Determining reliable solutions for the team orienteering problem with probabilistic delays

In the team orienteering problem, a fixed fleet of vehicles departs from an origin depot towards a destination, and each vehicle has to visit nodes along its route in order to collect rewards. Typically, the maximum distance that each vehicle can cover is limited. Alternatively, there is a threshold for the maximum time a vehicle can employ before reaching its destination. Due to this driving range constraint, not all potential nodes offering rewards can be visited. Hence, the typical goal is to maximize the total reward collected without exceeding the vehicle’s capacity. The TOP can be used to model operations related to fleets of unmanned aerial vehicles, road electric vehicles with limited driving range, or ride-sharing operations in which the vehicle has to reach its destination on or before a certain deadline. However, in some realistic scenarios, travel times are better modeled as random variables, which introduce additional challenges into the problem. This paper analyzes a stochastic version of the team orienteering problem in which random delays are considered. Being a stochastic environment, we are interested in generating solutions with a high expected reward that, at the same time, are highly reliable (i.e., offer a high probability of not suffering any route delay larger than a user-defined threshold). In order to tackle this stochastic optimization problem, which contains a probabilistic constraint on the random delays, we propose an extended simheuristic algorithm that also employs concepts from reliability analysis.This work has been partially funded by the Spanish Ministry of Science (PID2019-111100RB-C21-C22/AEI/10.13039/501100011033), the Barcelona City Council and Fundació “la Caixa” under the framework of the Barcelona Science Plan 2020–2023 (grant 21S09355-001), and the Generalitat Valenciana (PROMETEO/2021/065).Peer ReviewedPostprint (published version

Determining Reliable Solutions for the Team Orienteering Problem with Probabilistic Delays

[EN] In the team orienteering problem, a fixed fleet of vehicles departs from an origin depot towards a destination, and each vehicle has to visit nodes along its route in order to collect rewards. Typically, the maximum distance that each vehicle can cover is limited. Alternatively, there is a threshold for the maximum time a vehicle can employ before reaching its destination. Due to this driving range constraint, not all potential nodes offering rewards can be visited. Hence, the typical goal is to maximize the total reward collected without exceeding the vehicle's capacity. The TOP can be used to model operations related to fleets of unmanned aerial vehicles, road electric vehicles with limited driving range, or ride-sharing operations in which the vehicle has to reach its destination on or before a certain deadline. However, in some realistic scenarios, travel times are better modeled as random variables, which introduce additional challenges into the problem. This paper analyzes a stochastic version of the team orienteering problem in which random delays are considered. Being a stochastic environment, we are interested in generating solutions with a high expected reward that, at the same time, are highly reliable (i.e., offer a high probability of not suffering any route delay larger than a user-defined threshold). In order to tackle this stochastic optimization problem, which contains a probabilistic constraint on the random delays, we propose an extended simheuristic algorithm that also employs concepts from reliability analysis.This work has been partially funded by the Spanish Ministry of Science (PID2019-111100RBC21-C22/AEI/10.13039/501100011033), the Barcelona City Council and Fundacio "la Caixa" under the framework of the Barcelona Science Plan 2020-2023 (grant 21S09355-001), and the Generalitat Valenciana (PROMETEO/2021/065).Herrera, EM.; Panadero, J.; Carracedo-Garnateo, P.; Juan-Pérez, ÁA.; Pérez Bernabeu, E. (2022). Determining Reliable Solutions for the Team Orienteering Problem with Probabilistic Delays. Mathematics. 10(20). https://doi.org/10.3390/math10203788102

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

Electric vehicle routing, arc routing, and team orienteering problems in sustainable transportation

[EN] The increasing use of electric vehicles in road and air transportation, especially in last-mile delivery and city mobility, raises new operational challenges due to the limited capacity of electric batteries. These limitations impose additional driving range constraints when optimizing the distribution and mobility plans. During the last years, several researchers from the Computer Science, Artificial Intelligence, and Operations Research communities have been developing optimization, simulation, and machine learning approaches that aim at generating efficient and sustainable routing plans for hybrid fleets, including both electric and internal combustion engine vehicles. After contextualizing the relevance of electric vehicles in promoting sustainable transportation practices, this paper reviews the existing work in the field of electric vehicle routing problems. In particular, we focus on articles related to the well-known vehicle routing, arc routing, and team orienteering problems. The review is followed by numerical examples that illustrate the gains that can be obtained by employing optimization methods in the aforementioned field. Finally, several research opportunities are highlighted.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation, and Universities (PID2019-111100RB-C21-C22/AEI/10.13039/501100011033, RED2018-102642-T), the SEPIE Erasmus+Program (2019-I-ES01-KA103-062602), and the IoF2020-H2020 (731884) project.Do C. Martins, L.; Tordecilla, RD.; Castaneda, J.; Juan-Pérez, ÁA.; Faulin, J. (2021). Electric vehicle routing, arc routing, and team orienteering problems in sustainable transportation. Energies. 14(16):1-30. https://doi.org/10.3390/en14165131130141

