Energy optimized electric vehicle location routing problem with intermediate nodes
Enerji eniyilenmiş elektrikli araç ara düğüm noktalı yer rotalama problemi
- Tez No: 633350
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Ulaşım, Transportation
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
İçten yanmalı motorlu taşıtların karayolu taşımacılığında baskın kullanımı, ulaştırma sektörünün dışsallıklarından olan hava kirliliği ve sera gazı salımı kaynaklı iklim değişikliği gibi toplum sağlığını ilgilendiren konulardaki endişeleri arttırmaktadır. Bu bağlamda, 2000 yılında %9 olarak ölçülen ulaştırma sektörünün atmosferde insan kaynaklı ısınmaya olan katkısının 2050 yılında %16 değerine ulaşması beklenmektedir. Özellikle yenilenebilir olmayan enerji kaynaklarının tüketimine ve sera gazlarının etkilerine bağlı çevresel ve toplum sağlığı ile ilintili endişeler, işletim sürecindeki azaltılmış salım veya sıfır salım nitelikleri gözetildiğinde karma motorlu ve elektrikli araçlar gibi seçenek araç teknolojilerinin araç pazarına girişini tetiklemiştir. Fosil yakıtlar yerine yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına imkan sağlanması, ve içten yanmalı motorlu araçlarda ısı olarak kaybolan frenleme enerjisinin, geri kazanımlı frenleme ile yeniden pile yüklenebilmesi gibi özellikleri ile elektrikli araçlar ulaştırma sektörünün çevresel etkilerini azaltmada güçlü bir seçenek olarak araç pazarındaki yerini almıştır. Elektrikli araçların işletimindeki çevresel etkilerine bakıldığında, geleneksel içten yanmalı motorlu araçlardan farklı olarak egzoz gazı salımının olmaması bir getiriyken, pil dolumunun yapıldığı elektriğin kaynağı, elektrikli araçların yaşam döngüsü boyunca neden olduğu sera gazı salımının belirlenmesinde önemli rol oynamaktadır. Geleneksel içten yanmalı motorlu araçlara seçenek olarak geliştirilen elektrikli araçlar, kısıtlı menzilleri ve dolayısıyla gereksinim duydukları dolum istasyonu altyapısı gibi etmenler nedeniyle günümüzde henüz çok yaygınlaşamamıştır. Seçenek (alternatif) yakıtlı araçlar için var olan söz konusu kısıtlar, araç rotalama problemi kapsamında ele alınarak, menzil kısıtlarına uygun rotalar ve dolum istasyonu yerleri belirlenebilmektedir. Araç rotalama problemi, coğrafi olarak saçılmış noktalar arasında mesafe, zaman gibi kısıtlara bağlı olarak araç sayısı kadar eniyilenmiş rota oluşturulmasını hedeflemektedir. Ele aldığı kısıtlara bağlı olarak Araç Rotalama Problemi yıllar içerisinde Zaman Pencereli Araç Rotalama Problemi, Okul Servisi Rotalama Problemi, Yer Seçimi Rotalama Problemi gibi çeşitlenmeler göstermiştir. Bu kapsamda Yer Seçimi Rotalama Problemi kapsamında, eniyilenmiş rotanın yanında, depo, ara depo veya dolum istasyonu gibi rota üzerine yerleştirilmesi gereken düğüm noktalar için en iyi yere karar verilmektedir. Elektrikli Araç Rotama Problemi ise, yakıt tüketiminin çevresel kaygılar kaynaklı enküçüklenmeye çalışıldığı araç rotalama problemlerinden evrilmiş ve elektrikli araç kullanımına bağlı olarak ortaya çıkan mesafe kısıtı, pil dolum süresi gibi etmenleri dikkate alarak elektrikli araçların en kısa mesafe, en az maliyet, en az enerji tüketimi gibi amaçlar bağlamında eniyilenmiş rotalarda yolculuk etmesini hedeflemektedir. Bu çalışmada, insan veya yük taşımacılığında elektrikli araçların yaygınlaşmasındaki zorluklar göz önünde bulundurularak, elektrikli araçların enerji tüketimlerinin gerçekçi biçimde modellendiği, bu bağlamda kısıtlı menzillerinin verimli kullanıldığı rotalar ve söz konusu rotalar üzerinde