مساله برنامه ریزی حمل و نقل آبی (مقاله ترجمه شده)

چکیدهیکی از مهم ترین موضوعات مرتبط با بندر، دسترسی به راه های آبی و مدیریت ترافیک شان است. این مورد، فشار زیادی به طور خاص بر ظرفیت محدود شدۀ راه های حمل و نقل آبی وارد می کند، که عدم استفادۀ کارآمد باعث زیان در رقابت و هم چنین افزایش حجم تولید گازهای گلخانه ای و در نتیجه آلودگی محیط زیست می شود. در این زمینه، مسألۀ برنامه ریزی حمل و نقل آبی، پیشنهاد می شود؛ که هدفش برنامه ریزی ورود و خروج کشتی ها از طریق آبراه های مختلف برای ورود یا ترک بندر به طوری که زمان انتظار حداقل شود، است. از سویی دیگر، این تابع هدف مانع ایجاد گلوگاه یا تراکم از طریق برنامه ریزی ترافیک آبراه می شود و از سوی دیگر، در حالی که کشتی ها در بندر برای ورود یا خروج منتظر هستند گازهای گلخانه ای ناشی از آن ها کاهش می یابد. مدلی ریاضی و ابتکاری پیشنهاد می شود. سناریوهای واقعی برمبنای دلتای یانگ تسه (شانگهای) برای ارزیابی عملکرد الگوریتم ابتکاری و بهبود عملیات در دنیای واقعی ارائه می شود.مقدمهرشد ترافیک دریایی، اداره کنندگان بندر را مجبور می کرد تا برای کاهش زمان انتظار هنگام دسترسی به زیرساخت هایشان، به طور مؤثری آن ها بخواهند سهم بازارشان را افزایش داده (Verstichel et al., 2011)، و گازهای گلخانه ای کشتی ها را کاهش دهند (کار Du et al.,2011, 2015 را ببینید) که این امر منجر به افزایش گازهای گلخانه ای و آلاینده های مضر و ارتقاء موقعیت بندر در سلسله مراتب بندر از طریق افزایش دسترسی بندر شده است (Caldeirinha and Felício, 2014). در این راستا، همان طور که Notteboom (2006) نشان داد 93.6 درصد برنامه های تأخیر به دلیل دسترسی به بندر و عملیات پایانه است. این ویژگی حتی زمانی که پایانه های کانتینر مانند بندرشانگهای جایی که_ با توجه به تعداد مشارکت کنندگان _ تعداد زیادی کشتی به صورت روزانه برای تعمیر از آبراه یانگ تسه دلتا می گذرند وجود دارد ارزشمندتر می شود. بنابراین، از آن جا که آبراه ها نقش مهمی را در پایانه های کانتینر دریایی (Notteboom, 2008) بازی می کند، آن ها به صورت کارا جهت اجتناب از گلوگاه ها یا ازدحام به دنبال راهی هستند که بتواند جهت زیان ناشی از رقابت به کار روند. به علاوه، استفاده از آبراه های داخلی به عنوان یک حالت حمل و نقل در پایانه های کشتی رانی، زمانی که ادغام فزاینده اش را با دیگر روش های حمل و نقل با چندین برنامۀ حمل شبکه ای در نظر می گیریم (Lowe, 2005, UNESCAP1) آشکارتر می شود. این مورد وجهی را برای مقابله با محدودیت های لجستیکی و فضایی در نظر می گیرد و موضوعاتی مرتبط با بندر را به اقتصاد جهانی اضافه می کند.از یکسو، از دیدگاه لجستیک سبز، اپراتورهای پایانه به کاهش گازهای گلخانه علاقمند هستند در حالی که به حفظ کیفیت خدمات نیز توجه دارند و از سویی دیگر، شرکت های حمل و نقل به خدمات هموار برای اجتناب از زمان انتظار غیرضروری نیاز دارند به طوری که باعث تأثیر منفی اقتصادی و زیست محیطی مربوط به مصرف سوخت و زمان طی مسیر، می شود. تعدادی از آثار در ادبیات تخصصی، رابطۀ بین زمان انتظار کشتی و گازهای ساطع شده را مطالعه کردند. Du et al. (2011) نشان دادند که زمان انتظار کشتی ها، تأثیر مهمی بر حجم