![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
همافزایی حمل و نقل بار شهری در مسیرهای ترانزیت مسافرمحور: یک رویکرد برنامهریزی خطی عدد صحیح مختلط کارآمد
در بحبوحه چالشهای فزاینده لجستیک شهری ناشی از رشد تجارت الکترونیک، همافزایی تحویل بار در حمل و نقل مسافر شهری به عنوان یک راهکار نوآورانه ظهور کرده است. این رویکرد ظرفیت نهفته را بهینه میکند و عملیات ناپایدار تجارت الکترونیک را بدون نیاز به گسترش پرهزینه زیرساختها کاهش میدهد؛ با این حال، مسائل مدیریتی را به عملیات حمل و نقل مسافر شهری وارد میکند. در این مطالعه، ما این مسئله را به عنوان یک مدل یکپارچه فرموله کردیم که شامل برنامهریزی قطارهای باری، تخصیص بسته و برنامهریزی مجدد قطارهای مسافربری با تقاضای پویای مسافر است. برای پرداختن به غیرخطی بودن محدودیتها، تکنیکهای خطیسازی متنوعی، به ویژه یک رویکرد مدلسازی خطی جدید متناسب با تقاضای پویای مسافر، معرفی شدهاند. این تکنیکها تبدیل مدل به یک چارچوب برنامهریزی خطی عدد صحیح مختلط (MILP)، همراه با یک استراتژی شروع گرم، را تسهیل میکنند. آزمایشها، امکان ادغام بار در ساعات غیر اوج، با تأثیر جزئی بر زمان انتظار مسافر، را تأیید کردند، در حالی که محدودیتهای ظرفیت بار مرتبط با سکوها را نیز تشخیص دادند.
مقدمه
با رشد تجارت الکترونیک و شهرنشینی، لجستیک شهری تحت فشار مداوم قرار دارد. در حال حاضر، به ویژه به دلیل همهگیری کووید-۱۹، فراوانی خریدهای آنلاین و تقاضای مصرفکننده افزایش یافته است و عملیات تحویل موجود مرتبط با تجارت الکترونیک برای حفظ عملیات پایدار با مشکل مواجه است. به طور خاص، چشمانداز سرمایهگذاری در زیرساختهای حمل و نقل برای کاهش فشار بر لجستیک شهری اغلب به دلیل هزینههای بیش از حد و فضای محدود موجود با مانع مواجه میشود. یک فرصت نادیده گرفته شده، بهرهبرداری از ظرفیت موجود سیستمهای حمل و نقل عمومی مسافربری برای تسهیل حمل و نقل کالا است. سیستمهای حمل و نقل عمومی شهری اغلب کمتر از ظرفیت خود کار میکنند، به خصوص در دورههای غیر اوج که خدمات مسافربری به طور قابل توجهی در مقایسه با ساعات اوج کمتر است. استفاده از سیستمهای حمل و نقل عمومی مسافربری برای توزیع نه تنها باعث افزایش استفاده از شبکههای حمل و نقل عمومی میشود، بلکه مفهوم لجستیک جدیدی را نیز معرفی میکند. این مفهوم در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده و به روشهای مختلفی مانند حمل بار در ترانزیت، اشتراکگذاری بار یا اشتراکگذاری مسافر و بسته، و لجستیک زیرزمینی نامگذاری شده است (به بررسیهای البرت و رنتشلر، 2022، اپیکوکو و فالاگاریو، 2022، و چنگ و همکاران (2023) مراجعه کنید).
