Solving the routing problem of a collaborative fleet of ground and unmanned aerial vehicles for package delivery

Abstract

Περίληψη: Στην παρούσα εργασία εξετάζεται το πρόβλημα της δρομολόγησης συνεργατικού στόλου επίγειων και μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAVs ή drones), το οποίο έχει διαμορφωθεί ως μια παραλλαγή του προβλήματος δρομολόγησης δύο επιπέδων με περιορισμούς χωρητικότητας και χρόνου. Αρχικά, παρουσιάζονται βασικές έννοιες, όπως η εφοδιαστική αλυσίδα, τα προβλήματα δρομολόγησης και οι μεθευρετικοί αλγόριθμοι, προκειμένου να εδραιωθεί το θεωρητικό υπόβαθρο της μελέτης. Στη συνέχεια, παρατίθενται λεπτομέρειες για το υπό εξέταση πρόβλημα, όπως οι παραδοχές του, η μαθηματική του μοντελοποίηση, καθώς και αναφορές στη σχετική βιβλιογραφία που αφορά την ενσωμάτωση μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων στην εφοδιαστική αλυσίδα. Παρουσιάζεται, επίσης, η στρατηγική επίλυσης του προβλήματος, συνοδευόμενη από τον κώδικα του υλοποιημένου αλγορίθμου. Ακολουθεί η ανάλυση των αποτελεσμάτων και η διαδικασία επιλογής των κατάλληλων παραμέτρων για τη βελτιστοποίηση του αλγορίθμου. Στο τέλος, διερευνάται η απόδοση μοντέλων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων διαφόρων κατασκευαστών, καθώς και ενός συμβατικού συστήματος διανομής, σε ένα ρεαλιστικό σενάριο παραδόσεων μιας μικρής πόλης, με σκοπό τη συγκριτική αξιολόγηση της αποδοτικότητάς τους.Summarization: This thesis aims to study a collaborative routing model for ground electric vehicles and unmanned aerial vehicles (drones) within the context of package delivery. This approach is aimed at transporting goods in a way that is both more efficient and ecologically sustainable, responding to the contemporary need to reduce atmospheric pollution. The proposed model defines the interaction between ground and aerial vehicles as follows: Ground vehicles will act as bases from which drones will be launched from designated parking spots. Subsequently, the drones will distribute the packages directly to neighboring recipients, avoiding the need to move over long distances (which is one of their main limitations), thus providing an efficient solution for delivery. The reduced energy consumption is mainly achieved because the drones carry smaller loads compared to a more conventional model with exclusive use of ground vehicles, which are heavier and transport almost all the packages over long distances. The thesis will focus on the development of an evolutionary algorithm that will take as parameters the data of the vehicle stopping points, the location and demand of the customers, as well as the ranges and capacity limits of the transport means, in order to propose an optimal route with the lowest possible energy consumption