مشکل تخلیه کانتینر برای کامیون‌های برقی با محدودیت منابع شارژ

در بحبوحه تحول سبز مداوم در حمل و نقل، برقی‌سازی کامیون‌ها به عنوان یک استراتژی محوری برای رسیدگی به مسائل مربوط به آب و هوا ظهور کرده است. این مقاله با در نظر گرفتن محدودیت‌های منابع شارژ، به معرفی مسئله بارگیری کانتینر برای کامیون‌های برقی می‌پردازد. کامیون‌های برقی برای انجام مجموعه‌ای از وظایف مبدا-مقصد بین ترمینال‌ها و مشتریان اختصاص داده می‌شوند. هر کامیون می‌تواند بین تعویض باتری و دو حالت شارژ یکی را انتخاب کند: معمولی و سریع، که هر کدام دارای یک فرآیند شارژ غیرخطی هستند. این مقاله به مسئله صف‌بندی شارژ ناشی از محدودیت در منابع شارژ می‌پردازد و یک مدل برنامه‌ریزی عدد صحیح مختلط جدید متناسب با چالش‌های بارگیری کانتینر برای کامیون‌های برقی ارائه می‌دهد. برای مقابله با این مشکل چالش‌برانگیز، ما یک الگوریتم جستجوی همسایگی بزرگ تطبیقی بهبود یافته را پیشنهاد می‌کنیم که یک روش دقیق را ادغام می‌کند. در مرحله اول، مسیرها بر اساس رویه‌های سفارشی بدون در نظر گرفتن صف‌بندی شارژ ایجاد می‌شوند تا هزینه‌های کلی عملیات به حداقل برسد. مرحله دوم با استفاده از ضریب تکرار تماس و شرایط، با استفاده از CPLEX برای بهینه‌سازی استراتژی‌های شارژ صف‌بندی بیشتر، آغاز می‌شود. این الگوریتم بر روی نمونه‌هایی بر اساس داده‌های وظیفه دنیای واقعی به‌دست‌آمده از شرکت‌های لجستیک اعمال می‌شود. مجموعه‌ای از آزمایش‌های مقایسه‌ای برای اعتبارسنجی اثربخشی و تعیین پیکربندی پارامتر الگوریتم انجام می‌شود. علاوه بر این، ما تأثیر سطوح شارژ و تعداد باتری‌های قابل تعویض را بر هزینه‌های کلی بررسی می‌کنیم و تجزیه و تحلیل جامعی از تأثیر کاربرد کامیون‌های برقی در مقایسه با کامیون‌های سوخت معمولی از نظر هزینه و انتشار گازهای گلخانه‌ای انجام می‌دهیم.

مقدمه

حمل و نقل کانتینری بین‌وجهی دریایی به عنوان شیوه اصلی تجارت عمل می‌کند (ژن و همکاران، 2024). این امر مستلزم مدیریت مؤثر هزینه و زمان حمل و نقل است. تخلیه کانتینر با ارائه خدمات درب به درب در زنجیره حمل و نقل بین‌وجهی، نقش محوری ایفا می‌کند و جابجایی یکپارچه محموله از بنادر به مشتریان نهایی را تضمین می‌کند. با این وجود، هزینه عملیاتی تخلیه کانتینر بخش قابل توجهی از کل هزینه حمل و نقل را تشکیل می‌دهد که تقریباً 30٪ را تشکیل می‌دهد (لجستیک، 2024). این امر توجه قابل توجهی را در مدیریت عملیاتی خود به خود جلب کرده است. علاوه بر این، همانطور که ما از توسعه پایدار بنادر حمایت می‌کنیم (ژوگه و همکاران، 2024)، باید تأثیر قابل توجه انتشار گازهای گلخانه‌ای از کامیون‌های کانتینری را تشخیص دهیم. یک مطالعه اخیر نشان می‌دهد که کامیون‌های سنگین در چین مسئول تقریباً 50٪ از کل انتشار کربن تولید شده توسط بخش حمل و نقل هستند (ژو و همکاران، 2022). در سال‌های اخیر، جامعه بین‌المللی پیشنهاد برقی‌سازی کامیون‌ها را مطرح کرده است و دولت‌های مختلف متعهد شده‌اند که تا سال 2040 به 100٪ سهم بازار برای کامیون‌های بدون آلایندگی دست یابند (Alsauskas و همکاران، 2023). بنابراین، این تلاش هماهنگ، پذیرش کامیون‌های برقی (ETs) برای حمل کانتینر را به مسیری بسیار امیدوارکننده و سازگار با محیط زیست سوق می‌دهد.

