Analysis of recharging station location optimization for e-scooters through micro-simulation
Elektrikli skuterler için dolum istasyon yeri eniyilemesinin ince-benzetim ile çözümlenmesi
- Tez No: 894334
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Ulaşım, Transportation
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Mikro-hareketlilik kavramı; gelişen teknolojinin ve kentlerin giderek kalabalıklaşması sonucu elektrikli skuterlerin hayatımıza girmesiyle yaşamlarımızda daha çok duymaya başladığımız bir kavram haline gelmiştir. Özellikle büyükşehirlerde giderek artan nüfus ve kalabalığın hareketiyle beraber oluşan trafik tıkanıklıkları, gün içinde hareketini sağlamak isteyen insanları diğer ulaşım türlerine başvurmaya itmiştir. Şehrin ana omurgasını oluşturan raylı sistemler ve denizyolu ulaşımı duraklarına erişebilmek için gün içinde yolculuk yapan kişiler çoğunlukla otobüs, minibüs gibi toplu ulaşım türlerini tercih etmekte veya yürümektedirler. Ancak bahsedilen ulaşım türlerinin sabit kalkış saatinin olması veya güzergah üzerindeki trafik tıkanıklığı gibi sebeplerden ötürü yolcuların bu yolculuklardan çok da memnun olmadıkları bilinen bir gerçektir. Özellikle dünya çapında etki gösteren pandemi sırasında ve sonrasında da temizlik ve sağlık koşulları bakımından risk taşıdığı bilinen toplu ulaşım araçlarının çekiciliği azalmış ve yolcular binek araçla yolculuğa yönelmiştir. Bu durum, ulaşım sektörünün de halihazırda etkilediği hava kirliliği, iklim değişimine varan yeryüzü sıcaklık değişimleri, kısıtlı enerji kaynaklarının aşırı tüketimi gibi çevresel etkilere katkıda bulunmaktadır. Gelişen teknoloji ile seçenek yakıtlı araçlar giderek yaygınlaşmakta ve dünya çapında kullanıcı sayısında artış gözlenmektedir. Bu araçların yenilenebilir enerji kullanıyor olması ile içten yanmalı motor yapısına sahip araçların sebep olduğu olumsuz çevresel etkilerin azalmasına yardımcı olmakta ve gelecekte etkiyi yok edecek düzeyde ulaşım sektörüne hizmet edeceği düşünülmektedir. Elektrikli araçlar gibi seçenek yakıt tüketen elektrikli skuterler; özellikle diğer ulaşım araçlarına göre kolay erişilebilir, en kısa mesafedeki hareketi karşılayacak nitelikte ve boyut olarak küçük oluşuyla yolcuların ilgisini çekmekte ve trafik tıkanıklığının çok olduğu ve ulaşım türleri arasında veya ev-durak arası yolculuklarda karşımıza çıkmaktadır. Ancak elektrikli araçlar ve skuterler için en büyük sorun pil dolum gereksinimi olarak öne çıkmaktadır. Bu araçların tam dolu bir pille kat edebilecekleri mesafe, pilin özelliklerine, yolun özelliklerine, araç özelliklerine vb. bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Bu bağlamda kullanıcılar trafikte elektrikli araçları ile yer almak yerine elektrikli skuterler ile yolculuklarını gerçekleştirerek hem trafik tıkanıklığından daha az etkilenmekte, hem de toplu ulaşım araçlarına elektrikli skuterleri ile binerek başlangıç noktasından varış noktasına kadar ve kullandıkları tüm ulaşım türleri arasındaki yolculuklarını skuter ile gerekleştirebilmektedirler. Şahsi elektrikli skuteri olmayan yolcular ise elektrikli skuter işletmecilerinin sunduğu araçları kiralayarak bu yolculukları gerçekleştirme imkanını elde etmektedirler. İşletmecilerin kullanıcıların hizmetine sunduğu araçların pil dolumunu gerçekleştirmek için hizmet sundukları alan içinde bir araçla yolculuk yaparak ya elektrikli skuterleri toplayarak pil dolumu yapıp tekrar dağıtmakta, ya da yalnızca noktasal olarak uğrayıp pil değişimini gerçekleştirmektedir. Bu işlemin yapılması sırasında kullanılan araç ile harcanan enerjinin de çevreye olumsuz etkisi bulunduğu, ve trafik tıkanıklığını olumsuz etkilediği söylenebilir. Ulaşım araçlarının sahip olduğu kısıtlar çerçevesinde, mesafelerin bilindiği şehir kümesinde belirlenmiş noktalar arasında en uygun rotayı bulmak amacıyla tariflenen araç rotalama problemleri; gelişen teknolojiyle ve gereksinimler doğrultusunda eklenen yeni kısıtlar ile zaman pencereli araç rotalama problemi, al-bırak rotalama problemi, çoklu depo araç rotalama problemi, yer atama problemi, müşteri rotalama problemi, elektrikli araç rotalama problemi gibi alt kırılımlara sahip olmuştur. Bu problemlerde problemin içeriğine göre; zaman kısıtı, farklı düğüm