Path Planning for Cooperative Routing of Air-Ground Vehicles

We consider a cooperative vehicle routing problem for surveillance and reconnaissance missions with communication constraints between the vehicles. We propose a framework which involves a ground vehicle and an aerial vehicle; the vehicles travel cooperatively satisfying the communication limits, and visit a set of targets. We present a mixed integer linear programming (MILP) formulation and develop a branch-and-cut algorithm to solve the path planning problem for the ground and air vehicles. The effectiveness of the proposed approach is corroborated through extensive computational experiments on several randomly generated instances

Un algoritmo metaheurístico para la solución del problema de ruteo de vehículos con múltiples depósitos y flota heterogénea

En este trabajo se presenta un algoritmo metaheurístico para resolver el problema de ruteo de vehículos con múltiples depósitos y flota heterogénea (MDHFVRP), la formulación matemática del problema se basa en un modelo de programación lineal entera mixta de cuatro índices propuesto en la literatura especializada. Para solucionar el problema MDHFVRP se utiliza una técnica de solución basada en un algoritmo genético de Chu-Beasley modificado. La metodología presenta un enfoque híbrido que permite generar una población inicial de buena calidad, para ello se utiliza como punto de inicio el procedimiento heurístico de \Lin-Kernighan-Helsgaun" (LKH), apoyado con la solución del modelo de programación lineal para el problema de la ruta m as corta. Dos métodos de recombinación que permiten obtener descendientes diversos son implementados y utilizados de forma conjunta. Adicionalmente, se presenta una etapa de mejoramiento utilizada como operador de mutación, donde seis estrategias de búsqueda local inter-rutas y dos estrategias de búsqueda local intra-rutas son utilizadas, de tal manera que cada descendiente sea mejorado en cada ciclo generacional tal que sea posible entrar a formar parte de la población. Para validar la metodología propuesta, se emplean instancias de prueba cuyo n umero de clientes varia entre 50 y 360. Las instancias han sido adaptadas y utilizadas en la literatura especializada como prueba de las metodologías existentes para el MDHFVRP

El problema del anillo-estrella

El problema del anillo-estrella (Ring Star Problem, RSP) consiste en diseñar un ciclo simple (anillo) que pasa por un cierto nodo raiz y asignar cada nodo no visitado por el anillo al nodo mas cercano del anillo. El objetivo es minimizar el coste del ciclo más el coste de las asignaciones. Este problema tiene numerosas aplicaciones prácticas en el campo del diseño urbano de redes de telecomunicaciones. Este trabajo se divide en cuatro capítulos. El primero sirve como introducción y justificación del problema, y plantea la relación del RSP con su aplicación práctica en el diseño de redes de telecomunicaciones. En el segundo capítulo, se describe formalmente el problema, se detallan algunas de las formulaciones como un problema de programación lineal entera que se han propuesto en la literatura y se describen los algoritmos utilizados para resolver dichos problemas. Finalmente, se revisan algunas variantes del RSP. En el tercer capítulo, se propone una transformación del RSP en un problema del viajante generalizado (GTSP) que permite resolver el RSP aplicando las técnicas y algoritmos existentes para el GTSP. Por último, en el cuarto capítulo, se propone un algoritmo evolutivo para resolver de forma heurística el RSP y se muestran algunos de los resultados experimentales obtenidos a partir de una implementación del algoritmo en C++, cuyo código se presenta en el anexo

Heurísticas para o problema do desenho de redes com estrutura de múltiplos anéis e proveitos

