Routing wrażliwy na emisje CO₂ a koszty paliwa

Emisja CO₂ i zużycie paliwa jako jedna wielkość fizyczna

Silnik spalinowy nie emituje dwutlenku węgla niezależnie od paliwa. Każdy spalony litr oleju napędowego zamienia zawarty w nim węgiel w CO₂, więc emisja bezpośrednia pojazdu jest iloczynem zużytego paliwa i wskaźnika emisji dla danego nośnika energii. Z tego prostego związku wynika odpowiedź na pytanie z tytułu. Dla floty jednorodnej, zasilanej jednym paliwem, trasa o najniższym zużyciu paliwa jest jednocześnie trasą o najniższej emisji bezpośredniej.

Różnica między routingiem klasycznym a emisyjnym leży gdzie indziej. Klasyczny algorytm minimalizuje kilometry albo czas przejazdu i zakłada, że paliwo jest proporcjonalne do dystansu. W praktyce to założenie zawodzi. Pusty ciągnik z naczepą na płaskiej autostradzie zużywa inną ilość paliwa na kilometr niż ten sam zestaw z pełnym ładunkiem na drodze krajowej z podjazdami. Routing wrażliwy na emisje zastępuje stały koszt kilometra modelem fizycznym, który szacuje paliwo dla każdego odcinka osobno.

Reguła: przy jednym rodzaju paliwa minimalizacja litrów oznacza minimalizację emisji bezpośredniej. Rozbieżność pojawia się dopiero przy flocie mieszanej albo przy koszcie czasu kierowcy.

Problem ma w badaniach operacyjnych własną nazwę. Pollution-Routing Problem, opisany przez Bektaşa i Laporte'a w 2011 roku, rozszerza klasyczny problem marszrutyzacji z oknami czasowymi o zmienną prędkość na odcinkach oraz koszt paliwa zależny od obciążenia pojazdu. Z tego modelu wywodzi się większość algorytmów stosowanych dziś w systemach TMS, które deklarują planowanie z uwzględnieniem emisji. Szersze tło planowania tras opisuje artykuł o tym, czy prognozy popytu powinny sterować przeplanowaniem tras w locie.

Model zużycia paliwa w planowaniu tras

Pojazd na drodze pokonuje cztery rodzaje oporu. Suma sił oporu ruchu ma postać F = m·g·Crr·cos θ + m·g·sin θ + ½·ρ·Cd·A·v² + m·a, gdzie m to masa całkowita, Crr współczynnik oporu toczenia, θ kąt nachylenia drogi, ρ gęstość powietrza, Cd·A iloczyn współczynnika oporu aerodynamicznego i powierzchni czołowej, a a przyspieszenie. Praca tych sił podzielona przez sprawność układu napędowego daje energię, a energia podzielona przez wartość opałową paliwa daje litry.

Masa ładunku i nachylenie drogi

Masa występuje w trzech składnikach wzoru. Opór toczenia i opór wzniesienia rosną z nią liniowo, dlatego kolejność dostaw ma znaczenie dla paliwa. Trasa, która najpierw rozwozi najcięższe palety, jedzie większość kilometrów z mniejszą masą. Ten efekt nie istnieje w modelu opartym na samych kilometrach, więc klasyczny planer go nie widzi.

Profil drogi działa w dwie strony. Podjazd zwiększa zapotrzebowanie na energię, a zjazd nie zwraca jej w całości, bo część energii traci się w hamulcach i na zwalnianiu. Dane wysokościowe z modelu terenu pozwalają przypisać każdemu odcinkowi grafu drogowego sumę przewyższeń, a planer może wtedy porównać krótszą drogę przez wzniesienia z dłuższą drogą dolinną.

Prędkość i postoje na trasie

Opór aerodynamiczny rośnie z kwadratem prędkości. Dla pojazdu ciężarowego oznacza to, że krótszy przejazd z wyższą prędkością może zużyć więcej paliwa niż dłuższy przejazd ze stałą, umiarkowaną prędkością. Model uwzględnia też składnik m·a. Jazda w korku z cyklami hamowania i ruszania kosztuje energię na każde przyspieszenie, której nie odzyskuje pojazd bez rekuperacji.