noktalarından alınacak ve bırakılacak ürünler, depo konumu belirleme, müşteri toplama gibi kısıtlar ve problemin büyüklüğüne göre farklı çözüm yöntemleri ele alınmaktadır. Elektrikli araç rotalama problemlerinde ise en düşük enerji tüketimi, en düşük maliyet, en düşük mesafenin sağlanması kapsamında sürüş erimi, dolum istasyonlarının konumu, dolum istasyonunda geçirilen süre, pil özellikleri, örneklem alanın coğrafi özellikleri gibi kısıtlar dikkate alınmaktadır. Bu çalışma, elektrikli skuterlerin kullanımının yaygınlaşmasıyla ortaya çıkan ve hem elektrikli skuter işletmecileri hem de bireysel kullanıcıların gereksinim duyacağı göz önünde bulundurularak, elektrikli skuterlerin enerji tüketiminin gerçekçi bir şekilde hesaplanıp yolculuk rotaları üzerinde yer alan olası noktalar içinden dolum istasyonları için en uygun yerlerin belirlenmesi üzerine odaklanmaktadır. Başlangıç, varış veya olası dolum istasyonu noktası olarak ele alınan düğüm noktaları ile, bu noktaları birbirine bağlayan yol ağının kullanıldığı; üç boyutlu yol geometrisi ve gerçekçi biçimde belirlenen elektrikli skuter enerji tüketimi kullanılarak hazırlanan Enerji Tüketimli Elektrikli Skuter Yer Seçimi Problemi'nde en uygun maliyetle elektrikli skuterler için dolum istasyonlarının yer seçimi yapılmaktadır. Önerilen problemi değerlendirebilmek için İstanbul Teknik Üniversitesi, Ayazağa Yerleşkesi çalışma alanı olarak seçilmiştir. Üzerinde 30 adet yolculuk rotası belirlenen, 30 adet düğüm ve 76 adet bağdan oluşan çalışma alanında eğim en fazla %8,5 olarak hesaplanmıştır. Çalışma kapsamında ayrıca, gerçekçi biçimde belirlenen enerji tüketimi ile birlikte mesafe bazlı sabit enerji tüketim yaklaşımları da irdelenerek karşılaştırma yapılmış ve elektrikli skuterlerin dolum istasyonuna duyduğu gereksinim ve yolda kalma olasılıkları değerlendirilmiştir. İrdelemeler, enerji tüketimi hesaplamalarının dolum istasyonu sayısına ve dolayısıyla maliyete etkisiyle birlikte, bazı elektrikli skuterlerin yolda kalacağını göstermektedir. Eclipse SUMO benzetim yazılımı kullanılarak elektrikli skuter yolculukları ve saha gözleminden elde edilen taşıt talebi verileri kullanılarak oluşturulan birbirinden farklı senaryolar için ağ başarımı (performansı) değerlendirilmektedir. Bu kapsamda farklı enerji tüketim yaklaşımlarının irdelendiği yalnızca elektrikli skuterlerin bulunduğu senaryolar benzetim programında çalıştırılarak yolculuk süreleri karşılaştırılmaktadır. Benzer şekilde karma trafikte elektrikli skuterlerin farklı enerji tüketim yaklaşımı örneklemleri ele alınarak ve kayıp zaman, bekleme süresi ve yolculuk süreleri de değerlendirilmektedir. Senaryolar, farklı enerji tüketim yaklaşımlarının karma trafikte ağ performansına etkilerini ölçmek ve trafik tıkanıklığının elektrikli skuter yolculuklarına etkisini ölçmek için de kullanılmaktadır. Tez kapsamındaki çalışma; elektrikli skuterlerin rotalanması, gerçekçi ve mesafe bazlı enerji tüketim yaklaşımlarıyla eniyilenmiş dolum istasyonu yer seçiminin yapılması, kurulan bu sistemin ince boyutlu benzetim programı yardımıyla farklı senaryoların elektrikli skuterleri hem karma trafiğe dahil ederek hem de bir şekilde değerlendirerek elde edilen çözümlerin irdelenmesine ve elektrikli skuterlerin enerji tüketim yaklaşımlarının ağ performansına etkilerinin değerlendirilmesine odaklanmaktadır. Sonuçlar, dolum istasyonu konumlarının doğru belirlenmesi için elektrikli skuterlerin enerji tüketiminin doğru bir şekilde belirlenmesi gerektiğini göstermektedir. Gelecekteki araştırmalarda, önerilen modelin doğrulanması için daha büyük ağların dikkate alınması ve sezgisel çözüm yöntemleri kullanılarak model başarımının verimliliğinin artırılması konularının çalışılması hedeflenmektedir.
Özet (Çeviri)
