Inventory routing problem with stochastic demand and lead time

In the supply chain, the integration of the different processes is critical to obtain high levels of coordination. Inventory control and its distribution are two of these processes whose coordination have been demonstrated by researchers as key in order to gain efficiency and effectiveness. They affect the synchronization of the supply chain management. With the intention to contribute to the integration of these processes and improve the problems of demand variability, we propose an integration of operations research area and the help of metaheuristics in a multi-objective approach. The expected results are to reduce the costs associated with inventory and its distribution, as well as to reduce the uncertainty in making decisions based on demand. This thesis presents methods for obtaining and analyzing near optimally solutions for dynamic and stochastic inventory-routing problems. The methods include retailers selection and clustering methods, algorithms and experiments on benchmark instances. We focus on problems with one and several suppliers that serve several dispersal geographically retailers. The thesis contains four parts. In Part I, we focus on the literature review. We first provide an overview of the literature on problems related to the coordination of the inventory and its distribution. Then we make a point in four elements: information management, inventory policies, stochastic demand and optimization methods. Also, we provide a scientometric analysis of the documentation collected in the last ten years. We provide a thorough review of papers working with dynamic and stochastic demand. The contributions of this part are i) the review of papers working with stochastic demand and stochastic lead times focusing on its stochastic and multi-depot aspects, ii) identify critical factors for the performance of many logistics activities and industries, iii) have shown that studying the behavior of the demand and the lead time are essential in order to achieve a useful representation of the system to take proper decisions and iv) provide the trends and patterns in the research in IRP problems. In Part II, we focus on the methodology of the research and of development. We first introduce the problem, state of the science, the gaps in the literature, variables under study, the instruments applied and assumptions. The development methodology is presented by a general model to address this type of research proposed in this thesis. Here, the general development process, decomposition of the problem and how the possible solutions are explained.. The importance of the this chapter is provided an effective way to face IRP problems. In Part III, the foundations in formulations for IRP problems are proposed. We begin with the formulation of the TSP problems with variants for one and many suppliers, likewise for VRP and IRP problems. The contributions of the model presented here aim identifying the variables and mathematical models frequently used to deal with these problems. In Part IV, we perform a single criteria objective and multi-criteria analysis of the solutions for one and many suppliers instances. Our methods yield significant improvements over a competing algorithm. Our contributions are i) propose three new customer selection methods for a dynamic and stochastic inventory-routing vii problem, ii) perform a multi-criteria analysis of the solutions, comparing distribution versus inventory management, iii) perform a single criteria objective experiment on benchmark instances from the literature.En la cadena de suministro, la integración de los diferentes procesos que la conforman, es fundamental para obtener altos niveles de coordinación. El control del inventario y su distribución son dos de estos procesos, cuya coordinación ha sido demostrada por los investigadores como clave para lograr mejoras en eficiencia y efectividad. Estos a su vez, afectan la sincronización y la administración de la cadena de suministro. Con el propósito de contribuir en la integración de éstos procesos y mejorar los problemas derivados de la variabilidad de la demanda, se propone usar los fundamentos del área de investigación de operaciones y la ayuda de metaheurísticas en un enfoque multi-obejtivo. Los resultados esperados son reducir los costos asociados a los procesos de inventario y distribución, así como también reducir la incertidumbre en la toma de decisiones a partir de la demanda. Ésta tesis presenta métodos para el análisis y obtención de soluciones cercanas a las óptimas para problemas de inventario y routeo, dinámico y estocástico. Los métodos incluyen selección de retailers y métodos de clustering, algoritmos y experimentos en instancias de prueba disponibles en la literatura. Se hace énfasis en instancias de un solo proveedor y varios proveedores que sirven varios retailers distribuidos geográficamente. La tesis está organizada en cuatro partes. En la Parte I, se revisa la literatura, para ello, primero se presentan los problemas relacionados con la coordinación del inventario y su distribución. Ésta revisión resalta cuatro elementos que han sido identificados como claves en la literatura como son: la administración de la información, políticas de inventario, demanda estocástica y métodos de optimización. Luego, se presenta un análisis cienciometrico de la literatura encontrada en los últimos 10 años. La revisión de la documentación se realiza de manera exhaustiva trabajando con demanda dinámica y estocástica. Las contribuciones de esta parte son: i) proporcionar una revisión pertinente y actualizada de artículos que emplean demanda estocástica, enfatizando en sus elementos dinámicos y estocásticos, así como también en aspectos que permitan abordar problemas con múltiples depósitos, ii) identificar factores críticos para el desempeño de actividades logísticas, iii) Demostrar que el estudio de la demanda es esencial para lograr una representación útil del sistema, la cual influye en la toma de decisiones y iv) proporcionar tendencias y patrones en la investigación de problemas de IRP. En la Parte II se aborda la metodología de la investigación y de desarrollo. Primero, se presenta el problema, el estado de la ciencia y los gaps encontrados en la literatura. Luego se identifican las variables de estudio, los instrumentos aplicados y los supuestos utilizados. La metodología de desarrollo es presentada por medio de un modelo general para abordar éste tipo de investigaciones que nosotros proponemos en ésta tesis. Esta metodología aborda aspectos como: el procedimiento general de desarrollo, la descomposición del problema y la forma en que se prueban las posibles soluciones. En la Parte III, se presentan los fundamentos en la formulación de IRP. Primero se formulan los problemas TSP con variantes para un solo depósito y también paramúltiples depósitos, igualmente se hace para VRP e IRP. La contribución de los modelos presentados son la identificación de las variables y los modelos matemáticos que frecuentemente son usados para tratar con éste tipo de problemas. En la Parte IV se presentan dos experimentos. El primero para el análisis de instancias con uno sólo depósito y en el segundo para analizar instancias con múltiples depósitos. Los métodos usados producen mejoras sobre resultados obtanidos con algoritmos similares. Las contribuciones de ésta parte son: i) proponer tres nuevos métodos para la selección de retailers para IRP dinámicos y estocásticos, ii) realizar análisis multi-criterio de las soluciones, comparando la distribución con la administración del inventario y iii) realizar análisis de un solo objetivo sobre instancias de pruebas proporcionada por la literatura existente

