Gemischt-autonome Flotten in der urbanen Logistik

We consider a city logistics application in which a service provider seeks a repeatable plan to transport commodities from distribution centers to satellites. The service provider uses a mixed autonomous fleet that is composed of autonomous vehicles and manually operated vehicles. The autonomous vehicles are only able to travel independently on feasible streets of the heterogeneous infrastructure but elsewhere need to be pulled by manually operated vehicles in platoons. We introduce the service network design problem with mixed autonomous fleets to determine a tactical plan that minimizes the total costs over a medium-term time horizon. The tactical plan determines the size and mix of the fleet, schedules transportation services, and decides on the routing or outsourcing of commodities. We model this problem as an integer program on a time-expanded network and study the impact of different problem characteristics on the solutions. To precisely depict the synchronization requirements of the problem, the time-expanded networks need to consider narrow time intervals. Thus, we develop an exact solution approach based on the dynamic discretization discovery scheme that refines partially time-expanded networks containing only a fraction of the nodes and arcs of the fully time-expanded network. Further methodological contributions of this work include the introduction of valid inequalities, two enhancements that exploit linear relaxations, and a heuristic search space restriction. Computational experiments show that all evaluated variants of the solution approach outperform a commercial solver. For transferring a tactical plan to an operational solution that minimizes the transshipment effort on a given day, we present a post-processing technique that specifically assigns commodities to vehicles and vehicles to platoons. Finally, we solve a case study on a real-world based network resembling the city of Braunschweig, Germany. Analyzing the tactical and operational solutions, we assess the value of using a mixed autonomous fleet and derive practical implications.Wir betrachten eine Anwendung der urbanen Logistik, bei der ein Dienstleister einen wiederholbaren Plan für den Gütertransport von Distributionszentren zu Satelliten anstrebt. Dafür setzt der Dienstleister eine gemischt-autonome Flotte ein, die sich aus autonomen Fahrzeugen und manuell gesteuerten Fahrzeugen zusammensetzt. Die autonomen Fahrzeuge können nur auf bestimmten Straßen der heterogenen Infrastruktur selbstständig fahren, außerhalb dieser müssen sie von manuell gesteuerten Fahrzeugen mittels Platooning gezogen werden. Wir führen das „service network design problem with mixed autonomous fleets“ ein, um einen taktischen Plan zu ermitteln, der die Gesamtkosten über einen mittelfristigen Zeithorizont minimiert. Der taktische Plan bestimmt die Größe und Zusammensetzung der Flotte, legt die Transportdienste fest und entscheidet über das Routing oder das Outsourcing von Gütern. Wir modellieren dieses Problem als ganzzahliges Programm auf einem zeiterweiterten Netzwerk und untersuchen die Auswirkungen verschiedener Problemeigenschaften auf die Lösungen. Um die Synchronisationsanforderungen des Problems präzise darzustellen, müssen die zeiterweiterten Netzwerke kleine Zeitintervalle berücksichtigen. Daher entwickeln wir einen exakten Lösungsansatz, der auf dem Schema des „dynamic discretization discovery“ basiert und partiell zeiterweiterte Netzwerke entwickelt, die nur einen Teil der Knoten und Kanten des vollständig zeiterweiterten Netzwerks enthalten. Weitere methodische Beiträge dieser Dissertation umfassen die Einführung von Valid Inequalities, zweier Erweiterungen, die lineare Relaxationen verwenden, und einer heuristischen Suchraumbegrenzung. Experimente zeigen, dass alle evaluierten Varianten des Lösungsansatzes einen kommerziellen Solver übertreffen. Um einen taktischen Plan in eine operative Lösung zu überführen, die die Umladevorgänge an einem bestimmten Tag minimiert, stellen wir eine Post-Processing-Methode vor, mit der Güter zu Fahrzeugen und Fahrzeuge zu Platoons eindeutig zugeordnet werden. Schließlich lösen wir eine Fallstudie auf einem realitätsnahen Netzwerk, das der Stadt Braunschweig nachempfunden ist. Anhand der taktischen und operativen Lösungen bewerten wir den Nutzen einer gemischt-autonomen Flotte und leiten Implikationen für die Praxis ab