The concept of micro-mobility has become increasingly common in our lives with the introduction of electric scooters due to the advancement of technology and rapid urbanization. The traffic congestion caused by the increasing population and density, especially in metropolitan cities, has compelled people who seek mobility throughout the day to turn to alternative transportation modes. Individuals who need to reach the main backbone of the city, such as railways or piers, often prefer public transportation modes like buses or minibuses, or they choose to walk. However, it is a well-known fact that passengers are not particularly satisfied with these modes of transportation due to factors such as fixed departure schedules or traffic congestion along the routes. Especially during and after the global pandemic, which had a worldwide impact, there has been a decrease in the demand for public transportation modes known to carry risks in terms of hygiene and health conditions, and passengers have turned to passenger cars for travel. This situation contributes to the environmental effects already influenced by the transportation sector, such as air pollution, changes in surface temperatures that lead to climate change, and excessive consumption of limited energy resources. With advancing technology, alternative fuel vehicles are becoming increasingly prevalent, and there is a global increase in the number of users. The use of renewable energy in these vehicles helps reduce the negative environmental impacts caused by conventional motor vehicles, and it is believed that in the future, they will serve the transportation sector to a level that eliminates these effects entirely. Electric scooters, which consume alternative fuel like electric vehicles, are particularly appealing to passengers due to their easy accessibility compared to other modes of transportation, their suitability for short-distance travel, and their small size. They are commonly used in areas with traffic congestion and for travel between transportation modes or home-to-station journeys. However, the biggest challenge for electric vehicles and scooters is the need for battery charging. The distance that can be covered with a fully charged battery varies depending on factors such as battery specifications, road conditions, vehicle features, and more. In this context, users choose to travel with electric scooters instead of electric vehicles to be less affected by traffic congestion. They can also use electric scooters to travel from origin to destination by combining them with public transportation vehicles. Passengers who do not own personal electric scooters can rent vehicles provided by electric scooter operators to perform their journeys. Operators either use a vehicle to travel within their service area to collect and distribute scooters for battery charging or simply make brief stops for battery replacement. It should be noted that the energy consumed by the vehicles used during these operations has a negative impact on the environment and contributes to traffic congestion. Within the constraints of transportation vehicles, vehicle routing problems have emerged to find the most optimal routes between predetermined points in a known cluster of cities. With the development of technology and evolving needs, new constraints have been added, giving rise to sub problems such as vehicle routing problems with time windows, pickup and delivery vehicle routing problem, multiple depot vehicle routing problem, facility location problem, dial-a-ride vehicle routing problem, and electric vehicle routing problems. Depending on a specific problem, constraints such as time limitations, picking up and dropping off items from/to different nodes, determining depot locations, and customer collection are considered, and various solution methods are tested based on the size of the problem. In the context of electric vehicle routing problems, considerations include achieving the minimum energy consumption, the minimum cost, and the shortest distance. Constraints such as the driving range, location of recharging stations, time spent at recharging stations, battery specifications, and geographical characteristics of the sample area are taken into account. This study focuses on the widespread use of electric scooters and aims to realistically calculate the energy consumption of electric scooters with given model which also helps to determine the optimal locations for charging stations among potential points on travel routes, considering the needs of both electric scooter operators and individual users. By considering nodes that are treated as origin, destination, or possible recharging station points, and