A metaheuristic and simheuristic approach for the p-Hub median problem from a telecommunication perspective

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018.Avanços recentes no setor das telecomunicações oferecem grandes oportunidades para cidadãos e organizações em um mundo globalmente conectado, ao mesmo tempo em que surge um vasto número de desafios complexos que os engenheiros devem enfrentar. Alguns desses desafios podem ser modelados como problemas de otimização. Alguns exemplos incluem o problema de alocação de recursos em redes de comunicações, desenho de topologias de rede que satisfaça determinadas propriedades associadas a requisitos de qualidade de serviço, sobreposição de redes multicast e outros recursos importantes para comunicação de origem a destino. O primeiro objetivo desta tese é fornecer uma revisão sobre como as metaheurísticas têm sido usadas até agora para lidar com os problemas de otimização associados aos sistemas de telecomunicações, detectando as principais tendências e desafios. Particularmente, a análise enfoca os problemas de desenho, roteamento e alocação de recursos. Além disso, devido á natureza desses desafios, o presente trabalho discute como a hibridização de metaheurísticas com metodologias como simulação pode ser empregada para ampliar as capacidades das metaheurísticas na resolução de problemas de otimização estocásticos na indústria de telecomunicações. Logo, é analisado um problema de otimização com aplicações práticas para redes de telecomunica ções: o problema das p medianas não capacitado em que um número fixo de hubs tem capacidade ilimitada, cada nó não-hub é alocado para um único hub e o número de hubs é conhecido de antemão, sendo analisado em cenários determinísticos e estocásticos. Dada a sua variedade e importância prática, o problema das p medianas vem sendo aplicado e estudado em vários contextos. Seguidamente, propõem-se dois algoritmos imune-inspirados e uma metaheurística de dois estágios, que se baseia na combinação de técnicas tendenciosas e aleatórias com uma estrutura de busca local iterada, além de sua integração com a técnica de simulação de Monte Carlo para resolver o problema das p medianas. Para demonstrar a eficiência dos algoritmos, uma série de testes computacionais é realizada, utilizando instâncias de grande porte da literatura. Estes resultados contribuem para uma compreensão mais profunda da eficácia das metaheurísticas empregadas para resolver o problema das p medianas em redes pequenas e grandes. Por último, uma aplicaçã o ilustrativa do problema das p medianas é apresentada, bem como alguns insights sobre novas possibilidades para ele, estendendo a metodologia proposta para ambientes da vida real.Recent advances in the telecommunication industry o er great opportunities to citizens and organizations in a globally-connected world, but they also arise a vast number of complex challenges that decision makers must face. Some of these challenges can be modeled as optimization problems. Examples include the framework of network utility maximization for resource allocation in communication networks, nding a network topology that satis es certain properties associated with quality of service requirements, overlay multicast networks, and other important features for source to destination communication. First, this thesis provides a review on how metaheuristics have been used so far to deal with optimization problems associated with telecommunication systems, detecting the main trends and challenges. Particularly the analysis focuses on the network design, routing, and allocation problems. In addition, due to the nature of these challenges, this work discusses how the hybridization of metaheuristics with methodologies such as simulation can be employed to extend the capabilities of metaheuristics when solving stochastic optimization problems. Then, a popular optimization problem with practical applications to the design of telecommunication networks: the Uncapacitated Single Allocation p-Hub Median Problem (USApHMP) where a xed number of hubs have unlimited capacity, each non-hub node is allocated to a single hub and the number of hubs is known in advance is analyzed in deterministic and stochastic scenarios. p-hub median problems are concerned with optimality of telecommunication and transshipment networks, and seek to minimize the cost of transportation or establishing. Next, two immune inspired metaheuristics are proposed to solve the USApHMP, besides that, a two-stage metaheuristic which relies on the combination of biased-randomized techniques with an iterated local search framework and its integration with simulation Monte Carlo technique for solving the same problem is proposed. In order to show their e ciency, a series of computational tests are carried out using small and large size instances from the literature. These results contribute to a deeper understanding of the e ectiveness of the employed metaheuristics for solving the USApHMP in small and large networks. Finally, an illustrative application of the USApHMP is presented as well as some insights about some new possibilities for it, extending the proposed methodology to real-life environments.Els últims avenços en la industria de les telecomunicacions ofereixen grans oportunitats per ciutadans i organitzacions en un món globalment connectat, però a la vegada, presenten reptes als que s'enfronten tècnics i enginyers que prenen decisions. Alguns d'aquests reptes es poden modelitzar com problemes d'optimització. Exemples inclouen l'assignació de recursos a les xarxes de comunicació, trobant una topologia de xarxa que satisfà certes propietats associades a requisits de qualitat de servei, xarxes multicast superposades i altres funcions importants per a la comunicació origen a destinació. El primer objectiu d'aquest treball és proporcionar un revisió de la literatura sobre com s'han utilitzat aquestes tècniques, tradicionalment, per tractar els problemes d'optimització associats a sistemes de telecomunicació, detectant les principals tendències i desa aments. Particularment, l'estudi es centra en els problemes de disseny de xarxes, enrutament i problemes d'assignació de recursos. Degut a la naturalesa d'aquests problemes, aquest treball també analitza com es poden combinar les tècniques metaheurístiques amb metodologies de simulació per ampliar les capacitats de resoldre problemes d'optimització estocàstics. A més, es tracta un popular problema d'optimització amb aplicacions pràctiques per xarxes de telecomunicació, el problema de la p mediana no capacitat, analitzant-lo des d'escenaris deterministes i estocàstics. Aquest problema consisteix en determinar el nombre d'instal lacions (medianes) en una xarxa, minimitzant la suma de tots els costs o distàncies des d'un punt de demanda a la instal lació més propera. En general, el problema de la p mediana està lligat amb l'optimització de xarxes de telecomunicacions i de transport, i busquen minimitzar el cost de transport o establiment de la xarxa. Es proposa dos algoritmes immunològics i un algoritme metaheurístic de dues etapes basat en la combinació de tècniques aleatòries amb simulacions Monte Carlo. L'e ciència de les algoritmes es posa a prova mitjançant alguns dels test computacionals més utilitzats a la literatura, obtenint uns resultats molt satisfactoris, ja que es capaç de resoldre casos petits i grans en qüestió de segons i amb un baix cost computacional. Finalment, es presenta una aplicació il lustrativa del problema de la p mediana, així com algunes noves idees sobre aquest, que estenen la metodologia proposta a problemes de la vida real