گازهای ساطع شده دارد، به طوری که جریان عملیات می تواند به شرکت های حمل و نقل برای کاهش گازهای گلخانه ای و هم چنین به بندرها برای کنترل آن ها کمک نماید. در همان راستا، Kontovas and Psaraftis (2011) کاهش گازهای ساطع شده در شبکه های کانتینر دریایی را بررسی کردند که نشان می داد یکی از گزینه-های اصلی برای کاهش CO2 انتشار یافته، کاهش زمان انتظار کشتی است. Song (2014) گازهای گلخانه ای ساطع شده (CO2, CH4, N2O, PM10, PM2,5, NOx, SOx, CO and HC) را مطالعه کرد و هزینه های اجتماعی متناظر با آن ها را در بندر یانگشان در جنوب شانگهای چین مطالعه کرد. در کارشان، آن ها زمان انتظار کشتی در لنگرگاه و هم چنین اسکله را به صورت جداگانه برای ارزیابی گازهای گلخانه ای ساطع شده در نظر گرفتند. این نتایج نشان می دهد اگرچه که زمان انتظار در لنگرگاه تأثیر بیشتری نسبت به اسکله دارد، اما هر دو فعالیت منبع ساطع کردن گازهای گلخانه ای هستند. Fagerholt et al. (2010) در زمینۀ مسیرهای حمل و نقل نشان داد که زمان انتظار بیشتر کشتی ها پتانسیل بیشتری نسبت به کاهش افزایش مصرف سوخت دارند؛ این بر اهمیت زمان انتظار جهت مصرف و ساطع کردن گازهای گلخانه ای تأکید دارد. بنابراین، بهبود دسترسی به آبراه با اجتناب از زمان انتظار غیرضروری در ورودشان می تواند تنها منجر به صرفه جویی هزینه های اجتماعی و عملیاتی شود اما سطح کیفیت زیست محیطی در حداقل کردن گازهای ساطع شده، را افزایش می دهد. حوزۀ مطالعاتی: رود یانگ تسهدر حالی که این مقاله گرایش به تدوین و فرموله کردن دارد به نظر می رسد داشتن کاربرد خاص همان طور که در این بخش توضیح داده می شود دارای اهمیت می باشد.تنظیمات پایهدهانۀ رود یانگ تسه، یکی از مناطق حیاتی در چین برای حمل و نقل است(Notteboom, 2007;Comtois and Dong, 2007 را ببینید). بندر شانگ های واقع در چین، بندر اصلی کشتی های کانتینر است که میانگین رشد 16.5 درصدی کشتی های کانتینر را در سال 2010 (Yap and Lam, 2013) داشته است و یکی از بزرگترین گردش های مالی را در سال های اخیر (UNCTAD, 2014) داشته-است. در شکل 1، نقشۀ جغرافیایی دهانه، نشان داده شده است که چندین آبراه مانند آبراه عمیق که به عنوان مسیر شمال، مسیر جنوب، آبراه شاخۀ شمالی و مسیر شاخۀ جنوبی را شامل می شود. از تمام این ها، مسیر شمال و جنوب، مهم ترین هستند زیرا آن ها ورودی به پایانه های وایگاوکیو می باشند. مسیر شمال که هم چنین مسیر دهانۀ عمیق یانگ تسه نامیده می شود 12.5 متر عمق دارد و جز سه پروژۀ پیچیده و مقیاس بزرگ ذکر شده در بالاست. عرض مسیر شمالی، اندکی بیشتر از 80 متر است که تا حد زیادی محدودیت های ظرفیت این مسیر را دارد. با این وجود، به عنوان یک مسیر آبی دو طرفه در نظر گرفته می شود. از سوی دیگر، مسیر جنوبی، عمق 5.5 متر دارد و عرضش 250 متر است که به اندازۀ کافی برای حرکت دو کشتی کافی است. فرموله کردن مسألهمسألۀ برنامه ریزی زمانی آبراه کشتی (WSSP) مجموعه ای از وسایل یا کشتی ها V={1,…,v} را در نظر می گیرد که به مجموعۀ کشتی های ورودی V_1={1,2,…,v_1 } و کشتی های خروجی V_2={1,2,…,v_2 }، مجموعۀ مسیر های آبراه w={1,…,w} و مجموعۀ بازه های زمانی H={1,…,h} تقسیم می شوند. از آن جا که این مسأله، مسألۀ عملیاتی روزانه است، افق زمانی را یک روزه و تغییر سطح جزر و مد را نیز در طی این بازۀ زمانی در نظر می گیریم. علاوه بر این، در WSSP برای هر کشتیi∈{V_1∪V_2 }، زمان تخیمنی برای ورود به بندر داده شده است، Estimated Time of Departure، ETD_i، کهw_i عرض، l_i طول، d_i درفت و بسته به تخصیص آبراهk∈w، t_ik زمان عبور می باشد. از سویی دیگر، هر آبراه k∈w بازۀ زمانی در دسترس[s^k,e^k ]، عرض ϕ_k، عمق آب α_k^h که به بازۀ زمانی h∈H بستگی دارد. تابع هدفWSSP، تعیین برنامۀ شدنی برای کشتی هایی است که مجبور به دسترسی/ عزیمت به بندر از طریق آبراه ها را دارند به طوری که زمان انتظار کشتی ها پس از ورودشان حداقل شود و بنابراین کل زمان مورد نیاز برای کشتی ها که از آبراه عبور کنند حداقل شود. در این نقطه باید ترافیک ورودی و خروجی در طول آبراه شبیه سازی شود به طوری که محدودیت های مدل، برقرار شوند. مدل های حل برای WSSPاستفاده از یک پیشنهاد حل عمومی مانند CPLEX می تواند مقدار زمان محاسبات بیشتری برای حل WSSP به همراه داشته باشد. در این حالت، چون WSSP مسألۀ روزانۀ دنیای واقعی در بندر شانگهای است، حل مکرر این مورد به دلیل مقتضیات عملیاتی مانند نیاز کشتی ها به ورود قبل از ETAشان، تأخیر کشتی ها و تغییر بازه های زمانی مورد نیاز است. بنابراین، الگوریتم های ابتکاری جواب های با کیفیت بالا را بر حسب نیاز مقدار تابع هدف در زمان محاسباتی منطقی ارائه می کنند. برای پرداختن به این هدف، سه الگوریتم حریصانه را پیشنهاد می کنیم که دو تا از آن ها براساس سیاست های متداول می باشند. در این راستا، ارزیابی عملکردشان اجازه می دهد تا بستری از بهبود و نوآوری نسبت به تکنیک های پیچیده که می توانند بر حسب کاهش زمان انتظار و بنابراین بالا بردن کیفیت نهایی خدمت، رقابت و مراقبت های زیست محیطی ارائه دهند. از سوی دیگر، رویکرد شبیه سازی تبرید مزایایی را نسبت به سایر راه حل های ابتکاری برای بهره بردن از کیفیت جواب پیشنهاد می کند.الگوریتم حریصانهدر زمینۀ WSSP، جواب S به صورت مجموعه ای از سه تایی (v ̅,w ̅,h ̅ ),v ̅∈N,w ̅∈W,h ̅∈H تعریف می شود به طوری که v ̅ کشتی اختصاص داده شده به آبراه w ̅ را نشان می دهد و زمان شروع برای عبور از آبراه در زمان h ̅ برنامه ریزی می شود. به علاوه، S از S_in وS_out تشکیل شده است کهS=S_in∪S_out: S_in متناظر با کشتی ها ورودی و S_out متناظر را کشتی های خروجی است. آزمایش های محاسباتیاین بخش به ارائۀ آزمایشات تجربی جهت اعتبارسنجی مدلمان و ارزیابی عملکرد الگوریتم های ابتکاری پیشنهاد شده می پردازد. در انجام این کار، معیار مناسب، پیشنهاد می شود. مدل ریاضی در CPLEX با زمان 3600 ثانیه اجرا می شود. رویکردهای حل و مدل ریاضی، در کامپیوتری که با اینتل i7 3.5 GHz و رم 16GB تجهیز شده است انجام می شود. برای شبیه سازی تبرید، آزمایش های اولیه با پارامترهای زیر مشخص می شوند: نسل مسألهبه منظور ارزیابی عملکرد مدل پیشنهاد شده (اجرا شده درCPLEX) و الگوریتم های ابتکاری پیشنهاد شده در این کار، معیار مناسب پیشنهاد داده می شود. مثال این مسأله، برمبنای داده های ارائه شده توسط بندر شانگهای (چین) است. در این راستا، در کنار اطلاعات جغرافیایی، برای ایجاد معیار مناسب، به داده های ابتکاری مرتبط با ترافیک حمل و نقل و معیارهای جزر و مد در دهانه که توسط پایانۀ Waigaoqiao ارائه می شود دسترسی داریم. علاوه بر این، چون این مسأله می تواند به سناریوهای دیگری هم ترجمه شود، مثال-های مسألۀ ایجاد شده در اندازه های مختلف را داریم. از این رو، بر طبق اطلاعات ارائه شده، پارامترهایی را برای هر مورد بر طبق حداقل و حداکثر درفت، طول و عرض کشتی در نظر می گیریم و به صورت تصادفی اطلاعات کشتی ها را با استفاده از توزیع یکنواخت گسسته ایجاد می کنیم. به علاوه، همان طور که در بالا نشان داده شد، باید داده ها را از حداقل تا حداکثر سطوح جزر و مد آبراه ها، ارائه شده توسط مدیران پایانه در نظر بگیریم. در ادامه، مجموعه ای از نمونه های تولید شده برای ارزیابی WSSP فهرست شده اند. نتیجه گیری و تحقیق بیشتردر این کار، مسألۀ برنامه ریزی زمانی آبراه کشتی (WSSP) را با هدف برنامه ریزی رفت و آمد کشتی در طول آبراه ارائه می کنیم. در پرتو تجزیه و تحلیل ارائه شده، در می یابیم که حل این مسأله می تواند راه حل برنده- برنده منجر شود که زمان انتظار کشتی ها را کاهش دهد و منجر به صرفه جویی اقتصادی، عملیاتی و زیست محیطی هم برای شرکت های پایانه های کانتینر و هم برای شرکت های حمل و نقل شود. به منظور حل این مسأله، فرمول بندی ریاضیMILP را توسعه می دهیم و آن را به منظور پیشنهادات کلی با برنامۀ CPLEX حل می نماییم. به علاوه، چون این فرمول بندی برای جواب شدنی با محدودیت زمانی منطقی برای تعدادی از سناریوها در دسترس نیست، الگوریتم ابتکاری حریصانه برمبنای استفاده از قوانین صف مانند الگوریتم تبرید شبیه سازی شده (SA) پیشنهاد می شود. به منظور ارزیابی عملکردشان، یک مجموعۀ معیار برای مسائل واقعی از دهانۀ یانگ تسه در نظر گرفته می شود.از آزمایش های محاسباتی انجام شده در این مقاله، می توان استنباط کرد که این مسأله برای حل حتی برای مسأله با اندازۀ کوچک با استفاده از حل کلی پیشنهاد شده نیز مشکل است. با این وجود، رویکردهای SA در این کار پیشنهاد می شود که قادر است جواب های با کیفیت بالا در زمان کوتاه محاسباتی ارائه دهد. بررسی های تجربی هم چنین نشان می دهد که رویکردهای SA برای مسائل استفاده شدۀ روزمره سازگار است. در این راستا، آن چه که می تواند برجسته باشد تلاش محاسباتی است که به طور قوی تحت تأثیر ابعاد مثال قرار نمی گیرد چون جواب های شدنی با تلاش محاسباتی مشابه را برای نمونه های مختلف ارائه می دهد. این ویژگی باعث می شود که ارزش SA برای موارد عملی، از یک سو، تعداد کشتی هایی که می تواند به دلیل تأخیرها یا تغییر در مسیرها تغییر کند و از سویی دیگر، تعداد آبراه هایی که کشتی ها مجاز به عبور از آن ها هستند می-تواند وابستگی به این که چگونه آن ها برنامه ریزی می شوند یا در پایانه ها مورد استفاده قرار می گیرند را تغییر دهد. به عبارت دیگر، مقایسۀ SA با سیاست های صف متداول استفاده شده در پایانه های کانتینرها نشان می-دهد که بهبود آشکاری می تواند بر حسب کاهش زمان انتظار کشتی های غیرضروری به دست آید. این مورد صرفه جویی بیشتر رفت و آمد کشتی و سودهای اقتصادی و استراتژیک را مجاز می داند هم چنین افزایش در سطح کیفیت محیط زیست از طریق کاهش گازهای گلخانه ای را به همراه دارد. به علاوه، نتایج