On the use of biased-randomized algorithms for solving non-smooth optimization problems

Soft constraints are quite common in real-life applications. For example, in freight transportation, the fleet size can be enlarged by outsourcing part of the distribution service and some deliveries to customers can be postponed as well; in inventory management, it is possible to consider stock-outs generated by unexpected demands; and in manufacturing processes and project management, it is frequent that some deadlines cannot be met due to delays in critical steps of the supply chain. However, capacity-, size-, and time-related limitations are included in many optimization problems as hard constraints, while it would be usually more realistic to consider them as soft ones, i.e., they can be violated to some extent by incurring a penalty cost. Most of the times, this penalty cost will be nonlinear and even noncontinuous, which might transform the objective function into a non-smooth one. Despite its many practical applications, non-smooth optimization problems are quite challenging, especially when the underlying optimization problem is NP-hard in nature. In this paper, we propose the use of biased-randomized algorithms as an effective methodology to cope with NP-hard and non-smooth optimization problems in many practical applications. Biased-randomized algorithms extend constructive heuristics by introducing a nonuniform randomization pattern into them. Hence, they can be used to explore promising areas of the solution space without the limitations of gradient-based approaches, which assume the existence of smooth objective functions. Moreover, biased-randomized algorithms can be easily parallelized, thus employing short computing times while exploring a large number of promising regions. This paper discusses these concepts in detail, reviews existing work in different application areas, and highlights current trends and open research lines

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

Solución de problemas de enrutamiento de vehículos para el transporte de bienes considerando restricciones multidrop e impacto ambiental

Esta investigación doctoral propone diferentes metodologías de solución para problemas de enrutamiento de vehículos considerando aspectos de carga de la vida real, permitiendo abordar adecuadamente algunas de las tareas relacionadas a la distribución de carga y logística de transporte. Dichos aspectos también tienen en cuenta el impacto ambiental, buscando minimizar la emisión de gases de efecto invernadero o el consumo de combustible. La integración de problemas de enrutamiento de vehículos y problemas de carga de contenedores, ambos pertenecientes a la clase de problemas NP-duros, ha sido estudiada durante alrededor de una década. De hecho, se identificó que algunas variantes importantes no han sido examinadas con rigor, motivando así el desarrollo de esta investigación. De manera más precisa, se orientaron los siguientes problemas: el problema de enrutamiento-empaquetamiento con carga tridimensional (carga apilable) y el problema de enrutamiento-empaquetamiento con flota heterogénea con carga bidimensional (carga no apilable) con y sin consumo de combustible

Solución de problemas de enrutamiento de vehículos para el transporte de bienes considerando restricciones multidrop e impacto ambiental

Esta investigación doctoral propone diferentes metodologías de solución para problemas de enrutamiento de vehículos considerando aspectos de carga de la vida real, permitiendo abordar adecuadamente algunas de las tareas relacionadas a la distribución de carga y logística de transporte. Dichos aspectos también tienen en cuenta el impacto ambiental, buscando minimizar la emisión de gases de efecto invernadero o el consumo de combustible. La integración de problemas de enrutamiento de vehículos y problemas de carga de contenedores, ambos pertenecientes a la clase de problemas NP-duros, ha sido estudiada durante alrededor de una década. De hecho, se identificó que algunas variantes importantes no han sido examinadas con rigor, motivando así el desarrollo de esta investigación. De manera más precisa, se orientaron los siguientes problemas: el problema de enrutamiento-empaquetamiento con carga tridimensional (carga apilable) y el problema de enrutamiento-empaquetamiento con flota heterogénea con carga bidimensional (carga no apilable) con y sin consumo de combustible

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

The location routing problem with facility sizing decisions

The location routing problem (LRP) integrates operational decisions on vehicle routing operations with strategic decisions on the location of the facilities or depots from which the distribution will take place. In other words, it combines the well-known vehicle routing problem (VRP) with the facility location problem (FLP). Hence, the LRP is an NP-hard combinatorial optimization problem, which justifies the use of metaheuristic approaches whenever large-scale instances need to be solved. In this paper, we explore a realistic version of the LRP in which facilities of different capacities are considered, i.e., the manager has to consider not only the location but also the size of the facilities to open. In order to tackle this optimization problem, three mixed-integer linear formulations are proposed and compared. As expected, they have been proved to be cost- and time- inefficient. Hence, a biased-randomized iterated local search algorithm is proposed. Classical instances for the LRP with homogeneous facilities are naturally extended to test the performance of our approach.Peer ReviewedPostprint (published version

