Composite particle algorithm for sustainable integrated dynamic ship routing and scheduling optimization

Ship routing and scheduling problem is considered to meet the demand for various products in multiple ports within the planning horizon. The ports have restricted operating time, so multiple time windows are taken into account. The problem addresses the operational measures such as speed optimisation and slow steaming for reducing carbon emission. A Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) model is presented and it includes the issues pertaining to multiple time horizons, sustainability aspects and varying demand and supply at various ports. The formulation incorporates several real time constraints addressing the multiple time window, varying supply and demand, carbon emission, etc. that conceive a way to represent several complicating scenarios experienced in maritime transportation. Owing to the inherent complexity, such a problem is considered to be NP-Hard in nature and for solutions an effective meta-heuristics named Particle Swarm Optimization-Composite Particle (PSO-CP) is employed. Results obtained from PSO-CP are compared using PSO (Particle Swarm Optimization) and GA (Genetic Algorithm) to prove its superiority. Addition of sustainability constraints leads to a 4–10% variation in the total cost. Results suggest that the carbon emission, fuel cost and fuel consumption constraints can be comfortably added to the mathematical model for encapsulating the sustainability dimensions

Heuristics for a vehicle routing problem with information collection in wireless networks

International audienceWe consider a wireless network where a given set of stations is continuously generating information. A single vehicle, located at a base station, is available to collect the information via wireless transfer. The wireless transfer vehicle routing problem (WTVRP) is to decide which stations should be visited in the vehicle route, how long shall the vehicle stay in each station, and how much information shall be transferred from the nearby stations to the vehicle during each stay. The goal is to collect the maximum amount of information during a time period after which the vehicle returns to the base station. The WTVRP is NP-hard. Although it can be solved to optimality for small size instances, one needs to rely on good heuristic schemes to obtain good solutions for large size instances. In this work, we consider a mathematical formulation based on the vehicle visits. Several heuristics strategies are proposed, most of them based on the mathematical model. These strategies include constructive and improvement heuristics. Computational experiments show that a strategy that combines a combinatorial greedy heuristic to design a initial vehicle route, improved by a fix-and-optimize heuristic to provide a local optimum, followed by an exchange heuristic, affords good solutions within reasonable amount of running time

Operaciones portuarias de petróleo crudo: Una revisión bibliográfica sobre simulación e investigación operativa

[Resumen] Actualmente, el tráfico marítimo de crudo de petróleo y sus derivados sigue siendo un tráfico relevante, tanto desde un punto de vista geoestratégico como a nivel de volumen transportado. Dado el desequilibrio regional en términos de reservas, producción y consumo, se genera, por tanto, un importante tráfico marítimo, pero también una necesidad de la industria de optimizar los procesos con el objetivo de minimizar los costes y dar una respuesta eficiente en términos logísticos. Desde esta perspectiva, las técnicas de investigación operativa y la modelización de los tráficos para su optimización se presentan como una metodología muy conveniente y, a lo largo de los últimos setenta años, han empezado a publicarse estudios científicos con diferentes enfoques cualitativos y cuantitativos. El objetivo de esta investigación es recopilar, analizar y clasificar los modelos de tráfico de crudo de petróleo y sus derivados y ordenar la temática de las innovaciones introducidas. Para alcanzar este objetivo se realiza un recorrido bibliográfico conceptual indicando como se han ido introduciendo las sucesivas mejoras y, al mismo tiempo, eliminando las restricciones iniciales.[Abstract] The maritime traffic of crude oil and derivatives is still very relevant, both from a geostrategic perspective and regarding the total volume of liquid bulk shipped. Due to the regional imbalance in terms of reserves, production and consumption, important maritime traffic is generated, and a necessity for the industry of optimizing these processes, with the goal to minimize costs and give an efficient answer in logistic terms. From this perspective, the operation research techniques, and the traffic modeling techniques aimed at optimization, can be presented as a very convenient methodology over the last seventy years, a stream of scientific publications has emerged with different quantitative and qualitative focus. This research aims to gather, analyze and classify the traffic models of crude oil and derivatives and to order the innovation concepts gradually introduced. In order to achieve this goal, conceptual bibliographic research is performed showing how the subsequent improvements have been introduced and, at the same time, erasing the initial restriction

Modelos de otimização para a distribuição de combustíveis em curta distância marítima