enküçüklenmiş sayıdaki dolum istasyonları için en uygun yerlerin belirlenmesine odaklanılmıştır. Çalışma kapsamında, durak düğümlerine ek olarak yol ağındaki kavşakların da düğüm olarak ele alındığı ve araç hareket dinamiğinin üç boyutlu yol geometrisi, yolcuların düğüm noktası bazlı iniş ve biniş talepleri, ve önceden tanımlı hız profillerine bağlı olarak gözetilmesiyle enerji tüketiminin gerçekçi biçimde belirlendiği Ara Düğümlü Elektrikli Araç Yer Seçimi ve Rotalama Problemi tanımlanarak, elektrikli araçlar için dolum istasyonu yerlerinin belirlendiği rotaların önerilmesi amaçlanmıştır. Geliştirilen model kapsamında, rotalama ve dolum istasyonu yer seçiminde amaç fonksiyonunun önemine dikkat çekmek için enerji tüketimi, maliyet, rota uzunluğu ve yolculuk süresi olmak üzere farklı amaç fonksiyonları önerilmiştir. Literatürdeki Elektrikli Araç Yer Seçim Rotalama problemlerinde göz ardı edilen araç hareket dinamiği bazlı enerji tüketiminin dikkate alınmasıyla, yol geometrisi, araçların duraklara veya kavşaklara yaklaşırken hızlanma ve yavaşlanma davranışı, yolcu talebi gibi parametrelerin enerji tüketimine, dolayısıyla eniyi rota ve eniyi dolum istasyonu yerine etkisi değerlendirilmiştir. Geliştirilen model, durak/kavşak/bağ sayısı, yolcu talebi, düğüm noktası yükseklik (kot) değerleri gibi özellikler ağ özelinde gözetilecek şekilde (i) sıklıkla kullanılan örnek ağlar; (ii) orta ölçekli gerçek bir ağ; ve (iii) büyük ölçekli gerçek bir ağ örnekleri için irdelenmiştir. Sıklıkla kullanılan örnek ağlar kapsamında Nguyen-Dupuis ve Sioux-Falls ağları mevcut başlangıç-bitiş talepleri ile, Sioux-Falls ağı için bağ eğim değerleriyle ele alınmıştır. Orta ölçekli gerçek ağ olarak İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Yerleşkesi yol ağı ele alınarak, söz konusu ağda günde sırasıyla 33 ve 43 çevrim yapan lojman ve öğrenci mekik servislerine odaklanılmıştır. Yeşil yerleşke vizyonuna sahip üniversitede mevcut koşullara uygun olacak şekilde mekik servislerinin elektrikli araçlarla yenilenebilmesi hedefiyle ağda bulunan mekik servis durakları için servis özelinde toplanan yolcu indi-bindi verileri kullanılarak, bağ eğimleri ile yerleşke içi trafik koşullarına göre hız profilleri belirlenmiştir. Büyük ölçekli gerçek ağ örneği olarak, ulaşımın faytonlar veya bisikletlerle sağlandığı Marmara Denizi'nde bulunan Büyükada belirlenerek, önerilen modelin büyük bir ağdaki başarım değerlendirmesini yapmanın yanında, ada içi ulaştırmasına sürdürülebilir ve çevre dostu bir öneride bulunmak amaçlanmıştır. Adalılar için günlük hayatı zorlaştırabilen Büyükada'nın engebeli arazisinin geri kazanımlı frenleme, dolayısıyla enerji tüketimi üzerine etkisi ayrıca değerlendirilmiştir. Bağ özelinde elde edilen kesin çözümler topolojik özellikler, düğüm yolcu talepleri, bağ eğimleri gibi ağ özellikleri, enerji tüketimi, araç, enerji ve dolum istasyonu maliyetlerini içeren toplam maliyet, rota uzunluğu ve yolculuk süresi gibi birçok açıdan değerlendirilmiştir. Bu kapsamda, farklı enküçükleme amaç fonksiyonlarına göre farklı rotalama ve dolum istasyonu yerleşimi sonuçları elde edilmesiyle, ele alınan örnek özelliklerine özgü uygun amaca odaklanmanın önemi vurgulanmıştır. Bağ eğim değerlerinin dikkate alınmadığı, dolayısıyla enerji tüketiminin katedilen mesafeye bağlı olduğu ve sonuç olarak tek bir enküçüklenmiş rota ve dolum istasyonu yerleşimi elde edilen Nguyen-Dupuis ağı dışındaki tüm örneklerde, enerji tüketimi ve toplam maliyeti enküçükleyen rota ile rota mesafesini ve yolculuk süresini enküçükleyen