A New Model for The Multi-Objective Multiple Allocation Hub Network Design and Routing Problem

In this paper, we propose a new model for the multi-objective multiple allocation hub network design and routing problem which contains determining the location of hubs, the design of hub network, and the routing of commodities between source-destination pairs in the given network. The selected hubs are not assumed to be fully connected, and each node and arc in the network has capacity constraints. The multiple objectives of the problem are the minimization of total xed and transportation costs and the minimization of the maximum travel time required for routing. We propose a mathematical formulation for the multiobjective problem and present a meta-heuristic solution based on a well-known multi-objective evolutionary algorithm. Using the proposed formulation, we are able to nd the optimal solution for small networks of ve nodes and seven nodes. To evaluate the performance of our heuristic approach on real data, the computational experiments are conducted on Turkish postal system data set. The results demonstrate that our heuristic approach can nd feasible solutions to the problem in reasonable execution time, which is less than 10 min

From metaheuristics to learnheuristics: Applications to logistics, finance, and computing

Un gran nombre de processos de presa de decisions en sectors estratègics com el transport i la producció representen problemes NP-difícils. Sovint, aquests processos es caracteritzen per alts nivells d'incertesa i dinamisme. Les metaheurístiques són mètodes populars per a resoldre problemes d'optimització difícils en temps de càlcul raonables. No obstant això, sovint assumeixen que els inputs, les funcions objectiu, i les restriccions són deterministes i conegudes. Aquests constitueixen supòsits forts que obliguen a treballar amb problemes simplificats. Com a conseqüència, les solucions poden conduir a resultats pobres. Les simheurístiques integren la simulació a les metaheurístiques per resoldre problemes estocàstics d'una manera natural. Anàlogament, les learnheurístiques combinen l'estadística amb les metaheurístiques per fer front a problemes en entorns dinàmics, en què els inputs poden dependre de l'estructura de la solució. En aquest context, les principals contribucions d'aquesta tesi són: el disseny de les learnheurístiques, una classificació dels treballs que combinen l'estadística / l'aprenentatge automàtic i les metaheurístiques, i diverses aplicacions en transport, producció, finances i computació.Un gran número de procesos de toma de decisiones en sectores estratégicos como el transporte y la producción representan problemas NP-difíciles. Frecuentemente, estos problemas se caracterizan por altos niveles de incertidumbre y dinamismo. Las metaheurísticas son métodos populares para resolver problemas difíciles de optimización de manera rápida. Sin embargo, suelen asumir que los inputs, las funciones objetivo y las restricciones son deterministas y se conocen de antemano. Estas fuertes suposiciones conducen a trabajar con problemas simplificados. Como consecuencia, las soluciones obtenidas pueden tener un pobre rendimiento. Las simheurísticas integran simulación en metaheurísticas para resolver problemas estocásticos de una manera natural. De manera similar, las learnheurísticas combinan aprendizaje estadístico y metaheurísticas para abordar problemas en entornos dinámicos, donde los inputs pueden depender de la estructura de la solución. En este contexto, las principales aportaciones de esta tesis son: el diseño de las learnheurísticas, una clasificación de trabajos que combinan estadística / aprendizaje automático y metaheurísticas, y varias aplicaciones en transporte, producción, finanzas y computación.A large number of decision-making processes in strategic sectors such as transport and production involve NP-hard problems, which are frequently characterized by high levels of uncertainty and dynamism. Metaheuristics have become the predominant method for solving challenging optimization problems in reasonable computing times. However, they frequently assume that inputs, objective functions and constraints are deterministic and known in advance. These strong assumptions lead to work on oversimplified problems, and the solutions may demonstrate poor performance when implemented. Simheuristics, in turn, integrate simulation into metaheuristics as a way to naturally solve stochastic problems, and, in a similar fashion, learnheuristics combine statistical learning and metaheuristics to tackle problems in dynamic environments, where inputs may depend on the structure of the solution. The main contributions of this thesis include (i) a design for learnheuristics; (ii) a classification of works that hybridize statistical and machine learning and metaheuristics; and (iii) several applications for the fields of transport, production, finance and computing