Tabu search heuristic for inventory routing problem with stochastic demand and time windows

This study proposes the hybridization of tabu search (TS) and variable neighbourhood descent (VND) for solving the Inventory Routing Problems with Stochastic Demand and Time Windows (IRPSDTW). Vendor Managed Inventory (VMI) is among the most used approaches for managing supply chains comprising multiple stakeholders, and implementing VMI require addressing the Inventory Routing Problem (IRP). Considering practical constraints related to demand uncertainty and time constraint, the proposed model combines multi-item replenishment schedules with unknown demand to arrange delivery paths, where the actual demand amount is only known upon arrival at a customer location with a time limit. The proposed method starts from the initial solution that considers the time windows and uses the TS method to solve the problem. As an extension, the VND is conducted to jump the solution from its local optimal. The results show that the proposed method can solve the IRPSDTW, especially for uniformly distributed customer locations

An inventory control model with interconnected logistic services for vendor inventory management

International audienceThis paper proposes an inventory control model taking advantage of interconnected logistic services in the Physical Internet for fast-moving consumer goods (FMCG) sector. Unlike current hierarchical inventory model where the source of each is pre-assigned, the goods are stored and distributed in an interconnected and open network of PI-hubs which enables storage capacity and transportation sharing among different companies around the network. As a result, theoretically, the suppliers can push their goods all around the network and the retailers can be served by any hub in the network. A non-linear global optimization inventory model to minimize the total logistic costs is proposed and a heuristic using simulated annealing is applied to solve the problem. Numerical experiments are taken to compare the performance of the proposed PI inventory model and classic inventory control model for different settings of a typical supply network. Results suggest that the PI inventory control model can always reduce the total logistic cost while reaching a comparable or improved end customer service level

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

Supply chain complexity and robustness analysis

Imperial Users onl

The Military Inventory Routing Problem: Utilizing Heuristics within a Least Squares Temporal Differences Algorithm to Solve a Multiclass Stochastic Inventory Routing Problem with Vehicle Loss

Military commanders currently resupply forward operating bases (FOBs) from a central location within an area of operations mainly via convoy operations in a way that closely resembles vendor managed inventory practices. Commanders must decide when and how much inventory to distribute throughout their area of operations while minimizing soldier risk. Technology currently exists that makes utilizing unmanned cargo aerial vehicles (CUAVs) for resupply an attractive alternative due to the dangers of utilizing convoy operations. Enemy actions in wartime environments pose a significant risk to a CUAV\u27s ability to safely deliver supplies to a FOB. We develop a Markov decision process (MDP) model to examine this military inventory routing problem (MILIRP). In our first paper we examine the structure of the MILIRP by considering a small problem instance and prove value function monotonicity when a sufficient penalty is applied. Moreover, we develop a monotone least squares temporal differences (MLSTD) algorithm that exploits this structure and demonstrate its efficacy for approximately solving this problem class. We compare MLSTD to least squares temporal differences (LSTD), a similar ADP algorithm that does not exploit monotonicity. MLSTD attains a 3:05% optimality gap for a baseline scenario and outperforms LSTD by 31:86% on average in our computational experiments. Our second paper expands the problem complexity with additional FOBs. We generate two new algorithms, Index and Rollout, for the routing portion and implement an LSTD algorithm that utilized these to produce solutions 22% better than myopic generated solutions on average. Our third paper greatly increases problem complexity with the addition of supply classes. We formulate an MDP model to handle the increased complexity and implement our LSTD-Index and LSTD-Rollout algorithms to solve this larger problem instance and perform 21% better on average than a myopic policy

Una aproximación a través del modelo p-robusto para el problema estocástico de ruteo e inventario

Context: Approaches to logistics solutions through mathematical optimization are widely studied in the literature given their importance for business operations and their computational complexity. In this way, studying the uncertainty associated to operations is a key factor in modeling and decision-making. Method: A stochastic mathematical model is proposed for the Inventory Routing Problem (IRP), considering scenarios with variation in the demands. To obtain a suitable approach, a p-robustness approach and the reformulation of the classical IRP are presented. Results: The performed experiments show the benefits of including uncertainty through a p-robust approach when they are analyzed within an instance of the IRP. Moreover, given the selected modeling, the benefits of combining the approaches can be analyzed. Conclusions: The development of stochastic approaches for decision-making applied to the IRP allow analysts to handle uncertainty and also reduce the complexity of decision when combining different types of problems (Routing + Inventory) in the same model.Contexto: Las aproximaciones de soluciones logísticas a través de la optimización matemática son altamente estudiadas en la literatura debido a su importancia en las operaciones de las compañías y su complejidad computacional. En este sentido, el estudio de la incertidumbre asociada a la operación es un factor fundamental del modelamiento y la toma de decisiones. Método: Un modelo matemático estocástico es propuesto para el problema combinado de ruteo e inventario (IRP), considerando escenarios de variaciones en la demanda. Para obtener un enfoque adecuado, se presenta una aproximación de p-robusto y la reformulación del problema clásico de aplicación. Resultados: Los experimentos realizados muestran los beneficios de incluir la incertidumbre a través de la aproximación de p-robusto cuando se analizan en el marco de una instancia del IRP. También, dado el tipo de modelado seleccionado, se pueden analizar los beneficios de combinar las aproximaciones. Conclusiones: El desarrollo de aproximaciones estocásticas de toma de decisiones aplicadas al problema IRP permite a los analistas gestionar la incertidumbre y reducir la complejidad de las decisiones cuando se combinan diferentes tipos de problemas (Ruteo + Inventario) en un mismo modelo.

A unified race algorithm for offline parameter tuning

This paper proposes uRace, a unified race algorithm for efficient offline parameter tuning of deterministic algorithms. We build on the similarity between a stochastic simulation environment and offline tuning of deterministic algorithms, where the stochastic element in the latter is the unknown problem instance given to the algorithm. Inspired by techniques from the simulation optimization literature, uRace enforces fair comparisons among parameter configurations by evaluating their performance on the same training instances. It relies on rapid statistical elimination of inferior parameter configurations and an increasingly localized search of the parameter space to quickly identify good parameter settings. We empirically evaluate uRace by applying it to a parameterized algorithmic framework for loading problems at ORTEC, a global provider of software solutions for complex decision-making problems, and obtain competitive results on a set of practical problem instances from one of the world's largest multinationals in consumer packaged goods