A new three phase method (SDP method) for the multi-objective vehicle routing problem with simultaneous delvery and pickup (VRPSDP)

Transportation service operators are witnessing a growing demand for bi-directional movement of goods. Given this, the following thesis considers an extension to the vehicle routing problem (VRP) known as the delivery and pickup transportation problem (DPP), where delivery and pickup demands may occupy the same route. The problem is formulated here as the vehicle routing problem with simultaneous delivery and pickup (VRPSDP), which requires the concurrent service of the demands at the customer location. This formulation provides the greatest opportunity for cost savings for both the service provider and recipient. The aims of this research are to propose a new theoretical design to solve the multi-objective VRPSDP, provide software support for the suggested design and validate the method through a set of experiments. A new real-life based multi-objective VRPSDP is studied here, which requires the minimisation of the often conflicting objectives: operated vehicle fleet size, total routing distance and the maximum variation between route distances (workload variation). The former two objectives are commonly encountered in the domain and the latter is introduced here because it is essential for real-life routing problems. The VRPSDP is defined as a hard combinatorial optimisation problem, therefore an approximation method, Simultaneous Delivery and Pickup method (SDPmethod) is proposed to solve it. The SDPmethod consists of three phases. The first phase constructs a set of diverse partial solutions, where one is expected to form part of the near-optimal solution. The second phase determines assignment possibilities for each sub-problem. The third phase solves the sub-problems using a parallel genetic algorithm. The suggested genetic algorithm is improved by the introduction of a set of tools: genetic operator switching mechanism via diversity thresholds, accuracy analysis tool and a new fitness evaluation mechanism. This three phase method is proposed to address the shortcoming that exists in the domain, where an initial solution is built only then to be completely dismantled and redesigned in the optimisation phase. In addition, a new routing heuristic, RouteAlg, is proposed to solve the VRPSDP sub-problem, the travelling salesman problem with simultaneous delivery and pickup (TSPSDP). The experimental studies are conducted using the well known benchmark Salhi and Nagy (1999) test problems, where the SDPmethod and RouteAlg solutions are compared with the prominent works in the VRPSDP domain. The SDPmethod has demonstrated to be an effective method for solving the multi-objective VRPSDP and the RouteAlg for the TSPSDP.

Roll Project Rich Vehicle Routing benchmark problems.

This document describes a large set of Benchmark Problem Instances for the Rich Vehicle Routing Problem. All files are supplied as a single compressed (zipped) archive containing the instances, in XML format, an Object-Oriented Model supplied in XSD format, documentation and an XML parser written in Java to ease use.

Models and algorithms for the capacitated location-routing problem

Le problème de localisation-routage avec capacités (PLRC) apparaît comme un problème clé dans la conception de réseaux de distribution de marchandises. Il généralisele problème de localisation avec capacités (PLC) ainsi que le problème de tournées de véhicules à multiples dépôts (PTVMD), le premier en ajoutant des décisions liées au routage et le deuxième en ajoutant des décisions liées à la localisation des dépôts. Dans cette thèse on dévelope des outils pour résoudre le PLRC à l’aide de la programmation mathématique. Dans le chapitre 3, on introduit trois nouveaux modèles pour le PLRC basés sur des flots de véhicules et des flots de commodités, et on montre comment ceux-ci dominent, en termes de la qualité de la borne inférieure, la formulation originale à deux indices [19]. Des nouvelles inégalités valides ont été dévelopées et ajoutées aux modèles, de même que des inégalités connues. De nouveaux algorithmes de séparation ont aussi été dévelopés qui dans la plupart de cas généralisent ceux trouvés dans la litterature. Les résultats numériques montrent que ces modèles de flot sont en fait utiles pour résoudre des instances de petite à moyenne taille. Dans le chapitre 4, on présente une nouvelle méthode de génération de colonnes basée sur une formulation de partition d’ensemble. Le sous-problème consiste en un problème de plus court chemin avec capacités (PCCC). En particulier, on utilise une relaxation de ce problème dans laquelle il est possible de produire des routes avec des cycles de longueur trois ou plus. Ceci est complété par des nouvelles coupes qui permettent de réduire encore davantage le saut d’intégralité en même temps que de défavoriser l’apparition de cycles dans les routes. Ces résultats suggèrent que cette méthode fournit la meilleure méthode exacte pour le PLRC. Dans le chapitre 5, on introduit une nouvelle méthode heuristique pour le PLRC. Premièrement, on démarre une méthode randomisée de type GRASP pour trouver un premier ensemble de solutions de bonne qualité. Les solutions de cet ensemble sont alors combinées de façon à les améliorer. Finalement, on démarre une méthode de type détruir et réparer basée sur la résolution d’un nouveau modèle de localisation et réaffectation qui généralise le problème de réaffectaction [48].