عملیات تخلیه و بارگیری مستلزم برنامه‌ریزی مسیر پیچیده‌ای است که اغلب با توقف‌ها و شروع‌های مکرر مشخص می‌شود. استقرار ETها در تخلیه و بارگیری کانتینر به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد این وسایل نقلیه و زمینه عملیاتی خاص، لایه‌ای از پیچیدگی را اضافه می‌کند. معمولاً ETها با یک بار شارژ، قابلیت برد محدودی دارند و ظرفیت باتری آنها برای عملیات تخلیه و بارگیری در مسافت‌های طولانی کافی نیست. این محدودیت، شارژ مکرر را ضروری می‌کند و در نتیجه بر بهره‌وری کلی و کارایی عملیاتی تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، باتری‌های بزرگتر در ETها به یک فرآیند شارژ بالقوه زمان‌بر، به ویژه هنگام استفاده از روش‌های شارژ معمولی، کمک می‌کنند. در حالی که گزینه‌های شارژ سریع ممکن است مزایای صرفه‌جویی در زمان را ارائه دهند، بسیار مهم است که شتاب بالقوه تخریب باتری مرتبط با این فناوری را در نظر بگیریم. در درازمدت، شارژ سریع ممکن است کل هزینه عملیات را افزایش دهد، زیرا تقریباً 80٪ از کل هزینه به هزینه‌های باتری نسبت داده می‌شود (König و همکاران، 2021). از سوی دیگر، پیشرفت فناوری تعویض باتری که می‌تواند فرآیند تعویض را ظرف پنج دقیقه انجام دهد (ورما، ۲۰۱۸) امکان جبران کاستی‌های فوق‌الذکر را فراهم می‌کند و توجه گسترده‌ای را از سوی اپراتورهای کامیون‌های سنگین به خود جلب کرده است. بنابراین، بهینه‌سازی کارآمد مسیرها برای به حداکثر رساندن استفاده از برد کامیون‌های برقی و بهره‌برداری از فرصت‌های شارژ، یک کار حیاتی اما چالش‌برانگیز است. ادغام جامع سه روش شارژ، که هر کدام مزایا و معایب منحصر به فرد خود را از نظر هزینه و فناوری دارند، برای بهینه‌سازی برنامه‌ریزی کامیون‌های برقی بسیار مهم می‌شود. ماهیت خاص مسئله تخلیه کانتینر، با توالی سرویس متمایز آن برای جفت وظیفه مبدا-مقصد (O-D) و تفاوت‌های ذاتی بین حمل و نقل مسافر و بار، تحقیقات موجود در مورد اتومبیل‌ها و اتوبوس‌های برقی را که مستقیماً برای این مسئله قابل اجرا نیستند، نشان می‌دهد (ژن و همکاران، 2022). علاوه بر این، مسیرهای تخلیه کانتینر برقی مستلزم توقف‌های شارژ قابل پیش‌بینی و برنامه‌ریزی شده هستند. تأخیر در شارژ، چه ناشی از ایستگاه‌های شارژ بیش از حد شلوغ و چه در دسترس نبودن، اجرای روان مسیرها و برنامه‌های برنامه‌ریزی شده را تهدید می‌کند و در نتیجه بر کارایی کلی عملیات تخلیه کانتینر تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، ظرفیت قابل توجه باتری کامیون‌های برقی به طولانی شدن مدت زمان شارژ کمک می‌کند و احتمال صف‌بندی هنگام شارژ را افزایش می‌دهد، به خصوص هنگام استفاده از حالت شارژ معمولی. بنابراین، ضروری است که محدودیت‌ها و قیود عملی ذاتی در عملیات تخلیه کانتینر را با کامیون‌های برقی به طور متفکرانه ادغام کنیم. یک رویکرد متناسب نیز برای پرداختن به چالش‌های منحصر به فرد ناشی از ویژگی‌های سرویس کامیون‌های برقی در زمینه تخلیه کانتینر ضروری است.