این مطالعه بر روی یک مدل تحویل بار تمرکز دارد که با اضافه کردن قطارهای اختصاصی برای حمل بار فقط در خطوط مترو، خدمات مسافربری مترو را در یک سیستم حمل بار شهری ادغام میکند. هدف این مدل، پرداختن به چالشها و فرصتهای هماهنگی سیستمهای حمل و نقل چندوجهی، مانند جاده، راهآهن و مترو، برای تحرک کارآمد و پایدار است. با بهرهگیری از ظرفیت موجود شبکههای مترو، این مدل میتواند ازدحام و انتشار گازهای گلخانهای ناشی از وسایل نقلیه باری معمولی را کاهش دهد، در حالی که خدمات تحویل قابل اعتماد و انعطافپذیری را برای مشتریان فراهم میکند. علاوه بر این، این مدل میتواند انعطافپذیری و سازگاری لجستیک شهری را در شرایط اختلال، مانند تصادفات رانندگی، رویدادهای آب و هوایی یا نوسانات غیرمنتظره تقاضا، افزایش دهد. برای تحویل این بستهها با استفاده از مدل تحویل بار، ابتدا به یک ایستگاه مترو خاص منتقل میشوند. پس از ورود، کارکنان ایستگاه از آسانسورهای موجود برای انتقال آنها از سطح زمین به زیرزمین استفاده میکنند. پس از این، بستهها به طور موقت ذخیره شده و سپس با استفاده از چرخ دستی یا ابزارهای جایگزین به سکو منتقل میشوند. در نهایت، آنها در یک قطار مترو بارگیری میشوند، در یک بازه زمانی توافق شده به ایستگاه دیگری تحویل داده میشوند و متعاقباً با استفاده از وسایل نقلیه باری معمولی برای مشتریان ارسال میشوند. اپراتورهای مترو باید مسائل بهینهسازی یکپارچه برنامهریزی قطارهای باری، تخصیص بسته و برنامهریزی مجدد قطارهای مسافربری موجود را حل کنند. در این مطالعه، ما این مسئله بهینهسازی یکپارچه را مدلسازی کرده و آن را در یک مدل برنامهریزی خطی عدد صحیح مختلط (MILP) فرمولبندی مجدد کردیم؛ این مدل را میتوان به طور کارآمد حل کرد تا به یک راهحل بهینه دست یافت، در حالی که کیفیت خدمات مسافری دست نخورده باقی میماند.
مرور ادبیات بر دو هسته اصلی این مقاله متمرکز خواهد بود: حمل و نقل بستههای مسافری شهری و برنامهریزی قطار بر اساس تقاضای پویای مسافر.
در بررسی بهینهسازی سیستمهای حمل و نقل بستههای مسافری شهری، منابع علمی بین جمعسپاری و ادغام توزیع کالا با حمل و نقل عمومی مسافر تمایز قائل میشوند. هر دو رویکرد از منابع کم استفاده شده و پلتفرمهای دیجیتال برای همسو کردن عرضه با تقاضا استفاده میکنند. با این حال، جمعسپاری با اتکا به افراد مستقل برای تحویل، هدایت اعتماد و پویایی شبکه مشخص میشود (بولدئو رای و همکاران، ۲۰۱۷؛ سامپایو و همکاران، ۲۰۱۹؛ لی و همکاران، ۲۰۱۹؛ شیائو و همکاران، ۲۰۲۳). در مقابل، رویکرد ادغام، که نقطه کانونی بررسی منابع علمی بعدی خواهد بود، عملیات لجستیکی جابجایی مسافر و بار را با پیچیدگیهای هماهنگی دوگانه ادغام میکند.
ایده ترکیب تحویل بار در آخرین مایل با حمل و نقل ریلی مسافر به قرن گذشته برمیگردد (Anderson, 1996) و چندین بار در بسیاری از شهرها، مانند سرویس CarGoTram در درسدن (International, 2017)، سیستم Dabbawala در بمبئی (Baindur and Macário, 2013) و یک سرویس حمل و نقل زباله در متروی نیویورک، اجرا شده است. نکته قابل توجه این است که این رویکرد عملکرد قابل تحسینی را در سناریوهای حمل و نقل طولانی مدت نشان داده است. لیانگ و همکاران (2016) استفاده از راه آهن پرسرعت برای حمل بستههای کوچک و نامهها در آلمان، فرانسه و چین را بررسی کردند. مطالعه آنها اثربخشی قطارهای باری پرسرعت را نسبت به همتایان مختلط تأیید کرد و در نتیجه به صرفهجویی در مقیاس دست یافت. بی و همکاران (2019) رابطه بین سطح خدمات، برنامههای قطار و بازارهای هدف برای خدمات سریعالسیر ریلی پرسرعت در چین را تجزیه و تحلیل کردند. بر اساس شبیهسازیهای عددی، آنها نتیجه گرفتند که ظرفیت حمل و نقل شبکه ریلی پرسرعت چین در سال 2021 میتواند به طور کامل تقاضای فعلی برای حمل و نقل سریعالسیر را برآورده کند. اگرچه اپراتورهای انفرادی و انبوهسپاران مدلهای عملیاتی متفاوتی را در نظر میگیرند، اما معمولاً به دو دسته تقسیم میشوند: قطارهای باری اختصاصی و قطارهای اشتراکی. حالت دوم بر اساس اینکه آیا مسافران و بستهها میتوانند در یک واگن حمل شوند یا خیر، به زیرگروههای بیشتری تقسیم میشود.