A multi-start biased-randomized algorithm for the capacitated dispersion problem

The capacitated dispersion problem is a variant of the maximum diversity problem in which a set of elements in a network must be determined. These elements might represent, for instance, facilities in a logistics network or transmission devices in a telecommunication network. Usually, it is considered that each element is limited in its servicing capacity. Hence, given a set of possible locations, the capacitated dispersion problem consists of selecting a subset that maximizes the minimum distance between any pair of elements while reaching an aggregated servicing capacity. Since this servicing capacity is a highly usual constraint in real-world problems, the capacitated dispersion problem is often a more realistic approach than is the traditional maximum diversity problem. Given that the capacitated dispersion problem is an NP-hard problem, whenever large-sized instances are considered, we need to use heuristic-based algorithms to obtain high-quality solutions in reasonable computational times. Accordingly, this work proposes a multi-start biased-randomized algorithm to efficiently solve the capacitated dispersion problem. A series of computational experiments is conducted employing small-, medium-, and large-sized instances. Our results are compared with the best-known solutions reported in the literature, some of which have been proven to be optimal. Our proposed approach is proven to be highly competitive, as it achieves either optimal or near-optimal solutions and outperforms the non-optimal best-known solutions in many cases. Finally, a sensitive analysis considering different levels of the minimum aggregate capacity is performed as well to complete our study.Peer ReviewedPostprint (published version

A heuristic approach for multi-product capacitated single-allocation hub location problems

