Vehicle Routing Problems that Minimize the Completion Time: Heuristics, Worst-Case Analyses, and Computational Results

In the standard Vehicle Routing Problem (VRP), we route a fleet of vehicles to deliver the demands of all customers such that the total distance traveled by the fleet is minimized. In this dissertation, we study variants of the VRP that minimize the completion time, i.e., we minimize the distance of the longest route. We call it the min-max objective function. In applications such as disaster relief efforts and military operations, the objective is often to finish the delivery or the task as soon as possible, not to plan routes with the minimum total distance. Even in commercial package delivery nowadays, companies are investing in new technologies to speed up delivery instead of focusing merely on the min-sum objective. In this dissertation, we compare the min-max and the standard (min-sum) objective functions in a worst-case analysis to show that the optimal solution with respect to one objective function can be very poor with respect to the other. The results motivate the design of algorithms specifically for the min-max objective. We study variants of min-max VRPs including one problem from the literature (the min-max Multi-Depot VRP) and two new problems (the min-max Split Delivery Multi-Depot VRP with Minimum Service Requirement and the min-max Close-Enough VRP). We develop heuristics to solve these three problems. We compare the results produced by our heuristics to the best-known solutions in the literature and find that our algorithms are effective. In the case where benchmark instances are not available, we generate instances whose near-optimal solutions can be estimated based on geometry. We formulate the Vehicle Routing Problem with Drones and carry out a theoretical analysis to show the maximum benefit from using drones in addition to trucks to reduce delivery time. The speed-up ratio depends on the number of drones loaded onto one truck and the speed of the drone relative to the speed of the truck.

Efficient algorithms for beacon routing in polygons

In a paper by Biro et al. [7], a novel twist on guarding in art galleries is introduced. A beacon is a fixed point with an attraction pull that can move points within the polygon. Points move greedily to monotonically decrease their Euclidean distance to the beacon by moving straight towards the beacon or sliding on the edges of the polygon. The beacon attracts a point if the point eventually reaches the beacon. Unlike most variations of the art gallery problem, the beacon attraction has the intriguing property of being asymmetric, leading to separate definitions of attraction region and inverse attraction region. The attraction region of a beacon is the set of points that it attracts. For a given point in the polygon, the inverse attraction region is the set of beacon locations that can attract the point. We first study the characteristics of beacon attraction. We consider the quality of a "successful" beacon attraction and provide an upper bound of $\sqrt{2}$ on the ratio between the length of the beacon trajectory and the length of the geodesic distance in a simple polygon. In addition, we provide an example of a polygon with holes in which this ratio is unbounded. Next we consider the problem of computing the shortest beacon watchtower in a polygonal terrain and present an $O(n \log n)$ time algorithm to solve this problem. In doing this, we introduce $O(n \log n)$ time algorithms to compute the beacon kernel and the inverse beacon kernel in a monotone polygon. We also prove that $\Omega(n \log n)$ time is a lower bound for computing the beacon kernel of a monotone polygon. Finally, we study the inverse attraction region of a point in a simple polygon. We present algorithms to efficiently compute the inverse attraction region of a point for simple, monotone, and terrain polygons with respective time complexities $O(n^2)$, $O(n \log n)$ and $O(n)$. We show that the inverse attraction region of a point in a simple polygon has linear complexity and the problem of computing the inverse attraction region has a lower bound of $\Omega(n \log n)$ in monotone polygons and consequently in simple polygons.

Query routing in cooperative semi-structured peer-to-peer information retrieval networks

Conventional web search engines are centralised in that a single entity crawls and indexes the documents selected for future retrieval, and the relevance models used to determine which documents are relevant to a given user query. As a result, these search engines suffer from several technical drawbacks such as handling scale, timeliness and reliability, in addition to ethical concerns such as commercial manipulation and information censorship. Alleviating the need to rely entirely on a single entity, Peer-to-Peer (P2P) Information Retrieval (IR) has been proposed as a solution, as it distributes the functional components of a web search engine – from crawling and indexing documents, to query processing – across the network of users (or, peers) who use the search engine. This strategy for constructing an IR system poses several efficiency and effectiveness challenges which have been identified in past work. Accordingly, this thesis makes several contributions towards advancing the state of the art in P2P-IR effectiveness by improving the query processing and relevance scoring aspects of a P2P web search. Federated search systems are a form of distributed information retrieval model that route the user’s information need, formulated as a query, to distributed resources and merge the retrieved result lists into a final list. P2P-IR networks are one form of federated search in routing queries and merging result among participating peers. The query is propagated through disseminated nodes to hit the peers that are most likely to contain relevant documents, then the retrieved result lists are merged at different points along the path from the relevant peers to the query initializer (or namely, customer). However, query routing in P2P-IR networks is considered as one of the major challenges and critical part in P2P-IR networks; as the relevant peers might be lost in low-quality peer selection while executing the query routing, and inevitably lead to less effective retrieval results. This motivates this thesis to study and propose query routing techniques to improve retrieval quality in such networks. Cluster-based semi-structured P2P-IR networks exploit the cluster hypothesis to organise the peers into similar semantic clusters where each such semantic cluster is managed by super-peers. In this thesis, I construct three semi-structured P2P-IR models and examine their retrieval effectiveness. I also leverage the cluster centroids at the super-peer level as content representations gathered from cooperative peers to propose a query routing approach called Inverted PeerCluster Index (IPI) that simulates the conventional inverted index of the centralised corpus to organise the statistics of peers’ terms. The results show a competitive retrieval quality in comparison to baseline approaches. Furthermore, I study the applicability of using the conventional Information Retrieval models as peer selection approaches where each peer can be considered as a big document of documents. The experimental evaluation shows comparative and significant results and explains that document retrieval methods are very effective for peer selection that brings back the analogy between documents and peers. Additionally, Learning to Rank (LtR) algorithms are exploited to build a learned classifier for peer ranking at the super-peer level. The experiments show significant results with state-of-the-art resource selection methods and competitive results to corresponding classification-based approaches. Finally, I propose reputation-based query routing approaches that exploit the idea of providing feedback on a specific item in the social community networks and manage it for future decision-making. The system monitors users’ behaviours when they click or download documents from the final ranked list as implicit feedback and mines the given information to build a reputation-based data structure. The data structure is used to score peers and then rank them for query routing. I conduct a set of experiments to cover various scenarios including noisy feedback information (i.e, providing positive feedback on non-relevant documents) to examine the robustness of reputation-based approaches. The empirical evaluation shows significant results in almost all measurement metrics with approximate improvement more than 56% compared to baseline approaches. Thus, based on the results, if one were to choose one technique, reputation-based approaches are clearly the natural choices which also can be deployed on any P2P network.

Vehicle routing and location routing problems with minimum latency: algorithms and models

Latency can be defined as the sum of the arrival times at the customers. Minimum latency problems are specially relevant in applications related to humanitarian logistics. This thesis presents algorithms for solving a family of vehicle routing problems with minimum latency. First the latency location routing problem (LLRP) is considered. It consists of determining the subset of depots to be opened, and the routes that a set of homogeneous capacitated vehicles must perform in order to visit a set of customers such that the sum of the demands of the customers assigned to each vehicle does not exceed the capacity of the vehicle. For solving this problem three metaheuristic algorithms combining simulated annealing and variable neighborhood descent, and an iterated local search (ILS) algorithm, are proposed. Furthermore, the multi-depot cumulative capacitated vehicle routing problem (MDCCVRP) and the multi-depot k-traveling repairman problem (MDk-TRP) are solved with the proposed ILS algorithm. The MDCCVRP is a special case of the LLRP in which all the depots can be opened, and the MDk-TRP is a special case of the MDCCVRP in which the capacity constraints are relaxed. Finally, a LLRP with stochastic travel times is studied. A two-stage stochastic programming model and a variable neighborhood search algorithm are proposed for solving the problem. Furthermore a sampling method is developed for tackling instances with an infinite number of scenarios. Extensive computational experiments show that the proposed methods are effective for solving the problems under study.