تحقیقات مربوط به وضعیت قطار اشتراکی باید به دو مسئله کلیدی بپردازد: تخصیص ظرفیت بار و بهینهسازی برنامه قطارهای باری. مسئله اول نیاز به تصمیمگیری در مورد تعداد واگنها (یا ظرفیتهایی) دارد که هر قطار به بار اختصاص میدهد. دی و همکاران (2022) مسئله بهینهسازی مشترک چیدمان واگن و کنترل جریان را بر اساس مدل واگن اشتراکی بررسی کردند و مجموع وزنی هزینههای عملیاتی و کل جریمههای تأخیر را به عنوان هدف ساخت یک برنامهریزی خطی عدد صحیح به حداقل رساندند که به طور معادل به یک مدل برنامهریزی خطی عدد صحیح مختلط تبدیل و با استفاده از الگوریتم تجزیه بندرز حل شد. ژو و همکاران (2022) مسئله تخصیص ظرفیت قطار را در حالت قطار اشتراکی در یک سیستم راهآهن پرسرعت بررسی کردند. این مقاله یک مدل برنامهریزی خطی عدد صحیح مختلط برای تصمیمگیری در مورد تخصیص واگنهای مسافری و باری قطار با در نظر گرفتن قوانین اولویت مسافر و ظرفیت جابجایی بسته ارائه میدهد و در ادامه یک مدل غیرخطی را با در نظر گرفتن تقاضای تصادفی و تکنیک تقریب خطی مربوطه پیشنهاد میدهد.
بر اساس پروژه «گراند پاریس»، بهیری و همکاران (2018) یک مسئله یکپارچه شامل مسائل تخصیص بسته و مسائل زمانبندی قطار مشترک، به نام مسئله زمانبندی حمل و نقل ریلی باری (FRTSP) را توسعه دادند. مسئله استفاده از قطار شهری مسافربری مشترک برای حمل بسته به صورت یک مسئله برنامهریزی عدد صحیح مختلط فرموله شده است. برای FRTSP پیشنهادی، سهلی و همکاران (2022) یک الگوریتم ژنتیک همراه با تکنیک تنظیم پارامتر تاگوچی طراحی کردند. به طور مشابه، یی و همکاران (2022) تأثیر طرح توقف برنامهریزی شده را در نظر گرفتند و یک الگوریتم جستجوی همسایگی متغیر بهبود یافته برای حل آن طراحی کردند. توندولیاساری و همکاران (2023) یک مدل بهینهسازی مشترک فرموله کردند که تقاضای پویای مسافر و انتخاب حالت را در نظر میگیرد و برنامه قطار، برنامه حرکت قطار و تخصیص بار را تعیین میکند.
موقعیتهای قطار اشتراکی با موانع متعددی برای اجرا مواجه هستند: (1) مسافران ممکن است احساس ناامنی کنند یا تمایلی به حمل بار نداشته باشند، (2) زمان بارگیری و تخلیه بار، زمان سفر مسافران را افزایش میدهد، و (3) ممکن است افراد مشتاق به جمعسپاری نگران نقض حریم خصوصی باشند (چنگ و همکاران، 2023). با توجه به این ملاحظات، موقعیتهای قطار اختصاصی معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند. به طور خاص، تحقیقات مربوط به مدلهای قطار خاص باید به برنامهریزی قطارهای باری خاص و توزیع بستهها بر اساس جدول زمانی قطارهای تعیینشده بپردازند. اوزتورک و پاتریک (2018) یک مدل برنامهریزی عدد صحیح مختلط برای مسئله تخصیص بسته، بهینهسازی یکپارچه برنامههای قطارهای باری و برنامههای قطارهای مسافربری بر اساس مدل مسیر مشترک توسعه دادند و یک روش اکتشافی برای حل آن پیشنهاد کردند. لی و همکاران با ترکیب موقعیتهای قطار اشتراکی و قطار اختصاصی، … (2021) تخصیص بسته را ترتیب دادند و برنامههای قطارهای باری را با تغییر زمانبندی قطارهای مسافربری با کمک برنامههای قطارهای مسافربری تعیینشده، که در آن ظرفیت بار متمایز و طرحهای توقف تعیینشده در خدمات باری در نظر گرفته شد، توسعه دادند، مسئله را به عنوان یک مدل برنامهریزی خطی عدد صحیح مختلط فرموله کردند و یک روش برنامهریزی تکراری برای حل مدل طراحی کردند. برای یک مسئله مشابه، هورستینگ و کلئوفاس (2023) موردی را در نظر گرفتند که هیچ برنامه مسافری تعیینشدهای وجود نداشت و یک مدل برنامهریزی خطی عدد صحیح مختلط با یک تابع هدف دیکشنری معرفی کردند که حمل و نقل مسافر را در اولویت قرار میدهد و در عین حال تأخیرهای تحویل بسته را به حداقل میرساند. مدل پیشنهادی توسط GUROBI حل شد و یک مدل شبیهسازی برای ارزیابی سناریو ارائه شد.
مطالعات موجود در مورد موقعیتهای قطار اختصاصی، تغییرات تقاضای مسافر در طول زمان و مکان را در نظر نمیگیرند. این ممکن است با واقعیت حمل و نقل مسافر شهری، که در آن تقاضای مسافر به دلیل عوامل مختلف در نوسان است، متفاوت باشد. نادیده گرفتن ماهیت پویای تقاضای مسافر ممکن است کیفیت خدمات مسافر را هنگام ادغام تحویل بار با استفاده از سیستمهای مترو کاهش دهد. بنابراین، لازم است تقاضای مسافر وابسته به زمان را در مدل بهینهسازی یکپارچه لحاظ کنیم و تأثیر تنظیم جدول زمانی قطارهای مسافربری بر زمان انتظار مسافران را در نظر بگیریم. این امر مدل را واقعبینانهتر و چالشبرانگیزتر میکند و بینشهای بیشتری را برای تصمیمگیرندگان فراهم میکند تا تعادل بین کارایی حمل و نقل بار و کیفیت خدمات مسافر را برقرار کنند.
تقاضای مسافر برای حمل و نقل ریلی شهری در طول زمان تغییرات قابل توجهی داشته است و مسافران ملزم به خرید بلیط از قبل نیستند. در نتیجه، تنظیم جدول زمانی قطارهای مسافربری بر حجم مسافران سوار و پیاده شده در هر ایستگاه تأثیر میگذارد و در نتیجه بر زمان انتظار مسافران تأثیر میگذارد. ادبیات موجود روشهای مختلفی را برای مدلسازی جدول زمانی قطارها بر اساس جریانهای پویای مسافر ارائه میدهد. این روشها را میتوان به شرح زیر طبقهبندی کرد.
اولین رویکرد مدلسازی مبتنی بر فرض «ترکیب خوب» است، که در آن فرض میشود نسبت مسافرانی که در یک مقصد خاص سوار میشوند با نسبت مسافرانی که در همان مقصد منتظر قطار هستند، یکسان است (به عنوان مثال، وانگ و همکاران، ۲۰۱۵؛ گائو و همکاران، ۲۰۱۶؛ مو و همکاران، ۲۰۱۹ب). با این حال، این فرض ذاتاً محدودیتهای غیرخطی را ایجاد میکند و روشهای گرد کردن را برای اطمینان از سوار شدن مسافران صحیح ضروری میسازد.