Doutoramento em Matemática e AplicaçõesO transporte marítimo e o principal meio de transporte de mercadorias em todo o mundo. Combustíveis e produtos petrolíferos representam grande parte das mercadorias transportadas por via marítima. Sendo Cabo Verde um arquipelago o transporte por mar desempenha um papel de grande relevância na economia do país. Consideramos o problema da distribuicao de combustíveis em Cabo Verde, onde uma companhia e responsavel por coordenar a distribuicao de produtos petrolíferos com a gestão dos respetivos níveis armazenados em cada porto, de modo a satisfazer a procura dos varios produtos. O objetivo consiste em determinar políticas de distribuicão de combustíveis que minimizam o custo total de distribuiçao (transporte e operacões) enquanto os n íveis de armazenamento sao mantidos nos n íveis desejados. Por conveniencia, de acordo com o planeamento temporal, o prob¬lema e divido em dois sub-problemas interligados. Um de curto prazo e outro de medio prazo. Para o problema de curto prazo sao discutidos modelos matemáticos de programacao inteira mista, que consideram simultaneamente uma medicao temporal cont ínua e uma discreta de modo a modelar multiplas janelas temporais e taxas de consumo que variam diariamente. Os modelos sao fortalecidos com a inclusão de desigualdades validas. O problema e então resolvido usando um "software" comercial. Para o problema de medio prazo sao inicialmente discutidos e comparados varios modelos de programacao inteira mista para um horizonte temporal curto assumindo agora uma taxa de consumo constante, e sao introduzidas novas desigualdades validas. Com base no modelo escolhido sao compara¬das estrategias heurísticas que combinam três heur ísticas bem conhecidas: "Rolling Horizon", "Feasibility Pump" e "Local Branching", de modo a gerar boas soluçoes admissíveis para planeamentos com horizontes temporais de varios meses. Finalmente, de modo a lidar com situaçoes imprevistas, mas impor¬tantes no transporte marítimo, como as mas condicões meteorológicas e congestionamento dos portos, apresentamos um modelo estocastico para um problema de curto prazo, onde os tempos de viagens e os tempos de espera nos portos sao aleatórios. O problema e formulado como um modelo em duas etapas, onde na primeira etapa sao tomadas as decisões relativas as rotas do navio e quantidades a carregar e descarregar e na segunda etapa (designada por sub-problema) sao consideradas as decisoes (com recurso) relativas ao escalonamento das operacões. O problema e resolvido por um metodo de decomposto que usa um algoritmo eficiente para separar as desigualdades violadas no sub-problema.Maritime transportation is a major mode of transportation of goods worldwide. Most of cargo of the maritime transport accounted for liquid cargo oil and petroleum products. As Cape Verde is an archipelago, maritime transportation is of great importance for the local economic activity. We consider a fuel oil distribution problem where an oil company is responsible for the coordination of the distribution of oil products with the inventory management of those products at ports in order to satisfy the demands for the several oil products. The objective is to determine distribution policies that minimize the routing and operating costs, while inventory levels are maintained within given limits. For convenience, the planning problem is divided into two related subproblems accordingly to the length of the planning horizon: A short- term and medium-term planning. For the short-term planning problem we discuss mathematical mixed integer programming models that combine continuous and discrete time measures in order to handle with multiple time windows and a daily varying consumption rate of the various oil products. These models are strengthened with valid inequalities. Then the problem is solved using a commercial software. For the second subproblem several mixed integer formulations are discussed and compared for a short time horizon, and assuming constant consumption rates and new valid inequalities are introduced. Then, based on the chosen model, we compare several heuristic strategies that combine the well-known Rolling Horizon, Feasibility Pump and Local Branching heuristics, in or¬der to derive good feasible solutions for planning horizons of several months. Finally, as weather conditions and ports congestion are very impor¬tant in maritime transportation, we present a stochastic model for a short sea shipping problem, where traveling and waiting time are random. The problem is formulated as a two stage recourse problem, where in the first stage the routing and the load/unload quantities are defined, and in the second stage (subproblem) the scheduling of operations is determined. The problem is solved by a decomposition method that uses an efficient separation algorithm to include inequalities from the subproblem

Hybrid heuristics for a short sea inventory routing problem

We consider a short sea fuel oil distribution problem where an oil company is responsible for the routing and scheduling of ships between ports such that the demand for various fuel oil products is satisfied during the planning horizon. The inventory management has to be considered at the demand side only, and the consumption rates are given and assumed to be constant within the planning horizon. The objective is to determine distribution policies that minimize the routing and operating costs, while the inventory levels are maintained within their limits. We propose an arc-load flow formulation for the problem which is tightened with valid inequalities. In order to obtain good feasible solutions for planning horizons of several months, we compare different hybridization strategies. Computational results are reported for real small-size instances

