Optimização de processos na cadeia de abastecimento : o caso do transporte de mercadorias

Dissertação de mestrado em Engenharia de SistemasNum passado recente, tem-se verificado uma melhoria contínua das condições de transporte. As infraestruturas construídas, desde estradas a linhas ferroviárias tiveram como objectivo melhorar a qualidade de vida da população, diminuir o tempo e custos associados ao transporte e distribuição, quer de pessoas quer de mercadorias. Para que esta qualidade exista é necessário criar condições para tal, e assim é essencial optimizar as rotas dos veículos e a disposição das cargas transportadas. É nesta área que o presente trabalho se enquadra e de forma a contextualizar o problema e perceber o trabalho realizado na área até ao momento, é apresentado um resumo dos vários estudos desenvolvidos na área num capítulo de revisão de literatura. A realização desta dissertação foi constituída por duas fases distintas. Uma primeira fase de pesquisa de aplicações internacionais e nacionais que permitem optimizar rotas, na qual para as aplicações internacionais só foram analisadas aquelas que consideram restrições dos produtos transportados como o peso, altura, comprimento, largura e volume. Na análise das aplicações são descritas as suas funcionalidades e os principais clientes. Adicionalmente, e caso as aplicações tenham um módulo que trata do carregamento dos veículos, é feita a sua descrição. No fim dessa fase, é apresentada uma análise crítica das aplicações e uma tabela de síntese onde são apresentadas as suas principais características. O objectivo da segunda fase foi desenvolver e testar várias abordagens heurísticas para o problema de encaminhamento de veículos com restrições de carga a duas dimensões (2L-CVRP). Os testes de desempenho dessas heurísticas foram realizados sobre as mesmas instâncias usadas no trabalho desenvolvido por Iori (Iori, Salazar-Gonzalez, & Vigo, 2007) na qual garante resultados óptimos recorrendo a um algoritmo exacto. O problema em estudo é caracterizado por um depósito central onde estão colocados diversos veículos que têm a função de transportar encomendas efectuadas por clientes. O objectivo é minimizar tanto a distância total percorrida pelos veículos assim como o número de veículos utilizados. No final, temos uma série de veículos, em que cada um tem uma rota ordenada de clientes. Comparando os resultados das heurísticas com o algoritmo exacto, é natural que os resultados das heurísticas sejam piores no que diz respeito ao número de veículos utilizados e às distâncias percorridas. Contudo, a motivação esteve em tentar aproximar-se da qualidade dos resultados do algoritmo exacto em tempos computacionais bem menores. Nos três algoritmos desenvolvidos foram identificadas três zonas críticas, as estratégias de selecção dos clientes, a estratégia de colocação de itens nos veículos e a estratégia para controlar a distância percorrida – raio de movimentação dos veículos.In the recent past, there has been a continuous improvement of transport conditions. The infrastructures built, from roads to railways lines, were aimed to improve the population life quality, decrease the time and costs associated to the transport and distribution of people and goods. For this quality to exist, it is necessary to create conditions for that, and so it is essential to optimise the vehicle routing and the arrangement of the cargoes. This is the context of the current work and in order to understand what was done, a summary of several studies is presented in a state of art chapter. The development of this dissertation was composed by two distinct phases. An initial research phase of international and national software that allows routing optimization was made and, in the case of international software, we only analysed those who consider cargoes restrictions like, weight, height, length, width and volume. In the software analysis are described their main features and major customers and, if they have a module that deals with the vehicle loading, its description is made. At the end of this phase, a critical analysis and a summary table with the software main features are presented. The aim of the second stage was to develop and test heuristic approaches to the vehicle routing problem with two-dimensional loading constraints (2L-CVRP). Performance tests on this heuristics were performed on the same instances presented in Iori´s work (Iori, Salazar-Gonzalez, & Vigo, 2007), in which an exact algorithm was used to ensure optimal results. The problem features a central depot, where various vehicles are placed and each has the function of transporting orders placed by customers. The main objective is to minimize the total travelled distance and the number of vehicles used. In the end, we have a set of vehicles, in which, each has an ordered rout of clients. Following this approach and to provide a basis for comparison, three constructive heuristics were developed in order to have access to a range of different outcomes and so, in addition of being compared with the exact algorithm, the developed algorithms can be compared between them. The items that are used for analysis are, the number of vehicles used in an instance, the total distance travelled and the runtime. When compared with the exact algorithm, it is natural that the heuristics present worse results in terms of number of vehicles used and total distance travelled. However, the motivation was to try to approach the quality of the results presented by the exact algorithm, in less time. In the three algorithms developed, we identified three critical areas, the customers selection strategy, the placement of items in vehicles strategy and the control of distance strategy - radius of movement by vehicles between clients

