Integrated management of mixed fleets of electric and conventional vehicles under routing considerations

thumbnail.default.alt
Tarih
2021
Yazarlar
Al-Dalain, Reema Talab Hammad
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Özet
Planning and managing a set of freight delivery vehicles to minimize the total costs have always been a pressing issue in the transportation industry. However, recently and due to the environmental challenges, minimizing the greenhouse gas emissions in freight transport has become just as important as minimizing costs. In the race of dominance, the conventional vehicles used to overtake the electric vehicles in many aspects such as acquisition cost and refueling-recharging time, however effective management of electric vehicles in freight operations along with efficient cost planning throughout their lifecycle is expected to increase their adoption rate in urban freight. For heavy and medium duty vehicles there is uncertainty attached to the adoption rate due to limited driving range and charging battery, where companies might face losses of profit if vehicles needed to stop many times and for long periods during the day. Therefore, merging the electric vehicles with conventional vehicles in urban freight fleets can help to overcome the additional constraints induced by the specific characteristics of electric vehicles. A common practice for fleet mixed decisions is to use techniques that have been developed for managing conventional vehicles. These techniques may fall short in managing fleets with electric vehicles effectively. In this thesis, an attempt has been made to present a new perspective to the problem of managing a mixed fleet of electric and conventional vehicles in urban freight by integrating two models; fleet size and mixed vehicle routing problem with time window and replacement model. Our study was motivated by the recent practice of involving alternative vehicles in existing fleets as a response to the recent global advocates of minimizing the greenhouse gas emissions generated from using conventional vehicles in the transportation sector. We first consider a fleet size and mixed vehicle routing problem with time window to minimize the operational cost for different fleet compositions of electric and conventional vehicles, in which many constraints such as time window, limited distance range, and capacity are considered. Then we feed the results into a replacement model to find the best fleet mix policy. The replacement model is used to decide the optimal time periods to replace the used vehicles with a new one, taking into consideration different economic costs such as: annual discount rate, and energy prices for both fuel and electricity, along with the initial fleet compositions, and the planning time horizon. The methodology is implemented on generated and real life problems. Results from the computational experiments show that efficient planning of electric vehicles in urban operations can increase their presence compared to conventional vehicles. This is an important insight, since it shows that the adoption rate of electric vehicles in urban freight fleets may increase with better planning techniques, related to electric vehicles or with the increased experience of operational managers with electric vehicles.
Kentselleşme ile birlikte sera gazı salınımı ve enerji kaynaklarındaki azalma çok büyük problemler haline gelmiştir. Şehir nakliyeciliğinde elektrikli kullanımı, bu çok az miktarda karbondioksit salınımı, daha az gürültü, daha az kirlilik sağlamaları ve yenilenebilir enerji kaynakları ile çalışabilmelerinden dolayı bu problemlere bir çözüm olabilir. Elektrikli taşıtların bu avantajlarına ragmen, kısa sürüş menzili, yüksek fiyatları ve batarya maliyetlerindenn dolayı kentsel nakliyecliğinde kullanımı halen çok geride kalmıştır. Ayrıca bir çok ülkede şarj istasyonlarının olmaması elektrikli taşıtların bu alanda gelişmesi yönünde büyük engel teşkil etmektedir. Konvansiyonel taşıtlar elektrikli taşıtlar göre bir çok yönde daha üstünken, son zamanlarda elektrikli taşıtların yüksek teknoloji ile gelişitirilmiş olması, piyasaya sunulması ve çevresel problemlerdeki sorunların azaltılması, elektrikli taşıtları daha rekabetçi bir konuma getirmiştir. Elektrikli taşıtların etkili bir şekilde yönetimi ve ürün ömrü için etkin maliyet planlamaları ile birlikte şehir içi nakliyede adaptasyonunu arttırması beklenmeketdir. Dünyadaki bir çok firma çevresel problemlerden dolayı konvansiyonel taşıtlarla birlikte elektriksel taşıtların etkili bir şekilde yönetimi ve ürün ömrü için etkin maliyet planlamaları ile birlikte şehir içi nakliyede adaptasyonunu arttırması beklenmeketdir. Dünyadaki bir çok firma çevresel problemlerden dolayı konvansiyonel taşıtlarla birlikte elektriksel taşıtları da kullanmaya başlamıştır. Konvansiyonel taşıtların elektirikli taşıtlarla bilirkte kullanımı elektriksel taşıtların kısa sürüş menzili ve şarj edilme gibi problemlerinin ortadan kaldırılma konusunda etkili olmuştur. Filo için kullanılan yaygın bir uygulama geleneksel taşıtların geliştirilmiş teknikleriyle birlikte kullanımı ile yönetmektir. Bu karma teknikler elektriksel taşıtların kullanılmaya başlaması ile azalmıştır. Bu tez kapsamında, elektriksel taşıtların şehir içi nakliyede kullanılması alanında