Mixing quantitative and qualitative methods for sustainable transportation in Smart Cities

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

A Polyhedral Study of Mixed 0-1 Set

We consider a variant of the well-known single node fixed charge network flow set with constant capacities. This set arises from the relaxation of more general mixed integer sets such as lot-sizing problems with multiple suppliers. We provide a complete polyhedral characterization of the convex hull of the given set

Combination of vehicle routing models and dynamic traffic simulation for city logistics applications

The urban network is a highly dynamic system. Thus, a modern and efficient fleet management in urban areas should account for dynamics of traffic conditions, variability in travel times, changes in demand and fleet availability. All these factors significantly affect the distribution of goods and the provision of services. As a consequence, the freight operations optimizing approaches should be based on the time-dependent travel time estimates rather than on the average static values commonly employed as input data. Proficient dynamic fleet management decisions need to take into consideration all the factors conditioning the addressed problem. Hence, the customers’ requests and service conditions (demands, time windows, etc.), operational conditions of the employed fleet (vehicles’ availability, status, positions, current occupancy of the carriage space, etc.) and traffic conditions need to be reckoned with. This information can be provided in the real-time fashion and at an affordable price by the ICT applications and tools such as: ATIS, GPS, GPRS or other. Instead of relying exclusively on the experience of a dispatcher, it is effective to base the freight management decisions on information provided by a professional Decision Support System facilitating the consideration of all the factors conditioning the addressed issue. The objective of the present thesis is to propose, implement and computationally test, on the basis of a simulation, the architecture of a Decision Support System for real-time freight management able of accounting for all the dynamic factors mentioned above. Its design is based on integration of a selected pickup and delivery vehicle routing model and dynamic traffic simulation models, whose purpose is to carefully emulate the evolving traffic conditions. The optimal dynamic routing and scheduling of a vehicle fleet is obtained due to dynamic modifications of the current routing and scheduling plan on the basis of the recently revealed information conditioning the addressed problem. The obtained results of computational experiments show that the performance of freight fleet strongly depends on the traffic information used to create the routing and scheduling plan. Due to the special character of transport operations performed in metropolitan areas it is possible that not all the scheduled customers would be served, although a feasible initial solution is created on the basis of the historical travel times’ data. Hence, there is a need to implement real-time rerouting strategies allowing modifications of the original routes in order to feasibly fulfil the routing tasks. In addition, the tighter the constraints specifying the customers’ time windows and the higher the number of dynamically appearing requests, the higher the cost of the performance and the level of utilization of the freight fleet.La red urbana es un sistema altamente dinámico. Por lo tanto, la gestión moderna y eficiente de la flota en las zonas urbanas debe tener en cuenta la dinámica de las condiciones del tráfico, la variabilidad en los tiempos de viaje y los cambios en la disponibilidad de la demanda y de la flota, ya que afectan de manera significativa en la distribución de bienes y la prestación de servicios. Como consecuencia, los enfoques para optimizar las operaciones de carga deben basarse en las estimaciones de los tiempos de viaje dependientes del tiempo y no en los valores medios estáticos comúnmente empleados como datos de entrada. Las decisiones competentes de gestión dinámica de las flotas necesitan tener en cuenta todos los factores que condicionan el problema abordado. Por lo tanto, hay que considerar las características de las peticiones y las condiciones de servicio de los clientes (demanda, ventanas de tiempo, etc.), las condiciones operacionales de la flota empleada (disponibilidad de los vehículos, estatus, ubicación, ocupación actual del espacio de transporte, etc.) y las condiciones de tráfico. Esta información puede ser proporcionada en tiempo real a un precio asequible por las aplicaciones de las TIC y herramientas tales como: ATIS, GPS, GPRS u otros. En lugar de confiar exclusivamente en la experiencia de un distribuidor, también sería correcto basar las decisiones de gestión de transporte de mercancías en la información proporcionada por un sistema profesional de apoyo a la toma de decisiones que facilita la consideración de todos los factores que condicionan el problema abordado. El objetivo de esta tesis es proponer, implementar y validar computacionalmente en base a la simulación, la arquitectura de un Sistema de Apoyo a la Toma de Decisiones para la gestión de transporte de mercancías en tiempo real capaz de considerar todos los factores dinámicos previamente mencionados. Su diseño se basa en la integración de un modelo seleccionado de rutas de vehículos con recogida y entrega y modelos de simulación de tráfico dinámicos cuyo propósito es emular detalladamente las condiciones de tráfico que cambian con el paso del tiempo. Las rutas y los horarios dinámicos óptimos para una flota de vehículos que transporta mercancías se obtienen de las modificaciones dinámicas de un plan actual de rutas y horarios en base a la nueva información recibida que condiciona el problema abordado. Los resultados obtenidos de los experimentos computacionales demuestran que el rendimiento de la flota de transporte de mercancías depende en gran medida de la información de tráfico utilizada para crear el plan de rutas y los horarios. Debido al carácter especial de las operaciones de transporte realizadas en las áreas metropolitanas, a pesar de una solución inicial factible que se crea sobre la base de los datos históricos de los tiempos de viaje, es posible que no todos los clientes sean servidos. Por lo tanto, hay una necesidad de implementar estrategias de cambios de rutas en tiempo real, que permiten modificar las rutas originales con el fin de cumplir las tareas de enrutamiento viables. Además, más estrictas son las limitaciones que especifican las ventanas del tiempo de los clientes y más alto es el número de solicitudes de servicio que aparecen de forma dinámica, mayor será el coste final de las prestaciones del servicio y el nivel de utilización de la flota de transporte de mercancías