Message-oriented Middleware per Routing Acceleration basato su eBPF/XDP in Contesto Serverless

Negli ultimi anni la necessità di processare e mantenere dati di qualsiasi natura è aumentata considerevolmente, in aggiunta a questo, l’obsolescenza del modello centralizzato ha contribuito alla sempre più frequente adozione del modello distribuito. Inevitabile dunque l’aumento di traffico che attraversa i nodi appartenenti alle infrastrutture, un traffico sempre più in aumento e che con l’avvento dell’IoT, dei Big Data, del Cloud Computing, del Serverless Computing etc., ha raggiunto picchi elevatissimi. Basti pensare che se prima i dati erano contenuti in loco, oggi non è assurdo pensare che l’archiviazione dei propri dati sia completamente affidata a terzi. Così come cresce, quindi, il traffico che attraversa i nodi facenti parte di un’infrastruttura, cresce la necessità che questo traffico sia filtrato e gestito dai nodi stessi. L’obbiettivo di questa tesi è quello di estendere un Message-oriented Middleware, in grado di garantire diverse qualità di servizio per la consegna di messaggi, in modo da accelerarne la fase di routing verso i nodi destinazione. L’estensione consiste nell’aggiungere al Message-oriented Middleware, precedentemente implementato, la funzione di intercettare i pacchetti in arrivo (che nel caso del middleware in questione possono rappresentare la propagazione di eventi) e redirigerli verso un nuovo nodo in base ad alcuni parametri. Il Message-oriented Middleware oggetto di tesi sarà considerato il message broker di un modello pub/sub, pertanto la redirezione deve avvenire con tempi molto bassi di latenza e, a tal proposito, deve avvenire senza l’uscita dal kernel space del sistema operativo. Per questo motivo si è deciso di utilizzare eBPF, in particolare il modulo XDP, che permette di scrivere programmi che eseguono all’interno del kernel.

Sviluppo e validazione di un algoritmo di Vehicle Routing per un caso di logistica distributiva in collaborazione con Toyota Material Handling Italia

L’elaborato descrive le fasi di progettazione, programmazione e validazione di un programma sviluppato in ambiente Java per il Vehicle Routing Problem. L’algoritmo implementato è di tipo euristico costruttivo primal e presenta funzionalità specifiche per la gestione di un elevato numero di vincoli e l’applicazione a casistiche reali. La validazione è stata effettuata su una base dati reale e in confronto a dataset di cui è nota la soluzione ottima. Il programma è stato progettato per risultare flessibile alle richieste dell’utente e utilizzabile per valutazioni economiche in ambito consulenziale.

Analisi e studio computazionale di solver per problemi di routing di interesse industriale

Il Routing rappresenta uno dei problemi più studiati nell’ambito della Ricerca Operativa in quanto offre molteplici possibilità di ottimizzazione da cui possono derivare altrettanti vantaggi per le aziende che decidono di gestirlo in maniera strutturata. Uno dei principali ambiti di applicazione del routing è la pianificazione operativa del trasporto merci a clienti sparsi in un determinato territorio. Ci sono aziende che devono organizzare la loro Logistica distributiva ogni giorno. Ormai è diventato evidente che la realizzazione di questo processo mediante modalità “standard”, senza l’utilizzo di appositi strumenti di ottimizzazione, non solo porta alla perdita di occasioni importanti in termini di vantaggi raggiungibili, ma è anche molto più dispendiosa a livello di tempo richiesto. Molte aziende si stanno quindi affidando a soluzioni SW che si vadano ad integrare con i loro processi decisionali. Questi sistemi hanno alla base delle componenti algoritmiche in grado di trovare la migliore soluzione possibile per la tipologia specifica di Routing da affrontare. Per questi motivi, lo sviluppo di algoritmi in grado di risolvere questo problema rappresenta una parte consistente della letteratura scientifica in ambito di ottimizzazione. In questo elaborato si andranno a definire le principali caratteristiche di un problema di Routing in forma base e nelle sue varianti principali. Si descriveranno le caratteristiche dei problemi di Routing incontrati da Optit S.r.l, un’azienda che opera nel settore dello sviluppo di soluzioni SW di ottimizzazione. Nel fare ciò, si cercherà di trovare sovrapposizione con quanto descritto in letteratura. Infine, si descriveranno alcuni solver Open-Source per risolvere problemi di Routing e si mostreranno i risultati da essi ottenuti su alcuni casi di interesse industriale.

The choice of the best among the shortest routes in transparent optical networks

This work introduces the problem of the best choice among M combinations of the shortest paths for dynamic provisioning of lightpaths in all-optical networks. To solve this problem in an optimized way (shortest path and load balance), a new fixed routing algorithm, named Best among the Shortest Routes (BSR), is proposed. The BSR`s performance is compared in terms of blocking probability and network utilization with Dijkstra`s shortest path algorithm and others algorithms proposed in the literature. The evaluated scenarios include several representative topologies for all-optical networking and different wavelength conversion architectures. For all studied scenarios, BSR achieved superior performance. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modelagem e simulação de sistema logístico de distribuição de carne de frango

O sistema logístico para distribuição de produtos acabados caracteriza-se pela integração dos serviços de comunicação, transporte e financeiros com a finalidade de atender às demandas do consumidor final. Estima-se que no estado do Espírito Santo, o consumo de carne de frango seja de 44,4 quilos per capita por ano. Para atender a esta demanda, o estado conta com matadouros-frigoríficos distribuídos pelo seu território, bem como, com a participação de outras empresas localizadas no país. Em sistemas de transportes, são característicos Problemas de Roteamento de Veículos (VRP), que precisam ser estudados, caracterizados e otimizados, normalmente, através de rotinas computacionais, que permitem avaliar maior quantidade de variáveis. O presente trabalho teve por objetivo caracterizar um VRP de um matadouro-frigorífico da região do Sul do Espírito Santo e desenvolver um aplicativo computacional que seja suporte para os gestores de logística, servindo para avaliar e propor rotas, e analisar parâmetros logísticos do processo de distribuição de produtos. No desenvolvimento do aplicativo computacional foi necessário caracterizar o sistema logístico da empresa, coletar e analisar os dados das operações logísticas, desenvolver as rotinas computacionais que representassem o sistema em estudo, verificar a confiabilidade dos resultados fornecidos pelo aplicativo, validá-lo e então, poder realizar as experimentações. O aplicativo desenvolvido permitiu reproduzir dados do sistema estudado e avaliar rotas segundo parâmetros logísticos. Pode-se concluir que o aplicativo computacional desenvolvido é útil aos gestores de logística, permitindo a avaliação das rotas praticadas e de novas configurações de rotas.

Roteamento sensível ao contexto em redes de sensores sem fio : uma abordagem baseada em regras de aplicação para o Protocolo RPL

Este trabalho apresenta um serviço de reconfiguração dinâmica para Redes de Sensores sem Fio. O trabalho inclui o projeto e a definição de uma arquitetura conceitual que suporta a coleta de uma variedade de informações contextuais e provê uma abstração alto nível para especificação de roteamento sensível ao contexto através de reconfiguração de métricas de roteamento e parâmetros de comunicação. O objetivo da infraestrutura proposta é possibilitar a criação de regras que adaptem o comportamento da rede em tempo de execução, em função dessas informações contextuais. Uma implementação da arquitetura para o protocolo RPL e o sistema operacional Contiki foi realizada, mostrando a viabilidade da abordagem proposta.

A informação médica e a tomada de decisão em cirurgias refractivas : o uso de recursos audiovisuais a dar suporte à escolha dos utentes

RESUMO: Neste estudo investigou-se a influência dos meios audiovisuais na tomada de decisão pelos utentes em cirurgias oftalmológicas, especialmente nas cirurgias refractivas. A metodologia escolhida integrou métodos quantitativos e qualitativos, com o objectivo de abranger a máxima amplitude da descrição, explicação e compreensão do objecto a ser investigado. Procura-se evidenciar e analisar sentimentos, motivações e atitudes individuais, como escolhas e tomada de decisão, bem como, perceber a relação entre o processo de comunicação médico / paciente e a tomada de decisão. Foram usados: um questionário, material digital e vídeos com as principais cirurgias refractivas apresentadas aos utentes, com uma amostra de n= 150 participantes do Serviço de Oftalmologia da HOSPOR e SAMS Centro de 01 de Julho 2008 a 28 de Fevereiro de 2009, com a faixa etária de 20 a 80 anos, com diagnóstico escolhido. Os dados recolhidos foram analisados pelo SPSS 18. A fundamentação teórica está baseada no estudo da captação e disfunções no trajecto da imagem, observando-se os componentes da aquisição do conhecimento: sensação, percepção, pensamento, consciência, memória, imaginação, linguagem, informação, bem como bioética, comunicação médica e a tomada de decisão, na qual se valoriza a educação do Utente para decidir. O resultado desta investigação aponta para novos paradigmas nos processos de informação / decisão consciente, indicando a necessidade de se investir na educação e na informação médica humanizada aos utentes para haver maior conhecimento, participação, satisfação e eficácia na terapêutica a ser escolhida. ABSTRACT: This paper analyzes how information and communication technologies, in particular the media of some ophthalmologic surgery, can help better decisions meaning new ways of information and new relationship between doctor and patient. This study investigates how doctors take hold of technological resources and discuss the client`s decision. We used the quantitative and qualitative structured interview of client who are visually impaired, especially myopia / hyperopia / astigmatism, presbyopia and cataract. We used a questionnaire, material and digital videos with the leading refractive surgery presented to the clients, with a sample of n = 150 participants of the Department of Ophthalmology, and SAMS HOSPOR Center from 01 July 2008 to 28 February 2009, with range 20 to 80 years, diagnosed chosen. The data collected were analyzed by SPSS. The theoretical study is based on the capture and routing of image and perception, observing neuro-psycho-social components: sensation, perception, visual perception, consciousness, knowledge, memory, imagination, language, information, bioethics and decision-making, in which values education of user to decide. The result of this research points to new paradigms in information processing / conscious decision, indicating the necessity of investing in education and humane medical information to the Users in order to archive a greater awareness,participation, satisfaction and effectiveness in the treatment to choose.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Sistemas de informação: message integration bus

O trabalho apresentado por este documento aborda os problemas que advêm da necessidade de integração de aplicações, desenvolvidas em diferentes instantes no tempo, por diferentes equipas de trabalho, que para enriquecer os processos de negócio necessitam de comunicar entre si. A integração das aplicações tem de ser feita de forma opaca para estas, sendo disponibilizada por uma peça de software genérica, robusta e sem custos para as equipas desenvolvimento, na altura da integração. Esta integração tem de permitir que as aplicações comuniquem utilizando os protocolos que desejarem. Este trabalho propõe um middleware orientado a mensagens como solução para o problema identificado. A solução apresentada por este trabalho disponibiliza a comunicação entre aplicações que utilizam diferentes protocolos, permite ainda o desacoplamento temporal, espacial e de sincronismo na comunicação das aplicações. A implementação da solução tem base num sistema publish/subscribe orientado ao conteúdo e tem de lidar com as maiores exigências computacionais que este tipo de sistema acarta, sendo que a utilização deste se justifica com o enriquecimento da semântica de subscrição de eventos. Esta implementação utiliza uma arquitectura semi-distribuída, com o objectivo de aumentar a escalabilidade do sistema. A utilização da arquitectura semi-distribuída implica que a implementação da solução tem de lidar com o encaminhamento de eventos e divulgação das subscrições, pelos vários servidores de eventos. A implementação da solução disponibiliza garantias de persistência, processamento transaccional e tolerância a falhas, assim como transformação de eventos entre os diversos protocolos. A extensibilidade da solução é conseguida à custa de um sistema de pluggins que permite a adição de suporte a novos protocolos de comunicação. Os protocolos suportados pela implementação final do trabalho são RestMS e TCP.

MASDSheGATS – Scheduling System for Dynamic Manufacturing Environments

This chapter addresses the resolution of scheduling in manufacturing systems subject to perturbations. The planning of Manufacturing Systems involves frequently the resolution of a huge amount and variety of combinatorial optimisation problems with an important impact on the performance of manufacturing organisations. Examples of those problems are the sequencing and scheduling problems in manufacturing management, routing and transportation, layout design and timetabling problems.

Atribuição e encaminhamento de comprimento de onda em redes IP sobre WDM energeticamente eficiente

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações