Vehicle Routing Problem with Time Window Constrain using KMeans Clustering to Obtain the Closest Customer

In this paper, the problem statement is solving the Vehicle Routing Problem (VRP) with Time Window constraint using the Ant Colony Algorithm with K-Means Clustering. In this problem, the vehicles must start at a common depot, pickup from various ware houses, deliver to the respective nodes within the time window provided by the customer and returns to depot. The objectives defined are to reduction in usage of number of vehicles, the total logistics cost and to reduce carbon emissions. The mathematical model described in this paper has considered multiple pickup and multiple delivery points. The proposed solution of this paper aims to provide better and more efficient solution while minimizing areas of conflict so as to provide the best output on a large scale in Vehicle Routing Problem, K-Means Clustering, Time Window constraint, Ant Colony Algorithm

A bi-criteria evolutionary algorithm for a constrained multi-depot vehicle routing problem

Most research about the vehicle routing problem (VRP) does not collectively address many of the constraints that real-world transportation companies have regarding route assignments. Consequently, our primary objective is to explore solutions for real-world VRPs with a heterogeneous fleet of vehicles, multi-depot subcontractors (drivers), and pickup/delivery time window and location constraints. We use a nested bi-criteria genetic algorithm (GA) to minimize the total time to complete all jobs with the fewest number of route drivers. Our model will explore the issue of weighting the objectives (total time vs. number of drivers) and provide Pareto front solutions that can be used to make decisions on a case-by-case basis. Three different real-world data sets were used to compare the results of our GA vs. transportation field experts’ job assignments. For the three data sets, all 21 Pareto efficient solutions yielded improved overall job completion times. In 57 % (12/21) of the cases, the Pareto efficient solutions also utilized fewer drivers than the field experts’ job allocation strategies