Meta-heuristic Solution Methods for Rich Vehicle Routing Problems

Le problème de tournées de véhicules (VRP), introduit par Dantzig and Ramser en 1959, est devenu l'un des problèmes les plus étudiés en recherche opérationnelle, et ce, en raison de son intérêt méthodologique et de ses retombées pratiques dans de nombreux domaines tels que le transport, la logistique, les télécommunications et la production. L'objectif général du VRP est d'optimiser l'utilisation des ressources de transport afin de répondre aux besoins des clients tout en respectant les contraintes découlant des exigences du contexte d’application. Les applications réelles du VRP doivent tenir compte d’une grande variété de contraintes et plus ces contraintes sont nombreuse, plus le problème est difficile à résoudre. Les VRPs qui tiennent compte de l’ensemble de ces contraintes rencontrées en pratique et qui se rapprochent des applications réelles forment la classe des problèmes ‘riches’ de tournées de véhicules. Résoudre ces problèmes de manière efficiente pose des défis considérables pour la communauté de chercheurs qui se penchent sur les VRPs. Cette thèse, composée de deux parties, explore certaines extensions du VRP vers ces problèmes. La première partie de cette thèse porte sur le VRP périodique avec des contraintes de fenêtres de temps (PVRPTW). Celui-ci est une extension du VRP classique avec fenêtres de temps (VRPTW) puisqu’il considère un horizon de planification de plusieurs jours pendant lesquels les clients n'ont généralement pas besoin d’être desservi à tous les jours, mais plutôt peuvent être visités selon un certain nombre de combinaisons possibles de jours de livraison. Cette généralisation étend l'éventail d'applications de ce problème à diverses activités de distributions commerciales, telle la collecte des déchets, le balayage des rues, la distribution de produits alimentaires, la livraison du courrier, etc. La principale contribution scientifique de la première partie de cette thèse est le développement d'une méta-heuristique hybride dans la quelle un ensemble de procédures de recherche locales et de méta-heuristiques basées sur les principes de voisinages coopèrent avec un algorithme génétique afin d’améliorer la qualité des solutions et de promouvoir la diversité de la population. Les résultats obtenus montrent que la méthode proposée est très performante et donne de nouvelles meilleures solutions pour certains grands exemplaires du problème. La deuxième partie de cette étude a pour but de présenter, modéliser et résoudre deux problèmes riches de tournées de véhicules, qui sont des extensions du VRPTW en ce sens qu'ils incluent des demandes dépendantes du temps de ramassage et de livraison avec des restrictions au niveau de la synchronization temporelle. Ces problèmes sont connus respectivement sous le nom de Time-dependent Multi-zone Multi-Trip Vehicle Routing Problem with Time Windows (TMZT-VRPTW) et de Multi-zone Mult-Trip Pickup and Delivery Problem with Time Windows and Synchronization (MZT-PDTWS). Ces deux problèmes proviennent de la planification des opérations de systèmes logistiques urbains à deux niveaux. La difficulté de ces problèmes réside dans la manipulation de deux ensembles entrelacés de décisions: la composante des tournées de véhicules qui vise à déterminer les séquences de clients visités par chaque véhicule, et la composante de planification qui vise à faciliter l'arrivée des véhicules selon des restrictions au niveau de la synchronisation temporelle. Auparavant, ces questions ont été abordées séparément. La combinaison de ces types de décisions dans une seule formulation mathématique et dans une même méthode de résolution devrait donc donner de meilleurs résultats que de considérer ces décisions séparément. Dans cette étude, nous proposons des solutions heuristiques qui tiennent compte de ces deux types de décisions simultanément, et ce, d'une manière complète et efficace. Les résultats de tests expérimentaux confirment la performance de la méthode proposée lorsqu’on la compare aux autres méthodes présentées dans la littérature. En effet, la méthode développée propose des solutions nécessitant moins de véhicules et engendrant de moindres frais de déplacement pour effectuer efficacement la même quantité de travail. Dans le contexte des systèmes logistiques urbains, nos résultats impliquent une réduction de la présence de véhicules dans les rues de la ville et, par conséquent, de leur impact négatif sur la congestion et sur l’environnement.For more than half of century, since the paper of Dantzig and Ramser (1959) was introduced, the Vehicle Routing Problem (VRP) has been one of the most extensively studied problems in operations research due to its methodological interest and practical relevance in many fields such as transportation, logistics, telecommunications, and production. The general goal of the VRP is to optimize the use of transportation resources to service customers with respect to side-constraints deriving from real-world applications. The practical applications of the VRP may have a variety of constraints, and obviously, the larger the set of constraints that need to be considered, i.e., corresponding to `richer' VRPs, the more difficult the task of problem solving. The needs to study closer representations of actual applications and methodologies producing high-quality solutions quickly to larger-sized application problems have increased steadily, providing significant challenges for the VRP research community. This dissertation explores these extensional issues of the VRP. The first part of the dissertation addresses the Periodic Vehicle Routing Problem with Time Windows (PVRPTW) which generalizes the classical Vehicle Routing Problem with Time Windows (VRPTW) by extending the planning horizon to several days where customers generally do not require delivery on every day, but rather according to one of a limited number of possible combinations of visit days. This generalization extends the scope of applications to many commercial distribution activities such as waste collection, street sweeping, grocery distribution, mail delivery, etc. The major contribution of this part is the development of a population-based hybrid meta-heuristic in which a set of local search procedures and neighborhood-based meta-heuristics cooperate with the genetic algorithm population evolution mechanism to enhance the solution quality as well as to promote diversity of the genetic algorithm population. The results show that the proposed methodology is highly competitive, providing new best solutions in some large instances. The second part of the dissertation aims to present, model and solve two rich vehicle routing problems which further extend the VRPTW with time-dependent demands of pickup and delivery, and hard time synchronization restrictions. They are called Time-dependent Multi-zone Multi-Trip Vehicle Routing Problem with Time Windows (TMZT-VRPTW), and Multi-zone Mult-Trip Pickup and Delivery Problem with Time Windows and Synchronization (MZT-PDTWS), respectively. These two problems originate from planning the operations of two-tiered City Logistics systems. The difficulty of these problems lies in handling two intertwined sets of decisions: the routing component which aims to determine the sequences of customers visited by each vehicle, and the scheduling component which consists in planning arrivals of vehicles at facilities within hard time synchronization restrictions. Previously, these issues have been addressed separately. Combining these decisions into one formulation and solution method should yield better results. In this dissertation we propose meta-heuristics that address the two decisions simultaneously, in a comprehensive and efficient way. Experiments confirm the good performance of the proposed methodology compared to the literature, providing system managers with solution requiring less vehicles and travel costs to perform efficiently the same amount of work. In the context of City Logistics systems, our results indicate a reduction in the presence of vehicles on the streets of the city and, thus, in their negative impact on congestion and environment

Simheuristics to support efficient and sustainable freight transportation in smart city logistics

La logística urbana intel·ligent constitueix un factor crucial en la creació de sistemes de transport urbà eficients i sostenibles. Entre altres factors, aquests sistemes es centren en la incorporació de dades en temps real i en la creació de models de negoci col·laboratius en el transport urbà de mercaderies, considerant l’augment dels habitants en les ciutats, la creixent complexitat de les demandes dels clients i els mercats altament competitius. Això permet als que planifiquen el transport minimitzar els costos monetaris i ambientals del transport de mercaderies a les àrees metropolitanes. Molts problemes de presa de decisions en aquest context es poden formular com a problemes d’optimació combinatòria. Tot i que hi ha diferents enfocaments de resolució exacta per a trobar solucions òptimes a aquests problemes, la seva complexitat i grandària, a més de la necessitat de prendre decisions instantànies pel que fa a l’encaminament de vehicles, la programació o la situació d’instal·lacions, fa que aquestes metodologies no s’apliquin a la pràctica. A causa de la seva capacitat per a trobar solucions pseudoòptimes en gairebé temps real, els algorismes metaheurístics reben una atenció creixent dels investigadors i professionals com a alternatives eficients i fiables per a resoldre nombrosos problemes d’optimació en la creació de la logística de les ciutats intel·ligents. Malgrat el seu èxit, les tècniques metaheurístiques tradicionals no representen plenament la complexitat dels sistemes més realistes. En assumir entrades (inputs) i restriccions de problemes deterministes, la incertesa i el dinamisme experimentats en els escenaris de transport urbà queden sense explicar. Els algorismes simheurístics persegueixen superar aquests inconvenients mitjançant la integració de qualsevol tipus de simulació en processos metaheurístics per a explicar la incertesa inherent a la majoria de les aplicacions de la vida real. Aquesta tesi defineix i investiga l’ús d’algorismes simheurístics com el mètode més adequat per a resoldre problemes d’optimació derivats de la logística de les ciutats. Alguns algorismes simheurístics s’apliquen a una sèrie de problemes complexos, com la recollida de residus urbans, els problemes de disseny de la cadena de subministrament integrada i els models de transport innovadors relacionats amb la col·laboració horitzontal entre els socis de la cadena de subministrament. A més de les discussions metodològiques i la comparació d’algorismes desenvolupats amb els referents de la bibliografia acadèmica, es mostra l’aplicabilitat i l’eficiència dels algorismes simheurístics en diferents casos de gran escala.Las actividades de logística en ciudades inteligentes constituyen un factor crucial en la creación de sistemas de transporte urbano eficientes y sostenibles. Entre otros factores, estos sistemas se centran en la incorporación de datos en tiempo real y la creación de modelos empresariales colaborativos en el transporte urbano de mercancías, al tiempo que consideran el aumento del número de habitantes en las ciudades, la creciente complejidad de las demandas de los clientes y los mercados altamente competitivos. Esto permite minimizar los costes monetarios y ambientales del transporte de mercancías en las áreas metropolitanas. Muchos de los problemas de toma de decisiones en este contexto se pueden formular como problemas de optimización combinatoria. Si bien existen diferentes enfoques de resolución exacta para encontrar soluciones óptimas a tales problemas, su complejidad y tamaño, además de la necesidad de tomar decisiones instantáneas con respecto al enrutamiento, la programación o la ubicación de las instalaciones, hacen que dichas metodologías sean inaplicables en la práctica. Debido a su capacidad para encontrar soluciones pseudoóptimas casi en tiempo real, los algoritmos metaheurísticos reciben cada vez más atención por parte de investigadores y profesionales como alternativas eficientes y fiables para resolver numerosos problemas de optimización en la creación de la logística de ciudades inteligentes. A pesar de su éxito, las técnicas metaheurísticas tradicionales no representan completamente la complejidad de los sistemas más realistas. Al asumir insumos y restricciones de problemas deterministas, se ignora la incertidumbre y el dinamismo experimentados en los escenarios de transporte urbano. Los algoritmos simheurísticos persiguen superar estos inconvenientes integrando cualquier tipo de simulación en procesos metaheurísticos con el fin de considerar la incertidumbre inherente en la mayoría de las aplicaciones de la vida real. Esta tesis define e investiga el uso de algoritmos simheurísticos como método adecuado para resolver problemas de optimización que surgen en la logística de ciudades inteligentes. Se aplican algoritmos simheurísticos a una variedad de problemas complejos, incluyendo la recolección de residuos urbanos, problemas de diseño de la cadena de suministro integrada y modelos de transporte innovadores relacionados con la colaboración horizontal entre los socios de la cadena de suministro. Además de las discusiones metodológicas y la comparación de los algoritmos desarrollados con los de referencia de la bibliografía académica, se muestra la aplicabilidad y la eficiencia de los algoritmos simheurísticos en diferentes estudios de casos a gran escala.Smart city logistics are a crucial factor in the creation of efficient and sustainable urban transportation systems. Among other factors, they focus on incorporating real-time data and creating collaborative business models in urban freight transportation concepts, whilst also considering rising urban population numbers, increasingly complex customer demands, and highly competitive markets. This allows transportation planners to minimize the monetary and environmental costs of freight transportation in metropolitan areas. Many decision-making problems faced in this context can be formulated as combinatorial optimization problems. While different exact solving approaches exist to find optimal solutions to such problems, their complexity and size, in addition to the need for instantaneous decision-making regarding vehicle routing, scheduling, or facility location, make such methodologies inapplicable in practice. Due to their ability to find pseudo-optimal solutions in almost real time, metaheuristic algorithms have received increasing attention from researchers and practitioners as efficient and reliable alternatives in solving numerous optimization problems in the creation of smart city logistics. Despite their success, traditional metaheuristic techniques fail to fully represent the complexity of most realistic systems. By assuming deterministic problem inputs and constraints, the uncertainty and dynamism experienced in urban transportation scenarios are left unaccounted for. Simheuristic frameworks try to overcome these drawbacks by integrating any type of simulation into metaheuristic-driven processes to account for the inherent uncertainty in most real-life applications. This thesis defines and investigates the use of simheuristics as a method of first resort for solving optimization problems arising in smart city logistics concepts. Simheuristic algorithms are applied to a range of complex problem settings including urban waste collection, integrated supply chain design, and innovative transportation models related to horizontal collaboration among supply chain partners. In addition to methodological discussions and the comparison of developed algorithms to state-of-the-art benchmarks found in the academic literature, the applicability and efficiency of simheuristic frameworks in different large-scaled case studies are shown

