Distribution planning in a weather-dependent scenario with stochastic travel times: a simheuristics approach

In real-life logistics, distribution plans might be affected by weather conditions (rain, snow, and fog), since they might have a significant effect on traveling times and, therefore, on total distribution costs. In this paper, the distribution problem is modeled as a multi-depot vehicle routing problem with stochastic traveling times. These traveling times are not only stochastic in nature but the specific probability distribution used to model them depends on the particular weather conditions on the delivery day. In order to solve the aforementioned problem, a simheuristic approach combining simulation within a biased-randomized heuristic framework is proposed. As the computational experiments will show, our simulation-optimization algorithm is able to provide high-quality solutions to this NP-hard problem in short computing times even for large-scale instances. From a managerial perspective, such a tool can be very useful in practical applications since it helps to increase the efficiency of the logistics and transportation operations.Peer ReviewedPostprint (published version

Distribution planning in a weather-dependent scenario with stochastic travel times: a simheuristics approach

In real-life logistics, distribution plans might be affected by weather conditions (rain, snow, and fog), since they might have a significant effect on traveling times and, therefore, on total distribution costs. In this paper, the distribution problem is modeled as a multi-depot vehicle routing problem with stochastic traveling times. These traveling times are not only stochastic in nature but the specific probability distribution used to model them depends on the particular weather conditions on the delivery day. In order to solve the aforementioned problem, a simheuristic approach combining simulation within a biased-randomized heuristic framework is proposed. As the computational experiments will show, our simulation-optimization algorithm is able to provide high-quality solutions to this NP-hard problem in short computing times even for large-scale instances. From a managerial perspective, such a tool can be very useful in practical applications since it helps to increase the efficiency of the logistics and transportation operations.Peer ReviewedPostprint (published version

On the use of biased-randomized algorithms for solving non-smooth optimization problems

Soft constraints are quite common in real-life applications. For example, in freight transportation, the fleet size can be enlarged by outsourcing part of the distribution service and some deliveries to customers can be postponed as well; in inventory management, it is possible to consider stock-outs generated by unexpected demands; and in manufacturing processes and project management, it is frequent that some deadlines cannot be met due to delays in critical steps of the supply chain. However, capacity-, size-, and time-related limitations are included in many optimization problems as hard constraints, while it would be usually more realistic to consider them as soft ones, i.e., they can be violated to some extent by incurring a penalty cost. Most of the times, this penalty cost will be nonlinear and even noncontinuous, which might transform the objective function into a non-smooth one. Despite its many practical applications, non-smooth optimization problems are quite challenging, especially when the underlying optimization problem is NP-hard in nature. In this paper, we propose the use of biased-randomized algorithms as an effective methodology to cope with NP-hard and non-smooth optimization problems in many practical applications. Biased-randomized algorithms extend constructive heuristics by introducing a nonuniform randomization pattern into them. Hence, they can be used to explore promising areas of the solution space without the limitations of gradient-based approaches, which assume the existence of smooth objective functions. Moreover, biased-randomized algorithms can be easily parallelized, thus employing short computing times while exploring a large number of promising regions. This paper discusses these concepts in detail, reviews existing work in different application areas, and highlights current trends and open research lines

A GRASP FOR REAL LIFE INVENTORY ROUTING PROBLEM: APPLICATION TO BULK GAS DISTRIBUTION

International audienc

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

Applications of biased-randomized algorithms and simheuristics in integrated logistics

Transportation and logistics (T&L) activities play a vital role in the development of many businesses from different industries. With the increasing number of people living in urban areas, the expansion of on-demand economy and e-commerce activities, the number of services from transportation and delivery has considerably increased. Consequently, several urban problems have been potentialized, such as traffic congestion and pollution. Several related problems can be formulated as a combinatorial optimization problem (COP). Since most of them are NP-Hard, the finding of optimal solutions through exact solution methods is often impractical in a reasonable amount of time. In realistic settings, the increasing need for 'instant' decision-making further refutes their use in real life. Under these circumstances, this thesis aims at: (i) identifying realistic COPs from different industries; (ii) developing different classes of approximate solution approaches to solve the identified T&L problems; (iii) conducting a series of computational experiments to validate and measure the performance of the developed approaches. The novel concept of 'agile optimization' is introduced, which refers to the combination of biased-randomized heuristics with parallel computing to deal with real-time decision-making.Las actividades de transporte y logística (T&L) juegan un papel vital en el desarrollo de muchas empresas de diferentes industrias. Con el creciente número de personas que viven en áreas urbanas, la expansión de la economía a lacarta y las actividades de comercio electrónico, el número de servicios de transporte y entrega ha aumentado considerablemente. En consecuencia, se han potencializado varios problemas urbanos, como la congestión del tráfico y la contaminación. Varios problemas relacionados pueden formularse como un problema de optimización combinatoria (COP). Dado que la mayoría de ellos son NP-Hard, la búsqueda de soluciones óptimas a través de métodos de solución exactos a menudo no es práctico en un período de tiempo razonable. En entornos realistas, la creciente necesidad de una toma de decisiones "instantánea" refuta aún más su uso en la vida real. En estas circunstancias, esta tesis tiene como objetivo: (i) identificar COP realistas de diferentes industrias; (ii) desarrollar diferentes clases de enfoques de solución aproximada para resolver los problemas de T&L identificados; (iii) realizar una serie de experimentos computacionales para validar y medir el desempeño de los enfoques desarrollados. Se introduce el nuevo concepto de optimización ágil, que se refiere a la combinación de heurísticas aleatorias sesgadas con computación paralela para hacer frente a la toma de decisiones en tiempo real.Les activitats de transport i logística (T&L) tenen un paper vital en el desenvolupament de moltes empreses de diferents indústries. Amb l'augment del nombre de persones que viuen a les zones urbanes, l'expansió de l'economia a la carta i les activitats de comerç electrònic, el nombre de serveis del transport i el lliurament ha augmentat considerablement. En conseqüència, s'han potencialitzat diversos problemes urbans, com ara la congestió del trànsit i la contaminació. Es poden formular diversos problemes relacionats com a problema d'optimització combinatòria (COP). Com que la majoria són NP-Hard, la recerca de solucions òptimes mitjançant mètodes de solució exactes sovint no és pràctica en un temps raonable. En entorns realistes, la creixent necessitat de prendre decisions "instantànies" refuta encara més el seu ús a la vida real. En aquestes circumstàncies, aquesta tesi té com a objectiu: (i) identificar COP realistes de diferents indústries; (ii) desenvolupar diferents classes d'aproximacions aproximades a la solució per resoldre els problemes identificats de T&L; (iii) la realització d'una sèrie d'experiments computacionals per validar i mesurar el rendiment dels enfocaments desenvolupats. S'introdueix el nou concepte d'optimització àgil, que fa referència a la combinació d'heurístiques esbiaixades i aleatòries amb informàtica paral·lela per fer front a la presa de decisions en temps real.Tecnologies de la informació i de xarxe

Applications of the Internet of Things and optimization to inventory and distribution management

This thesis is part of the IoFEED (EU funded) project, which aims to monitor approximately 325 farm bins and investigates business processes carried out between farmers and animal feed producers. We propose a computer-aided system to control and optimize the supply chain to deliver animal feed to livestock farms. Orders can be of multiple types of feed, shipped from multiple depots using a fleet of heterogeneous vehicles with multiple compartments. Additionally, this case considers some business-specific constraints, such as product compatibility, facility accessibility restrictions, prioritized locations, or bio-security constraints. A digital twin based approach is implemented at the farm level by installing sensors to remotely measure the inventories. This thesis also embraces these sensors' design and manufacturing process, seeking the required precision and easy deployability at scale. Our approach combines biased-randomization techniques with a simheuristic framework to make use of data provided by the sensors. The analysis of results is based on these two real pilots, and showcases the insights obtained during the IoFEED project. The results of this thesis show how the Internet of Things and simulation-based optimization methods combine successfully to optimize deliveries of feed to livestock farms.Esta tesis forma parte del proyecto IoFeeD, financiado por la Unión Europea, que tiene como objetivo monitorizar remotamente el stock de 325 contenedores agrícolas e investigar los procesos comerciales llevados a cabo entre agricultores y productores de pienso. Proponemos un sistema de ayuda a la toma de decisiones para controlar y optimizar la cadena de suministro de pienso en las explotaciones ganaderas. Los pedidos pueden ser de varios tipos de pienso y pueden enviarse desde varios centros de fabricación mediante el uso de una flota de vehículos heterogéneos con varios compartimentos. Además, se tienen en cuenta algunas restricciones específicas de la empresa, como, por ejemplo, la compatibilidad del producto, las restricciones de accesibilidad en las instalaciones, las ubicaciones priorizadas o las restricciones de bioseguridad. A escala de granja, se implementa un enfoque basado en gemelos digitales mediante la instalación de sensores para medir los inventarios de forma remota. En el marco de esta tesis, se desarrollan estos sensores buscando la precisión requerida, así como las características oportunas que permitan su instalación a gran escala. Nuestro enfoque combina técnicas de aleatorización sesgada con un marco simheurístico para hacer uso de los datos proporcionados por los sensores. El análisis de los resultados se basa en estos dos pilotos reales y muestra las ideas obtenidas durante el proyecto IoFeeD. Los resultados de esta tesis muestran cómo la internet de las cosas y los métodos de optimización basados en simulación se combinan con éxito para optimizar las operaciones de suministro de pienso para el consumo animal en las explotaciones ganaderas.Aquesta tesi forma part del projecte IoFeeD, finançat per la Unió Europea, que té com a objectiu controlar remotament l'estoc de 325 sitges i investigar els processos de negoci duts a terme entre agricultors i productors de pinso. Proposem un sistema d'ajuda a la presa de decisions per controlar i optimitzar la cadena de subministrament de pinso a les explotacions ramaderes. Les comandes poden ser de diversos tipus de pinso i es poden enviar des de diversos centres de fabricació mitjançant l'ús d'una flota de vehicles heterogenis amb diversos compartiments. A més, es tenen en compte algunes restriccions específiques de l'empresa, com ara la compatibilitat del producte, les restriccions d'accessibilitat a les instal·lacions, les ubicacions prioritzades o les restriccions de bioseguretat. A escala de granja, s'implementa un enfocament basat en bessons digitals mitjançant la instal·lació de sensors per mesurar remotament els inventaris. En el marc de la tesi, es desenvolupa aquest sensor cercant la precisió requerida i les característiques oportunes que en permetin la instal·lació a gran escala. El nostre enfocament combina tècniques d'aleatorització esbiaixada amb un marc simheurístic per fer ús de les dades proporcionades pels sensors. L'anàlisi dels resultats es basa en aquests dos pilots reals i mostra les idees obtingudes durant el projecte IoFeeD. Els resultats d'aquesta tesi mostren com la internet de les coses i els mètodes d'optimització basats en simulació es combinen amb èxit per optimitzar les operacions de subministrament de pinso per al consum animal a les explotacions ramaderes.Tecnologies de la informació i de xarxe

Genetic algorithm for the continuous location-routing problem

This paper focuses on the continuous location-routing problem that comprises of the location of multiple depots from a given region and determining the routes of vehicles assigned to these depots. The objective of the problem is to design the delivery system of depots and routes so that the total cost is minimal. The standard location-routing problem considers a finite number of possible locations. The continuous location-routing problem allows location to infinite number of locations in a given region and makes the problem much more complex. We present a genetic algorithm that tackles both location and routing subproblems simultaneously.Web of Science29318717