Tese de mestrado, Estatística e Investigação Operacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Em redes onde o fluxo entre nodos é muito elevado (como pode ser o caso do transporte de pessoas e mercadorias ou até mesmo fluxo de dados numa rede), torna-se menos dispendioso criar pontos onde se concentram os fluxos provenientes das diferentes origens para depois serem consolidados e redistribuídos até aos destinos. A esses pontos dá-se o nome de hubs. O problema de localização de hubs consiste na localização de hubs numa rede e na alocação de todos os nodos da rede a esses hubs, de modo a que se possa encaminhar os fluxos entre os pares origem-destino a menos que sejam hubs. A rede constituída pelos hubs é normalmente definida como completa e não se permitem ligações diretas entre os pares origem-destino. Para além disso, assume-se que existe um factor de desconto para o fluxo que circula entre hubs. Neste tipo de redes (hub-and-spoke networks) podem aparecer duas variantes, no que diz respeito à alocação dos nodos aos hubs: single-allocation e multiple-allocation. No primeiro caso, permite-se apenas uma ligação de cada nodo não hub a um hub de modo a que todo o fluxo com origem e destino a cada nodo saia e chegue a esse nodo através de apenas um hub. No caso em que se tem multiple-allocation, cada nodo poderá ser afecto a mais do que um hub e o fluxo que chega e sai desse nodo poderá usar mais do que um hub. Algumas variantes que se poderão considerar para este problema incluem restrições de capacidade nos hubs (restrições que limitam a capacidade de um hub processar uma certa quantidade de fluxo de origem, limitações na capacidade total, limitações no processamento de fluxo que sai do hub, etc.), restrições de capacidade nos arcos, problemas multi-periódicos, presença de incerteza, o número de hubs ser fixo, o tipo de objectivo (minimizar custos, minimizar distâncias entre hubs, etc.) entre outras. A necessidade de aproximar este tipo de problemas aos casos que se observam no mundo real leva à inclusão de cada vez mais restrições dando origem a mais variantes do problema. Neste trabalho, será abordado o problema de localização de hubs na variante single-Allocation, com restrições de capacidade em relação ao fluxo que cada hub é capaz de processar. Para além disso, considera-se fluxos relativos a mais do que um tipo de produto. Este problema é designado por Problema Multi-produto de Localização de Hubs com Capacidade1. Cada hub poderá ser dedicado a processar apenas um tipo de produto, poderá processar mais do que um, ou mesmo todos. A rede de hubs é completa para cada produto mas, no entanto, se se considerar a rede de hubs para todos os produtos, esta poderá não ser completa. Como constatado em Correia et al. [17], no caso em que cada hub processa todos os tipos de produto, resolver o problema multi-produto ao invés de se resolver vários problemas, um para cada produto em separado, dá origem a melhores resultados. A complexidade inerente a este tipo de problemas leva a que sejam classificados como problemas NP-Hard pois não existem algoritmos que sejam capazes de os resolver em tempo polinomial. Por esta razão faz sentido desenvolver algoritmos heurísticos de modo a se conseguir obter, em tempo útil, soluções para instâncias maiores do problema . Como referido em Meyer et al. [51], em problemas de localização de hubs, duas soluções com valores objectivo muito semelhantes poderão ser estruturalmente muito diferentes, e portanto, através um mecanismo de pesquisa local poderá ser muito difícil a passagem de uma boa solução para outra melhor. Por esta razão, neste trabalho opta-se por uma heurística que se baseia num método em que se constroem soluções repetidamente. Para a construção das soluções, considerando que um processo de construção do tipo Greedy poderia dar origem a um número limitado de soluções e que as componentes da solução que são escolhidas por último são as piores, optou-se pelo desenvolvimento de um algoritmo de Ant Colony Optimization (ACO). Esta meta-heurística baseia-se no comportamento apresentado pelas formigas quando estas procuram alimento. Quando uma formiga deixa a colónia em busca de alimento, no seu trajeto, deposita um químico (feromona) que pode ser detectado por outras formigas. Quanto maior a concentração de feromona, maior a atração de cada formiga por esse trajeto e, portanto, os trajetos com maiores concentrações de feromonas serão percorridos por mais formigas. Por outro lado, se o caminho de ida e volta até ao alimento for mais curto, mais vezes será percorrido e maior será a concentração de feromona nesse caminho. O resultado destes dois tipos de reforço positivo nas concentrações de feromona nos trajetos percorridos pelas formigas, aliados ao facto de que existe evaporação do químico (a concentração de feromona diminui nos caminhos menos percorridos ao longo do tempo) dá origem aos \carreirinhos" de formigas que se podem observar na natureza e que normalmente representam o caminho mais curto entre o alimento e a Colónia de formigas. Considere-se o problema em questão em que se tem n nodos e p produtos. Para a representação das soluções, em vez de se considerar uma matriz binária n χ n χ p, onde o valor 1 representa uma afetação, considerou-se uma matriz n χ p, em que cada entrada representa, para cada produto, o hub ao qual o nodo foi afecto. O caso em que um nodo é afecto a si mesmo indica que esse nodo é hub para o produto correspondente. Este tipo de representação permite reduzir o tamanho da matriz e diminuir o uso da memória computacional. Antes da construção de uma solução, é aplicado um pré-processamento que vai evitar, com base nas restrições do problema, que certas componentes da solução sejam consideradas durante