Ant Colony Optimisation – A Proposed Solution Framework for the Capacitated Facility Location Problem

This thesis is a critical investigation into the development, application and evaluation of ant colony optimisation metaheuristics, with a view to solving a class of capacitated facility location problems. The study is comprised of three phases. The first sets the scene and motivation for research, which includes; key concepts of ant colony optimisation, a review of published academic materials and a research philosophy which provides a justification for a deductive empirical mode of study. This phase reveals that published results for existing facility location metaheuristics are often ambiguous or incomplete and there is no clear evidence of a dominant method. This clearly represents a gap in the current knowledge base and provides a rationale for a study that will contribute to existing knowledge, by determining if ant colony optimisation is a suitable solution technique for solving capacitated facility location problems. The second phase is concerned with the research, development and application of a variety of ant colony optimisation algorithms. Solution methods presented include combinations of approximate and exact techniques. The study identifies a previously untried ant hybrid scheme, which incorporates an exact method within it, as the most promising of techniques that were tested. Also a novel local search initialisation which relies on memory is presented. These hybridisations successfully solve all of the capacitated facility location test problems available in the OR-Library. The third phase of this study conducts an extensive series of run-time analyses, to determine the prowess of the derived ant colony optimisation algorithms against a contemporary cross-entropy technique. This type of analysis for measuring metaheuristic performance for the capacitated facility location problem is not evident within published materials. Analyses of empirical run-time distributions reveal that ant colony optimisation is superior to its contemporary opponent. All three phases of this thesis provide their own individual contributions to existing knowledge bases: the production of a series of run-time distributions will be a valuable resource for future researchers; results demonstrate that hybridisation of metaheuristics with exact solution methods is an area not to be ignored; the hybrid methods employed in this study ten years ago would have been impractical or infeasible; ant colony optimisation is shown to be a very flexible metaheuristic that can easily be adapted to solving mixed integer problems using hybridisation techniques