Extending the solid step fixed-charge transportation problem to consider two-stage networks and multi-item shipments

This paper develops a new mathematical model for a capacitated solid step fixed-charge transportation problem. The problem is formulated as a two-stage transportation network and considers the option of shipping multiple items from the plants to the distribution centers (DC) and afterwards from DCs to customers. In order to tackle such an NP-hard problem, we propose two meta-heuristic algorithms; namely, Simulated Annealing (SA) and Imperialist Competitive Algorithm (ICA). Contrary to the previous studies, new neighborhood strategies maintaining the feasibility of the problem are developed. Additionally, the Taguchi method is used to tune the parameters of the algorithms. In order to validate and evaluate the performances of the model and algorithms, the results of the proposed SA and ICA are compared. The computational results show that the proposed algorithms provide relatively good solutions in a reasonable amount of time. Furthermore, the related comparison reveals that the ICA generates superior solutions compared to the ones obtained by the SA algorithm

Experimental Evaluation of Meta-Heuristics for Multi-Objective Capacitated Multiple Allocation Hub Location Problem

Multi-objective capacitated multiple allocation hub location problem (MOCMAHLP) is a variation of classic hub location problem, which deals with network design, considering both the number and the location of the hubs and the connections between hubs and spokes, as well as routing of flow on the network. In this study, we offer two meta-heuristic approaches based on the non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) and archived multi-objective simulated annealing method (AMOSA) to solve MOCMAHLP. We attuned AMOSA based approach to obtain feasible solutions for the problem and developed five different neighborhood operators in this approach. Moreover, for NSGA-II based approach, we developed two novel problem-specific mutation operators. To statistically analyze the behavior of both algorithms, we conducted experiments on two well-known data sets, namely Turkish and Australian Post (AP). Hypervolume indicator is used as the performance metric to measure the effectiveness of both approaches on the given data sets. In the experimental study, thorough tests are conducted to fine-tune the proposed mutation types for NSGA-II and proposed neighborhood operators for AMOSA. Fine-tuning tests reveal that for NSGA-II, mutation probability does not have a real effect on Turkish data set, whereas lower mutation probabilities are slightly better for AP data set. Moreover, among the AMOSA based neighborhood operators, the one which adds/removes a specific number of links according to temperature (NS-5) performs better than the others for both data sets. After analyzing different operators for both algorithms, a comparison between our NSGA-II based and AMOSA based approaches is performed with the best settings. As a result, we conclude that both of our algorithms are able to find feasible solutions of the problem. Moreover, NSGA-II performs better for larger, whereas AMOSA performs better for smaller size networks

Portfolio optimization and index tracking for the shipping stock and freight markets using evolutionary algorithms

This paper reproduces the performance of an international market capitalization shipping stock index and two physical shipping indexes by investing only in US stock portfolios. The index-tracking problem is addressed using the differential evolution algorithm and the genetic algorithm. Portfolios are constructed by a subset of stocks picked from the shipping or the Dow Jones Composite Average indexes. To test the performance of the heuristics, three different trading scenarios are examined: annually, quarterly and monthly rebalancing, accounting for transaction costs where necessary. Competing portfolios are also assessed through predictive ability tests. Overall, the proposed investment strategies carry less risk compared to the tracked benchmark indexes while providing investors the opportunity to efficiently replic ate the performance of both the stock and physical shipping indexes in the most cost-effective way

Study on efficient planning for advanced logistics network model based on robust genetic algorithm

制度:新 ; 報告番号:甲3000号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2010/2/22 ; 早大学位記番号:新525

A heuristic approach for multi-product capacitated single-allocation hub location problems

