زیرساختهای آینده برای افزایش افزونگی شبکههای حمل و نقل بار استفاده شود، یکدیگر را تکمیل کنند. برای نشان دادن اثبات مفهوم، ما دو معیار را در یک شبکه حمل و نقل بار دووجهی (یعنی بزرگراه و راهآهن) برای حمل زغال سنگ در یوتا اعمال میکنیم. پیامدهای سیاستی در مورد کاربرد دو معیار افزونگی مبتنی بر شبکه برای برنامهریزی حمل و نقل بار بلندمدت نیز در این مطالعه مورد بحث قرار گرفته است.
ادامه این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. بخش 2 دو معیار مبتنی بر شبکه و روش ارزیابی برای ارزیابی افزونگی شبکههای حمل و نقل بار را ارائه میدهد. بخش 3 یک مطالعه موردی از شبکه حمل و نقل بار یوتا برای حمل زغال سنگ در یک شبکه حمل و نقل دووجهی ارائه میدهد. پیامدهای سیاستی در بخش 4 مورد بحث قرار گرفته و نتیجهگیری در بخش 5 خلاصه شده است.(منبع).