Tese de mestrado, Estatística e Investigação Operacional (Investigação Operacional) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Esta dissertação procura resolver o problema do desenho de redes com estrutura de múltiplos anéis e proveitos, através de métodos heurísticos. O problema em estudo consiste no desenho de uma estrutura em anel, pelas vantagens que esta apresenta, ao garantir uma maior qualidade de serviço aos clientes que nela se encontram. O presente problema surge no contexto de serviços de telecomunicações, no qual existe uma empresa que pretende servir um conjunto de clientes, que por sua vez é divido em dois subconjuntos de acordo com a prioridade que lhes é atribuída: alta prioridade e baixa prioridade. Esta caraterística determina a obrigatoriedade ou não da presença de cada cliente no desenho final da estrutura que se procura. Neste problema, o desenho da rede considera múltiplos anéis, definidos previamente, unidos por apenas um vértice central, que como referido, dado o contexto do problema é a empresa prestadora do serviço. O objetivo na resolução deste problema é a maximização do lucro, que é determinado pela diferença entre os custos associados à estrutura e os proveitos que esta pode gerar. Cada ligação possível entre a empresa e os clientes, e entre clientes tem um custo e um proveito associado. Os custos associados ao desenho da estrutura são determinados de acordo com as ligações necessárias e presentes na solução obtida. Os proveitos gerados por essa solução, estão diretamente associados à garantia do serviço oferecida pela estrutura em anel. Assim, para cada par de clientes que partilham o mesmo anel é gerado um proveito ainda que não apresentem uma ligação direta no desenho da solução. Por se tratar de um problema resultante da combinação de uma variante do problema do desenho de rotas de veículos (vehicle routing) e do problema da determinação da clique de peso máximo (maximum edge-weighted clique), ambos são considerados NP-difícil [3]. Assim, o problema do desenho de redes com estrutura de múltiplos anéis e proveitos é considerada também, um NP-difícil. Para a resolução do problema em estudo desenvolveram-se duas heurísticas construtivas, uma de melhoramento e uma meta-heurística, pesquisa local iterada. Para comparar os métodos utilizados nesta dissertação, utilizaram-se instâncias geradas a partir de instâncias benchmark para o TSP, com todos os parâmetros necessários. Ao fazer o estudo computacional às heurísticas propostas usando essas instâncias, obtiveram-se resultados que demonstram a diferença na complexidade de cada uma, e ainda em relação à dimensão das diferentes instâncias utilizadas. Uma vez mais, a meta-heurística escolhida conseguiu melhores soluções quando comparadas com as heurísticas construtivas e de melhoramento.This dissertation seeks to solve the problem of network design with multiple ring structure and revenues, using heuristic methods. The problem under study is the design of a ring structure, due to the advantages it presents in guaranteeing a higher quality of service to the customers who are in it. This problem arises in a context of telecommunications services in which there is a company that wants to serve a set of customers. These costumers are divided into two subsets according to the priority assigned to them: high priority and low priority. This characteristic determines whether the presence of each client in the final design of the structure is mandatory. The network design in this problem consists of multiple rings, previously defined, joined by only one central vertex, which, as mentioned, given the context of the problem is the company providing the service. The objective in solving this problem is to maximize profit, which is determined by the difference between the costs associated with the structure and the revenue it can generate. Each possible link between the company and the customers, and between customers has an associated cost and revenue. The costs associated with the design of the structure are determined according to the necessary connections present in the solution obtained. The revenue generated by this solution is directly associated with the service guarantee offered by the ring structure. Thus, for each pair of clients sharing the same ring a revenue is generated even if they are not connected by a direct link in the solution. This problem results from the combination of a variant of the vehicle routing problem and the problem of determining the maximum edge-weighted clique, both NP-hard [3]. Thus, the problem of network design with multiple ring and revenues is also considered to be a difficult NP. To solve the problem under study, two constructive heuristics, an improvement heuristic and a meta-heuristic, iterated local search, were developed. To compare the methods used in this dissertation, instances generated from benchmark instances for the TSP were used, with all the necessary parameters. When doing the computational study of the proposed heuristics using these instances, results were obtained that demonstrate the difference in the complexity of each one, and also in relation to the dimension of the different instances used. Once again, the chosen meta-heuristic achieved better solutions when compared to constructive and improvement heuristics

Algorithms for Routing Unmanned Vehicles with Motions, Resource, and Communication Constraints

Multiple small autonomous or unmanned aerial and ground vehicles are being used together with stationary sensing devices for a wide variety of data gathering, monitoring and surveillance applications in military, civilian, and agricultural applications, to name a few. Even though there are several advantages due to the small platforms for these vehicles, they pose a variety of challenges. This dissertation aims to address the following challenges to routing multiple small autonomous aerial or ground vehicles: (i) limited communication capabilities of the stationary sensing devices, (ii) dynamics of the vehicles, (iii) varying sensing capabilities of all the vehicles, and (iv) resource constraints in the form of fuel restrictions on each vehicle. The dissertation formulates four different routing problems for multiple unmanned vehicles, one for each of the aforementioned constraints, as mixed-integer linear programs and develops numerically efficient algorithms based on the branch-and-cut paradigm to compute optimal solutions for practically reasonable size of test instances

Heuristic algorithms for the multi-depot ring-star problem

In this paper, we consider the problem of designing urban optical networks. In particular, given a set of telephone exchanges, we must design a collection of ring-stars, where each ring-star is a cycle composed of a telephone exchange, some customers, some transition points used to save routing costs and customers not on the cycle connected to the cycle by a single edge. The ring topology is chosen in many fiber optic communication networks since it allows to prevent the loss of connection due to a single edge or even a single node failure. The objective is to minimize the total cost of the optical network which is mainly due to the excavation costs. We call this problem Multi-Depot Ring-Star Problem (MDRSP) and we formulate it as an optimization problem in Graph Theory. We present lower bounds and heuristic algorithms for the MDRSP. Computational results on randomly generated instances and real-life datasets are also presented.Optical network design Heuristics Tabu search