تحول در حمل و نقل بار شهری: طراحی شبکه خدمات برای هم افزایی با حمل و نقل مسافر در سیستم های حمل و نقل

افزایش محبوبیت خرید آنلاین و افزایش حجم بسته‌های پستی ناشی از آن، فشار قابل توجهی بر سیستم‌های لجستیک شهری وارد می‌کند. برای پرداختن به این چالش، یک راه‌حل جدید به نام «هم‌وجهی شهری» پدیدار شده است که حمل و نقل مشارکتی بین بار و مسافر را ارتقا می‌دهد. این مطالعه به بررسی طراحی شبکه خدمات برای هم‌وجهی شهری می‌پردازد که با استفاده از ظرفیت اضافی سیستم‌های اتوبوس شهری، حمل و نقل مسافر و بار را هم‌افزایی می‌کند. برخلاف سیستم‌های حمل و نقل بار سنتی، سیستم‌های هم‌وجهی امکان برآورده کردن تقاضاهای بار را از طریق ترکیبی از حمل و نقل کامیونی و اتوبوسی، علاوه بر حمل و نقل کامیونی به تنهایی، فراهم می‌کنند. ایستگاه‌ها و ترمینال‌های اتوبوس تعیین شده می‌توانند به عنوان نقاط انتقال بار عمل کنند. با استفاده از یک شبکه زمان-مکان به عنوان چارچوب مدل‌سازی، ما یک فرمول مبتنی بر قوس پیشنهاد می‌کنیم که به طور همزمان به اندازه، مسیریابی و برنامه‌ریزی ناوگان کامیونی و همچنین تخصیص بار می‌پردازد، با هدف به حداقل رساندن هزینه‌های عملیاتی کل. یک روش دو مرحله‌ای مبتنی بر تولید ستون برای حل کارآمد این مسئله توسعه داده شده است. آزمایش‌های عددی گسترده نشان می‌دهد که روش دو مرحله‌ای از هر دو روش گوروبی و روش اکتشافی مبتنی بر تولید ستون بهتر عمل می‌کند. نتایج ما نشان می‌دهد که با در نظر گرفتن حجم‌های مختلف بار در یک مطالعه موردی در دنیای واقعی، هم‌وزن شهری می‌تواند منجر به کاهش متوسط ۲۷ درصدی در هزینه‌های عملیاتی و کاهش ۳۷ درصدی در کل مسافت پیموده شده کامیون شود. علاوه بر این، ما تأثیر حجم بار، همکاری بین ارائه دهندگان خدمات اتوبوس و ارائه دهندگان لجستیک و انتخاب مکان‌های انتقال بر کارایی سیستم هم‌وزن را بررسی می‌کنیم. این یافته‌ها پایه و مرجعی برای ارزیابی مزایای الگوهای هم‌وزن، توسعه استراتژی‌های عملیاتی و تدوین سیاست‌های راهنما برای سیستم‌های هم‌وزن فراهم می‌کند.

مقدمه

با افزایش محبوبیت تجارت الکترونیک، خرید آنلاین در دهه‌های اخیر رشد چشمگیری داشته است. افزایش حجم بسته‌های پستی، اپراتورهای خدمات لجستیک (LSP) را مجبور به گسترش ناوگان و فرکانس‌های تحویل خود کرده است که منجر به مجموعه‌ای از اثرات جانبی منفی از جمله ازدحام، انتشار کربن، آلودگی صوتی و آسیب به آسفالت شده است (Cochrane و همکاران، 2017). یکی از راه‌های حل چالش‌های فوق در لجستیک شهری، ادغام حمل و نقل مسافر و حمل و نقل بار برای افزایش بهره‌وری کلی است. در همین راستا، مفهوم «هم‌کیفیتی شهری» پیشنهاد شده است که از اشتراک‌گذاری مشارکتی حمل و نقل عمومی بین مسافران و بار حمایت می‌کند. حمل و نقل عمومی مدت‌هاست که با مشکل عدم تعادل در تعداد مسافران مواجه است و معمولاً در ساعات غیر اوج مصرف، کمتر از حد مجاز مورد استفاده قرار می‌گیرد (Ma و همکاران، 2022a). بهره‌برداری از ظرفیت اضافی برای حمل و نقل بار می‌تواند به اشتراک‌گذاری و تخصیص مجدد منابع منجر شود و در نتیجه استفاده از منابع را افزایش دهد (Pan و همکاران، 2021).

حمل و نقل ترکیبی مسافر و بار در روش‌های حمل و نقل طولانی مدت مانند حمل و نقل هوایی (Zhang & Zhang, 2002)، راه آهن (Zhen et al., 2023) و حمل و نقل دریایی (Elbert & Rentschler, 2021) رایج است. برای لجستیک شهری، که معمولاً در مسافت‌های کوتاه انجام می‌شود، چنین ترکیبی تنها در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. پروژه‌های دنیای واقعی، به ویژه در اروپا و آسیا، برای ارزیابی امکان‌سنجی حمل و نقل با روش حمل و نقل ترکیبی آغاز شده‌اند. به طور قابل توجهی، ابتکاراتی مانند CargoTram و CityCargo برای بهره‌برداری از ترامواهای باری اختصاصی در ترامواهای مسافربری موجود انجام شده است که حمل و نقل بار از مناطق حومه شهر به مراکز شهر را تسهیل می‌کند (Arvidsson & Browne, 2013). همین طور سیستم لجستیک یکپارچه مترو پیشنهاد و آزمایش شده است، با هدف استفاده از سیستم مترو موجود برای تحویل بسته (هو و همکاران، 2022). با این حال، اکثر این پروژه‌های حمل و نقل با وسیله نقلیه مشترک به دلیل عوامل اقتصادی و اجتماعی، که در درجه اول ناشی از تقاضای ناکافی و تضاد منافع بین مسافر و بار است، متوقف یا به حالت تعلیق درآمده اند. این امر ضرورت وجود یک چارچوب سیستماتیک برای ارزیابی مزایای اقتصادی و اجتماعی حمل و نقل با وسیله نقلیه مشترک را برجسته می‌کند. همچنین، تدوین مقررات و سیاست‌های مربوطه برای کنترل الگوی حمل و نقل با وسیله نقلیه مشترک، تضمین سطح رضایت‌بخشی از خدمات به مشتری و در عین حال کاهش اثرات منفی احتمالی مرتبط، ضروری است.

تمرکز این تحقیق بر استفاده از اتوبوس‌ها برای اجرای حمل و نقل اشتراکی است. در مقایسه با تراموا و مترو، اتوبوس‌ها وابستگی کمتری به زیرساخت دارند و پوشش وسیع‌تری در مناطق شهری دارند، که آنها را به گزینه‌ای جذاب برای حمل و نقل اشتراکی تبدیل می‌کند. در حال حاضر، پروژه‌های حمل و نقل اشتراکی مبتنی بر اتوبوس در اروپا (کاوالارو و نوسرا، 2023)، چین (بنگبو اینفورمیشن ریلیز، 2021) و ژاپن (نیکی، 2015) آزمایش و بررسی شده‌اند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. هنگام اجرای حمل و نقل اشتراکی شهری، می‌توان انتظار چندین مسئله و چالش عملی را داشت (ژو و همکاران، 2023). اول، حمل و نقل اشتراکی می‌تواند منجر به ناراحتی مسافران شود و چگونگی کاهش تأثیر نامطلوب حمل و نقل اشتراکی بر مسافران برای اجرای موفقیت‌آمیز آن بسیار مهم است (دی و همکاران، 2022). اقدامات لازم برای رسیدگی به این مشکل شامل جداسازی مسافر و بار به دلایل امنیتی، تعیین سقف ظرفیت اختصاص داده شده برای بار در اتوبوس و محدود کردن ایستگاه‌های اتوبوس که انتقال بار در آنها مجاز است (معمولاً فقط در ترمینال‌ها یا ایستگاه‌های اتوبوس خاص). دوم، مجموعه‌ای از ایستگاه‌های اتوبوس به عنوان «ایستگاه‌های هم‌وجهی» انتخاب خواهند شد که در آنها زیرساخت‌ها برای انجام وظایف ذخیره‌سازی، بارگیری و تخلیه بار ارتقا می‌یابند (دی و همکاران، 2022). سوم، شبکه خدمات حمل و نقل بار باید دوباره طراحی شود تا محدودیت‌های جدید ناشی از هم‌وجهی، مانند برنامه‌های اتوبوس، ظرفیت اتوبوس و انتقال بار را در بر بگیرد. کارایی سیستم حمل و نقل بار به شدت به هماهنگی و همگام‌سازی بین کامیون‌ها و اتوبوس‌ها بستگی دارد.