o processo de construção da solução. Deste modo, reduz-se o espaço de procura de soluções e algum esforço computacional. Para a construção de uma solução, escolhe-se o tamanho da colonia (o número de formigas que pertencem à colónia) e cada formiga vai escolhendo, sucessivamente, componentes da solução através de uma regra pseudo-aleatória onde algumas componentes da solução são escolhidas de um modo greedy e outras são escolhidas através de roulette wheel selection. A cada componente da solução é atribuído um valor inicial de feromona e, à medida que cada formiga vai adicionando componentes à solução, o valor da feromona associado à componente adicionada vai decrescendo, o que resulta na diminuição da probabilidade de que essa componente seja escolhida pela próxima formiga, dando origem à diversificação do conjunto de soluções construído por cada colónia. No fim, depois de todas as formigas terem construído uma solução, escolhe-se a melhor solução e reforça-se a concentração de feromona na melhor solução construída pela colónia. Se, por acaso, uma formiga der origem a uma solução não admissível, a solução construída por essa formiga não é considerada. Para mais detalhe em relação a este processo consultar Dorigo et al. [20]. Este tipo de algoritmo permite a inclusão de métodos de pesquisa local de modo a que a solução obtida por cada colónia seja melhorada. Com o objectivo de obter um algoritmo mais eficiente, escolheu-se incluir esta possibilidade e procedeu-se ao reforço da concentração de feromona após feita uma pesquisa local. Na pesquisa local efectuada, usaram-se três tipos de vizinhança. Um deles fecha os hubs dedicados que só servem a si próprios e realoca-os a outros já abertos para esse mesmo produto. Outro, escolhe aleatoriamente um nodo alocado a um hub dedicado para um dado produto e realoca-o a outro hub dedicado ao mesmo produto. Um terceiro, escolhe um hub aleatoriamente e transforma-o num nodo, realocando-o a outro hub dedicado ao mesmo tipo de produto. De modo a obter soluções iniciais melhores, explora-se a possibilidade de atribuir valores iniciais de feromona mais altos às componentes de solução pertencentes à solução da relaxação linear, na proporção do valor correspondente no caso das variáveis 0-1. Uma outra variação explorada consiste em fazer o reforço do valor de feromona às componentes da solução, apenas quando esta é a melhor de todas encontrada até ao momento, permitindo que haja evaporação de certas componentes de solução que poderão estar a ser escolhidas consecutivamente e permitindo que se escape mais facilmente de óptimos locais. Após implementação do algoritmo procede-se à fase dos testes computacionais em instâncias do problema com 10, 20, 25 e 40 nodos, 1, 2 e 3 produtos e hubs que processam 1, 2 e 3 produtos. As instâncias usadas nos testes computacionais pertencem ao Australian Post data set e foram adaptados por Correia et al. [17] de modo a que se tivesse dados para mais do que um tipo de produto.In this thesis, an heuristic procedure is proposed for the the multi-product capacitated single-allocation hub location problem. When addressing a problem in which it is necessary to determine the transportation of large commodity flows between many origin-destination (O-D) pairs, instead of using direct links, it becomes more efficient to design the networks in such a way that some of the nodes become consolidation centers or hubs. The Multi-Product Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem (MP-CSAHLP according to Correia et al. [17]), is a NP-Hard problem in which several types of ow are considered, making it possible to consider the case when multiple types of products are to be shipped between each O-D pair. It can be seen as an extension of the classical Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem. In the problem investigated in this work, no more than one hub can be located in each node and the hubs can be either dedicated (each hub can only handle one type of product) or non-dedicated (one hub can handle more than one type product). The hubs have capacity limitations regarding the incoming flow. Furthermore, the hub network is complete for each product but, when considering the hub network as a whole, it does not necessarily have to be complete. The goal is to locate the hubs in the network, allocate the non-hub nodes to the opened hubs and route the flow between each O-D pair. The objective is to minimize the total ow routing cost plus the setup costs of the hubs and costs of preparing the hubs to handle the different types of products. In order to obtain feasible solutions to the above problem, an Ant Colony Optimization procedure is proposed, which is a constructive, population-based meta-heuristic based in the foraging behavior of ants. Indirect communication between the ants through pheromones reflects the colony search experience. High-quality solutions are found as an outcome of the global cooperation among all the ants of the colony. A preprocessing procedure is also proposed in which some solution components are forbidden based on the problems restrictions. Such preprocessing reduces the search space and thus may reduce the computational effort. The proposed heuristic uses a single ant colony, which simultaneously chooses the hubs and allocates the nodes to the hubs. Once these solutions are found, the routing of the flow is computed in a short amount of time, using the optimization models for the MP-CSAHLP in which some variables (location and allocation) are fixed. The results show that the proposed heuristic has the potential to find good quality solutions for the MP-CSAHLP and that its performance can be improved with finer parameter tuning, longer runs and more intense local search