adaptasyon düzeyi, operasyonal planlamaların filo yatırımlarındaki etkisine bakılarak araştırılmış ve ayrıca güzergah birleştirilmesi, filo bileşimlerdeki düzenlemelerin elektrikli taşıtların şehir içi nakliyedeki üzerine etkisi incelenmiştir. Elektrikli karma filo modelleri ile ilgili daha önceki çalışmalar taşıtların yaşına bağlı olarak sabit nakliye maliyetlerini varsayar. Bu varsayım yenileme ilkesini belirlemeyi kolaylaştırmasına ragmen, gerçek yaşam durumları için belirsiz ve gerçekçi değildir çünkü rota kısıtlamaları operasyonel maliyette çok önemli bir yer tutmaktadır Problemi daha net bir şekilde tanımlayabilmek için, şehir içi nakliyede elektrikli ve konvansiyonel taşıtlar için araç rotalama ve filo bileşim kararlarını birlikte ele alan yeni bir entegre metotla en iyi taşıt yenileme ilkesi belirlenmiştir. Bu modelde operasyonel maliyetler Zaman Pencereli Karma Araç Rotalama problemlerine (ZPKAR) göre hesaplanmıştır. Bu hesaplamada, taşıt yenileme modelindeki olası tüm filo bileşimleri için zaman penceresi, mesafe kısıtı ve kasapasite gibi sınırlamalar göz önüne alınarak hesaplama yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar yenileme modelinde giriş verisi olarak kullanılmıştır. Yenileme modeli, kullanılmış taşıtların değişimi için en uygun zamanı ekonomik maliyetler, yıllık amortisman oranı, elektrik ve yakıt harcamaları gibi faktörlere göre belirlemektedir. Bununla birlikte başlangıç filo bileşimleri, planlama süresi, bütçe, taşıt başına katedilen mil, yıllık taşıt sayısı gibi etmenler de göz önünde bulundurulmaktadır. Yenileme modelindeki taşıt özelliklerine ek olarak, taşıtın maksimum yaşı, edinim maliyeti, tamir onarım maliyetleri, bakım maliyetleri, karbondioksit gaz salınımı, vergiler ve taşıt cinsi gibi parametreler de yer almaktadır. Tüm bu kriterler yenileme modelinde en önemli unsuru tahmin etmemizi sağlamaktadır. Bu unsur ise, tüm taşıtlar için ZPKAR tarafından belirlenen rotalar sonucu ortaya çıkan yıllık katedilen mesafedir. Geliştirdiğimiz model elektrikli ve konvansiyonel taşıtların karma filo performansları için yapılan klasik değerlendirmenin ötesinde bir analiz olanağı sunmaktadır. Bu sayede farklı karma filo bileşimlerinin, operasyonel aralıkların ve maliyetlerin filo karma ilkesine etkisi analiz edilebilmektedir. Önerilen yöntem gerçek veya kuramsal hayat problemlerine uygulanabilmektedir. Hesaplamalı deney sonuçlarımıza göre, etkili bir rota planlama ile elektrikli taşıtların şehiriçi yük taşımacılığında kullanımı konvansiyel taşıtlara kıyasla artmaktadır. Bu çok önemli bir sonuçtur, çünkü etkili bir planlama ile elektrikli taşıtların şehiriçi yük taşımacılığına adaptasyonun mevcut duruma göre artırılabileceğini göstermektedir. Önerilen yöntem herhangi bir karma filo planlama problem için doğrudan kullanılabilecektir. Fakat yöntemin çok karmaşık hesaplamalı bir yapıya sahip olmasından dolayı, problemin boyutu müşteri sayısı yönünden arttıkça, tam bir çözüm sunması çok zordur. Ayrıca araç rotalama modeli, aracın şarj için depoya dönmesi durumunda bazı modifikasyonlar gerektirecektir. Elektrikli taşıtların adaptasyon oranına etkisini görebilmek için sonuçların genellenmesi gereklidir ve bu konuda başka çalışmalar gerekmektedşr. Bunun için taşıt özellikleri ve sera gazı salınım maliyetleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Ayrıca elektrikli taşıt endüstrisinde önemli teknolojik ilerlemeden dolayı ve yakıtlardaki sabit değişime göre, şu anki mevcut sonuçlar gelecekte güncellenecektir. Duyarlılık analizi sonuçlarına göre, filo bileşiminde daha çok elektrikli taşıt kullanabilmesi için, bataryaların ömür süresi artırılmalıdır, bu da çeşitli optimizasyon teknikleri ile sağlanabilir. Bununla birlikte bataryaların ömür süresi ile ilgili bir çok belirsizlik halen mevcuttur. Gelecekteki çalışmalar için, model şarj olanakları eklenerek genişletilebilir, çünkü elektrkli taşıtlar rota esnasında tamamen veya kısmi olarak şarj edilebilirler. Sonrasında farklı şarj stratejilerinin batarya ömür süreleri üzerindeki etkisi analiz edilebilir ve bundan dolayı elektrkli taşıtlar daha rekabetçi hale getirilebilir. Karbondioksit gaz salınım maliyetleri ve batarya değişim seçenekleri ile gözlemlerimize göre geliştirdiğimiz entegre model temel filo yönetim modeline kıyasla elektrikli taşıtların adaptasyon oranın arttığını söylemektedir. Ayrıca önerdiğimiz model konvansiyonel ve elektrikli taşıt maliyetlerinin birbirine çok yakın olduğu durumlarda daha etkili olacaktır. Bununla birlikte güvenilir sonuçlar için gelecekte daha çok örneklem üzerine çalışılmalıdır. Şehir nakliyeciliği kapsamlı bir konu olup bir çok faktör, dikkate alınacak hususlar ve problemler içerir. Son zamanlarda, elektrikli taşıtların kullanımı yoğun ilgli görmüştür, yalnız bu taşıtların şehir nakliyeciliğinde kullanımı için adaptasyonun arttırılması ile ilgili daha çok araştırmaya ihtiyaç vardır. Gelecek çalışmalarda şarj konusunu da kapsayan modellerim önemi artacaktır. Modelleme yönünden ise, stokastik seyahat süresi ve hizmet süresi gibi dinamik parametreler de ele alınabilir. Bu sayede dinamik filo boyutu ve karma araç rota problemleri gelecekte çalışılabilir.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021
Anahtar kelimeler
Araç yönlendirme problemi, Vehicle routing problem, Elektrikli araçlar, Electric vehicles
Alıntı