渡轮电气化的运营挑战：基于泊位与充电限制的调度

《Sustainable Cities and Society》：Operational challenges of ferry electrification: Scheduling under berth and charging limitations

　　

为响应全球日益增长的零排放公共交通承诺，本文研究了渡轮系统电气化的运营复杂性。电动渡轮因其高能耗、有限的电池续航和受限的泊位可用性而引入了独特的调度挑战。研究人员开发了一个数学模型，以检验这些运营挑战是否可能导致电动渡轮运营不可行。给定一个渡轮网络和固定线路发车间隔，研究人员提出了一种混合整数线性规划（MILP）。该模型生成船舶调度方案，包括线路定时、泊位分配、电池充电、船员休息和船舶重新定位。为提高在现实世界网络中的可处理性，研究人员实施了一种终端定时启发式算法。目标函数是车队规模与重新平衡时间的凸组合。该方法应用于两个玩具模型和悉尼渡轮网络，根据每个目标赋予的权重生成不同的可行解，随后讨论了使电气化可行的条件。悉尼案例研究的结果表明，在当前泊位配置和现实充电假设下，电气化在运营上将具有挑战性，可行的现有调度方案显示出增加的重新平衡时间和显著的充电相关终端占用。此外，对于当前的悉尼配置和基于奥克兰的充电速度，在计算极限内未找到可行解；仅在具有额外基础设施或更快充电的场景中获得了可行调度方案。总体而言，MILP被证明具有足够的灵活性来研究不同场景下渡轮电气化的运营影响。

**论文解读：渡轮电气化的运营挑战——基于泊位与充电限制的调度研究**

**研究背景与问题**

随着全球对零排放公共交通的承诺日益增强，渡轮系统电气化成为城市交通可持续发展的重要方向。然而，电动渡轮的高能耗、有限电池续航以及泊位容量限制带来了独特的运营挑战。与电动公交车不同，渡轮充电通常发生在乘客上下船的同一泊位，导致充电活动直接占用乘客服务基础设施，加剧了泊位冲突。现有研究多聚焦于电动公交车调度，而渡轮电气化在泊位耦合、充电需求与网络拓扑交互方面存在显著差异。因此，核心问题不仅是优化电动渡轮调度，更是判断给定渡轮网络在电气化条件下是否可运营，以及在不可行时如何恢复可行性。

**研究内容与结论**

研究人员开发了一个混合整数线性规划（MILP）模型，将线路定时偏移、船舶任务分配、泊位占用、电池充电、船员休息和重新定位纳入统一框架。该模型首先测试给定服务模式在有限泊位和充电基础设施下是否可行，并作为决策支持工具生成不同优先级下的可行调度方案。模型应用于两个玩具网络（点对点型和辐射型枢纽-辐条型）以及悉尼渡轮网络。主要结论包括：在悉尼当前泊位配置和奥克兰充电速度下，未找到可行解；只有在增加额外泊位或采用更快充电速度时，才获得可行调度方案。电气化导致重新平衡时间增加，充电占用大量终端时间和泊位资源。模型通过调整目标权重（车队规模与重新平衡时间）可生成不同优先级的可行调度方案，展示了灵活性。

**关键技术与方法**

研究人员采用了以下主要技术方法：（1）混合整数线性规划（MILP）模型，整合线路定时、泊位分配、充电、船员休息和重新定位约束，目标函数为车队规模与重新平衡时间的凸组合。（2）终端定时启发式算法，将双向线路合并为循环线路，预设外终端充电时间，减少变量数量，提高计算可处理性。（3）研究基于悉尼渡轮网络（包含8条线路，Circular Quay为主要枢纽）和奥克兰充电速率参数，设置5分钟时间步长，模拟6小时运营时段。样本队列来源为悉尼渡轮系统实际运营数据。

**研究结果**

**点对点玩具模型**
通过改变目标权重α和充电速率，发现当α增加（强调车队规模）时，任务集中于更少船舶，重新平衡时间增加；当充电速率降低时，重新平衡时间增加，且在临界充电速率0.09-0.10之间，问题从可行变为不可行。

**辐射型枢纽-辐条玩具模型**
比较了子线路模式与循环线路模式。循环线路模式降低了最优性差距，并产生更规律的船舶分配模式，表明启发式算法有助于在保持可行性的同时简化搜索。

**悉尼案例研究结果**
（1）在现有泊位配置和奥克兰充电速率下，未找到可行解；只有在假设Circular Quay所有5个泊位可用且每个泊位2个泊位时，才获得可行调度方案。（2）电动化场景下，可行解使用20-22艘船舶，而当前柴油船队为17艘；重新平衡时间从柴油基准的94单位增至332单位（α=1时）。（3）充电活动占船舶运营时间约20%，占Circular Quay泊位时间约21%；空闲泊位时间约64%，表明协调复杂性。（4）更快充电（提升18%速率）可将重新平衡时间从220单位降至207单位。

**讨论与结论**

讨论部分指出，渡轮电气化的可行性依赖于全网络交互，特别是充电与乘客服务竞争同一泊位资源时，增加船舶或充电器不一定保证可行性。目标权重实验显示车队规模与重新平衡之间存在方向性权衡，规划者可通过调整优先级探索不同运营方案。充电速度是关键杠杆，外终端充电可减轻主枢纽压力。研究结论翻译如下：本文通过将电动渡轮调度问题形式化为精确的混合整数线性规划，回应了城市水运公共交通对可持续零排放替代方案的迫切需求。研究结果表明：（1）结合终端定时启发式，MILP可在标准工作站上20小时内找到多种可行调度方案，用于优先考虑车队规模或重新平衡时间。（2）基于奥克兰充电特性，悉尼电气化在不增加网络或泊位变化时可能不可行。（3）假设悉尼主枢纽有额外泊位，可行方案需20-22艘船舶以电气化全部8条双向线路并保持当前发车间隔。（4）同样条件下，电气化调度方案显示更高重新平衡时间，更快外终端充电可减轻此负担。（5）在现有悉尼调度方案中，充电占用大量船舶运营时间和Circular Quay泊位时间，构成调度与基础设施挑战。这些发现表明，电动渡轮转型规划应首先测试现有服务假设下的运营可行性，再比较船队扩张、充电升级、终端补电或时刻表灵活性等备选杠杆。