MRP IV: Planificación de requerimientos de materiales cuarta generación. Integración de la planificación de la producción y del transporte de aprovisionamiento

Tesis por compendioEl sistema de planificación de requerimientos de materiales o MRP (Material Requirement Planning), desarrollado por Orlicky en 1975, sigue siendo en nuestros días y, a pesar de sus deficiencias identificadas, el sistema de planificación de la producción más utilizado por las empresas industriales. Las evoluciones del MRP se vieron reflejadas en el sistema MRPII (Manufacturing Resource Planning), que considera restricciones de capacidad productiva, MRPIII (Money Resource Planning), que introduce la función de finanzas; y la evolución comercial del mismo en el ERP (Enterprise Resource Planning), que incorpora modularmente todas las funciones de la empresa en un único sistema de decisión, cuyo núcleo central es el MRP. Los desarrollos posteriores de los sistemas ERP han incorporado las nuevas tecnologías de la información y comunicaciones. Asimismo, éstos se han adaptado al contexto económico actual caracterizado por la globalización de los negocios y la deslocalización de los proveedores desarrollando otras funciones como la gestión de la cadena de suministro o del transporte, entre otros. Por otro lado, existen muchos trabajos en la literatura académica que han intentado resolver algunas de las debilidades del MRP tales como la optimización de los resultados, la consideración de la incertidumbre en determinados parámetros, el inflado de los tiempos de entrega, etc. Sin embargo, tanto en el ámbito comercial como en el científico, el MRP y sus variantes se centran en el requerimiento de los materiales y en la planificación de las capacidades de producción, lo que es su desventaja principal en aquellas cadenas de suministro donde existe una gran deslocalización de los proveedores de materias primas y componentes. En estos entornos, la planificación del transporte adquiere un protagonismo fundamental, puesto que los elevados costes y las restricciones logísticas suelen hacer subóptimos e incluso infactibles los planes de producción propuestos, siendo la re-planificación manual una práctica habitual en las empresas. Esta tesis doctoral propone un modelo denominado MRPIV, que considera de forma integrada las decisiones de la planificación de materiales, capacidades de recursos de producción y el transporte, con las restricciones propias de este último, tales como diferentes modos de recogida (milk-run, camión completo, rutas) en la cadena de suministro con el objetivo de evitar la suboptimización de estos planes que en la actualidad se generan usualmente de forma secuencial e independiente. El modelo propuesto se ha validado en una cadena de suministro del sector del automóvil confirmando la reducción de costes totales y una planificación más eficiente del transporte de los camiones necesarios para efectuar el aprovisionamiento.Díaz-Madroñero Boluda, FM. (2015). MRP IV: Planificación de requerimientos de materiales cuarta generación. Integración de la planificación de la producción y del transporte de aprovisionamiento [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48524TESISCompendi

Abordagem determinística e estocástica na formulação de políticas de distribuição por lote econômico de entrega, em problemas de roteirização com estoque gerenciado pelo fornecedor e sistema logístico em três níveis