Three-Dimensional Capacitated Vehicle Routing Problems with Loading Constraints

City logistics planning involves organizing the movement of goods in urban areas carried out by logistics operators. The loading and routing of goods are critical components of these operations. Efficient utilization of vehicle space and limiting number of empty vehicle movements can strongly impact the nuisances created by goods delivery vehicles in urban areas. We consider an integrated problem of routing and loading known as the three-dimensional loading capacitated vehicle routing problem (3L-CVRP). 3L-CVRP consists of finding feasible routes with the minimum total travel cost while satisfying customers’ demands expressed in terms of cuboid and weighted items. Practical constraints related to connectivity, stability, fragility, and LIFO are considered as parts of the problem. We address the problem in two stages. Firstly, we address the three-dimensional (3D) loading problem followed by 3L-CVRP. The main objective of a 3D loading problem without routing aspect is finding the best way of packing 3D items into vehicles or containers to increase the loading factor with the purpose of minimizing empty vehicle movements. We present the general linear programming model to the pure three-dimensional vehicle loading problem and solve it by CPLEX. To deal with large-sized instances, Column Generation (CG) technique is applied. The designed method in this work outperforms the best existing techniques in the literature.   The 3DVLP with allocation and capacity constraints, called 3DVLP-AC, is also considered. For the 3DVLP-AC, CPLEX could handle moderate-sized instances with up to 40 customers. To deal with large-sized instances, a Tabu Search (TS) heuristic algorithm is developed. There are no solution methods or lower bounds (LBs) for the 3DVLP-AC existent in the literature by which to evaluate the TS results. Therefore, we evaluate our TS with the CPLEX results for small instances. 3L-CVRP is addressed by using CG technique. To generate new columns, the pricing problem that is part of CG is solved by using two approaches: 1-by means of shortest path problem with resource constraints (ESPPRC) and loading problem, and 2-a heuristic pricing method (HP). CG using HP with a simple scheme can attain solutions competitive with the efficient TS algorithms described in the literature

Uma nova abordagem heurística para a resolução do problema do roteamento de veículos capacitados com restrições tridimensionais de carregamento

Orientadora : Profa. Dra. Maria Teresinha Arns SteinerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas e Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 11/02/2011Bibliografia: fls. 91-95Área de concentração: Programação matemáticaResumo: O Problema do Roteamento de Veículos Capacitados com Restrições Tridimensionais de Carregamento (3L – CVRP) é um recente avanço da pesquisa operacional para a resolução de problemas logísticos de alta complexidade. O interesse prático reside no transporte e distribuição de mercadorias de baixa densidade, cujo carregamento dos itens deve atender a restrições espaciais, como, eletrodomésticos, componentes mecânicos, móveis, entre outros. O 3L – CVRP também apresenta um grande desafio teórico na medida em que generaliza dois dos mais conhecidos problemas de otimização combinatória: O Problema do Roteamento de Veículos Capacitados e o Problema do Bin Packing Tridimensional. A solução do 3L – CVRP requer a determinação de rotas de menor custo para uma frota de veículos de mesma capacidade, de forma que se atenda a demanda de clientes dispersos em uma região. Tal demanda consiste em caixas retangulares que precisam ser carregadas atendendo a restrições operacionais. A resolução integrada implica na evocação iterativa de um método que resolve o problema do carregamento na medida em que o problema do roteamento vai sendo resolvido. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a resolução do 3L – CVRP. O método proposto resolve de forma heurística o problema do roteamento em dois estágios: o primeiro deles consiste em agrupar os clientes conforme sua demanda volumétrica enquanto que o segundo estágio constrói uma rota inicial refinando-a sequencialmente. O problema do carregamento é resolvido por um software comercial com licença trial. Foi desenvolvida uma nova estratégia para a integração entre os dois problemas baseada em limites de ocupação volumétrica do veículo. Os testes computacionais foram realizados em três etapas: Primeiramente avaliou-se o desempenho da heurística para o problema do roteamento de veículos capacitados. Testes foram realizados com instâncias clássicas da literatura e comparados com outras abordagens existentes (exatas e heurísticas), produzindo resultados satisfatórios tanto em termos de eficácia, quanto de eficiência. O segundo estágio de estes avaliou o software de carregamento para instâncias referentes ao problema de carregamento de contêineres e o problema do Bin Packing tridimensional. A comparação com outras abordagens existentes aponta um desempenho satisfatório do software. O terceiro e último estágio foi feito sobre instâncias do 3L – CVRP e comparadas com outros trabalhos existentes, produzindo resultados superiores em termos de eficácia para algumas instâncias, dependendo das configurações de restrição de carregamento, com melhorias em termos de eficiência para a grande maioria das instâncias testadas.Abstract: The Three Dimensional Loading Capacitated Vehicle Routing Problem (3L – CVRP) is a recent advance in operational research to solve logistical problems of high complexity. The practical interest is in transportation and distribution of low-density goods, whose shipment of the items must meet the spatial constraints, for example, mechanical components, furniture, household appliances, among other. The problem is also a great theoretical challenge because it generalizes two of the most well known problems in combinatorial optimization: the Capacitated Vehicle Routing Problem and the Three-dimensional Bin Packing Problem. The solution of the 3L - CVRP requires the determination of routes of minimum cost for a fleet of vehicles of the same capacity, so that it meets the demand of customers scattered across a region. This demand consists of rectangular boxes that need to be loaded given a set of operational constraints. The integrated resolution implies the evocation of an iterative method that solves the loading problem while the routing problem is solving. This work presents a new approach to solve the 3L – CVRP. The method employs heuristics procedures to solve the Capacitated Vehicle Routing Problem, in a strategy divided in two stages. The first grouping customers according to their demand based on volume, and the second builds an initial route and improve this route sequentially. The loading problem is solved by commercial software with a trial license. It was developed a new strategy for the integration of the two problems based on occupancy limits of the vehicle volume. The computational experiments were made in three stages: First was evaluated the performance of the heuristic to the Capacitated Vehicle Routing Problem. Tests were performed with instances of classical literature and compared with other existing approaches (heuristic and exact), producing satisfactory results in terms of effectiveness and efficiency. The second stage of tests evaluated the performance of software loading. For this, we use instances for the Container Loading Problem and the problem of Three- Dimensional Bin Packing. A comparison with other existing approaches shows a satisfactory performance of the software. The third and final stage was made on instances of 3L - CVRP and compared with other existing works, producing superior results in terms of effectiveness in some instances, depending on the load restriction settings, with improvements in efficiency for the most of instances tested

Modelo matemático e algoritmo meta-heurístico para o problema de roteamento de veículos com frota heterogênea fixa e restrições de carregamento bidimensional

Orientadora : Luzia Vidal de SouzaTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 05/08/2016Inclui referências : f. 97-102Resumo: Os problemas integrados de roteamento e carregamento de veículos tratam simultaneamente de dois importantes problemas de otimização combinatória: o Problema de Roteamento de Veículos e o Problema do Bin Packing. Neste trabalho estudou-se o Problema de Roteamento de Veículos com Frota Heterogênea Fixa e Restrições de Carregamento Bidimensional (2L-HFFVRP - Two Dimensional Loading Heterogeneous Fixed Fleet Vehicle Routing Problem), cujo objetivo consiste em encontrar o conjunto de roteiros de mínimo custo a ser realizado por uma frota limitada de veículos de diferentes capacidades e custos, determinando ainda o arranjo geométrico da carga nos veículos, considerando os itens de demanda dos clientes e as superficies de carregamento dos veículos elementos retangulares. Além das restrições clássicas do problema de roteamento de veículos e das restrições geométricas do carregamento, considerou-se a restrição do carregamento sequencial, que garante que seja possível descarregar os itens de um cliente sem a necessidade de movimentação dos itens dos clientes que serão atendidos posteriormente no roteiro. Foi desenvolvida uma formulação matemática para o 2L-HFVRP, validada por experimentos computacionais que mostraram que a formulação proposta e capaz de representar matematicamente o problema, no entanto e possível obter soluções ótimas em tempo computacional aceitável apenas para problemas consideravelmente pequenos. Também foi proposto um algoritmo meta-heurístico baseado em Simulated Annealing e Busca Local para resolução do 2L-HFFVRP, que utiliza um conjunto de métodos heurísticos para determinar o carregamento dos veículos. O desempenho deste algoritmo foi testado sobre instancias geradas a partir das instancias da literatura, e observou-se que, embora as soluções obtidas não sejam ótimas, o algoritmo consegue encontrar boas soluções em um tempo computacional aceitável. Palavras-chaves: Roteamento de veículos. Carregamento bidimensional. Frota heterogênea fixa. Simulated Annealing.Abstract: Integrated vehicle routing and loading problems treat two important combinatorial optimization problems: the Vehicle Routing Problem and the Bin Packing Problem. In this work the Two-Dimensional Loading Heterogeneous Fixed Fleet Vehicle Routing Problem is studied. This problem aims at finding a set of routes of minimum cost to be performed by a limited fleet of vehicles of different capacities and costs, also determining the loading of items into vehicles, once customers demands bidimensional items. Besides the classical constraints of vehicle routing problem and geometric loading restrictions, the sequential loading constraint, that ensures that items of a customer should be unloaded without handling items of other customers, is also considered. A mathematical model for 2L-HFFVRP was developed, and validated by computational experiments, that show the proposed model can represent mathematically the problem, although it is possible to find optimal solutions in acceptable computational time just for small problems. A metaheuristic algorithm based on Simulated Annealing and local search is proposed for solving 2L-HFFVRP, and uses a pack of heuristics to generate vehicles loading. The performance of this algorithm was tested on instances generated from the instances of literature, and it was observed that although the solutions obtained are not optimal, the algorithm can find good solutions in an acceptable computational time. Key-words: Vehicle Routing. Two-dimensional loading. Heterogeneous fixed fleet. Simulated Annealing