محاسباتی نشان می دهد که از دورنمای پایانه های کشتی های کانتینر، بهبود در مدیریت ترافیک در طول مسیر آبراه ها نه تنها در بالا بردن سطح رقابتی بودن پایانه ها مؤثر است بلکه در کاهش هزینه ها و ساطع شدن گازهای گلخانه ای خطوط حمل و نقل با کاهش زمان انتظار در مسیرهای روتین را با خود به همراه دارد. از سوی دیگر، با توجه به در نظر نگرفتن محدودیت های جزر و مدی و ابعادی، ETAs و ETDs اشتباه هم چنین زمان انتظار طولانی برای کشتی ها به منظور دسترسی به آبراه را منجر می شود. تمام این موارد، جدا از صرفه جویی زمانی برای کنترل های برنامه زمانی کشتی SIPG است چون آن ها مجبور هستند تا تمام کشتی های گزارش شده را چک کنند و روابطشان و در نهایت برنامۀ زمانی نامناسب را بهبود دهند.به علاوه، در کنار سودهای بالقوه به کار بردن این رویکردهای حل برای موارد واقعی، این رویکردها می توانند هم چنین به عنوان ابزار مناسب در مذاکرات بین اپراتورهای پایانه و شرکت های حمل و نقل استفاده شود به طوری که بر روی برنامه های زمانی آن ها نیز توافق شده است. اپراتورهای پایانه، قادر است تا دورنمایی از این که چگونه دامنۀ بازۀ زمانی ممکن بر بقیۀ برنامه های کشتی ها اثرگذار است به دست آورد در حالی که مذاکرات به دست آمده است. در این دورنما، استفاده از تکنیک های دقیق، می تواند از نتایج محاسباتی با استفاد از CPLEX دیده شود که نیاز به تلاش محاسباتی بیشتر بر حسب زمان اجرا است به طوری که باعث تأخیر یا آهسته شدن فرآیند تصمیم گیری در طی مذاکرات بین اپراتورهای پایانه و شرکت های حمل و نقل می شود. از این رو، استفاده از تکنیک های تقریبی به صورت آن هایی که در این کار پیشنهاد شدند برای سریع تر شدن تمام برنامه ها مناسب هستند به طوری که پایانه می تواند نگه داشته شود و شرکت های حمل و نقل بدون به خطر انداختن عملکرد یا قراردادشان تقریباً بر روی آن موافق هستند.با در نظر گرفتن نوآوری های بیان شده در این مقاله، مرحلۀ بعدی تحقیق ما بر تحلیل تمرکز دارد طوری که اثرات جزر و مدی را زمان انتظار کشتی در نظر بگیرد. یکی دیگر از موضوعات تحقیق آینده این است که این رویکرد با عملیات مرتبط دیگر در پایانه های کانتینر مانند برنامه ریزی بندر و استقرار اسکله ترکیب شود. از سوی دیگر، در یک سطح استراتژیک تر، کاربرد ابزار مربوطه را برای حمایت از تصمیم گیرندگان برای گزینه های متفاوت وزنی زمانی که بحث در مورد ارائۀ دسترسی مناسب به بندر و پایانه ها در مورد مسیرهای حمل و نقل ظرفیت محدود شده است، را جستجو می کنیم. مثالی در ذهن ما، به مورد بحث فعلی از لایروبی رودخانه البه با دسترسی آن با بندر هامبورگ، آلمان اشاره دارد. در نهایت، از نقطه نظر الگوریتمیک، ساختارهای همسایگی متفاوت و اثراتشان بر عملکرد الگوریتم شبیه سازی تبرید را بررسی خواهیم کرد. این روش به ما کمک می کند تا با در نظر گرفتن سناریو، روش هوشمندی برای ساختار انتخاب همسایگی در شیوه ای سازگار را ارائه کنیم.این مقاله ISI در سال 2018 در نشریه الزویر و در مجله حمل و نقل و محیط زیست، توسط موسسه سیستم های اطلاعاتی منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله مساله برنامه ریزی حمل و نقل آبی در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.