A GRASP-Based Approach for Planning UAV-Assisted Search and Rescue Missions

Search and Rescue (SAR) missions aim to search and provide first aid to persons in distress or danger. Due to the urgency of these situations, it is important to possess a system able to take fast action and effectively and efficiently utilise the available resources to conduct the mission. In addition, the potential complexity of the search such as the ruggedness of terrain or large size of the search region should be considered. Such issues can be tackled by using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) equipped with optical sensors. This can ensure the efficiency in terms of speed, coverage and flexibility required to conduct this type of time-sensitive missions. This paper centres on designing a fast solution approach for planning UAV-assisted SAR missions. The challenge is to cover an area where targets (people in distress after a hurricane or earthquake, lost vessels in sea, missing persons in mountainous area, etc.) can be potentially found with a variable likelihood. The search area is modelled using a scoring map to support the choice of the search sub-areas, where the scores represent the likelihood of finding a target. The goal of this paper is to propose a heuristic approach to automate the search process using scarce heterogeneous resources in the most efficient manner

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

Preventing premature convergence and proving the optimality in evolutionary algorithms

http://ea2013.inria.fr//proceedings.pdfInternational audienceEvolutionary Algorithms (EA) usually carry out an efficient exploration of the search-space, but get often trapped in local minima and do not prove the optimality of the solution. Interval-based techniques, on the other hand, yield a numerical proof of optimality of the solution. However, they may fail to converge within a reasonable time due to their inability to quickly compute a good approximation of the global minimum and their exponential complexity. The contribution of this paper is a hybrid algorithm called Charibde in which a particular EA, Differential Evolution, cooperates with a Branch and Bound algorithm endowed with interval propagation techniques. It prevents premature convergence toward local optima and outperforms both deterministic and stochastic existing approaches. We demonstrate its efficiency on a benchmark of highly multimodal problems, for which we provide previously unknown global minima and certification of optimality

Optimización de Rutas basadas en Soft Computing para Movilidad Inteligente

La movilidad y transporte de pasajeros y mercancías es uno de los principales desafíos para el desarrollo de islas, ciudades y territorios. La prosperidad, competitividad y sostenibilidad de múltiples áreas económicas se ven afectadas por la movilidad. El crecimiento de la población, la capacidad limitada de los sistemas e infraestructuras de transporte y el impacto medioambiental del transporte fuerza a los territorios en el desarrollo de una movilidad sostenible y efectiva. En este complejo escenario, un territorio con una gestión del transporte y movilidad sostenible y eficiente ofrece a los ciudadanos una mejor calidad de vida. La transformación digital y las TIC impulsan la mejora de los servicios de movilidad para los ciudadanos, ayudan a gestionar correctamente la demanda en las redes de transporte y generan valor económico y ambiental. El surgimiento de la movilidad inteligente integra el sistema de transporte, las infraestructuras y las tecnologías para hacer que el transporte de pasajeros y mercancías sea eficiente, accesible, más seguro y limpio. Por lo tanto, las estrategias de movilidad inteligente deben ser capaces de proporcionar beneficios económicos y ambientales tangibles y mejorar la calidad del transporte de mercancías y pasajeros. Significa tomar acciones en múltiples frentes; gestión eficiente de la carga y la movilidad de pasajeros, reducción del impacto medioambiental, mejora de la planificación y la eficiencia del transporte público, reducción de la congestión, optimización del uso de la infraestructura física, entre otros. Una de las operaciones clave para los servicios de movilidad es la planificación de rutas. Esta actividad operativa incluye principalmente dos modos de transporte, mercancías y pasajeros. La mayoría de los transportes de mercancías y pasajeros se realizan a través de transporte por carretera. Las decisiones tomadas con respecto a las operaciones de planificación de rutas afectan económica y ambientalmente, y en general a la calidad de vida de los ciudadanos en los territorios en los que se desarrollan. Las operaciones de planificación de rutas se pueden optimizar para mejorar diferentes aspectos como la calidad del servicio, costes y flexibilidad del mismo, consumo de energía, impacto medioambiental, sostenibilidad, entre otros. La tarea de abordar las operaciones de planificación de rutas da lugar a la aparición de complejos problemas de optimización combinatoria que requieren considerar múltiples requisitos, restricciones, fuentes de información, entre otros. En la mayoría de los casos, estos problemas de optimización se clasifican como NP-duros con respecto a su complejidad computacional. Esta clase de problemas requiere enfoques de optimización eficientes y estrategias inteligentes para obtener soluciones de alta calidad y evitar grandes tiempos de cálculo. En este sentido, los enfoques de optimización aproximados, como las heurísticas y metaheurísticas, y las técnicas inteligentes inherentes a la Inteligencia Artificial y la Soft Computing han demostrado ser métodos efectivos y eficientes para resolver complejos problemas de planificación de rutas. Esta tesis presentada en la modalidad de compendio de publicaciones tiene como objetivo diseñar, implementar y validar procedimientos de optimización simples, eficientes y flexibles basados ​​en Inteligencia Artificial y Soft Computing dedicados a mejorar las soluciones de planificación de rutas en los contextos de transporte de mercancías, planificación personalizada de rutas turísticas y transporte eco-eficiente de residuos reciclables. Se han propuesto varios enfoques de solución para resolver problemas como Vehicle Routing Problem with Time Windows, Periodic Vehicle Routing Problem with Time Windows, Team Orienteering Problem with Time Windows, Tourist Trip Design Problem y variantes del mundo real y nuevas extensiones de los problemas mencionados. La calidad del servicio, la orientación al cliente, la imprecisión e incertidumbre en la información y la ecoeficiencia son criterios considerados en los problemas de planificación de rutas identificados. Los experimentos computacionales han demostrado que los métodos y técnicas propuestos son adecuados para obtener soluciones de alta calidad en tiempos computacionales cortos y pueden incorporarse como módulos en sistemas de transporte inteligentes