Osobną pozycją jest bieg jałowy. Pojazd, który stoi w kolejce przed bramą magazynu z włączonym silnikiem, zużywa paliwo bez przejechanego kilometra. Dlatego routing emisyjny zyskuje na integracji z harmonogramem ramp: planer, który wie o zarezerwowanym oknie czasowym na rampie, może ustawić godzinę wyjazdu tak, żeby pojazd nie czekał pod bramą. Zależność między trasą a oknami dostaw w miastach opisuje tekst o tym, jak zsynchronizować trasy z oknami czasowymi magazynów i strefami dostaw.

Funkcja kosztu trasy w routingu emisyjnym

Planer tras rozwiązuje problem optymalizacyjny, w którym każdy odcinek grafu ma przypisany koszt. W routingu emisyjnym koszt odcinka jest sumą ważoną kilku składników. Typowa postać to c = w1·paliwo + w2·czas + w3·emisja, gdzie paliwo liczone jest w złotych, czas w złotych za godzinę pracy kierowcy i pojazdu, a emisja w kilogramach CO₂ przeliczonych przez wewnętrzną cenę węgla przyjętą przez firmę.

Składniki kosztu i ich wagi

• Koszt paliwa - litry z modelu fizycznego pomnożone przez cenę paliwa z karty flotowej lub ze średniej z ostatnich tankowań.
• Koszt czasu - godziny pracy kierowcy oraz godziny zajęcia pojazdu, bo wolniejsza jazda oszczędza paliwo, ale wydłuża dzień pracy.
• Koszt emisji - kilogramy CO₂ wycenione wewnętrzną ceną węgla; przy wadze zero planer optymalizuje wyłącznie pieniądze.
• Kary za naruszenia - wysoki koszt za przekroczenie okna czasowego klienta lub limitu czasu jazdy, który w praktyce działa jak ograniczenie twarde.

Ograniczenia pozostają niezmienne niezależnie od wag. Rozporządzenie (WE) nr 561/2006 ogranicza dzienny czas jazdy do 9 godzin, z możliwością wydłużenia do 10 godzin dwa razy w tygodniu, i wymaga przerwy 45 minut po 4,5 godziny jazdy. Planer, który obniża prędkość w celu oszczędzania paliwa, musi sprawdzić, czy wydłużony przejazd nadal mieści się w tych limitach.

Obliczenie kosztu odcinka w bazie danych

W systemach opartych na SQL Server obliczenie kosztu odcinków można wykonać po stronie bazy, zanim wyniki trafią do algorytmu wyznaczania trasy. Poniższa procedura składowana jest przykładem uproszczonego modelu liniowego względem masy. Nazwy tabel i kolumn są przykładowe, a wpływ prędkości i nachylenia zawiera się w zużyciu bazowym wyznaczonym dla profilu danego odcinka.

-- Przykład: koszt odcinków trasy z wyceną emisji (nazwy przykładowe)
CREATE OR ALTER PROCEDURE dbo.usp_KosztOdcinkow
    @CenaPaliwaZaLitr  decimal(9,3),
    @WskaznikKgCO2NaL  decimal(9,4),
    @CenaTonyCO2       decimal(9,2),
    @StawkaGodzinowa   decimal(9,2)
AS
BEGIN
    SET NOCOUNT ON;
    SELECT o.OdcinekId,
           o.DystansKm,
           p.PaliwoL,
           p.PaliwoL * @WskaznikKgCO2NaL AS EmisjaKgCO2,
           p.PaliwoL * @CenaPaliwaZaLitr
         + p.PaliwoL * @WskaznikKgCO2NaL / 1000.0 * @CenaTonyCO2
         + o.CzasMin / 60.0 * @StawkaGodzinowa AS KosztOdcinka
    FROM dbo.TrasaOdcinek AS o
    CROSS APPLY (
        SELECT o.DystansKm / 100.0 * (o.BazaL100km + o.MasaT * o.WspMasyL100kmT)
             + o.PostojMin / 60.0 * o.JaloweLh AS PaliwoL
    ) AS p;
END;

Wskaźnik emisji w kilogramach CO₂ na litr jest parametrem, a nie stałą zaszytą w kodzie. Jego wartość zależy od rodzaju paliwa i od przyjętej metodyki raportowania. Liczy się też to, czy firma liczy emisję tylko ze spalania, czy razem z produkcją paliwa. Te dwa zakresy omawia sekcja o raportowaniu.