A simheuristic for routing electric vehicles with limited driving ranges and stochastic travel times

Green transportation is becoming relevant in the context of smart cities, where the use of electric vehicles represents a promising strategy to support sustainability policies. However the use of electric vehicles shows some drawbacks as well, such as their limited driving-range capacity. This paper analyses a realistic vehicle routing problem in which both driving-range constraints and stochastic travel times are considered. Thus, the main goal is to minimize the expected time-based cost required to complete the freight distribution plan. In order to design reliable Routing plans, a simheuristic algorithm is proposed. It combines Monte Carlo simulation with a multi-start metaheuristic, which also employs biased-randomization techniques. By including simulation, simheuristics extend the capabilities of metaheuristics to deal with stochastic problems. A series of computational experiments are performed to test our solving approach as well as to analyse the effect of uncertainty on the routing plans.Peer Reviewe

Simheuristics to support efficient and sustainable freight transportation in smart city logistics

La logística urbana intel·ligent constitueix un factor crucial en la creació de sistemes de transport urbà eficients i sostenibles. Entre altres factors, aquests sistemes es centren en la incorporació de dades en temps real i en la creació de models de negoci col·laboratius en el transport urbà de mercaderies, considerant l’augment dels habitants en les ciutats, la creixent complexitat de les demandes dels clients i els mercats altament competitius. Això permet als que planifiquen el transport minimitzar els costos monetaris i ambientals del transport de mercaderies a les àrees metropolitanes. Molts problemes de presa de decisions en aquest context es poden formular com a problemes d’optimació combinatòria. Tot i que hi ha diferents enfocaments de resolució exacta per a trobar solucions òptimes a aquests problemes, la seva complexitat i grandària, a més de la necessitat de prendre decisions instantànies pel que fa a l’encaminament de vehicles, la programació o la situació d’instal·lacions, fa que aquestes metodologies no s’apliquin a la pràctica. A causa de la seva capacitat per a trobar solucions pseudoòptimes en gairebé temps real, els algorismes metaheurístics reben una atenció creixent dels investigadors i professionals com a alternatives eficients i fiables per a resoldre nombrosos problemes d’optimació en la creació de la logística de les ciutats intel·ligents. Malgrat el seu èxit, les tècniques metaheurístiques tradicionals no representen plenament la complexitat dels sistemes més realistes. En assumir entrades (inputs) i restriccions de problemes deterministes, la incertesa i el dinamisme experimentats en els escenaris de transport urbà queden sense explicar. Els algorismes simheurístics persegueixen superar aquests inconvenients mitjançant la integració de qualsevol tipus de simulació en processos metaheurístics per a explicar la incertesa inherent a la majoria de les aplicacions de la vida real. Aquesta tesi defineix i investiga l’ús d’algorismes simheurístics com el mètode més adequat per a resoldre problemes d’optimació derivats de la logística de les ciutats. Alguns algorismes simheurístics s’apliquen a una sèrie de problemes complexos, com la recollida de residus urbans, els problemes de disseny de la cadena de subministrament integrada i els models de transport innovadors relacionats amb la col·laboració horitzontal entre els socis de la cadena de subministrament. A més de les discussions metodològiques i la comparació d’algorismes desenvolupats amb els referents de la bibliografia acadèmica, es mostra l’aplicabilitat i l’eficiència dels algorismes simheurístics en diferents casos de gran escala.Las actividades de logística en ciudades inteligentes constituyen un factor crucial en la creación de sistemas de transporte urbano eficientes y sostenibles. Entre otros factores, estos sistemas se centran en la incorporación de datos en tiempo real y la creación de modelos empresariales colaborativos en el transporte urbano de mercancías, al tiempo que consideran el aumento del número de habitantes en las ciudades, la creciente complejidad de las demandas de los clientes y los mercados altamente competitivos. Esto permite minimizar los costes monetarios y ambientales del transporte de mercancías