utilizing the road network that connects these points, the Recharging Station Locating Problem with Energy Consumption is formulated. This problem incorporates three-dimensional road geometry and realistic electric scooter energy consumption approach to determine the optimal locations for recharging stations with the aim of minimum cost. Solutions to the problem formulated are obtained by IBM ILOG CPLEX 12.9.0 in order to determine the location of recharging stations. To evaluate the proposed problem, Istanbul Technical University, Ayazaga Campus, is chosen as the study area. The study area consists of 30 travel routes, 30 nodes, and 76 edges. The maximum slope in the area is calculated to be 8.5%. In the scope of the study, realistic energy consumption approach is considered along with distance-based fixed energy consumption approaches. The need for recharging stations on the nodes for different energy consumption approaches are compared and the outcome showed the possibility of running out of energy before ending the journey. Analyses have indicated the impact of energy consumption calculations on the number of charging stations and consequently on the total cost, as well as the possibility of some electric scooters running out of energy. The network performances are evaluated for different scenarios through the Eclipse SUMO simulation software, which utilizes electric scooter travel data and vehicle demand data obtained from field observations. In this context, performance evaluations using optimization outputs are carried out by comparing travel times for different energy consumption approaches through micro-simulation with only electric scooters. The same approach is applied to mixed traffic scenarios with electric scooters, where the impacts of different energy consumption approaches on network performance, including travel times, are evaluated. The samples are also used to measure the effects of different energy consumption approaches in mixed traffic on electric scooter travel and to assess the impact of traffic congestion on electric scooter journeys. The present study focuses on the routing of electric scooters, optimization of recharging station locations using realistic and distance-based energy consumption approaches, and evaluating the solutions obtained by considering electric scooters both in mixed traffic and separately through various scenarios through micro-simulation program. The impact of different energy consumption approaches of electric scooters on network performances are discussed. The results highlight the importance of accurately determining the energy consumption of electric scooters for the proper identification of charging restation locations. Future extensions to the research involves considering larger networks to validate the proposed model, and improving the efficiency of model perfomance by employing heuristics solution methods.
Benzer Tezler
- Economic evaluation of urban electric bus charge stations: case of Eindhoven, the Netherlands
Elektrikli otobüslerin şarj istasyonlarinin ekonomik yönden incelenmesi: Eindhoven, Hollanda örneği
ÇAĞRI YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLGÜN KAYAKUTLU
- Electric charge stations location and an application in Istanbul
Elektrik şarj istasyonu kurulumu ve İstanbul'da uygulama
BÜŞRA GÜLNİHAN DAŞCIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiMarmara ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. GÜLFEM TUZKAYA
DOÇ. HÜSEYİN SELÇUK KILIÇ
- Gölyaka (Bolu) ovası ve Efteni kaplıcasının hidrojeoloji incelemesi
Hydrogeological investigation of Gölyaka valley and Efteni thermal water source in Bolu
NAİL ÜNSAL
Doktora
Türkçe
1991
Jeoloji MühendisliğiAnkara ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. BAKİ CANİK
- Kuruyan akarsularda taban akışının ayrılması
Baseflow separation in intermittent streams
ALİ OSMAN PEKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. HAFZULLAH AKSOY
- Çevresel gürültü kontrolüne yönelik gerçek zamanlı izleme sistemi tasarımı ve uygulaması
Real-time monitoring system design and implementation for environmental noise control
SAMET FEYYAZ HAMAMCI
Doktora
Türkçe
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU