924 research outputs found

    Eulerian Paths with Regular Constraints

    Get PDF
    Labeled graphs, in which edges are labeled by letters from some alphabet Sigma, are extensively used to model many types of relations associated with actions, costs, owners, or other properties. Each path in a labeled graph induces a word in Sigma^* -- the one obtained by concatenating the letters along the edges in the path. Classical graph-theory problems give rise to new problems that take these words into account. We introduce and study the constrained Eulerian path problem. The input to the problem is a Sigma-labeled graph G and a specification L subseteq Sigma^*. The goal is to find an Eulerian path in G that satisfies L. We consider several classes of the problem, defined by the classes of G and L. We focus on the case L is regular and show that while the problem is in general NP-complete, even for very simple graphs and specifications, there are classes that can be solved efficiently. Our results extend work on Eulerian paths with edge-order constraints. We also study the constrained Chinese postman problem, where edges have costs and the goal is to find a cheapest path that contains each edge at least once and satisfies the specification. Finally, we define and study the Eulerian language of a graph, namely the set of words along its Eulerian paths

    The target visitation arc routing problem

    Get PDF
    This paper studies the target visitation arc routing problem on an undirected graph. This problem combines the well-known undirected rural postman problem and the linear ordering problem. In this problem, there is a set of required edges partitioned into targets, which must be traversed and there are pairwise preferences for the order in which some targets are serviced, which generates a revenue if the preference is satisfied. The aim is to find a tour that traverses all required edges at least once, and offers a compromise between the revenue generated by the order in which targets are serviced, and the routing cost of the tour. A linear integer programming formulation including some families of valid inequalities is proposed. Despite the difficulty of the problem, the model can be used to solve to optimality around 62% of the test instances.</p

    The target visitation arc routing problem

    Get PDF
    This paper studies the target visitation arc routing problem on an undirected graph. This problem combines the well-known undirected rural postman problem and the linear ordering problem. In this problem, there is a set of required edges partitioned into targets, which must be traversed and there are pairwise preferences for the order in which some targets are serviced, which generates a revenue if the preference is satisfied. The aim is to find a tour that traverses all required edges at least once, and offers a compromise between the revenue generated by the order in which targets are serviced, and the routing cost of the tour. A linear integer programming formulation including some families of valid inequalities is proposed. Despite the difficulty of the problem, the model can be used to solve to optimality around 62% of the test instances.</p

    On the periodic hierarchical Chinese postman problem

    Get PDF
    This paper presents a mathematical formulation and a heuristic approach for a new variant of the Hierarchical Chinese Postman Problem (HCPP). Indeed, we introduce the concept of periodicity, and we define and solve, for the first time, the Periodic-HCPP, denoted as P-HCPP. Given that the resulting integer programming model makes use of a big number of binary variables and given the extended time horizon considered, 30 days in our case, the problem is characterized by a high level of complexity. However, our developed heuristic is able to solve instances having up to 40 nodes, 520 arcs and hierarchies, whereas a general-purpose solver like Gurobi was not able to provide solutions for instances having more than 10 nodes. While the collected results are very encouraging, we provide at the end of this paper a set of possible future extensions of this work

    Solving the hierarchical windy postman problem with variable service costs using a math-heuristic algorithm

    Get PDF
    The Hierarchical Windy Postman Problem (HWPP) is an arc routing problem in which an order relation is imposed on the arcs/edges of the graph, and one has to pass through each edge at least once while adhering to the hierarchical priority relations. The tour starts from and ends at a specific node and the aim is to minimize the length of the tour. We consider a variant of the HWPP in which (i) the precedence order of the edge hierarchies is linear and edges within each hierarchy are connected and (ii) the cost of serving each edge decreases with the number of times it is traversed, and we refer to it as HWPP with variable service costs. An integer non-heuristic linear mathematical formulation is proposed, and a solution approach is designed. Our solution heuristic adapts the layer algorithm of Dror et al. (Networks 17:283–294, 1987) but employs an integer mathematical formulation as a sub-procedure instead of the blossom algorithm to find the least cost path between the nodes of the graph. This choice is based on the fact that the blossom algorithm requires a symmetric cost structure while we deal here with the general case of asymmetric cost structure, which makes our problem a windy variant of the postman problem. It should be noted that our problem is not asymmetric in the sense that there are no opposite arcs with different costs but there are edges which have different costs depending on the traversal direction. In order to compare the performance of our heuristic algorithm with respect to the performance of the mathematical model that is solved by the commercial solver Gurobi, 84 test instances are generated having varying sizes and densities and with different number of hierarchies. These test instances are solved by both methods and the generated results show that the proposed heuristic method is much faster and generates better quality solutions

    Інформаційна система планування обслуговування доріг міста

    Get PDF
    Магістерська дисертація: 112 с., 12 рис., 20 табл., 1 додаток, 36 джерел. Актуальність. Проведені у Великобританії дослідження показали, що у вартості продукту, який потрапив до кінцевого споживача, до 70% складають витрати, що так чи інакше пов’язані з логістичними операціями. З огляду на це обслуговування доріг стає необхідним процесом, що спрямований на підтримання належного технічного стану доріг та надання можливості швидкого та безпечного переміщення транспортних засобів задля уникнення аварійних ситуацій і т. ін. Отже, обслуговування доріг потребує якісного планування маршрутів для спеціалізованої дорожньої техніки. Математичне формулювання цієї задачі відоме як задача маршрутизації по дугам (Arc Routing Problem), що є підмножиною задач маршрутизації транспортних засобів (Vehicle Routing Problem). Існує багато розроблених математичних моделей вищезазначеної задачі, проте врахування додаткових умов часто призводить до створення нової моделі і відповідно пошуку нового або модифікації існуючого методу розв’язання. Робота присвячена дослідженню та розробці методу розв’язання задачі ARP. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі автоматизованих систем обробки інформації та управління Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» в рамках теми «Ефективні методи розв'язання задач теорії розкладів» (№ ДР 0117U000919). Мета і завдання дослідження. Метою є підвищення якості процесів обслуговування доріг міста за рахунок мінімізації часу проходження транспортними засобами запланованих шляхів сполучень (із врахуванням обмежень на директивні терміни виконання робіт та місткість машин). Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: – дослідити предметне середовище та особливості його функціонування; – провести аналіз відомих результатів розв’язання задачі маршрутизації транспортних засобів по дугам; – сформулювати постановку задачі мінімаксу k-китайських листонош з врахуванням директивних термінів виконання робіт та місткості машин; – розробити модифікований алгоритм сформульованої задачі та дослідити його ефективність; – розробити інформаційну систему планування обслуговування доріг міста. Об’єкт дослідження – логістичні процеси обслуговування доріг. Предмет дослідження – задачі побудови маршрутів транспортних засобів, що орієнтовані на проходження шляхів сполучень та враховують директивні терміни виконання робіт та місткість машин. Методи дослідження, застосовані в роботі, базуються на методах дослідження операцій, евристичних та метаевристичних алгоритмах. Наукова новизна отриманих результатів полягає у модифікації та використанні в складі інформаційної системи алгоритму розв’язання задачі маршрутизації по дугам. Публікації. Матеріали роботи опубліковані у науковому журналі «Paradigm of Knowledge» та тезах доповіді Тринадцятої міжнародної науково-практичної конференції «Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2018» та ІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції молодих вчених та студентів «Інформаційні системи та технології управління» (ІСТУ-2019).Master dissertation: 112 pp., 12 fig., 20 tab., 1 app., 36 sources. The relevance. Researchs in the UK have shown that up to 70% of the cost of a product that reaches the end consumer are the costs associated with logistics operations in one way or another. In view of this, road maintenance becomes a necessary process aimed to maintain the good condition of roads and enabling the rapid and safe movement of vehicles to avoid emergencies, etc. Therefore, road maintenance requires quality route planning for specialized road technics. The mathematical model of this problem is known as the Arc Routing Problem, which is a subset of Vehicle Routing Problems. There are many mathematical models developed for the above problem, but taking into account additional conditions often leads to the creation of a new model and, accordingly, finding a new one or modifying an existing method of solving. The work is devoted to researching and developing the algorithm for solving the ARP problem. Relationship of work with scientific programs, plans, themes. The work was done at the department of computer-aided management and data processing systems of the National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» within the theme «Effective methods for solving problems of scheduling theory» (№ DR 0117U000919). Purpose and objects of the research. The goal of the research is to improve the quality of road maintenance processes in the city districts by minimizing the transit time of all routes and taking into account restrictions on car capacity and deadline classes of the work. The following tasks need be solved to achieve these tasks: – to investigate the subject environment and peculiarities of its functioning; – to analyze the known results of solving the arc routing problem; – create the formulation of the Min-Max Capacitated k-Chinese Postman Problem with Deadline Classes; – to develop the modified algorithm of the formulated problem and to investigate its effectiveness; – to develop the information system for city road maintenance planning. The object of the research – logistic processes of road maintenance. The subject of the research – vehicle routing problem, which is oriented on the passing of routes by vehicles and takes into account the deadline classes of the work and the capacity of cars. Methods of the research, used in the paper, are based on operations research methods, heuristic and metaheuristic algorithms. Scientific novelty of the results is the modification of the algorithm for solving the arc routing problem and the use of this algorithm within the information system. Publications. The results of the research were published in the scientific journal «Paradigm of Knowledge», at the materials of the XIII International scientific and practical conference «Mathematical Modeling and Simulation of Systems. MODS 2018» and III Ukrainian scientific and practical conference of young scientists and students "Information Systems and Management Technologies" (ISTU-2019)