en las áreas metropolitanas. Muchos de los problemas de toma de decisiones en este contexto se pueden formular como problemas de optimización combinatoria. Si bien existen diferentes enfoques de resolución exacta para encontrar soluciones óptimas a tales problemas, su complejidad y tamaño, además de la necesidad de tomar decisiones instantáneas con respecto al enrutamiento, la programación o la ubicación de las instalaciones, hacen que dichas metodologías sean inaplicables en la práctica. Debido a su capacidad para encontrar soluciones pseudoóptimas casi en tiempo real, los algoritmos metaheurísticos reciben cada vez más atención por parte de investigadores y profesionales como alternativas eficientes y fiables para resolver numerosos problemas de optimización en la creación de la logística de ciudades inteligentes. A pesar de su éxito, las técnicas metaheurísticas tradicionales no representan completamente la complejidad de los sistemas más realistas. Al asumir insumos y restricciones de problemas deterministas, se ignora la incertidumbre y el dinamismo experimentados en los escenarios de transporte urbano. Los algoritmos simheurísticos persiguen superar estos inconvenientes integrando cualquier tipo de simulación en procesos metaheurísticos con el fin de considerar la incertidumbre inherente en la mayoría de las aplicaciones de la vida real. Esta tesis define e investiga el uso de algoritmos simheurísticos como método adecuado para resolver problemas de optimización que surgen en la logística de ciudades inteligentes. Se aplican algoritmos simheurísticos a una variedad de problemas complejos, incluyendo la recolección de residuos urbanos, problemas de diseño de la cadena de suministro integrada y modelos de transporte innovadores relacionados con la colaboración horizontal entre los socios de la cadena de suministro. Además de las discusiones metodológicas y la comparación de los algoritmos desarrollados con los de referencia de la bibliografía académica, se muestra la aplicabilidad y la eficiencia de los algoritmos simheurísticos en diferentes estudios de casos a gran escala.Smart city logistics are a crucial factor in the creation of efficient and sustainable urban transportation systems. Among other factors, they focus on incorporating real-time data and creating collaborative business models in urban freight transportation concepts, whilst also considering rising urban population numbers, increasingly complex customer demands, and highly competitive markets. This allows transportation planners to minimize the monetary and environmental costs of freight transportation in metropolitan areas. Many decision-making problems faced in this context can be formulated as combinatorial optimization problems. While different exact solving approaches exist to find optimal solutions to such problems, their complexity and size, in addition to the need for instantaneous decision-making regarding vehicle routing, scheduling, or facility location, make such methodologies inapplicable in practice. Due to their ability to find pseudo-optimal solutions in almost real time, metaheuristic algorithms have received increasing attention from researchers and practitioners as efficient and reliable alternatives in solving numerous optimization problems in the creation of smart city logistics. Despite their success, traditional metaheuristic techniques fail to fully represent the complexity of most realistic systems. By assuming deterministic problem inputs and constraints, the uncertainty and dynamism experienced in urban transportation scenarios are left unaccounted for. Simheuristic frameworks try to overcome these drawbacks by integrating any type of simulation into metaheuristic-driven processes to account for the inherent uncertainty in most real-life applications. This thesis defines and investigates the use of simheuristics as a method of first resort for solving optimization problems arising in smart city logistics concepts. Simheuristic algorithms are applied to a range of complex problem settings including urban waste collection, integrated supply chain design, and innovative transportation models related to horizontal collaboration among supply chain partners. In addition to methodological discussions and the comparison of developed algorithms to state-of-the-art benchmarks found in the academic literature, the applicability and efficiency of simheuristic frameworks in different large-scaled case studies are shown

A Real-time Energy-Saving Mechanism in Internet of Vehicles Systems

Emerging technologies, such as self-driving cars and 5G communications, are raising new mobility and transportation possibilities in smart and sustainable cities, bringing to a new echo-system often referred to as Internet of Vehicles (IoV). In order to efficiently operate, an IoV system should take into account more stringent requirements with respect to traditional IoT systems, e.g., ultra-broadband connections, high-speed mobility, high-energy efficiency and requires efficient real-time algorithms. This paper proposes an energy and communication driven model for IoV scenarios, where roadside units (RSUs) need to be frequently assigned and re-assigned to the operating vehicles. The problem has been formulated as an Uncapacitated Facility Location Problem (UFLP) for jointly solving the RSU-to-vehicle allocation problem while managing the RSUs switch-on and -off processes. Differently from traditional UFLP approaches, based on static solutions, we propose here a fast-heuristic approach, based on a dynamic multi-period time scale mapping: the proposed algorithm is able to efficiently manage in real-time the RSUs, selecting at each period those to be activated and those to be switched off. The resulting methodology is tested against a set of benchmark instances, which allows us to illustrate its potential. Results, in terms of overall cost –mapping both energy consumption and transmission delays–, number of active RSUs, and convergence speed, are compared with static approaches, showing the effectiveness of the proposed dynamic solution. It is noticeable a gain of up to 11% in terms of overall cost with respect to the static approaches, with a moderate additional delay for finding the solution, around 0.8 s, while the overall number of RSUs to be switched on is sensibly reduced up to a fraction of 15% of the overall number of deployed RSUs, in the most convenient scenario

A Real-Time Energy-Saving Mechanism in Internet of Vehicles Systems

[EN] Emerging technologies, such as self-driving cars and 5G communications, are raising new mobility and transportation possibilities in smart and sustainable cities, bringing to a new echo-system often referred to as Internet of Vehicles (IoV). In order to efficiently operate, an IoV system should take into account more stringent requirements with respect to traditional IoT systems, e.g., ultra-broadband connections, high-speed mobility, high-energy efficiency and requires efficient real-time algorithms. This paper proposes an energy and communication driven model for IoV scenarios, where roadside units (RSUs) need to be frequently assigned and re-assigned to the operating vehicles. The problem has been formulated as an Uncapacitated Facility Location Problem (UFLP) for jointly solving the RSU-to-vehicle allocation problem while managing the RSUs switch-on and -off processes. Differently from traditional UFLP approaches, based on static solutions, we propose here a fast-heuristic approach, based on a dynamic multi-period time scale mapping: the proposed algorithm is able to efficiently manage in real-time the RSUs, selecting at each period those to be activated and those to be switched off. The resulting methodology is tested against a set of benchmark instances, which allows us to illustrate its potential. Results, in terms of overall cost-mapping both energy consumption and transmission delays-, number of active RSUs, and convergence speed, are compared with static approaches, showing the effectiveness of the proposed dynamic solution. It is noticeable a gain of up to 11% in terms of overall cost with respect to the static approaches, with a moderate additional delay for finding the solution, around 0.8 s, while the overall number of RSUs to be switched on is sensibly reduced up to a fraction of 15% of the overall number of deployed RSUs, in the most convenient scenario.The work of Luca Cesarano and Andrea Croce has been done during an abroad study period at Universitat Oberta de Catalunya, Spain, supported by Erasmus+ Study Programme of the European Union.Cesarano, L.; Croce, A.; Martins, LDC.; Tarchi, D.; Juan-Pérez, ÁA. (2021). A Real-Time Energy-Saving Mechanism in Internet of Vehicles Systems. IEEE Access. 9:157842-157858. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3130125157842157858