An Analysis of Some Algorithms and Heuristics for Multiobjective Graph Search

Muchos problemas reales requieren examinar un número exponencial de alternativas para encontrar la elección óptima. A este tipo de problemas se les llama de optimización combinatoria. Además, en problemas reales normalmente se evalúan múltiples magnitudes que presentan conflicto entre ellas. Cuando se optimizan múltiples obje-tivos simultáneamente, generalmente no existe un valor óptimo que satisfaga al mismo tiempo los requisitos para todos los criterios. Solucionar estos problemas combinatorios multiobjetivo deriva comúnmente en un gran conjunto de soluciones Pareto-óptimas, que definen los balances óptimos entre los objetivos considerados. En esta tesis se considera uno de los problemas multiobjetivo más recurrentes: la búsqueda de caminos más cortos en un grafo, teniendo en cuenta múltiples objetivos al mismo tiempo. Se pueden señalar muchas aplicaciones prácticas de la búsqueda multiobjetivo en diferentes dominios: enrutamiento en redes multimedia (Clímaco et al., 2003), programación de satélites (Gabrel & Vanderpooten, 2002), problemas de transporte (Pallottino & Scutellà, 1998), enrutamiento en redes de ferrocarril (Müller-Hannemann & Weihe, 2006), planificación de rutas en redes de carreteras (Jozefowiez et al., 2008), vigilancia con robots (delle Fave et al., 2009) o planificación independiente del dominio (Refanidis & Vlahavas, 2003). La planificación de rutas multiobjetivo sobre mapas de carretera realistas ha sido considerada como un escenario de aplicación potencial para los algoritmos y heurísticos multiobjetivo considerados en esta tesis. El transporte de materias peligrosas (Erkut et al., 2007), otro problema de enrutamiento multiobjetivo relacionado, ha sido también considerado como un escenario de aplicación potencial interesante. Los métodos de optimización de un solo criterio son bien conocidos y han sido ampliamente estudiados. La Búsqueda Heurística permite la reducción de los requisitos de espacio y tiempo de estos métodos, explotando el uso de estimaciones de la distancia real al objetivo. Los problemas multiobjetivo son bastante más complejos que sus equivalentes de un solo objetivo y requieren métodos específicos. Éstos, van desde técnicas de solución exactas a otras aproximadas, que incluyen los métodos metaheurísticos aproximados comúnmente encontrados en la literatura. Esta tesis se ocupa de algoritmos exactos primero-el-mejor y, en particular, del uso de información heurística para mejorar su rendimiento. Esta tesis contribuye análisis tanto formales como empíricos de algoritmos y heurísticos para búsqueda multiobjetivo. La caracterización formal de estos algoritmos es importante para el campo. Sin embargo, la evaluación empírica es también de gran importancia para la aplicación real de estos métodos. Se han utilizado diversas clases de problemas bien conocidos para probar su rendimiento, incluyendo escenarios realistas como los descritos más arriba. Los resultados de esta tesis proporcionan una mejor comprensión de qué métodos de los disponibles sonmejores en situaciones prácticas. Se presentan explicaciones formales y empíricas acerca de su comportamiento. Se muestra que la búsqueda heurística reduce considerablemente los requisitos de espacio y tiempo en la mayoría de las ocasiones. En particular, se presentan los primeros resultados sistemáticos mostrando las ventajas de la aplicación de heurísticos multiobjetivo precalculados. Esta tesis también aporta un método mejorado para el precálculo de los heurísticos, y explora la conveniencia de heurísticos precalculados más informados.Many real problems require the examination of an exponential number of alternatives in order to find the best choice. They are the so-called combinatorial optimization problems. Besides, real problems usually involve the consideration of several conflicting magnitudes. When multiple objectives must be simultaneously optimized, there is generally not an optimal value satisfying the requirements for all the criteria at the same time. Solving these multiobjective combinatorial problems commonly results in a large set of Pareto-optimal solutions, which define the optimal tradeoffs between the objectives under consideration. One of most recurrent multiobjective problems is considered in this thesis: the search for shortest paths in a graph, taking into account several objectives at the same time. Many practical applications of multiobjective search in different domains can be pointed out: routing in multimedia networks (Clímaco et al., 2003), satellite scheduling (Gabrel & Vanderpooten, 2002), transportation problems (Pallottino & Scutellà, 1998), routing in railway networks (Müller-Hannemann & Weihe, 2006), route planning in road maps (Jozefowiez et al., 2008), robot surveillance (delle Fave et al., 2009) or domain independent planning (Refanidis & Vlahavas, 2003). Multiobjective route planning over realistic road maps has been considered as a potential application scenario for the multiobjective algorithms and heuristics considered in this thesis. Hazardous material transportation (Erkut et al., 2007), another related multiobjective routing problem, has also been considered as an interesting potential application scenario. Single criterion shortest path methods are well known and have been widely studied. Heuristic Search allows the reduction of the space and time requirements of these methods, exploiting estimates of the actual distance to the goal. Multiobjective problems are much more complex than their single-objective counterparts, and require specific methods. These range from exact solution techniques to approximate ones, including the metaheuristic approximate methods usually found in the literature. This thesis is concerned with exact best-first algorithms, and particularly, with the use of heuristic information to improve their performance. This thesis contributes both formal and empirical analysis of algorithms and heuristics for multiobjective search. The formal characterization of algorithms is important for the field. However, empirical evaluation is also of great importance for the real application of these methods. Several well known classes of problems have been used to test their performance, including some realistic scenarios as described above. The results of this thesis provide a better understanding of which of the available methods are better in practical situations. Formal and empirical explanations of their behaviour are presented. Heuristic search is shown to reduce considerably space and time requirements in most situations. In particular, the first systematic results showing the advantages of the application of precalculated multiobjective heuristics are presented. The thesis also contributes an improved method for heuristic precalculation, and explores the convenience of more informed precalculated heuristics.This work is partially funded by / Este trabajo está financiado por: Consejería de Economía, Innovación, Ciencia y Empresa. Junta de Andalucía (España) Referencia: P07-TIC-0301