ادبیات موجود در مورد مسئله تخلیه کانتینر، با در نظر گرفتن عوامل عملی مختلف، شکاف تحقیقاتی قابل توجهی را در مورد عملکرد کامیون‌های برقی نشان می‌دهد. اکثر تلاش‌های علمی عمدتاً بر روی انواع مسئله تخلیه کانتینر (CDP) مربوط به کامیون‌های سوخت سنتی متمرکز شده‌اند و توجه کمی به جایگزین‌های کم‌کربن، به ویژه برقی‌سازی کامیون‌ها، معطوف شده است. با توجه به نقش ضروری برقی‌سازی کامیون‌ها در دستیابی به توسعه پایدار، پرداختن به این شکاف تحقیقاتی و همسو شدن با روند فعلی گذار به سمت وسایل نقلیه الکتریکی، به طور فزاینده‌ای حیاتی می‌شود. هدف این مقاله، پر کردن این شکاف با معرفی و حل یک مسئله تخلیه کانتینر واقع‌بینانه‌تر است که به طور خاص برای کامیون‌های برقی طراحی شده است. در این فرمول‌بندی جدید، کامیون‌های برقی را می‌توان در مسیر شارژ کرد، با توجه به در دسترس بودن ایستگاه‌های شارژ (CS) و ایستگاه‌های تعویض باتری (BSS) در ایستگاه‌های شارژ خصوصی. این ایستگاه‌ها به ترتیب از شارژ مجدد و تعویض باتری پشتیبانی می‌کنند و به تعداد محدودی شارژر یا باتری مجهز هستند.این مسئله خاص، مسئله بارگیری کانتینر برای کامیون‌های برقی با محدودیت منابع شارژ (CDP-ET-CRC) نامیده می‌شود. ما یک الگوریتم جستجوی همسایگی بزرگ تطبیقی بهبود یافته (ALNS) را پیشنهاد می‌کنیم که شامل تکنیک‌های برنامه‌نویسی ریاضی است تا به طور موثر به این مسئله رسیدگی کند. علاوه بر این، آزمایش‌ها بر اساس نمونه‌های مکانی دنیای واقعی بین بنادر و مشتریان به دست آمده از یک شرکت لجستیک انجام می‌شوند.

دستاوردهای علمی اصلی این مقاله را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:
• یک مدل عملی و جامع برای مسئله تخلیه کانتینر با کامیون‌های برقی فرموله شده است. این مدل روش‌های مختلف شارژ، از جمله شارژ معمولی، شارژ سریع و تعویض باتری را در نظر می‌گیرد. همچنین فرآیند شارژ جزئی غیرخطی و اثر صف‌بندی ناشی از محدودیت‌های منابع شارژ را در نظر می‌گیرد.
• یک الگوریتم ALNS بهبود یافته، متناسب با اپراتورهای خاص مسئله، برای حل کارآمد مسئله تخلیه کانتینر با کامیون‌های برقی پیشنهاد شده است. عملکرد آن از طریق مقایسه با حل‌کننده CPLEX و یک رویکرد راه‌حل مبتنی بر جستجوی همسایگی بزرگ (LNS) اعتبارسنجی می‌شود.
• مدل و الگوریتم پیشنهادی با استفاده از داده‌های دنیای واقعی از یک شرکت لجستیک آزمایش می‌شوند. این مجموعه داده‌ها شامل وظایفی با پنجره‌های زمانی و مکان‌های جغرافیایی است که ارتباط عملی را به مطالعه اضافه می‌کند. علاوه بر این، آزمایش‌های عددی گسترده‌ای برای اعتبارسنجی و بهینه‌سازی پارامترهای حیاتی الگوریتم انجام شده است.
• یک تحلیل حساسیت بر روی وضعیت باتری قابل تعویض، مقادیر باتری و مزایای نسبی کامیون‌های برقی در مقایسه با کامیون‌های سوختی انجام شده است. علاوه بر این، این مطالعه به گونه‌ای گسترش یافته است که شامل یک مدل مصرف انرژی واقع‌بینانه و سناریوهایی شامل تریلرهای دو کانتینری باشد. (منبع).