    Optimisation de tournées de véhicules en viabilité hivernale

    Get PDF
    RÉSUMÉ : Cette thèse développe des outils mathématiques et informatiques pour améliorer les opérations de viabilité hivernale. En particulier, la confection des tournées de déneigement est traitée comme un problème de tournées sur les arcs avec plusieurs contraintes. Une métaheuristique est d’abord développée pour la confection de ces tournées. Par la suite, des modifications majeures sont apportées à cet algorithme pour tenir compte des caractéristiques spécifiques aux problèmes de tournées sur les arcs (arc routing problem) (ARP) sur des réseaux routiers réels. Finalement, un second problème combinant les tournées de déneigement et d’épandage avec la mise en commun de certains véhicules pour les opérations est traité. La solution développée permet de tirer parti des caractéristiques de chaque véhicule. Tout au long de la thèse, un accent particulier est porté sur l’utilisation des données réelles ainsi que sur le développement de méthodes pour faciliter l’importation et l’exportation de ces données. Les travaux entourant cette thèse débutent avec la confection de tournées de déneigement pour une ville au Québec, soit Dolbeau-Mistassini (DM). De nombreux problèmes ont été rencontrés avec l’utilisation d’une méthode tirée de la littérature. Parmi ceux-ci, on compte : — de nombreux demi-tours difficiles à exécuter par les véhicules ; — le faible respect des priorités accordées aux rues à l’échelle du réseau ; — de nombreux véhicules parcourent de longues distances pour se rendre dans les coins reculés du réseau ; — le déséquilibre des tâches de travail en raison des différentes vitesses d’opération des véhicules ; — le fait que la méthode ne tient pas compte des ruelles qui peuvent être traitées dans une direction ou dans l’autre en un seul passage. À la suite de nombreux ajustements manuels pour corriger les tournées obtenues, force a été de constater que des améliorations pouvaient être apportées à ce type de méthode. Les travaux concernant la première contribution de cette thèse ont donc porté sur le développement d’une méthode de création de tournées de déneigement. En raison du grand nombre de variables et de contraintes considérées dans le problème, le choix s’est porté sur une méthode heuristique. Ce type de méthode offre un bon équilibre entre le temps de traitement et la qualité des solutions obtenues. Plus précisément, le choix s’est arrêté sur une métaheuristique de type algorithme de recherche à voisinage adaptatif large (adaptive large neighborhood search) (ALNS), en raison du succès remporté récemment par ce type de méthode. Le premier article a permis de constater que l’algorithme développé permet de créer des tournées pour les véhicules de déneigement. Les contraintes suivantes sont respectées : équilibrage des tournées, couverture partielle du réseau, vitesses hétérogènes, restrictions de virages, restrictions rue/véhicule et hiérarchie du réseau. Pour la deuxième contribution de thèse, le problème a d’abord été formalisé par l’intermédiaire d’un programme linéaire en nombres entiers (mixed integer programming) (MIP). Le problème a été formulé comme un problème des k-postiers ruraux avec objectif minmax (min-max k-vehicles rural postman problem) (MM K-RPP) avec hiérarchies, pénalités sur virages, vitesses d’opération hétérogènes et tournées ouvertes sur un graphe mixte. Tel qu’anticipé, la résolution devient rapidement impossible à traiter avec un solveur commercial en utilisant seulement 20 segments de rue. Il a été décidé de poursuivre l’approfondissement de l’algorithme développé en première partie. Cette décision a été prise notamment en raison du très long temps de traitement qui réduit l’utilité du premier algorithme. Cette décision repose aussi sur le fait que visuellement, on constate que les tournées obtenues peuvent être améliorées. Dans cette optique, une collaboration a été initiée avec messieurs Fabien Lehuédé et Olivier Péton du laboratoire des sciences du numérique de Nantes (LS2N) à IMT Atlantique. Leur expertise avec la méthode ALNS a effectivement permis d’améliorer grandement les résultats obtenus. Parmi les améliorations apportées, on note une transformation du réseau permettant de tenir compte des pénalités sur virages lors du calcul des plus courts chemins. Cette transformation permet également de mieux prendre en compte les ruelles qui requièrent un seul passage dans une direction ou dans l’autre. De plus, la possibilité d’appliquer plusieurs fois un opérateur de destruction avant de passer à la construction est ajoutée. Cette contribution a également été l’occasion de développer et tester de nouveaux opérateurs de voisinage, développer une méthode de groupement des arcs et revoir et simplifier le code de la métaheuristique. L’algorithme a été appliqué à la première étude de cas ainsi qu’a deux nouvelles études de cas, Baie-Comeau (BC) et Plateau-Mont-Royal (PMR). Des tests ont également été exécutés en comparant les nouvelles tournées obtenues à des tournées conçues quelques années plus tôt ainsi qu’aux résultats obtenus par un solveur commercial. Les résultats obtenus démontrent que la méthodologie améliore les tournées conçues précédemment. Il est aussi possible de conclure que la méthode de groupage des arcs améliore la qualité des solutions obtenues et l’efficacité des nouveaux opérateurs développés varie selon le réseau utilisé. Pour la troisième contribution, nous sommes revenus sur le cas d’étude initial tel que décrit par les intervenants de la première étude de cas. Il a été dit que les charges de travail doivent être équilibrées, mais que certains véhicules doivent également épandre des fondants ou des abrasifs en plus de déneiger. Pour tenir compte de cette contrainte, certaines tournées avaient délibérément été gardées plus courtes dans les premières solutions. Pour le troisième article, il a été décidé de traiter cette problématique de front. Ce qu’il faut savoir est que certains véhicules sont équipés pour l’épandage et le déneigement alors que d’autres sont équipés pour le déneigement seulement. Lorsque les premiers traitent un segment de rue, ils exécutent les deux opérations simultanément. Lorsque les deuxièmes traitent un segment de rue, il faut planifier un second passage par les premiers véhicules pour qu’ils puissent épandre des fondants ou des abrasifs. L’algorithme développé précédemment a donc été modifié dans cette optique. En plus, la considération des contraintes de restrictions rue/véhicule a été ajoutée dans l’algorithme. Les résultats démontrent que l’algorithme permet effectivement de concevoir des tournées qui respectent les contraintes de la nouvelle étude de cas. Cet outil permet donc de tirer profit de l’interaction entre les divers types de véhicules. La contribution souligne également l’utilité d’un tel outil pour supporter l’analyse des besoins justifiant l’achat de nouveaux véhicules. En parallèle aux développements algorithmiques, des méthodes d’importation et d’exportation des données provenant des cas d’étude réels sont aussi développées. Dès le départ, il a été choisi d’utiliser des fichiers de type Shapefile comme source de données en raison de sa grande disponibilité et de la compatibilité avec les système d’information géographique (SIG). Une méthode pour passer du réseau géographique vers un réseau mathématique a donc été améliorée au cours des travaux. Alors qu’au début des travaux de la thèse, il fallait passer par un chiffrier Microsoft ExcelTM pour ensuite importer les données dans le code, à la fin, une méthode automatisée permet l’importation directe à partir des fichiers Shapefiles vers le code de la métaheuristique. Quant aux résultats obtenus, ils furent obtenus dans les premières étapes sous forment de représentations géographiques dans un SIG ainsi que des feuilles d’instructions indiquant les étapes, coin de rue par coin de rue, aux opérateurs de véhicules. De ce côté, les développements ont permis d’obtenir des fichiers de type KML. Ce type de fichier est compatible avec plusieurs logiciels et applications, dont Google EarthviewTM et des applications de guidage routier sur des appareils mobiles.----------ABSTRACT : In this thesis, we develop mathematical and computerized tools to improve winter viability operations. More precisely, the snow routing design problem is treated as an problème de tournée sur les arcs (arc routing problem) (ARP). In a first effort to solve the problem, a metaheuristic procedure is designed. Then, some major modifications are made to the algorithm to improve the consideration of specific characteristics of real road networks. Finally, a second problem combining the routing of the snowplow and the spreading vehicles are addressed. The objective is to fully take advantage of the characteristics of the different type of vehicles. In parallel with the algorithmic development, this thesis also develops some methodologies to facilitate the importation and exportation of the real world data. Works concerning this thesis were initiated with a mandate to design snowplow routes for a city in the province of Québec, namely DM. The problem was addressed by using a methodology found in the literature, however, several difficulties were encountered. Among others: — the routes contained several U-turns which are difficult to perform by the snow plowing vehicles; — little consideration of the priorities at the network level; — several vehicles have to travel to some remote streets in the same sector of the city where we would expect only one vehicle to go; — unbalanced sectors due to the different speeds of operation of the vehicles; — no consideration for back alleys that needs to be serviced only once in either direction. In respond to these problems, several manual modifications of the routes were undertaken to make them feasible. It was found that the methodology fails to solve the problem as it is encountered. Therefore, works concerning the first contribution of this thesis focused on the development of a methodology to design snowplow routing. Due to numerous variables and constraints, it was decided to develop a metaheuristic algorithm. This type of methodology offers a good balance between runtime and the quality of the solution obtained. In particular, an ALNS is selected because of its recent success cited in the literature. Thus, the first article concludes that the algorithm can design snowplow routing. The following constraints are considered: workload balance, partial area coverage, heterogeneous vehicle speeds, road/vehicle dependencies, network hierarchies and turn restrictions. In the second contribution of this thesis, the problem was modeled as a mixed integer program. It is formulated as a min-max k-rural postmen problem with hierarchies, turn penalties, open tours and heterogeneous speed on a mixed graph. As expected, the formulation is intractable even for a number of arcs as low as 20. It was then decided to pursue the development of the ALNS algorithm. This decision was taken considering the long runtime of the first algorithm and the fact that the routes obtained can be visually improved. A collaboration with Fabien Lehuédé and Olivier Péton from the Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (LS2N), IMT Atlantique was undertaken. Their expertise with ALNS greatly helped to improve the results obtained. Among other improvements brought to the algorithm, one can cite the transformation of the graph which allows to better take into account turn penalties during the computation of the shortest paths. This transformation also allows to better take into account the back alleys which only need one service in either direction. This contribution also allowed to develop and test new neighborhood operators and an arc grouping methodology. Both of these innovations improve the quality of the solutions obtained. However the efficiency of the new operators varies with the network. For the third contribution, we took back the case study as it was described by the collaborator in DM. It was said that the workload needs to be balanced among the vehicles. However some vehicles must also perform winter spreading in addition to plowing. For the first set of routes produced, some of the routes were deliberately left with a lower workload to allow them to perform winter spreading. For the third article, it was decided to consider the spreading and the plowing directly during the construction and the improvement steps. Thus this problem was tackled more directly in the third article. It must be noted that some vehicles are equipped to perform both winter spreading and snow plowing and some others can only perform plowing. When the former service a street, they can perform both plowing and spreading at the same time. When the latter service a street, a second passage is required to spread salt or abrasives. The algorithm developed for the second contribution was then adapted for this new problem. Moreover, the street/vehicle restriction constraints were also added. The result shows that the algorithm can produce a set of routes respecting the constraints of the new problem. It can take advantage of the interaction between the various types of vehicles. The article also shows that such tool can be beneficial in analyzing the requirements for new vehicles. In parallel with the development of the algorithms, data importation and exportation techniques from real road networks are also developed. It was chosen to use Shapefiles because of its good relative availability and because of its compatibility with Geographic Information System (GIS). A method to transfer from a geographical to a mathematical network is improved during the thesis. At the beginning, a Microsoft ExcelTM datasheet is used to transfer the data from the GIS to the metaheuristic. At the end, it is possible to fetch the data directly from the Shapefiles to the metaheuristic. As for the results obtained, at the beginning, they were provided in the form of a Shapefile for visualization and indications on sheets of paper for the operators. At the end, the results can be exported to the KML format. This type of file is compatible with several software such as Google EarthviewTM and application Global Positioning System (GPS) applications on mobile devices
    corecore