رویکرد دوم مدلسازی شامل گسستهسازی دامنه زمانی برنامهریزی است. در این روش، افق زمانی برنامهریزی به فواصل زمانی مساوی تقسیم میشود و مسافرانی که در هر بازه به ایستگاه یکسان میرسند را به عنوان خوشههای مسافر در نظر میگیرد. در هر خوشه، مسافران ملزم به رعایت قانون اولویت ورود-خدمت (FCFS) هستند (Niu and Zhou, 2013; Sun et al., 2014). رویکرد دوم به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد، اما یک محدودیت این است که این روش دلالت بر این دارد که مسافران در یک خوشه باید یا با هم سوار شوند یا نشوند. برای پرداختن به این موضوع، Shi and Li (2021) یک مدل خطی عدد صحیح مختلط را معرفی کردند که شامل مجموعهای اضافی از متغیرهای پیوسته است و به خوشههای مسافرانی که سوار قطار میشوند اجازه میدهد تا به طور کامل طبق قوانین FCFS سرویسدهی شوند. خوشههایی که برخی از مسافران میتوانند سوار شوند اما همه آنها نمیتوانند، بر اساس اصلی شبیه به مفهوم تقسیم فرضیه “ترکیب خوب” سرویسدهی میشوند. با این حال، در نظر گرفتن تقاضای مسافر وابسته به زمان، اندازه مسئله را در بعد زمان حتی بزرگتر میکند و یک چالش برای حل ایجاد میکند.
مسئله ما صرفاً شامل حمل و نقل بار در خطوط متروی غیر اشباع است. با این حال، ضروری است که به طور صریح عدم وجود اشباع بیش از حد در یک جدول زمانی پس از تغییر زمانبندی قطارهای مسافربری مدلسازی شود. این امر مستلزم مدلسازی فرآیند سوار و پیاده شدن مسافران است. با این وجود، تمرکز اصلی این تحقیق توسعه مدلهایی است که بین سهولت جابجایی (مثلاً مدلهای خطی) و محدودیتهای اندازه مدل تعادل برقرار میکنند.
در این مطالعه، هدف ما پر کردن شکافهای موجود در ادبیات با ارائه یک مدل تحویل بار جدید است که خدمات مسافربری مترو را با اضافه کردن قطارهای اختصاصی فقط برای حمل بار در خطوط مترو، در یک سیستم باربری شهری ادغام میکند. این مدل، ماهیت پویای تقاضای مسافر و تأثیر تغییر زمانبندی قطارهای مسافربری بر زمان انتظار مسافران را در نظر میگیرد. علاوه بر این، این مدل با مدلسازی فرآیند سوار و پیاده شدن مسافر، از اشباع بیش از حد در جدول زمانی پس از تغییر زمانبندی جلوگیری میکند. در مقایسه با مطالعات موجود، مدل ما واقعگرایانهتر و چالشبرانگیزتر است، زیرا تعاملات پیچیده بین حمل و نقل بار و مسافر در سیستمهای مترو شهری را به تصویر میکشد. مطالعه ما همچنین بینشهای ارزشمندی را برای تصمیمگیرندگان ارائه میدهد تا تعادل بین کارایی حمل و نقل بار و کیفیت خدمات مسافر را برقرار کنند. هدف این مطالعه، پر کردن شکاف تحقیقاتی موجود از طریق سه مشارکت اصلی است.
۱. پیشنهاد یک مدل بهینهسازی یکپارچه که به برنامهریزی مجدد قطارهای مسافربری، تخصیص بسته و برنامهریزی قطارهای باری میپردازد، در حالی که ماهیت پویای تقاضای مسافر متغیر با زمان را در نظر میگیرد.
۲. توسعه چندین تکنیک خطیسازی کارآمد که برای تبدیل محدودیتهای غیرخطی به اشکال خطی قابل مدیریتتر طراحی شدهاند، به ویژه یک رویکرد مدلسازی خطی جدید متناسب با تقاضای پویای مسافر.
۳. بررسی توجیه اقتصادی حمل و نقل ترکیبی مسافر و بار، ارزیابی محدودیتهای ظرفیت بار و بررسی تأثیر حاصل بر کیفیت خدمات مسافر. این بررسی از طریق یک مطالعه موردی جامع شامل یک خط مترو عملیاتی انجام میشود.
ادامه این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. مسئله مورد مطالعه در بخش 2 مشخص شده و در بخش 3 فرمولبندی شده است. تکنیکهای خطیسازی و شتابدهی در بخش 4 ارائه شدهاند. در نهایت، مجموعهای از آزمایشهای عددی در بخش 5 برای آزمایش عملکرد روش پیشنهادی ارائه شده است.(منبع).