Orientadora : Profª Dra. Maria Teresinha Arns SteinerCo-orientador : Prof. Dr. Cassius Tadeu ScarpinTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 29/09/2015Inclui referências : f. 261-275Área de concentração : Programação matemáticaResumo: Em sistemas de gerenciamento de estoque pelo fornecedor (Vendor Managed Inventory - VMI), as decisões logísticas são centralizadas ao nível do vendedor, possibilitando uma redução simultânea dos custos de armazenagem e transporte. A operação de sistemas VMI requer a resolução de um complexo problema de otimização combinatória, denominado Problema de Roteirização e Estoques (PRE). O PRE básico consiste no gerenciamento do estoque do cliente, no estabelecimento da frequência e quantidade de produto entregue, além do roteiro percorrido pela frota de veículos ao longo do horizonte de planejamento. Esta tese propõe uma contribuição ao estudo do PRE em um sistema logístico em três níveis, onde o fornecedor gerencia seu próprio estoque, além dos estoques dos clientes. A pesquisa contempla o caso determinístico, quando as demandas do conjunto de clientes são conhecidas a priori, e o caso estocástico, quando estas informações não são conhecidas preliminarmente. Para o caso determinístico foi desenvolvida uma nova política de distribuição baseada no cálculo de um lote econômico de entrega formulada em três variações, sendo necessidades líquidas, necessidades brutas e distância. Um modelo de programação linear inteira mista binária (PLIMB) foi proposto, incorporando o sistema logístico em três níveis, além de restrições não comumente tratadas, como o dimensionamento da frota de veículos. Novos indicadores de desempenho logístico foram desenvolvidos, permitindo avaliar o desempenho das políticas. Para a resolução do problema, foi desenvolvida uma heurística de duas fases e três estágios. As fases são divididas em etapa construtiva e etapa de refinamento. Na etapa construtiva, o problema é resolvido em três estágios, onde o primeiro é responsável pela programação das entregas, o segundo pelo agrupamento dos pontos de demanda e o terceiro pela roteirização dos clientes nos grupos formados. A fase de refinamento compreende uma estrutura heurística de busca em vizinhança ampla (BVA). Cenários de pequeno, médio e grande porte, com variações no custo de estocagem e de transporte foram gerados a partir de dados da literatura e parametrizados no contexto da pesquisa. A extensão para PRE-estocástico mantém as tratativas para o caso determinístico, com a formulação de uma política de distribuição por lote econômico de entrega como alternativa à estratégia de distribuição além das políticas maximum level (ML) e order-up-to level (OU). A inovação principal repousa na estratégia dinâmica para a previsão de demanda futura, utilizando Redes Neurais de Funções de Bases Radiais (RBFs). O PRE estocástico é ainda escassamente tratado de forma dinâmica na literatura, especialmente quando a demanda futura é obtida por técnicas robustas de previsão. Dessa forma, as RBFs são oportunamente aplicadas ao problema, dada sua eficiência no endereçamento de previsão de séries temporais amplamente corroboradas em outros estudos. Em ambos os casos estudados, uma extensa revisão de literatura posiciona as contribuições da pesquisa. Os resultados computacionais obtidos sobre um conjunto de 144 problemas de pequeno, médio e grande porte, mostraram a viabilidade do emprego das políticas de lote econômico, que dominaram todos os cenários para o problema estocástico. Os indicadores de desempenho logístico possibilitaram novos insights gerenciais ao processo de tomada de decisão, além de suportar o desempenho da política de lote econômico no âmbito qualitativo. Palavras-chave: Roteirização e Estoque; Sistema Logístico em Três Níveis, Determinístico; Estocástico e Dinâmico; Lote Econômico; Heurísticas, Previsão, Redes Neurais de Funções de Bases Radiais.Abstract: In vendor-managed inventory systems, the logistics decisions are centralized at the supplier's level. Its operation requires solving a complex combinatorial optimization problem, called Inventory Routing Problem (IRP), which is to determine the frequency and quantity, delivered to the customer in addition the vehicle routing over a planning horizon. This thesis proposes a contribution to the IRP in a three-echelon logistics system, where the vendor manages the customer's inventories, deciding when, how much and how to serve them over a planning horizon. At the same time, the supplier manages its own inventory level, deciding when and how much replenishes itself, in order to avoid stock out to yourself and to the customers. The research consider the deterministic case, when customer's demands are a priori known, and the stochastic case, when the demands and other details are not known preliminarily. For the deterministic case a new distribution policy has been developed, based on an economic order quantity (EOQ) in three variations, based on net necessity, gross necessity and distance. The EOQ formulation has been addressed to equate the trade-off between transportation and inventory cost arising on order-up-to level (OU) and maximum level (ML) distribution policy. A mixed integer linear programming model (MILP) was formulated for the deterministic IRP, incorporating the three-echelon logistics system features, as well as restrictions not commonly treated, as sizing the vehicle fleet. New logistics performance indicators were developed in order to evaluate policy under a qualitative framework. To solve the problem, a new heuristic approach with two-phase and three-stage was proposed. The phases are divided into constructive phase and improvement stage. In constructive phase, the problem is solved in three stages, where the first is responsible for the delivery scheduling, the second by clustering the demand points and the third by routing customers. The improvement phase comprises in a large neighborhood search procedure (LNS). Small, medium and large scenarios with variations on the inventory and transportation costs were generated, based on data from literature and parameterized in the research context. Extensive computational tests were performed to demonstrate the efficiency of the EOQ proposed distribution policy, the effectiveness of heuristic strategy used and applicability performance indicators. It demonstrated the performance of EOQ policy on OU and ML formulations. The extension to stochastic IRP keeps the same requirements as the deterministic case. A EOQ policy was proposed in addition to the ML and OU policies. The main innovation lies in the dynamic strategy for predicting future demand, using Neural Networks of Radial Basis Function (RBF's). The stochastic IRP is still poorly handled in the literature, especially when the future demand is obtained by robust prediction techniques. Thus, timely RBFs are applied to the problem, given its efficiency in time series forecasting addressing widely corroborated in other studies. In both cases studied, an extensive literature review shows the research contributions. The computational results obtained on a set of 144 small, medium and large problems, showed the viability of using the EOQ policies, which dominated all scenarios for the stochastic problem. Logistics performance indicators enabled new insights to management decision-making process and supports the performance of the EOQ on the qualitative level. Keywords: Inventory Routing; Three-echelon Logistics System; Deterministic, Dynamic and Stochastic, Economic Order Quantity, Forecasting, Radial Basis Functions Neural Networks