Dane wejściowe z telematyki i systemów magazynowych

Model fizyczny jest tak dokładny, jak dane, które go zasilają. Współczynniki Crr i Cd·A dla konkretnego zestawu rzadko są znane z katalogu, dlatego w praktyce kalibruje się je na danych historycznych. Porównuje się zużycie przewidziane przez model z rzeczywistym zużyciem odczytanym z pojazdu i koryguje parametry, aż błąd na odcinkach testowych spadnie do akceptowalnego poziomu.

Odczyt zużycia z pojazdu

Pojazdy ciężarowe europejskich producentów udostępniają dane przez interfejs FMS, zbudowany na magistrali CAN zgodnej z SAE J1939. Rejestrator telematyczny odczytuje z niego między innymi licznik całkowitego zużytego paliwa oraz prędkość pojazdu. Dostępne są też obroty silnika. Te odczyty, zestawione z pozycją GPS, pozwalają przypisać zużycie do odcinków grafu drogowego. Scalanie danych z kilku systemów lokalizacji opisuje artykuł o tym, jak działa integrator GPS dla flot, a wykorzystanie tych danych do kontroli wydatków pokazuje tekst o monitoringu transportu jako narzędziu redukcji kosztów floty.

Dla ciężkich pojazdów nowych modeli istnieje też źródło danych homologacyjnych. Unijne narzędzie symulacyjne VECTO opisane przez Komisję Europejską wylicza zużycie paliwa i emisję CO₂ ciężarówki na podstawie zmierzonych parametrów podzespołów. Wynik VECTO dotyczy cykli standardowych, więc do planowania tras nadaje się jako punkt startowy kalibracji, a nie jako gotowa wartość dla konkretnej trasy.

Dane z magazynu i placu

Masa ładunku pochodzi z zamówień w systemie ERP albo z pomiaru na wadze samochodowej przy wjeździe. Czas oczekiwania pod rampą pochodzi z systemu awizacji. Ten drugi strumień danych bywa pomijany, a właśnie on pokazuje, ile godzin biegu jałowego generuje źle zsynchronizowany harmonogram dostaw. Wymianę danych między planowaniem transportu a magazynem opisuje artykuł o integracji systemu TMS z platformami ERP i WMS.

Raportowanie śladu węglowego transportu

Routing ogranicza emisję, a raportowanie ją mierzy. Te dwa procesy korzystają z tych samych danych o paliwie, ale mają inne wymagania. Raport musi być powtarzalny i zgodny z uznaną metodyką, żeby wynik firmy przewozowej dało się zsumować z raportem jej klienta.

Metodyka GLEC i norma ISO 14083

W logistyce najczęściej stosuje się dwa powiązane dokumenty. GLEC Framework opracowany przez Smart Freight Centre opisuje, jak liczyć emisję dla wszystkich rodzajów transportu oraz dla węzłów logistycznych. Norma ISO 14083:2023 zastąpiła wcześniejszą europejską normę EN 16258 i ujednoliciła zasady kwantyfikacji emisji w łańcuchach transportowych. Obie posługują się pojęciem jednostki przewozowej, najczęściej tonokilometra, do której przypisuje się emisję.

Rozróżnienie zakresów zmienia wynik porównania flot. Pojazd elektryczny ma zerową emisję TTW, ale jego emisja WTW zależy od struktury wytwarzania energii w sieci, z której był ładowany. Planer tras dla floty mieszanej musi więc używać wskaźników WTW, jeśli ma wybierać pojazd do zlecenia według emisji. Ten temat rozwija artykuł o planowaniu tras dla flot mieszanych z pojazdami spalinowymi i elektrycznymi.

Dyrektywa CSRD a emisje zakresu 3

Dyrektywa (UE) 2022/2464, znana jako CSRD, objęła duże przedsiębiorstwa obowiązkiem raportowania zrównoważonego rozwoju według standardów ESRS. Standard ESRS E1 dotyczy zmian klimatu i obejmuje emisje gazów cieplarnianych. Dla nadawcy towaru transport zlecany przewoźnikowi jest emisją zakresu 3, więc duży klient zaczyna pytać przewoźnika o dane z podziałem na zlecenia.

