![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
استراتژیهای عملیاتی بهینه برای حمل بار با وسایل نقلیه الکتریکی با در نظر گرفتن خطوط شارژ بیسیم
برخلاف شارژ مجدد سنتی در ایستگاههای ثابت، خطوط شارژ بیسیم مجهز به شبکه جادهای، خودروهای الکتریکی (EV) را قادر میسازند تا در حین حرکت شارژ شوند و زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد EV را کاهش دهند. در واقع، در دسترس بودن خطوط شارژ بیسیم به اپراتورهای خدمات حمل و نقل بار شهری این امکان را میدهد که تنظیم برنامه مسیریابی EVها را برای انجام شارژ مجدد EV در حین حمل و نقل در نظر بگیرند تا کل هزینههای عملیاتی بیشتر کاهش یابد. با پیشبینی اینکه خطوط شارژ بیسیم عملاً در شبکه جادهای ساخته شوند، این مطالعه با هدف بررسی چگونگی تعیین برنامه بهینه مسیریابی EV در یک مسئله برداشت و تحویل در سیستم حمل و نقل الکتریکی آینده انجام شده است. این مسئله در یک مدل برنامهریزی عدد صحیح مختلط فرموله شده است و ما یک الگوریتم شاخه و قیمت برای حل آن پیشنهاد میکنیم. علاوه بر این، یک الگوریتم جستجوی همسایگی بزرگ در چارچوب تولید ستون گنجانده شده است تا به طور موثر به زیرمسائل رسیدگی کند. آزمایشهای محاسباتی روی نمونههای آزمایشی، اثربخشی الگوریتم پیشنهادی ما را برجسته کرده و پتانسیل خطوط شارژ بیسیم را برای کاهش کل هزینههای عملیاتی نشان میدهد.
مقدمه
در سالهای اخیر، انتشار گازهای گلخانهای (GHG) به عنوان یک نگرانی عمیق زیستمحیطی در سطح جهان ظهور کرده است. بخش حمل و نقل سهم قابل توجهی در انتشار گازهای گلخانهای دارد، زیرا سوختهای نفتی بخش عمدهای از انرژی حمل و نقل را تشکیل میدهند (Erdoğan and Miller-Hooks, 2012). در پاسخ، وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) برای کاهش تأثیر صنعت حمل و نقل بر محیط زیست توسعه یافتهاند. آنها پتانسیل این را دارند که به عنوان جایگزین اصلی وسایل نقلیه احتراق داخلی معمولی از نظر کاهش انتشار گازهای گلخانهای عمل کنند، زیرا میتوانند با منابع انرژی پایدار و تجدیدپذیر کار کنند (Schneider et al., 2014). علاوه بر کاهش انتشار، وسایل نقلیه الکتریکی همچنین سطح سر و صدای کمتری و مزایای اقتصادی بلندمدت را ارائه میدهند (Desaulniers et al., 2016). در واقع، بسیاری از شهرهای بزرگ در سراسر جهان در حال بررسی برقیسازی کامل سیستمهای حمل و نقل آینده خود هستند. به عنوان مثال، سنگاپور قصد دارد تا سال 2040 وسایل نقلیه احتراق داخلی را از جمعیت خودروهای خود حذف کند. به این معنی که حمل و نقل مسافر و بار در آینده نزدیک به طور کامل به وسایل نقلیه الکتریکی متکی خواهد بود.
با این حال، در عمل، هنوز موانع زیادی مانند محدوده رانندگی محدود و زمان شارژ طولانی، مانع از پذیرش گستردهتر خودروهای برقی میشود. علاوه بر این، خودروهای برقی باری، به عنوان خودروهای تجاری، ملزم به فعالیت طولانی مدت در شبکه جادهای در طول یک روز برای حمل کالا هستند که منجر به مسافتهای روزانه بسیار طولانیتری نسبت به خودروهای مسافربری میشود و نیاز به شارژ مکرر در طول مسیر را افزایش میدهد (Dalla Chiara and Goodchild, 2020). این مسائل مرتبط با خودروهای برقی به ویژه برای خودروهای باری نسبت به خودروهای مسافربری شخصی برجستهتر است. بنابراین، در این مطالعه، ما بر کاربرد خودروهای برقی در حمل و نقل بار شهری، به ویژه مشکلات تحویل و برداشت (PDP) تمرکز میکنیم.
مطالعات متعددی مسئله مسیریابی وسایل نقلیه الکتریکی (EVRP) و انواع آن را بررسی کردهاند که شامل ملاحظاتی برای پنجرههای زمانی، شارژ جزئی و ناوگانهای ناهمگن وسایل نقلیه الکتریکی است. مسائل برداشت و تحویل وسایل نقلیه الکتریکی (EPDP)، که تعمیمی از EVRP است، نیز مورد توجه قابل توجهی قرار گرفته است. طبق این مطالعات ارجاع شده، شارژ مجدد وسایل نقلیه الکتریکی عمدتاً در ایستگاههای شارژ ثابت انجام میشود و در مقایسه با سوختگیری وسایل نقلیه احتراق داخلی معمولی که در صنعت لجستیک سنتی استفاده میشوند، به طور قابل توجهی زمانبرتر است. دلیل این امر این است که وسایل نقلیه الکتریکی ممکن است نیاز به انحراف به یک ایستگاه شارژ ثابت داشته باشند و منتظر بمانند تا قبل از اینکه بتوانند برای ارائه خدمات تحویل بیشتر اعزام شوند، به طور کامل شارژ شوند. علاوه بر این، تعداد محدود ایستگاههای شارژ ثابت موجود اغلب منجر به صفهای طولانی میشود که زمان شارژ مجدد را بیشتر افزایش میدهد. زمان طولانی صرف شده برای شارژ مجدد وسایل نقلیه الکتریکی منجر به چالشهای عملیاتی قابل توجهتری هنگام استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی برای خدمات حمل و نقل بار خواهد شد. این عوامل بر لزوم بررسی فناوریهای نوآورانه شارژ وسایل نقلیه الکتریکی تأکید میکنند.
فناوری نوظهور شارژ بیسیم (WC) یک راهحل امیدوارکننده برای حل این مشکلات ارائه میدهد، زیرا فناوری شارژ بیسیم به خودروهای الکتریکی اجازه میدهد تا در حین حرکت در جاده شارژ شوند (Desaulniers و همکاران، ۲۰۱۶). با کمک فناوری شارژ القایی، جادهها میتوانند به عنوان زیرساخت شارژ الکتریکی شوند و به خودروهای الکتریکی اجازه دهند بدون استفاده از رابط فیزیکی شارژ شوند (Chen و همکاران، ۲۰۱۶، He و همکاران، ۲۰۱۳). با توجه به اینکه این فناوری در عمل به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است، تحقیقات حاضر عمدتاً بر مسئله مکانیابی بهینه خطوط شارژ بیسیم تمرکز دارند (کو و جانگ، ۲۰۱۳؛ ریمان و همکاران، ۲۰۱۵؛ چن و همکاران، ۲۰۱۶؛ چن و همکاران، ۲۰۱۷؛ هوانگ و همکاران، ۲۰۱۷؛ یان و همکاران، ۲۰۱۷؛ هی و همکاران، ۲۰۲۰؛ تران و همکاران، ۲۰۲۲؛ لیو و همکاران، ۲۰۲۴).
ما پیشبینی میکنیم که خودروهای برقی به طور گسترده در حمل و نقل بار شهری مورد استفاده قرار گیرند و امکانات شارژ بیسیم بیشتری در سیستم حمل و نقل آینده ساخته شود. این توسعه، گزینههای بیشتری برای شارژ مجدد به خودروهای برقی میدهد که میتواند هنگام بررسی شارژ مجدد، انتخاب مسیریابی خودروهای برقی را به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهد، زیرا امکانات شارژ بیسیم فقط در لینکهای خاص خاصی در شبکه جادهای ساخته میشوند. به عنوان مثال، هنگامی که شارژ بیسیم در دسترس نباشد، خودروهای برقی که شارژشان تمام میشود، باید به دنبال یک ایستگاه شارژ ثابت بگردند و مدتی را در انتظار شارژ مجدد خودروهای برقی بگذرانند. برای جلوگیری از جریمه دیرکرد سرویس تحویل درخواستی، اپراتور ممکن است مجبور شود یک خودروی برقی دیگر را برای انجام وظایف انجام نشده باقی مانده اعزام کند که هزینههای عملیاتی بالاتری را متحمل میشود. با این حال، اگر خطوط شارژ بیسیم در شبکه جادهای در دسترس باشند، خودروهای برقی که نیاز به شارژ مجدد دارند، ممکن است مسیریابی خود را طوری تنظیم کنند که از خطوط شارژ بیسیم عبور کنند تا شارژ مجدد را قبل از اینکه بتوانند بیشتر کار کنند و خدمات تحویل درخواستی باقی مانده را بدون تأخیر انجام دهند، تکمیل کنند. بنابراین، مطالعه چگونگی تأثیر در دسترس بودن خطوط شارژ بیسیم بر مشکلات مسیریابی خودروهای برقی باری ارزشمند است. با وجود اهمیت این موضوع، کارهای کمی به آن پرداختهاند. لی و همکاران. (2018) یک مسئله کوتاهترین مسیر وسیله نقلیه الکتریکی را با استفاده از فناوریهای شارژ بیسیم و پلاگین برای یک وسیله نقلیه الکتریکی تک سرنشین بررسی کردند. وانگ و همکاران (2022) یک استراتژی شارژ ترکیبی را در چارچوب مسیریابی پویای وسیله نقلیه برای حمل و نقل بار بررسی کردند و همچنین تنها یک وسیله نقلیه الکتریکی را با سرعت ثابت در تمام قوسها در نظر گرفتند. این مطالعات نیاز به تحقیقات بیشتر در سناریوهای پیچیدهتر شامل چندین وسیله نقلیه الکتریکی و سرعتهای متغیر را برجسته میکنند.