Query processing in complex modern traffic networks

The transport sector generates about one quarter of all greenhouse gas emissions worldwide. In the European Union (EU), passenger cars and light-duty trucks make up for over half of these traffic-related emissions. It is evident that everyday traffic is a serious environmental threat. At the same time, transport is a key factor for the ambitious EU climate goals; among them, for instance, the reduction of greenhouse gas emissions by 85 to 90 percent in the next 35 years. This thesis investigates complex traffic networks and their requirements from a computer science perspective. Modeling of and query processing in modern traffic networks are pivotal topics. Challenging theoretical problems are examined from different perspectives, novel algorithmic solutions are provided. Practical problems are investigated and solved, for instance, employing qualitative crowdsourced information and sensor data of various sources. Modern traffic networks are often modeled as graphs, i.e., defined by sets of nodes and edges. In conventional graphs, the edges are assigned numerical weights, for instance, reflecting cost criteria like distance or travel time. In multicriteria networks, the edges reflect multiple, possibly dynamically changing cost criteria. While these networks allow for diverse queries and meaningful insight, query processing usually is significantly more complex. Novel means for computation are required to keep query processing efficient. The crucial task of computing optimal paths is particularly expensive under multiple criteria. The most established set of optimal paths in multicriteria networks is referred to as path skyline (or set of pareto-optimal paths). Until now, computing the path skyline either required extensive precomputation or networks of minor size or complexity. Neither of these demands can be made on modern traffic networks. This thesis presents a novel method which makes on-the-fly computation of path skylines possible, even in dynamic networks with three or more cost criteria. Another problem examined is the exponentially growth of path skylines. The number of elements in a path skyline is potentially exponential in the number of cost criteria and the number of edges between start and target. This often produces less meaningful results, sometimes hindering usability. These drawbacks emphasize the importance of the linear path skyline which is investigated in this thesis. The linear path skyline is based on a different notion of optimality. By the notion of optimality, the linear path skyline is a subset of the conventional path skyline but in general contains less and more diverse elements. Thus, the linear path skyline facilitates interpretation while in general reducing computational effort. This topic is first studied in networks with two cost criteria and subsequently extended to more cost criteria. These cost criteria are not limited to purely quantitative measures like distance and travel time. This thesis examines the integration of qualitative information into abstractly modeled road networks. It is proposed to mine crowdsourced data for qualitative information and use this information to enrich road network graphs. These enriched networks may in turn be used to produce routing suggestions which reflect an opinion of the crowd. From data processing to knowledge extracting, network enrichment and route computation, the possibilities and challenges of crowdsourced data as a source for information are surveyed. Additionally, this thesis substantiates the practicability of network enrichment in real-world experiments. The description of a demonstration framework which applies some of the presented methods to the use case of tourist route recommendation serves as an example. The methods may also be applied to a novel graph-based routing problem proposed in this thesis. The problem extends the family of Orienteering Problems which find frequent application in tourist routing and other tasks. An approximate solution to this NP-hard problem is presented and evaluated on a large scale, real-world, time-dependent road network. Another central aspect of modern traffic networks is the integration of sensor data, often referred to as telematics. Nowadays, manifold sensors provide a plethora of data. Using this data to optimize traffic is and will continue to be a challenging task for research and industry. Some of the applications which qualify for the integration of modern telematics are surveyed in this thesis. For instance, the abstract problem of consumable and reoccurring resources in road networks is studied. An application of this problem is the search for a vacant parking space. Taking statistical and real-time sensor information into account, a stochastic routing algorithm which maximizes the probability of finding a vacant space is proposed. Furthermore, the thesis presents means for the extraction of driving preferences, helping to better understand user behavior in traffic. The theoretical concepts partially find application in a demonstration framework described in this thesis. This framework provides features which were developed for a real-world pilot project on the topics of electric and shared mobility. Actual sensor car data collected in the project, gives insight to the challenges of managing a fleet of electric vehicles.Verkehrsmittel erzeugen rund ein Viertel aller Treibhausgas-Emissionen weltweit. Für über die Hälfte der verkehrsbedingten Emissionen in der Europäischen Union (EU) zeichnen PKW und Kleinlaster verantwortlich. Die Tragweite ökologischer Konsequenzen durch alltäglichen Verkehr ist enorm. Zugleich ist ein Umdenken im Bezug auf Verkehr entscheidend, um die ehrgeizigen klimapolitischen Ziele der EU zu erfüllen. Dazu gehört unter anderem, Treibhausgas-Emissionen bis 2050 um 85 bis 90 Prozent zu verringern. Die vorliegende Arbeit widmet sich den komplexen Anforderungen an Verkehr und Verkehrsnetzwerke aus der Sicht der Informatik. Dabei spielen sowohl die Modellierung von als auch die Anfragebearbeitung in modernen Verkehrsnetzwerken eine entscheidende Rolle. Theoretische Fragestellungen werden aus unterschiedlichen Persepektiven beleuchtet, neue Algorithmen werden vorgestellt. Ebenso werden praktische Fragestellungen untersucht und gelöst, etwa durch die Einbindung nutzergenerierten Inhalts oder die Verwendung von Sensordaten aus unterschiedlichen Quellen. Moderne Verkehrsnetzwerke werden häufig als Graphen modelliert, d.h., durch Knoten und Kanten dargestellt. Man unterscheidet zwischen konventionellen Graphen und sogenannten Multiattributs-Graphen. Während die Kanten konventioneller Graphen numerische Gewichte tragen, die statische Kostenkriterien wie Distanz oder Reisezeit modellieren, beschreiben die Kantengewichte in Multiattributs-Graphen mehrere, möglicherweise dynamisch veränderliche Kostenkriterien. Das erlaubt einerseits vielseitige Anfragen und aussagekräftige Erkenntnisse, macht die Anfragebearbeitung jedoch ungleich komplexer und verlangt deshalb nach neuen Berechnungsmethoden. Eine besonders aufwendige Anfrage ist die Berechnung optimaler Pfade, zugleich eine der zentralsten Fragestellungen. Die gängigste Menge optimaler Pfade wird als Pfad-Skyline (auch: Menge der pareto-optimalen Pfade) bezeichnet. Die effiziente Berechnung der Pfad-Skyline setzte bisher überschaubare Netzwerke oder beträchtliche Vorberechnungen voraus. Keine der beiden Bedingung kann in modernen Verkehrsnetzwerken erfüllt werden. Diese Arbeit stellt deshalb eine Methode vor, die die Berechnung der Pfad-Skyline erheblich beschleunigt, selbst in dynamischen Netzwerken mit drei oder mehr Kostenkriterien. Außerdem wird das Problem des exponentiellen Wachstums der Pfad-Skyline betrachtet. Die Anzahl der Elemente der Pfad-Skyline wächst im schlechtesten Fall exponentiell in der Anzahl der Kostenkriterien sowie in der Entfernung zwischen Start und Ziel. Dies kann zu unübersichtlichen und wenig aussagekräftigen Resultatmengen führen. Diese Nachteile unterstreichen die Bedeutung der linearen Pfad-Skyline, die auch im Rahmen diese Arbeit untersucht wird. Die lineare Pfad-Skyline folgt einer anderen Definition von Optimalität. Stets ist die lineare Pfad-Skyline eine Teilmenge der konventionellen Pfad-Skyline, meist enthält sie deutlich weniger, unterschiedlichere Resultate. Dadurch lässt sich die lineare Pfad-Skyline im Allgemeinen schneller berechnen und erleichtert die Interpretation der Resultate. Die Berechnung der linearen Pfad-Skyline wird erst für Netzwerke mit zwei Kostenkriterien, anschließend für Netzwerke mit beliebig vielen Kostenkriterien untersucht. Kostenkriterien sind nicht notwendigerweise auf rein quantitative Maße wie Distanz oder Reisezeit beschränkt. Diese Arbeit widmet sich auch der Integration qualitativer Informationen, mit dem Ziel, intuitivere und greifbarere Routingergebnisse zu erzeugen. Dazu wird die Möglichkeit untersucht, abstrakte Straßennetzwerke mit qualitativen Informationen anzureichern, wobei die Informationen aus nutzergenerierten Daten geschöpft werden. Solche sogenannten Enriched Networks ermöglichen die Berechnung von Pfaden, die in gewisser Weise das Wissen der Nutzer reflektieren. Von der Datenverarbeitung, über die Extraktion von Wissen, bis hin zum Network-Enrichment und der Pfadberechnung, gibt diese Arbeit einen überblick zum Thema. Weiterhin wird die Praktikabilität dieses Vorgehens mit Experimenten auf Realdaten untermauert. Die Beschreibung eines Demonstrationstools für den Anwendungsfall der Navigation von Touristen dient als anschauliches Beispiel. Die vorgestellten Methoden sind darüber hinaus auch anwendbar auf ein neues, graphentheoretisches Routingproblem, das in dieser Arbeit vorgestellt wird. Es handelt sich dabei um eine zeitabängige Erweiterung der Familie der Orienteering Probleme, die häufig Anwendung finden, etwa auch im der Bereich der Touristennavigation. Das vorgestellte Problem ist NP-schwer lässt sich jedoch dank eines hier vorgestellten Algorithmus effizient approximieren. Die Evaluation untermauert die Effizienz des vorgestellten Lösungsansatzes und ist zugleich die erste Auswertung eines zeitabhängigen Orienteering Problems auf einem großformatigen Netzwerk. Ein weiterer zentraler Aspekt moderner Verkehrsnetzwerke ist die Integration von Sensordaten, oft unter dem Begriff Telematik zusammengefasst. Heutzutage generiert eine Vielzahl von Sensoren Unmengen an Daten. Diese Daten zur Verkehrsoptimierung einzusetzen ist und bleibt eine wichtige Aufgabe für Wissenschaft und Industrie. Einige der Anwendungen, die sich für den Einsatz von Telematik anbieten, werden in dieser Arbeit untersucht. So wird etwa das abstrakte Problem konsumierbarer und wiederkehrender Ressourcen im Straßennetzwerk untersucht. Ein alltägliches Beispiel für dieses Problem ist die Parkplatzsuche. Der vorgeschlagene Algorithmus, der die Wahrscheinlichkeit maximiert, einen freien Parkplatz zu finden, baut auf die Verwendung statistischer sowie aktueller Sensordaten. Weiterhin werden Methoden zur Ableitung von Fahrerpräferenzen entwickelt. Die theoretischen Fundamente finden zum Teil in einem hier beschriebenen Demonstrationstool Anwendung. Das Tool veranschaulicht Features, die für ein Pilotprojekt zu den Themen Elektromobilität und Fahrzeugflotten entwickelt wurden. Im Rahmen eines Pilotversuchs wurden Sensordaten von Elektrofahrzeugen erhoben, die Einblick in die Herausforderungen beim Management von Elektrofahrzeugflotten geben

Estudio del problema de ruteo de vehículos con balance de carga :Aplicación de la meta-heurística Búsqueda Tabú.

92 páginasEl Problema de Ruteo de Vehículos (VRP – por su sigla en inglés) es uno de los problemas de optimización combinatoria más estudiados en las últimas décadas. Este consiste en determinar un conjunto de rutas para una flota de vehículos que parte de uno o más depósitos para satisfacer la demanda de clientes dispersos geográficamente. El enfoque tradicionalmente utilizado ha sido la optimización de un solo objetivo; sin embargo, en la realidad organizacional optimizar más de un objetivo permite la toma de decisiones con una visión de negocio más integral. El presente trabajo estudia el problema de ruteo de vehículos bajo un enfoque multi-objetivo, en el cual se incorpora además de la minimización de la distancia, el balance de carga como objetivo de optimización. Al hacer una exhaustiva revisión de la literatura del problema de ruteo de vehículos multi-objetivo se evidenció que el balance de carga es un objetivo que se ha estudiado poco y en la mayoría de los trabajos analizados, se ha considerado el balance de carga desde la perspectiva de la longitud de las rutas. Como consecuencia, en este trabajo se definió el balance de carga como la diferencia de carga entre los vehículos con mayor y menor cantidad de producto a transportar hacia los clientes. Para la caracterización del problema de ruteo de vehículos multi-objetivo, mono-depósito con balance de cargas, se desarrolló un modelo de programación entera mixta el cual se implementó en GAMS y se probó con las primeras siete instancias de Augerat et al. (1998) obteniendo resultados prometedores tanto en el enfoque mono-objetivo como en el multi-objetivo. Por otra parte, teniendo en cuenta la complejidad del problema estudiado, se desarrolló un algoritmo de Búsqueda Tabú con tamaños de lista tabú fija y dependiente del número de nodos, el cual se probó con todas las instancias de Augerat et al