Zasada: raport śladu węglowego liczy się z paliwa faktycznie zużytego, a model fizyczny służy tylko do wyboru trasy przed wyjazdem.

Dla przewoźnika oznacza to wymóg techniczny. System musi przypisać zużyte paliwo do konkretnego zlecenia, także gdy jeden kurs obsługuje kilku nadawców. Zasada alokacji według tonokilometrów pozwala rozdzielić emisję kursu proporcjonalnie do masy i odległości każdej przesyłki. Przewoźnik, który przechowuje te dane w arkuszach, szybko trafia na ograniczenia opisane w porównaniu arkusza Excel i systemu TMS w transporcie.

Kiedy trasa niskoemisyjna i trasa najtańsza się różnią

Dla floty jednorodnej trasa o najniższym zużyciu paliwa zwykle jest też tania. Rozbieżność pojawia się w czterech sytuacjach, które planer musi obsłużyć jawnie, zamiast zakładać, że oba cele pokrywają się zawsze.

• Koszt czasu kierowcy - obniżenie prędkości oszczędza paliwo, ale wydłuża czas pracy; przy wysokiej stawce godzinowej łączny koszt może wzrosnąć.
• Flota mieszana - pojazd o niższej emisji WTW może mieć wyższy koszt kilometra albo mniejszy zasięg, co wymusza dodatkowe ładowanie.
• Opłaty drogowe - autostrada płatna daje stałą prędkość i mniej przyspieszeń, więc mniej paliwa, ale dokłada opłatę za przejazd.
• Strefy czystego transportu - wjazd do strefy w mieście bywa ograniczony klasą emisji pojazdu, co zawęża wybór pojazdu niezależnie od kosztu.

W każdej z tych sytuacji decyzję przejmuje funkcja kosztu z jawnymi wagami. Firma, która przyjmuje wewnętrzną cenę węgla, może porównać warianty w jednej jednostce, czyli w złotych, i zobaczyć, ile kosztuje każdy zaoszczędzony kilogram CO₂. Rozwinięcie tego podejścia w systemach wspieranych przez uczenie maszynowe opisuje tekst o tym, jak działa program TMS wyposażony w AI.

Planowanie tras i obsługa placu w systemach SoftwareStudio

Najlepiej zaplanowana trasa traci część zysku paliwowego, jeśli pojazd czeka w kolejce na rozładunek. SoftwareStudio dostarcza systemy do awizacji i planowania transportu, w których Studio VSS.net łączy się z systemem YMS do zarządzania placem oraz z systemem WMS. Informacja o planowanym przyjeździe trafia automatycznie do harmonogramu ramp, a magazyn przygotowuje przyjęcie towaru z wyprzedzeniem.

Okna czasowe i ruch na placu

Podstawą integracji jest rezerwacja okien czasowych. Przewidywany czas przyjazdu z planera pozwala przydzielić konkretne okno na rampie, co rozkłada obciążenie doków w ciągu dnia i skraca postoje z pracującym silnikiem. Na placu system rozpoznaje tablice rejestracyjne (LPR) przy wjeździe i wyjeździe oraz wizualizuje zajętość miejsc parkingowych i doków, więc pojazdy nie krążą po terenie zakładu w poszukiwaniu wolnego miejsca. Pomiar tego efektu opisuje artykuł o tym, czy VSS pomaga zmniejszać ślad węglowy operacji magazynowych.

Analiza danych i model SaaS

Studio VSS.net zapisuje czasy przejazdu i czas obsługi na rampie, a na ich podstawie liczy punktualność dostaw. Te dane można analizować w modułach raportowych albo w zewnętrznej platformie Power BI, gdzie wskaźniki KPI pokazują, czy zmiany w harmonogramie skróciły postoje. Oprogramowanie, takie jak program YMS oraz Studio Awizacje VSS.net, jest dostępne w modelu SaaS, co pozwala uruchomić system bez własnej infrastruktury serwerowej. Wdrożenie obejmuje konfigurację oraz integrację z używanymi już systemami ERP i WMS.