Networks, Communication, and Computing Vol. 2

Networks, communications, and computing have become ubiquitous and inseparable parts of everyday life. This book is based on a Special Issue of the Algorithms journal, and it is devoted to the exploration of the many-faceted relationship of networks, communications, and computing. The included papers explore the current state-of-the-art research in these areas, with a particular interest in the interactions among the fields

Applications of biased-randomized algorithms and simheuristics in integrated logistics

Transportation and logistics (T&L) activities play a vital role in the development of many businesses from different industries. With the increasing number of people living in urban areas, the expansion of on-demand economy and e-commerce activities, the number of services from transportation and delivery has considerably increased. Consequently, several urban problems have been potentialized, such as traffic congestion and pollution. Several related problems can be formulated as a combinatorial optimization problem (COP). Since most of them are NP-Hard, the finding of optimal solutions through exact solution methods is often impractical in a reasonable amount of time. In realistic settings, the increasing need for 'instant' decision-making further refutes their use in real life. Under these circumstances, this thesis aims at: (i) identifying realistic COPs from different industries; (ii) developing different classes of approximate solution approaches to solve the identified T&L problems; (iii) conducting a series of computational experiments to validate and measure the performance of the developed approaches. The novel concept of 'agile optimization' is introduced, which refers to the combination of biased-randomized heuristics with parallel computing to deal with real-time decision-making.Las actividades de transporte y logística (T&L) juegan un papel vital en el desarrollo de muchas empresas de diferentes industrias. Con el creciente número de personas que viven en áreas urbanas, la expansión de la economía a lacarta y las actividades de comercio electrónico, el número de servicios de transporte y entrega ha aumentado considerablemente. En consecuencia, se han potencializado varios problemas urbanos, como la congestión del tráfico y la contaminación. Varios problemas relacionados pueden formularse como un problema de optimización combinatoria (COP). Dado que la mayoría de ellos son NP-Hard, la búsqueda de soluciones óptimas a través de métodos de solución exactos a menudo no es práctico en un período de tiempo razonable. En entornos realistas, la creciente necesidad de una toma de decisiones "instantánea" refuta aún más su uso en la vida real. En estas circunstancias, esta tesis tiene como objetivo: (i) identificar COP realistas de diferentes industrias; (ii) desarrollar diferentes clases de enfoques de solución aproximada para resolver los problemas de T&L identificados; (iii) realizar una serie de experimentos computacionales para validar y medir el desempeño de los enfoques desarrollados. Se introduce el nuevo concepto de optimización ágil, que se refiere a la combinación de heurísticas aleatorias sesgadas con computación paralela para hacer frente a la toma de decisiones en tiempo real.Les activitats de transport i logística (T&L) tenen un paper vital en el desenvolupament de moltes empreses de diferents indústries. Amb l'augment del nombre de persones que viuen a les zones urbanes, l'expansió de l'economia a la carta i les activitats de comerç electrònic, el nombre de serveis del transport i el lliurament ha augmentat considerablement. En conseqüència, s'han potencialitzat diversos problemes urbans, com ara la congestió del trànsit i la contaminació. Es poden formular diversos problemes relacionats com a problema d'optimització combinatòria (COP). Com que la majoria són NP-Hard, la recerca de solucions òptimes mitjançant mètodes de solució exactes sovint no és pràctica en un temps raonable. En entorns realistes, la creixent necessitat de prendre decisions "instantànies" refuta encara més el seu ús a la vida real. En aquestes circumstàncies, aquesta tesi té com a objectiu: (i) identificar COP realistes de diferents indústries; (ii) desenvolupar diferents classes d'aproximacions aproximades a la solució per resoldre els problemes identificats de T&L; (iii) la realització d'una sèrie d'experiments computacionals per validar i mesurar el rendiment dels enfocaments desenvolupats. S'introdueix el nou concepte d'optimització àgil, que fa referència a la combinació d'heurístiques esbiaixades i aleatòries amb informàtica paral·lela per fer front a la presa de decisions en temps real.Tecnologies de la informació i de xarxe