تا آنجا که ما میدانیم، هیچ تحقیق قبلی تاکنون مسئله مسیریابی خودروهای برقی در حمل و نقل بار را در زمانی که خدمات شارژ بیسیم در دسترس است، بررسی نکرده است. برای رفع این شکاف تحقیقاتی، مطالعه ما بر روی یک مسئله معمول جمعآوری و تحویل در تحویل کالاهای شهری تمرکز دارد که در آن میتوان از چندین خودروی برقی استفاده کرد و خطوط شارژ بیسیم برای شارژ مجدد خودروهای برقی در دسترس هستند. ما مسئله جمعآوری و تحویل با خودروهای برقی را با در نظر گرفتن شارژ بیسیم (EPDPTWWC) معرفی میکنیم و EPDPTW را با در نظر گرفتن صریح شارژ مجدد خودروهای برقی در حال حرکت با خطوط شارژ بیسیم گسترش میدهیم. در این سناریو، ناوگانی از خودروهای برقی همگن از یک ایستگاه مرکزی اعزام میشوند و وظیفه دارند قبل از بازگشت به ایستگاه، دقیقاً یک بار به هر مشتری خدمترسانی کنند. هر جفت مشتری جمعآوری و تحویل باید توسط یک وسیله نقلیه سرویسدهی شوند. برای رفع محدودیتهای برد رانندگی، این خودروهای برقی باید در طول سفر خود، بسته به الزامات عملی برآورده کردن تقاضای حمل و نقل بار، به طور کامل یا جزئی شارژ شوند. شارژ مجدد خودروهای برقی را میتوان در حین حرکت در خطوط شارژ یا در حالت سکون در ایستگاههای شارژ ثابت انجام داد. برای دستیابی به یک استراتژی شارژ مجدد کارآمدتر و واقعبینانهتر، میتوان سرعت حرکت خودروهای برقی را تنظیم کرد و در نتیجه میزان انرژی شارژ شده را کنترل نمود. هدف اصلی فرمولبندی این مسئله، به حداقل رساندن کل هزینههای عملیاتی، شامل هزینه ثابت مالکیت یا اجاره ناوگان وسایل نقلیه حمل و نقل، هزینه عملیاتی متغیر مصرف انرژی و جریمههای دیرکرد، با بهینهسازی استراتژیهای مسیریابی خودروهای برقی است. برای پرداختن به این مسئله، آن را در یک مدل برنامهریزی عدد صحیح مختلط فرمولبندی میکنیم و یک الگوریتم شاخه و قیمت (BnP) برای آن توسعه میدهیم.