rota olmak üzere iki farklı orta ve dolum istasyonu yerleşim planı çözümü elde edilmiştir. Bu kapsamda önerilen söz konusu iki rota karşılaştırıldığında, enerji tüketiminin %24, toplam maliyetin %5, toplam rota mesafesinin %26 ve ağda geçirilen toplam sürenin %10 artabileceği ortaya konmuştur. Böylece enerji tüketimi ve rota mesafesi arasında enerji tüketiminin küçüklenirken, katedilen mesafenin arttığı, dolayısıyla dolum istasyonu sayısı, söz konusu istasyonların yerleşimi ve söz konusu istasyonlardaki dolum miktarının değişiklik gösterdiği bir ödünleşim olduğuna dikkat çekilmiştir. Tüketilen ve geri kazanılan enerjinin yükseklik (kot) değişimi, bir diğer deyişle bağ eğimleriyle doğrudan ilgili olduğu eklenik net enerji tüketimi çizelgeleriyle sunulurken, dolum istasyonu yerlerinin yükseklik (kot) değerindeki ve buna bağlı enerji tüketimindeki ani artıştan etkilendiği ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlar ışığında; azalan eğime sahip her bağda enerjinin geri kazanılmadığının, enerjinin geri kazanılabildiği bağlarda ise geri kazanım büyüklüğünün frenleme verimiyle sınırlandığının altı çizilmiştir. Enerji tüketimi ve geri kazanımı eniyilenmiş rotalar özelinde incelendiğinde, enerji tüketiminin enküçüklendiği rotaların her zaman için enerji kazanımının en yüksek olduğu rotalar olmadığı, kimi örneklerde yüksek tepelerde yolculuk etmekten kaçınmayarak enerji kazanımının arttığı, buna bağlı olarak rota mesafesinin de kısaldığı, ancak enerji tüketiminin arttığı görülmüştür. Araç ağırlığının araç hareket dinamiğine, bunun ardılı olarak enerji tüketimine etkisi göz önünde bulundurularak yolcuların inme ve binme taleplerine bağlı araç içi yolcu sayısının bağlardaki enerji tüketimine etkisinin ortaya konması amacıyla, orta ve büyük ölçekli örnek ağlarda yolcu taleplerinin dikkate alındığı ve göz ardı edildiği senaryolar için çözümler elde edilmiştir. Sonuçlar, net yolcu taleplerinin göz ardı edilmesiyle toplam ve bağ bazındaki enerji tüketim değerlerinin sırasıyla %10 ve %34 daha az hesaplandığını göstermiştir. Durak noktaları gibi yalnızca uğranması zorunlu düğümlerin ele alındığı geleneksel araç rotalama problemlerinden farklı olarak, kavşak noktalarının da yol ağı kapsamında ele alınmasının toplam geçirilen süre, ağ tutarlılığı ve ağ grafiğinin merkezilik gibi topolojik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Yoldaki kavşakların, dolayısıyla kavşak yaklaşımlarındaki hız azaltımının göz ardı edilmesiyle ağda geçirilen sürenin %10 daha az hesaplandığı ortaya konmuştur. Bununla birlikte kavşaklar göz ardı edilerek düğümler arası bağlantının basitleştirilmesiyle, gerçek ağ için uygun olmayan rota seçeneklerinin eniyilenmiş rota çözümü kapsamında sunulduğu görülmüştür. Ağdaki düğümleri nitelendirmek ve nicelendirmek adına özvektör merkeziliği değerleri karşılaştırıldığında, ağ grafiğindeki düğüm noktalarının özvektör merkezilik bağlamında azımsandığı veya çoğumsandığı, sonuç olarak ağın topolojik yapısının farklı ele alındığı orta konmuştur. Araç rotalama problemleri kapsamında kavşak düğümlerinin de modellenmesi, trafik tıkanıklığını irdelemek ve trafik akımını akıllı denetim sistemleri ile yönetebilmek adına bir alan açmıştır. İlerleyen çalışmalarda Dinamik Rotalama Problemi'ne trafik ışık denetimli veya denetimsiz kavşaklar için trafik durumundaki değişim bağlamında odaklanılması öngörülmektedir. Ayrıca, hesaplama yükünün azaltılması amacıyla kesin çözüme ek olarak sezgisel yöntem ile çözüm geliştirilmesi de ilerleyen çalışma hedeflerindendir.
Özet (Çeviri)
Considering the increasing concerns on the issues related to public health including air pollution, and climate change based on the greenhouse gas emissions, as externalities of transportation sector, where the sectoral contribution of transportation in total net anthropogenic warming has been estimated to increase up to 16% in 2050, the main feature initiating and supporting the introduction of alternative vehicle technologies including Hybrids and Electric Vehicles (EVs) to the vehicle market, which is dominated by Internal Combustion Engine Vehicles, have therefore been due to their reduced-emission or emission-free characteristics when they are in use. In this context, EVs are promising vehicle technologies to diminish the environmental effects of transportation by enabling the usage of renewable energy sources instead of fossil fuels and, ensure an emission-free operation according to the tank-to-wheel perspective in addition to the energy recovery potential in braking process via regenerative braking systems. However, due to both the battery and the recharging infrastructure technology in-develop in order to provide longer driving ranges and quicker recharging, EVs' market share is relatively low. This study deals with the major challenges of using EVs in goods and/or people transport to: utilize effectively the limited driving range, and decide the optimal locations for the minimum number of recharging station within the context of determining battery discharging accurately. In this context, optimal routing plans, as well as the recharging station locations for EV fleets are obtained by introducing the Electric Vehicle Location Routing Problem with Intermediate Nodes (ELRP-IN) that considers actual battery discharging characteristics, which are determined respecting the vehicle motion dynamics in conjunction with 3-dimensional road geometry, passenger getting on and getting off demands, and the pre-defined speed profiles, where the network graph corresponding to the road network is extended with the explicit consideration of intersections. In order to provide a discussion on the impacts of the objective function to the routing plans and to the parameters including energy consumption, cost, traveled distance and travel time, the objective functions adopted are alternated within the proposed ELRP-IN formulation, where a number of numerical experiments are performed to evaluate the features of ELRP-IN using: (i) widely employed test instances; (ii) a medium-scale real case instance; and, (iii) a large-scale real case instance. Network specific model based exact solutions are extracted and evaluated from varying perspectives including network characteristics, i.e., topology, node passenger demands, arc lengths, and arc grades, energy consumption, overall cost, i.e., energy cost, vehicle cost, and recharging station cost, traveled distance, and total time spent. Results reveal the importance of concentrating on the appropriate problem-specific objective where the routing plan, the number of recharging station assigned, and the location of recharging stations as well as the energy consumption, cost, traveled distance, and travel time may vary according to the objective sought. Remarking the finding that energy is not recovered in all the sections with negative grade, the direct effect of the elevation on the energy consumption, and hence on the location of a recharging station, is revealed, where the limitation on the energy recovery due to the braking efficiency is discussed as well. By testing some instances both with and without their passenger demands, calculations on the energy consumptions are compared. The influence on introducing the intersection nodes to the road network graph is evaluated with respect to the total time spent, network consistency, and the centrality measure in order to both quantify and qualify the degree of nodes of the network.
Benzer Tezler
- Elektrikli araç şarj altyapısı tasarımı ve akıllı şarj sisteminin geliştirilmesi
Design, modeling and application of electric vehicle charging infrastructure including smart charging management
BÜNYAMİN YAĞCITEKİN
Doktora
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET UZUNOĞLU
- A mathematical model for industrial electric vehicles location allocation problem
Endüstriyel elektrikli araçların yerleşim tahsis problemi için bir matematiksel model
AYSU BUDAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NUŞİN UNCU
- Elektrikli araçların şarj yöntemleri ve şarj istasyonlarının dağıtım şebekelerine etkileri
Charging methods of electric vehicles and the effect of charging stations on distribution networks
UMUT YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErzincan Binali Yıldırım ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NAİM SÜLEYMAN TINĞ
- Akıllı şebeke altyapısı ile yenilenebilir enerji santrallerinin şebeke entegrasyonu ve koruma sistemi dizaynı
Grid integration of renewable energy power plants and protection system design with smart grid infrastructure
MEHMET TAN TURAN
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDİN GÖKALP
- Elektrikli araçlar için kablosuz şarj sistemi tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of a wireless charging system for electric vehicles
BAGER ÖZBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