Optimizing transportation systems and logistics network configurations : From biased-randomized algorithms to fuzzy simheuristics

242 páginasTransportation and logistics (T&L) are currently highly relevant functions in any competitive industry. Locating facilities or distributing goods to hundreds or thousands of customers are activities with a high degree of complexity, regardless of whether facilities and customers are placed all over the globe or in the same city. A countless number of alternative strategic, tactical, and operational decisions can be made in T&L systems; hence, reaching an optimal solution –e.g., a solution with the minimum cost or the maximum profit– is a really difficult challenge, even by the most powerful existing computers. Approximate methods, such as heuristics, metaheuristics, and simheuristics, are then proposed to solve T&L problems. They do not guarantee optimal results, but they yield good solutions in short computational times. These characteristics become even more important when considering uncertainty conditions, since they increase T&L problems’ complexity. Modeling uncertainty implies to introduce complex mathematical formulas and procedures, however, the model realism increases and, therefore, also its reliability to represent real world situations. Stochastic approaches, which require the use of probability distributions, are one of the most employed approaches to model uncertain parameters. Alternatively, if the real world does not provide enough information to reliably estimate a probability distribution, then fuzzy logic approaches become an alternative to model uncertainty. Hence, the main objective of this thesis is to design hybrid algorithms that combine fuzzy and stochastic simulation with approximate and exact methods to solve T&L problems considering operational, tactical, and strategic decision levels. This thesis is organized following a layered structure, in which each introduced layer enriches the previous one.El transporte y la logística (T&L) son actualmente funciones de gran relevancia en cual quier industria competitiva. La localización de instalaciones o la distribución de mercancías a cientos o miles de clientes son actividades con un alto grado de complejidad, indepen dientemente de si las instalaciones y los clientes se encuentran en todo el mundo o en la misma ciudad. En los sistemas de T&L se pueden tomar un sinnúmero de decisiones al ternativas estratégicas, tácticas y operativas; por lo tanto, llegar a una solución óptima –por ejemplo, una solución con el mínimo costo o la máxima utilidad– es un desafío realmente di fícil, incluso para las computadoras más potentes que existen hoy en día. Así pues, métodos aproximados, tales como heurísticas, metaheurísticas y simheurísticas, son propuestos para resolver problemas de T&L. Estos métodos no garantizan resultados óptimos, pero ofrecen buenas soluciones en tiempos computacionales cortos. Estas características se vuelven aún más importantes cuando se consideran condiciones de incertidumbre, ya que estas aumen tan la complejidad de los problemas de T&L. Modelar la incertidumbre implica introducir fórmulas y procedimientos matemáticos complejos, sin embargo, el realismo del modelo aumenta y, por lo tanto, también su confiabilidad para representar situaciones del mundo real. Los enfoques estocásticos, que requieren el uso de distribuciones de probabilidad, son uno de los enfoques más empleados para modelar parámetros inciertos. Alternativamente, si el mundo real no proporciona suficiente información para estimar de manera confiable una distribución de probabilidad, los enfoques que hacen uso de lógica difusa se convier ten en una alternativa para modelar la incertidumbre. Así pues, el objetivo principal de esta tesis es diseñar algoritmos híbridos que combinen simulación difusa y estocástica con métodos aproximados y exactos para resolver problemas de T&L considerando niveles de decisión operativos, tácticos y estratégicos. Esta tesis se organiza siguiendo una estructura por capas, en la que cada capa introducida enriquece a la anterior. Por lo tanto, en primer lugar se exponen heurísticas y metaheurísticas sesgadas-aleatorizadas para resolver proble mas de T&L que solo incluyen parámetros determinísticos. Posteriormente, la simulación Monte Carlo se agrega a estos enfoques para modelar parámetros estocásticos. Por último, se emplean simheurísticas difusas para abordar simultáneamente la incertidumbre difusa y estocástica. Una serie de experimentos numéricos es diseñada para probar los algoritmos propuestos, utilizando instancias de referencia, instancias nuevas e instancias del mundo real. Los resultados obtenidos demuestran la eficiencia de los algoritmos diseñados, tanto en costo como en tiempo, así como su confiabilidad para resolver problemas realistas que incluyen incertidumbre y múltiples restricciones y condiciones que enriquecen todos los problemas abordados.Doctorado en Logística y Gestión de Cadenas de SuministrosDoctor en Logística y Gestión de Cadenas de Suministro