Historia, evolución y perspectivas de futuro en la utilización de técnicas de simulación en la gestión portuaria: aplicaciones en el análisis de operaciones, estrategia y planificación portuaria

Programa Oficial de Doutoramento en Análise Económica e Estratexia Empresarial. 5033V0[Resumen] Las técnicas de simulación, tal y como hoy las conocemos, comenzaron a mediados del siglo XX; primero con la aparición del primer computador y el desarrollo del método Monte Carlo, y más tarde con el desarrollo del primer simulador de propósito específico conocido como GPS y desarrollado por Geoffrey Gordon en IBM y la publicación del primer texto completo dedicado a esta materia y llamado the Art of Simulation (K.D. Tocher, 1963). Estás técnicas han evolucionado de una manera extraordinaria y hoy en día están plenamente implementadas en diversos campos de actividad. Las instalaciones portuarias no han escapado de esta tendencia, especialmente las dedicadas al tráfico de contenedores. Efectivamente, las características intrínsecas de este sector económico, le hacen un candidato idóneo para la implementación de modelos de simulación con propósitos y alcances muy diversos. No existe, sin embargo y hasta lo que conocemos, un trabajo científico que compile y analice pormenorizadamente tanto la historia como la evolución de simulación en ambientes portuarios, ayudando a clasificar los mismos y determinar cómo estos pueden ayudar en el análisis económico de estas instalaciones y en la formulación de las oportunas estrategias empresariales. Este es el objetivo último de la presente tesis doctoral.[Resumo] As técnicas de simulación, tal e como hoxe as coñecemos, comezaron a mediados do século XX; primeiro coa aparición do computador e o desenvolvemento do método Monte Carlo e máis tarde co desenvolvemento do primeiro simulador de propósito específico coñecido como GPS e desenvolvido por Geoffrey Gordon en IBM e a publicación do primeiro texto completo dedicado a este tema chamado “A Arte da Simulación” (K.D. Tocher, 1963). Estas técnicas evolucionaron dun xeito extraordinario e hoxe en día están plenamente implementadas en diversos campos de actividade. As instalacións portuarias non escaparon desta tendencia, especialmente as dedicadas ao tráfico de contenedores. Efectivamente, as características intrínsecas deste sector económico, fanlle un candidato idóneo para a implementación de modelos de simulación con propósitos e alcances moi variados. Con todo, e ata o que coñecemos, non existe un traballo científico que compila e analiza de forma detallada tanto a historia como a evolución da simulación en estes ambientes portuarios, clasificando os mesmos e determinando como estes poden axudar na análise económica destas instalacións e na formulación das oportunas estratexias empresariais. Este é o último obxectivo da presente tese doutoral.[Abstract] Simulation, to the extend that we understand it nowadays, began in the middle of the 20th century; first with the appearance of the computer and the development of the Monte Carlo method, and later with the development of the first specific purpose simulator known as GPS developed by Geoffrey Gordon in IBM. This author published the first full text devoted to this subject “The Art of Simulation” in 1963. These techniques have evolved in an extraordinary way and nowadays they are fully implemented in different fields of activity. Port facilities have not escaped this trend, especially those dedicated to container traffic. Indeed, the intrinsic characteristics of this economic sector, make it a suitable candidate for the implementation of simulation with very different purposes and scope. However, to the best of our knowelegde, there is not a scientific work that compiles and analyzes in detail both, the history and the evolution of simulation in port environments, contributing to classify them and determine how they can help in the economic analysis of these facilities and in the formulation of different business strategies. This is the ultimate goal of this doctoral thesis