Agent-Based Algorithms for the Vehicle Routing Problem with Time Windows

Vehicle routing problem s casovymi okny (VRPTW) je jednim z nejdulezitSjSich a nejvice zkou- manych problemu v oblasti dopravy. Matematicky model tohoto problemu vystihuje klicove vlastnosti spolecne cele fadS dalslch dopravmch problemu feSenych v praxi. Jadrem problemu je hledani mnoziny tras zacmajicicli a koncicich v jedinem depu, ktere obsahuji zastavky u mnoziny zakazniku. Pro kazdSho zakazm'ka je pak definovano konkretm' mnozstvf zbozf, jez je tfeba dorucit a casove okno, ve kterem je pozadovano dodani tohoto zbozi. Realne aplikace tohoto problemu jsou zpravidla vyrazne bohatsi, napojene na nadfazene logisticke systemy. KliSoA'ym faktorem pro uspSSne nasazeni odpovldajicich algoritmu je proto jejich fiexibilita vzhledem k dodatecnym rozSuemm zhkladmho matematickeho modelu spojenym s nasazenim v realnem sv§t§. Dalglm podstatnym faktorem je schopnost systemu reagovat na nepfedvidane udalosti jako jsou dopravm zaepy, poruchy, zmgny preferenci zakazniku atd. Multi-agentni systemy reprezentuji architekturu a navrhovy vzor vhodny pro modelovani heterogennlch a dynamickych systemu. Entity v systemu jsou v ramci multi-agentmho mo- delu reprezentovany mnozinou agentil s odpovidajlci'mi vzorci autonommho jako i spolecenskeho chovani. Chovani systemu jako celku pak vyplyva z autonomnich akci...The vehicle routing problem with time windows (VRPTW) is one of the most important and widely studied transportation optimization problems. It abstracts the salient features of numer- ous distribution related real-world problems. It is a problem of finding a set of routes starting and ending at a single depot serving a set of geographically scattered customers, each within a specific time-window and with a specific demand of goods to be delivered. The real world applications of the VRPTW can be very complex being part of higher level sj'^stems i.e. complex supply chain management solutions. For a successful deployment it is impor- tant for these systems to be flexible in terms of incorporating the problem specific side-constraints and problem extensions in an elegant way. Also, employing efficient means of addressing the dy- namism inherent to the execution phase of the relevant operations is vital. The multi-agent systems are an emerging architectm-e with respect to modeling multi-actor heterogenous and dynamic environments. The entities within the system are represented by a set of agents endowed with autonomic as well as social behavioral patterns. The behavior of the system then emerges from their actions and interactions. The autonomic nature of such a model makes it very robust in highly...Katedra softwarového inženýrstvíDepartment of Software EngineeringFaculty of Mathematics and PhysicsMatematicko-fyzikální fakult