با توجه به عوامل فوق، این مقاله یک سیستم حمل و نقل بار یکپارچه با اتوبوس را بررسی می‌کند، که در آن اتوبوس‌های برنامه‌ریزی‌شده ظرفیت مازاد را برای حمل و نقل بار به LSP ارائه می‌دهند. سپس تقاضاهای بار را می‌توان یا با حمل و نقل مستقیم با کامیون یا با ترکیبی از حمل و نقل با کامیون و اتوبوس برآورده کرد، که در آن انتقال بار بین کامیون و اتوبوس فقط در ایستگاه‌های هم‌وجهی اتفاق می‌افتد. برای برنامه‌ریزی خدمات حمل و نقل، ما یک مدل برنامه‌ریزی خطی عدد صحیح مختلط پیشنهاد می‌کنیم که به طور مشترک اندازه ناوگان کامیون، مسیریابی و زمان‌بندی کامیون و تخصیص بار را بهینه می‌کند. یک روش دو مرحله‌ای مبتنی بر تولید ستون برای حل این مشکل طراحی شده است. ما آزمایش‌های عددی گسترده‌ای را برای اعتبارسنجی اثربخشی روش دو مرحله‌ای انجام می‌دهیم. مزایای اقتصادی و اجتماعی هم‌وجهی شهری نیز بررسی می‌شود.

سهم کلیدی این مقاله سه جنبه دارد: (۱) ما یک مدل نظری برای توصیف سیستم حمل و نقل بار یکپارچه با اتوبوس و کمی‌سازی مزایای اقتصادی و اجتماعی آن پیشنهاد می‌کنیم. در مقایسه با مسائل طراحی شبکه خدمات سنتی مبتنی بر کامیون، این مدل ویژگی‌های جدیدی را که توسط هم‌وجهی ایجاد می‌شوند، در خود جای می‌دهد، به عنوان مثال، خدمات حمل و نقل کامیونی نیاز به همگام‌سازی با برنامه‌های اتوبوس، انتقال بار بین‌وجهی و محدودیت‌های ظرفیت در ایستگاه‌های اتوبوس و هم‌وجهی دارد. (۲) یک روش دو مرحله‌ای مبتنی بر تولید ستون پیشنهاد شده است که می‌تواند به سرعت راه‌حل‌های تقریباً بهینه را در نمونه‌های کوچک به دست آورد. برای مسائل متوسط و بزرگ، این روش در توانایی به دست آوردن راه‌حل‌های عملی و کیفیت راه‌حل، هم از یک حل‌کننده تجاری و هم از یک روش اکتشافی بهتر عمل می‌کند. (۳) آزمایش‌های عددی نشان می‌دهند که اجرای هم‌وجهی شهری به طور قابل توجهی هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد، استفاده از حمل و نقل عمومی را افزایش می‌دهد و اندازه ناوگان کامیون و مسافت پیموده شده کامیون را کاهش می‌دهد. ما همچنین نشان می‌دهیم که چگونه مزایا و تصمیمات عملیاتی با حجم بار و استراتژی قیمت‌گذاری ارائه دهنده خدمات اتوبوس تغییر می‌کنند.(منبع).