Akademik Veri Yönetim Sistemi
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2020
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: SELİN HÜLAGÜ
Danışman: Hilmi Berk Çelikoğlu
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.