Heuristic solution methods for multi-attribute vehicle routing problems

Le Problème de Tournées de Véhicules (PTV) est une clé importante pour gérér efficacement des systèmes logistiques, ce qui peut entraîner une amélioration du niveau de satisfaction de la clientèle. Ceci est fait en servant plus de clients dans un temps plus court. En terme général, il implique la planification des tournées d'une flotte de véhicules de capacité donnée basée à un ou plusieurs dépôts. Le but est de livrer ou collecter une certain quantité de marchandises à un ensemble des clients géographiquement dispersés, tout en respectant les contraintes de capacité des véhicules. Le PTV, comme classe de problèmes d'optimisation discrète et de grande complexité, a été étudié par de nombreux au cours des dernières décennies. Étant donné son importance pratique, des chercheurs dans les domaines de l'informatique, de la recherche opérationnelle et du génie industrielle ont mis au point des algorithmes très efficaces, de nature exacte ou heuristique, pour faire face aux différents types du PTV. Toutefois, les approches proposées pour le PTV ont souvent été accusées d'être trop concentrées sur des versions simplistes des problèmes de tournées de véhicules rencontrés dans des applications réelles. Par conséquent, les chercheurs sont récemment tournés vers des variantes du PTV qui auparavant étaient considérées trop difficiles à résoudre. Ces variantes incluent les attributs et les contraintes complexes observés dans les cas réels et fournissent des solutions qui sont exécutables dans la pratique. Ces extensions du PTV s'appellent Problème de Tournées de Véhicules Multi-Attributs (PTVMA). Le but principal de cette thèse est d'étudier les différents aspects pratiques de trois types de problèmes de tournées de véhicules multi-attributs qui seront modélisés dans celle-ci. En plus, puisque pour le PTV, comme pour la plupart des problèmes NP-complets, il est difficile de résoudre des instances de grande taille de façon optimale et dans un temps d'exécution raisonnable, nous nous tournons vers des méthodes approcheés à base d’heuristiques.

Tactical Vehicle Routing Planning with Application to Milk Collection and Distribution

De nombreux problèmes pratiques qui se posent dans dans le domaine de la logistique, peuvent être modélisés comme des problèmes de tournées de véhicules. De façon générale, cette famille de problèmes implique la conception de routes, débutant et se terminant à un dépôt, qui sont utilisées pour distribuer des biens à un nombre de clients géographiquement dispersé dans un contexte où les coûts associés aux routes sont minimisés. Selon le type de problème, un ou plusieurs dépôts peuvent-être présents. Les problèmes de tournées de véhicules sont parmi les problèmes combinatoires les plus difficiles à résoudre. Dans cette thèse, nous étudions un problème d’optimisation combinatoire, appartenant aux classes des problèmes de tournées de véhicules, qui est liée au contexte des réseaux de transport. Nous introduisons un nouveau problème qui est principalement inspiré des activités de collecte de lait des fermes de production, et de la redistribution du produit collecté aux usines de transformation, pour la province de Québec. Deux variantes de ce problème sont considérées. La première, vise la conception d’un plan tactique de routage pour le problème de la collecte-redistribution de lait sur un horizon donné, en supposant que le niveau de la production au cours de l’horizon est fixé. La deuxième variante, vise à fournir un plan plus précis en tenant compte de la variation potentielle de niveau de production pouvant survenir au cours de l’horizon considéré. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons un algorithme exact pour la première variante du problème qui se caractérise par la présence de fenêtres de temps, plusieurs dépôts, et une flotte hétérogène de véhicules, et dont l’objectif est de minimiser le coût de routage. À cette fin, le problème est modélisé comme un problème multi-attributs de tournées de véhicules. L’algorithme exact est basé sur la génération de colonnes impliquant un algorithme de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources. Dans la deuxième partie, nous concevons un algorithme exact pour résoudre la deuxième variante du problème. À cette fin, le problème est modélisé comme un problème de tournées de véhicules multi-périodes prenant en compte explicitement les variations potentielles du niveau de production sur un horizon donné. De nouvelles stratégies sont proposées pour résoudre le problème de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources, impliquant dans ce cas une structure particulière étant donné la caractéristique multi-périodes du problème général. Pour résoudre des instances de taille réaliste dans des temps de calcul raisonnables, une approche de résolution de nature heuristique est requise. La troisième partie propose un algorithme de recherche adaptative à grands voisinages où de nombreuses nouvelles stratégies d’exploration et d’exploitation sont proposées pour améliorer la performances de l’algorithme proposé en termes de la qualité de la solution obtenue et du temps de calcul nécessaire.

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.

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.

GRASP with evolutionary path-relinking for the capacitated arc routing problem

The Capacitated Arc Routing Problem (CARP) is a well-known NP-hard combinatorial optimization problem where, given an undirected graph, the objective is to find a minimum cost set of tours servicing a subset of required edges under vehicle capacity constraints. There are numerous applications for the CARP, such as street sweeping, garbage collection, mail delivery, school bus routing, and meter reading. A Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) with Path-Relinking (PR) is proposed and compared with other successful CARP metaheuristics. Some features of this GRASP with PR are (i) reactive parameter tuning, where the parameter value is stochastically selected biased in favor of those values which historically produced the best solutions in average; (ii) a statistical filter, which discard initial solutions if they are unlikely to improve the incumbent best solution; (iii) infeasible local search, where high-quality solutions, though infeasible, are used to explore the feasible/infeasible boundaries of the solution space; (iv) evolutionary PR, a recent trend where the pool of elite solutions is progressively improved by successive relinking of pairs of elite solutions. Computational tests were conducted using a set of 81 instances, and results reveal that the GRASP is very competitive, achieving the best overall deviation from lower bounds and the highest number of best solutions found. © 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Exact Algorithms for Different Classes of Vehicle Routing Problems

We deal with five problems arising in the field of logistics: the Asymmetric TSP (ATSP), the TSP with Time Windows (TSPTW), the VRP with Time Windows (VRPTW), the Multi-Trip VRP (MTVRP), and the Two-Echelon Capacitated VRP (2E-CVRP). The ATSP requires finding a lest-cost Hamiltonian tour in a digraph. We survey models and classical relaxations, and describe the most effective exact algorithms from the literature. A survey and analysis of the polynomial formulations is provided. The considered algorithms and formulations are experimentally compared on benchmark instances. The TSPTW requires finding, in a weighted digraph, a least-cost Hamiltonian tour visiting each vertex within a given time window. We propose a new exact method, based on new tour relaxations and dynamic programming. Computational results on benchmark instances show that the proposed algorithm outperforms the state-of-the-art exact methods. In the VRPTW, a fleet of identical capacitated vehicles located at a depot must be optimally routed to supply customers with known demands and time window constraints. Different column generation bounding procedures and an exact algorithm are developed. The new exact method closed four of the five open Solomon instances. The MTVRP is the problem of optimally routing capacitated vehicles located at a depot to supply customers without exceeding maximum driving time constraints. Two set-partitioning-like formulations of the problem are introduced. Lower bounds are derived and embedded into an exact solution method, that can solve benchmark instances with up to 120 customers. The 2E-CVRP requires designing the optimal routing plan to deliver goods from a depot to customers by using intermediate depots. The objective is to minimize the sum of routing and handling costs. A new mathematical formulation is introduced. Valid lower bounds and an exact method are derived. Computational results on benchmark instances show that the new exact algorithm outperforms the state-of-the-art exact methods.

Vehicle routing and crew scheduling for metropolitan mail distribution at Australia Post

This paper presents a new multi-depot combined vehicle and crew scheduling algorithm, and uses it, in conjunction with a heuristic vehicle routing algorithm, to solve the intra-city mail distribution problem faced by Australia Post. First we describe the Australia Post mail distribution problem and outline the heuristic vehicle routing algorithm used to find vehicle routes. We present a new multi-depot combined vehicle and crew scheduling algorithm based on set covering with column generation. The paper concludes with a computational investigation examining the affect of different types of vehicle routing solutions on the vehicle and crew scheduling solution, comparing the different levels of integration possible with the new vehicle and crew scheduling algorithm and comparing the results of sequential versus simultaneous vehicle and crew scheduling, using real life data for Australia Post distribution networks.

The many-to-many location-routing problem

In this paper the many to many location routing problem is introduced, and its relationship to various problems in distribution management is emphasised. Useful mathematical formulations which can be easily extended to cater for other related problems are produced. Techniques for tackling this complex distribution problem are also outlined.

The open capacitated arc routing problem

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)