Tese de mestrado, Estatística e Investigação Operacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Em redes onde o fluxo entre nodos é muito elevado (como pode ser o caso do transporte de pessoas e mercadorias ou até mesmo fluxo de dados numa rede), torna-se menos dispendioso criar pontos onde se concentram os fluxos provenientes das diferentes origens para depois serem consolidados e redistribuídos até aos destinos. A esses pontos dá-se o nome de hubs. O problema de localização de hubs consiste na localização de hubs numa rede e na alocação de todos os nodos da rede a esses hubs, de modo a que se possa encaminhar os fluxos entre os pares origem-destino a menos que sejam hubs. A rede constituída pelos hubs é normalmente definida como completa e não se permitem ligações diretas entre os pares origem-destino. Para além disso, assume-se que existe um factor de desconto para o fluxo que circula entre hubs. Neste tipo de redes (hub-and-spoke networks) podem aparecer duas variantes, no que diz respeito à alocação dos nodos aos hubs: single-allocation e multiple-allocation. No primeiro caso, permite-se apenas uma ligação de cada nodo não hub a um hub de modo a que todo o fluxo com origem e destino a cada nodo saia e chegue a esse nodo através de apenas um hub. No caso em que se tem multiple-allocation, cada nodo poderá ser afecto a mais do que um hub e o fluxo que chega e sai desse nodo poderá usar mais do que um hub. Algumas variantes que se poderão considerar para este problema incluem restrições de capacidade nos hubs (restrições que limitam a capacidade de um hub processar uma certa quantidade de fluxo de origem, limitações na capacidade total, limitações no processamento de fluxo que sai do hub, etc.), restrições de capacidade nos arcos, problemas multi-periódicos, presença de incerteza, o número de hubs ser fixo, o tipo de objectivo (minimizar custos, minimizar distâncias entre hubs, etc.) entre outras. A necessidade de aproximar este tipo de problemas aos casos que se observam no mundo real leva à inclusão de cada vez mais restrições dando origem a mais variantes do problema. Neste trabalho, será abordado o problema de localização de hubs na variante single-Allocation, com restrições de capacidade em relação ao fluxo que cada hub é capaz de processar. Para além disso, considera-se fluxos relativos a mais do que um tipo de produto. Este problema é designado por Problema Multi-produto de Localização de Hubs com Capacidade1. Cada hub poderá ser dedicado a processar apenas um tipo de produto, poderá processar mais do que um, ou mesmo todos. A rede de hubs é completa para cada produto mas, no entanto, se se considerar a rede de hubs para todos os produtos, esta poderá não ser completa. Como constatado em Correia et al. [17], no caso em que cada hub processa todos os tipos de produto, resolver o problema multi-produto ao invés de se resolver vários problemas, um para cada produto em separado, dá origem a melhores resultados. A complexidade inerente a este tipo de problemas leva a que sejam classificados como problemas NP-Hard pois não existem algoritmos que sejam capazes de os resolver em tempo polinomial. Por esta razão faz sentido desenvolver algoritmos heurísticos de modo a se conseguir obter, em tempo útil, soluções para instâncias maiores do problema . Como referido em Meyer et al. [51], em problemas de localização de hubs, duas soluções com valores objectivo muito semelhantes poderão ser estruturalmente muito diferentes, e portanto, através um mecanismo de pesquisa local poderá ser muito difícil a passagem de uma boa solução para outra melhor. Por esta razão, neste trabalho opta-se por uma heurística que se baseia num método em que se constroem soluções repetidamente. Para a construção das soluções, considerando que um processo de construção do tipo Greedy poderia dar origem a um número limitado de soluções e que as componentes da solução que são escolhidas por último são as piores, optou-se pelo desenvolvimento de um algoritmo de Ant Colony Optimization (ACO). Esta meta-heurística baseia-se no comportamento apresentado pelas formigas quando estas procuram alimento. Quando uma formiga deixa a colónia em busca de alimento, no seu trajeto, deposita um químico (feromona) que pode ser detectado por outras formigas. Quanto maior a concentração de feromona, maior a atração de cada formiga por esse trajeto e, portanto, os trajetos com maiores concentrações de feromonas serão percorridos por mais formigas. Por outro lado, se o caminho de ida e volta até ao alimento for mais curto, mais vezes será percorrido e maior será a concentração de feromona nesse caminho. O resultado destes dois tipos de reforço positivo nas concentrações de feromona nos trajetos percorridos pelas formigas, aliados ao facto de que existe evaporação do químico (a concentração de feromona diminui nos caminhos menos percorridos ao longo do tempo) dá origem aos \carreirinhos" de formigas que se podem observar na natureza e que normalmente representam o caminho mais curto entre o alimento e a Colónia de formigas. Considere-se o problema em questão em que se tem n nodos e p produtos. Para a representação das soluções, em vez de se considerar uma matriz binária n χ n χ p, onde o valor 1 representa uma afetação, considerou-se uma matriz n χ p, em que cada entrada representa, para cada produto, o hub ao qual o nodo foi afecto. O caso em que um nodo é afecto a si mesmo indica que esse nodo é hub para o produto correspondente. Este tipo de representação permite reduzir o tamanho da matriz e diminuir o uso da memória computacional. Antes da construção de uma solução, é aplicado um pré-processamento que vai evitar, com base nas restrições do problema, que certas componentes da solução sejam consideradas durante o processo de construção da solução. Deste modo, reduz-se o espaço de procura de soluções e algum esforço computacional. Para a construção de uma solução, escolhe-se o tamanho da colonia (o número de formigas que pertencem à colónia) e cada formiga vai escolhendo, sucessivamente, componentes da solução através de uma regra pseudo-aleatória onde algumas componentes da solução são escolhidas de um modo greedy e outras são escolhidas através de roulette wheel selection. A cada componente da solução é atribuído um valor inicial de feromona e, à medida que cada formiga vai adicionando componentes à solução, o valor da feromona associado à componente adicionada vai decrescendo, o que resulta na diminuição da probabilidade de que essa componente seja escolhida pela próxima formiga, dando origem à diversificação do conjunto de soluções construído por cada colónia. No fim, depois de todas as formigas terem construído uma solução, escolhe-se a melhor solução e reforça-se a concentração de feromona na melhor solução construída pela colónia. Se, por acaso, uma formiga der origem a uma solução não admissível, a solução construída por essa formiga não é considerada. Para mais detalhe em relação a este processo consultar Dorigo et al. [20]. Este tipo de algoritmo permite a inclusão de métodos de pesquisa local de modo a que a solução obtida por cada colónia seja melhorada. Com o objectivo de obter um algoritmo mais eficiente, escolheu-se incluir esta possibilidade e procedeu-se ao reforço da concentração de feromona após feita uma pesquisa local. Na pesquisa local efectuada, usaram-se três tipos de vizinhança. Um deles fecha os hubs dedicados que só servem a si próprios e realoca-os a outros já abertos para esse mesmo produto. Outro, escolhe aleatoriamente um nodo alocado a um hub dedicado para um dado produto e realoca-o a outro hub dedicado ao mesmo produto. Um terceiro, escolhe um hub aleatoriamente e transforma-o num nodo, realocando-o a outro hub dedicado ao mesmo tipo de produto. De modo a obter soluções iniciais melhores, explora-se a possibilidade de atribuir valores iniciais de feromona mais altos às componentes de solução pertencentes à solução da relaxação linear, na proporção do valor correspondente no caso das variáveis 0-1. Uma outra variação explorada consiste em fazer o reforço do valor de feromona às componentes da solução, apenas quando esta é a melhor de todas encontrada até ao momento, permitindo que haja evaporação de certas componentes de solução que poderão estar a ser escolhidas consecutivamente e permitindo que se escape mais facilmente de óptimos locais. Após implementação do algoritmo procede-se à fase dos testes computacionais em instâncias do problema com 10, 20, 25 e 40 nodos, 1, 2 e 3 produtos e hubs que processam 1, 2 e 3 produtos. As instâncias usadas nos testes computacionais pertencem ao Australian Post data set e foram adaptados por Correia et al. [17] de modo a que se tivesse dados para mais do que um tipo de produto.In this thesis, an heuristic procedure is proposed for the the multi-product capacitated single-allocation hub location problem. When addressing a problem in which it is necessary to determine the transportation of large commodity flows between many origin-destination (O-D) pairs, instead of using direct links, it becomes more efficient to design the networks in such a way that some of the nodes become consolidation centers or hubs. The Multi-Product Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem (MP-CSAHLP according to Correia et al. [17]), is a NP-Hard problem in which several types of ow are considered, making it possible to consider the case when multiple types of products are to be shipped between each O-D pair. It can be seen as an extension of the classical Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem. In the problem investigated in this work, no more than one hub can be located in each node and the hubs can be either dedicated (each hub can only handle one type of product) or non-dedicated (one hub can handle more than one type product). The hubs have capacity limitations regarding the incoming flow. Furthermore, the hub network is complete for each product but, when considering the hub network as a whole, it does not necessarily have to be complete. The goal is to locate the hubs in the network, allocate the non-hub nodes to the opened hubs and route the flow between each O-D pair. The objective is to minimize the total ow routing cost plus the setup costs of the hubs and costs of preparing the hubs to handle the different types of products. In order to obtain feasible solutions to the above problem, an Ant Colony Optimization procedure is proposed, which is a constructive, population-based meta-heuristic based in the foraging behavior of ants. Indirect communication between the ants through pheromones reflects the colony search experience. High-quality solutions are found as an outcome of the global cooperation among all the ants of the colony. A preprocessing procedure is also proposed in which some solution components are forbidden based on the problems restrictions. Such preprocessing reduces the search space and thus may reduce the computational effort. The proposed heuristic uses a single ant colony, which simultaneously chooses the hubs and allocates the nodes to the hubs. Once these solutions are found, the routing of the flow is computed in a short amount of time, using the optimization models for the MP-CSAHLP in which some variables (location and allocation) are fixed. The results show that the proposed heuristic has the potential to find good quality solutions for the MP-CSAHLP and that its performance can be improved with finer parameter tuning, longer runs and more intense local search

An evaluation of three DoE-guided meta-heuristic-based solution methods for a three-echelon sustainable distribution network

This article evaluates the efficiency of three meta-heuristic optimiser (viz. MOGA-II, MOPSO and NSGA-II)-based solution methods for designing a sustainable three-echelon distribution network. The distribution network employs a bi-objective location-routing model. Due to the mathematically NP-hard nature of the model a multi-disciplinary optimisation commercial platform, modeFRONTIER®, is adopted to utilise the solution methods. The proposed Design of Experiment (DoE)-guided solution methods are of two phased that solve the NP-hard model to attain minimal total costs and total CO2 emission from transportation. Convergence of the optimisers are tested and compared. Ranking of the realistic results are examined using Pareto frontiers and the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution approach, followed by determination of the optimal transportation routes. A case of an Irish dairy processing industry’s three-echelon logistics network is considered to validate the solution methods. The results obtained through the proposed methods provide information on open/closed distribution centres (DCs), vehicle routing patterns connecting plants to DCs, open DCs to retailers and retailers to retailers, and number of trucks required in each route to transport the products. It is found that the DoE-guided NSGA-II optimiser based solution is more efficient when compared with the DoE-guided MOGA-II and MOPSO optimiser based solution methods in solving the bi-objective NP-hard three-echelon sustainable model. This efficient solution method enable managers to structure the physical distribution network on the demand side of a logistics network, minimising total cost and total CO2 emission from transportation while satisfying all operational constraints

The Case Study of Implementing the Delivery Optimization System at a Fast-Moving Consumer Goods Distributer

Using new optimization methods and information-communications technology has become the key issue in the competition among the distributers of fast-moving consumer goods. Introducing a delivery optimization system instead of manual routing enables significant cost savings. The prerequisites for optimization are stable information system and efficient company management. The rich vehicle routing problem model is discussed and the effects of implementing the delivery optimization system are presented. For four years of continuous utilisation, the system has helped the distributer to reduce the overall distribution costs. It also made possible to close down several depots and handle more customer requests without investing in the vehicle fleet. The developed optimization system enabled the distributer to adapt to the new distribution schedule and react to first indicators of recession very fast. Normal 0 21 false false false HR X-NONE X-NONE <!--[endif] --