ادغام خطوط شارژ بیسیم در مسئله EPDPTW دو چالش مهم را ایجاد میکند. اولاً، در نظر گرفتن خط شارژ بیسیم، یک متغیر پیوسته جدید را به مدل بهینهسازی اضافه میکند: سرعت خودروهای برقی در این خطوط. در واقع، سرعت خودروهای برقی در خطوط شارژ بیسیم، هم میزان انرژی شارژ شده به خودروهای برقی و هم زمان پیمایش در خطوط شارژ بیسیم را تعیین میکند که در کنترل زمان رسیدن و انرژی باقیمانده خودروی برقی در هر گره پس از پیمایش یک خط شارژ بیسیم، نقشی محوری دارد. بنابراین، تعیین سرعت بهینه خودروی برقی در این خطوط شارژ بیسیم ضروری است تا هزینه عملیاتی کل به حداقل برسد. این امر، طراحی الگوریتم را پیچیده میکند زیرا الگوریتمهای شاخه و قیمت مرسوم که برای EVRP طراحی شدهاند، سرعت متغیر را در نظر نمیگیرند. معمولاً، هنگام حل زیرمسئله در این الگوریتمها، که یک مسئله کوتاهترین مسیر با محدودیت منابع است، وضعیت منابع یک وسیله نقلیه در هر گره (مانند انرژی باقیمانده آن) باید از پیش تعریف شده باشد. با این حال، در سناریوی ما، این مقادیر را نمیتوان از پیش تعیین کرد زیرا سرعت، یک متغیر تصمیم حیاتی، مستقیماً بر آنها تأثیر میگذارد. برای پرداختن به این مشکل، این الگوریتم شاخه و قیمت اصلاحشده شامل تعیین کرانهای بالا و پایین برای این حالتهای منبع برای شناسایی کوتاهترین مسیرهای بالقوه است. سپس از یک برنامهریزی خطی برای اصلاح این مسیرها و استخراج یک استراتژی شارژ بهینه استفاده میکنیم. این تطبیق نه تنها چالشهای منحصر به فرد ناشی از خطوط شارژ بیسیم را برطرف میکند، بلکه بینشهایی را در مورد حل مسائل مسیریابی که شامل متغیرهای تصمیم پیوسته با استفاده از الگوریتم شاخه و قیمت هستند، ارائه میدهد. چالش دوم، افزایش پیچیدگی محاسباتی ناشی از احتمال بازدید چندین باره خودروهای برقی از خطوط شارژ بیسیم است که ساختار شبکه را پیچیده میکند. برای کاهش این مشکل، ما استفاده از یک روش بهبود یافته جستجوی همسایگی بزرگ (LNS) را برای تسریع فرآیند محاسباتی الگوریتم پیشنهاد میکنیم.
به طور خلاصه، سهم اصلی این مطالعه این است که این اولین مطالعهای است که به مسئلهی جمعآوری و تحویل در سیستم حمل و نقل آینده با چندین خودروی برقی، با در نظر گرفتن صریح در دسترس بودن خطوط شارژ بیسیم و سرعتهای متغیر، میپردازد. این فناوری جدید شارژ خودروهای برقی، انتخابهای مسیریابی کارآمدتری را ممکن میسازد و به مشکلات عملی در لجستیک شهری آینده میپردازد. این مسئله از یک استراتژی شارژ انعطافپذیر استفاده میکند که به خودروهای برقی اجازه میدهد تا بر اساس انرژی مورد نیاز برای تحویلهای باقیمانده، تا حدی شارژ شوند. این امر با فعال کردن خودروهای برقی برای تنظیم سرعت خود در خطوط شارژ بیسیم تسهیل میشود. علاوه بر این، یک الگوریتم شاخه و قیمت اصلاحشده و یک الگوریتم بهبود یافتهی LNS برای مقابله با مسئلهی فرموله شدهای که نمیتوان آن را مستقیماً با الگوریتم شاخه و قیمت سنتی حل کرد، توسعه داده شدهاند. آزمایشهای محاسباتی ما نشان میدهد که الگوریتمهای پیشنهادی از نظر مقدار هدف و زمان مورد نیاز برای دستیابی به این نتایج، از سایر روشها، از جمله حلکنندهی گوروبی و الگوریتم شاخه و قیمت با استفاده از الگوریتم ابتکاری LNS، بهتر عمل میکنند.
این مطالعه به شرح زیر سازماندهی شده است: بخش 2 خلاصهای از ادبیات مربوط به EPDPTWWC را ارائه میدهد. بخش 3 مسئله EPDPTWWC را تعریف کرده و فرمولهای ریاضی مسئله را پیشنهاد میدهد. بخش 4 الگوریتم شاخه و قیمت را برای حل مسئله توسعه میدهد. بخش 5 فرآیند تولید مسئله آزمایشی و نتایج آزمایشهای محاسباتی را شرح میدهد. نتیجهگیری مطالعه در بخش 6 خلاصه شده است.(منبع).