Vehicle routing for hazardous material transportation

The main objective of this thesis is to study the hazardous materials (HazMat) transportation problem considered as a heterogeneous fleet vehicle routing problem. HazMat transportation decisions comprise different and sometimes conflicting objectives. Two are considered in this work, the total routing cost and the total routing risk. The first task undertaken was the formulation of a mathematical model for the routing risk minimization, which depends on the type of vehicle, the material being transported, and the load change when the vehicle goes from one customer to another. A piecewise linear approximation is employed to keep a mixed integer linear programing formulation. Hybrid solution methods based on neighborhood search are explored for solving the routing risk minimization. This includes the study of neighborhood structures and the development of a Variable Neighborhood Descent (VND) algorithm for local search, and a perturbation mechanism (shaking neighborhoods). A postoptimization procedure is applied to improve the solution quality. Finally, two different solution approaches, a multi-objective dominance-based algorithm and a meta-heuristic ϵ-constraint method are employed for addressing the multi-objective version of the problem. Two performance metrics are used: the hypervolume and the ∆-metric. The front approximations show that a small increment in the total routing cost can produce a high reduction in percentage of the expected consequences given the probability of a HazMat transportation incident.Résumé: L’objectif de cette thèse est d’étudier le problème du transport de matiêres dan- ` gereuses (HazMat) vu comme un probleme de tournées de véhicules à flotte hétèrogène. Les dècisions pour ce type de transport comportent des objectifs différents, parfois antagonistes. Deux sont pris en compte dans ce travail, le coût et le risque. La première tâche entreprise a été la formulation d’un modèle mathématique pour la minimisation du risque, qui depend du type de véhicule, du matériel transporté et du changement de charge lorsque le véhicule passe d’un client à un autre. Une approximation linéaire par morceaux est utilisée pour conserver une formulation de programmation linéaire en nombres entiers mixtes. Des méthodes hybrides basées sur des explorations de voisinages sont proposées pour traiter la minimisation du risque. Cela comprend l’étude des structures de voisinages et le développement d’un algorithme de descente à voisinages variables (VND) pour la recherche locale, ainsi qu’un mécanisme de perturbation des solutions. Une post-optimisation est appliquée pour améliorer la qualité des solutions obtenues. Enfin, deux approches, un algorithme base sur la dominance multi-objectif et une méta-heuristique de type ϵ- contrainte, sont développes pour traiter la version multi-objectif. Deux mesures de performance sont utilisées : l’hypervolume et la ∆-metrique. Les approximations de fronts montrent qu’une légère augmentation du coût total des tournées peut entraîner une forte réduction en pourcentage des risques.Resumen: El objetivo principal de esta tesis es estudiar el problema del transporte de materiales peligrosos (HazMat hazardous materials) modelado como un problema de ruteo de vehículos con flota heterogénea (HVRP ´ heterogeneous fleet vehicle routing problem). Las decisiones en el transporte de HazMat comprenden considerar objetivos diferentes y a veces contradictorios. Dos son los objetivos considerados en este trabajo, el costo y el riesgo total de ruteo. La primera tarea realizada fue la formulación de un modelo matemático para la minimización del riesgo de ruteo, que depende del tipo de vehículo, el material que se transporta y el cambio en el tamaño de la carga cuando el vehículo pasa de un cliente a otro. Se emplea una aproximación lineal por partes de la función objetivo para mantener una formulación de programación lineal entera mixta. Se exploran métodos híbridos de solución basados en búsqueda por vecindarios para resolver el problema de minimización del riesgo total de ruteo. Esto incluye el estudio de las estructuras del vecindario y el desarrollo de un algoritmo de descenso de vecindario variable (VND variable neighborhood descent) para realizar la búsqueda local, y de mecanismos de perturbación (estructuras de vecindario para perturbar las soluciones). Se aplica un procedimiento post-optimización (SP set partitioning) para mejorar la calidad de las soluciones. Finalmente, se emplean dos enfoques de solución diferentes para abordar la versión multi-objetivo del problema, un algoritmo basado en la dominancia Pareto y un método ϵ-constraint heurísticos. Se utilizan dos indicadores de rendimiento para algoritmos multiobjetivo: el hypervolumen y la métrica ∆. Las aproximaciones del frente Pareto obtenidas muestran que un pequeño incremento en el costo total de ruteo puede producir una gran reducción en el porcentaje de las consecuencias esperadas dada la probabilidad de un incidente de transporte de materiales peligrosos.Doctorad

Problèmes de tournées multicritères dans des graphes

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal