Models and Algorihtm for the Optimization of Real-World Routing and Logistics Problems

Logistics involves planning, managing, and organizing the flows of goods from the point of origin to the point of destination in order to meet some requirements. Logistics and transportation aspects are very important and represent a relevant costs for producing and shipping companies, but also for public administration and private citizens. The optimization of resources and the improvement in the organization of operations is crucial for all branches of logistics, from the operation management to the transportation. As we will have the chance to see in this work, optimization techniques, models, and algorithms represent important methods to solve the always new and more complex problems arising in different segments of logistics. Many operation management and transportation problems are related to the optimization class of problems called Vehicle Routing Problems (VRPs). In this work, we consider several real-world deterministic and stochastic problems that are included in the wide class of the VRPs, and we solve them by means of exact and heuristic methods. We treat three classes of real-world routing and logistics problems. We deal with one of the most important tactical problems that arises in the managing of the bike sharing systems, that is the Bike sharing Rebalancing Problem (BRP). We propose models and algorithms for real-world earthwork optimization problems. We describe the 3DP process and we highlight several optimization issues in 3DP. Among those, we define the problem related to the tool path definition in the 3DP process, the 3D Routing Problem (3DRP), which is a generalization of the arc routing problem. We present an ILP model and several heuristic algorithms to solve the 3DRP.

Nested Rollout Policy Adaptation for optimizing vehicle selection in complex VRPs

The goal of Vehicle Routing Problems (VRP) and their variations is to transport a set of orders with the minimum number of vehicles at least cost. Most approaches are designed to solve specific problem variations independently, whereas in real world applications, different constraints are handled concurrently. This research extends solutions obtained for the traveling salesman problem with time windows to a much wider class of route planning problems in logistics. The work describes a novel approach that:  supports a heterogeneous fleet of vehicles  dynamically reduces the number of vehicles  respects individual capacity restrictions  satisfies pickup and delivery constraints  takes Hamiltonian paths (rather than cycles) The proposed approach uses Monte-Carlo Tree Search and in particular Nested Rollout Policy Adaptation. For the evaluation of the work, real data from the industry was obtained and tested and the results are reported.

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.

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.

Transporte internacional rodoviário de mercadorias: projecto de optimização operacional

No âmbito do estágio curricular realizado na DSV Transitários, surgiu a oportunidade de estar inserida em duas das áreas funcionais da empresa: durante o primeiro mês, no departamento comercial e nos restantes meses no departamento ROAD (rodoviário Internacional) no qual me foi proporcionado a oportunidade de desempenhar funções de Operacional de Tráfego Rodoviário Internacional. Desta forma, surge o desafio de integrar na equipa de operacionais ROAD da DSV, por forma a contribuir ativamente para a rotina da empresa e paralelamente analisar os processos operacionais do departamento, bem como, identificar todos os pontos que necessitem de melhoria. Após estar inserida neste sector, compreendi que a grupagem de mercadorias desempenha um papel fundamental neste departamento, na medida em que, quando desenvolvida de uma forma eficiente, pode traduzir-se numa atividade de extremo valor. A dinâmica diária desta atividade exige que os operadores de tráfego respondam de uma forma rápida e flexível aos problemas, apresentando soluções eficazes às solicitações do mercado. Para isso, é importante encontrar mecanismos capazes de os auxiliar na tomada decisões operacionais.

Sectorization: measures and an electromagnetism based approach

Sectorization means dividing a set of basic units into sectors or parts, a procedure that occurs in several contexts, such as political, health and school districting, social networks and sales territory or airspace assignment, to achieve some goal or to facilitate an activity. This presentation will focus on three main issues: Measures, a new approach to sectorization problems and an application in waste collection. When designing or comparing sectors different characteristics are usually taken into account. Some are commonly used, and they are related to the concepts of contiguity, equilibrium and compactness. These fundamental characteristics will be addressed, by defining new generic measures and by proposing a new measure, desirability, connected with the idea of preference. A new approach to sectorization inspired in Coulomb’s Law, which establishes a relation of force between electrically charged points, will be proposed. A charged point represents a small region with specific characteristics/values creating relations of attraction/repulsion with the others (two by two), proportional to the charges and inversely proportional to their distance. Finally, a real case about sectorization and vehicle routing in solid waste collection will be mentioned.

Heuristics and policies for online pickup and delivery problems

Master Thesis

Sistema de Informação Geográfica aplicado ao transporte de reclusos

Trabalho de Projeto apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica

Optimização do processo de recolha de resíduos: desenvolvimento de ferramentas de investigação operacional para o problema de orientação de equipas com multi-restrições

Tese de Doutoramento em Engenharia Industrial e de Sistemas.

A multi-objective model for a multi-period distribution management problem

The problems arising in commercial distribution are complex and involve several players and decision levels. One important decision is relatedwith the design of the routes to distribute the products, in an efficient and inexpensive way.This article deals with a complex vehicle routing problem that can beseen as a new extension of the basic vehicle routing problem. The proposed model is a multi-objective combinatorial optimization problemthat considers three objectives and multiple periods, which models in a closer way the real distribution problems. The first objective is costminimization, the second is balancing work levels and the third is amarketing objective. An application of the model on a small example, with5 clients and 3 days, is presented. The results of the model show the complexity of solving multi-objective combinatorial optimization problems and the contradiction between the several distribution management objective.

Strategies for an integrated distribution problem

The problems arising in the logistics of commercial distribution are complexand involve several players and decision levels. One important decision isrelated with the design of the routes to distribute the products, in anefficient and inexpensive way.This article explores three different distribution strategies: the firststrategy corresponds to the classical vehicle routing problem; the second isa master route strategy with daily adaptations and the third is a strategythat takes into account the cross-functional planning through amulti-objective model with two objectives. All strategies are analyzed ina multi-period scenario. A metaheuristic based on the Iteratetd Local Search,is used to solve the models related with each strategy. A computationalexperiment is performed to evaluate the three strategies with respect to thetwo objectives. The cross functional planning strategy leads to solutions thatput in practice the coordination between functional areas and better meetbusiness objectives.

Kuljetustensuunnittelu- ja reitinoptimointiohjelmiston kaupallistamiseen vaikuttavat keskeiset ominaisuudet

Ajoneuvojen reititystä on tutkittu 1950-luvulta asti, alunperin etsiessä polttoainekuljetuksille optimaalisinta reittiä varastolta useille palveluasemille. Siitä lähtien ajoneuvon reititystehtäviä on tutkittu akateemisesti ja niistä on muodostettu kymmeniä erilaisia variaatioita. Tehtävien ratkaisumenetelmät jaetaan tyypillisesti tarkkoihin menetelmiin sekä heuristiikkoihin ja metaheuristiikkoihin. Konetehon ja heuristiikoissa käytettävien algoritmien kehittymisen myötä reitinoptimointia on alettu tarjota kaupallisesti. CO-SKY-projektin tavoitteena on kaupallistaa web-pohjainen tai toiminnanohjausjärjestelmään integroitava ajoneuvon reititys. Diplomityössä tutkitaan kuljetustensuunnittelu- ja reitinoptimointiohjelmistojen kaupallistamiseen vaikuttavia keskeisiä ominaisuuksia. Ominaisuuksia on tarkasteltu: 1) erityisesti pk-kuljetusyritysten tarpeiden ja vaatimusten pohjalta, ja 2) markkinoilla olevien ohjelmistojen tarjontaa arvioiden. Näiden pohjalta on myös pyritty arvioimaan kysynnän ja tarjonnan kohtaamista. Pilottiasiakkaita haastattelemalla ohjelmistolle on kyetty asettamaan vaatimuksia, mutta samalla on kuultu käyttäjien mielipiteitä optimoinnista. Lukuisia logistiikkaohjelmistojen tarjoajia on haastateltu logistiikkamessuilla sekä Suomessa että Saksassa. Haastattelujen perusteella on saatu käsitys kyseisistä ohjelmista sekä optimoinnin tarjonnasta että kysynnästä. Akateeminen tutkimus aiheesta on laajaa, koskien niin teknistä toteutusta kuin myös (kysely-)tutkimuksia tarjolla olevien ohjelmistojen ominaisuuksista ja laadusta. Kuljetusyritysten tarpeissa on vaihtelua yritys- ja alakohtaisesti. Perusongelmat ovat samoja, joita reitinoptimoinnin akateemisessa tutkimuksessa käsitellään ja joita kaupalliset ohjelmistot pystyvät ratkaisemaan. Vaikka reitinoptimoinnilla saatavat hyödyt ovat mitattavissa, suunnittelu etenkin pk-yrityksissä tehdään pääosin yhä käsin. Messuhaastattelujen ja loppukäyttäjien mielipiteiden perusteella voidaan todeta kaupallisten ratkaisujen olevan suunniteltu isommille kuljetusyrityksille: tyypillisen it-projektin hinta, käyttöönottoaika ja asennus sekä ratkaisun takaisinmaksuaika vaikuttavat pk-yritysten hankintapäätökseen. Kaupallistamiseen liittyen haasteet liittyvät erityisesti segmentointiin ja markkinointiin asiakasarvon todentamisen ja sen välittämisen kautta.

Une heuristique à grand voisinage pour un problème de confection de tournée pour un seul véhicule avec cueillettes et livraisons et contrainte de chargement

Dans ce mémoire, nous présentons un nouveau type de problème de confection de tour- née pour un seul véhicule avec cueillettes et livraisons et contrainte de chargement. Cette variante est motivée par des problèmes similaires rapportés dans la littérature. Le véhi- cule en question contient plusieurs piles où des colis de hauteurs différentes sont empilés durant leur transport. La hauteur totale des items contenus dans chacune des piles ne peut dépasser une certaine hauteur maximale. Aucun déplacement n’est permis lors de la li- vraison d’un colis, ce qui signifie que le colis doit être sur le dessus d’une pile au moment d’être livré. De plus, tout colis i ramassé avant un colis j et contenu dans la même pile doit être livré après j. Une heuristique à grand voisinage, basé sur des travaux récents dans le domaine, est proposée comme méthode de résolution. Des résultats numériques sont rapportés pour plusieurs instances classiques ainsi que pour de nouvelles instances.

Méthodes exactes et heuristiques pour le problème de tournées de véhicules avec fenêtres de temps et réutilisation de véhicules

Cette thèse porte sur les problèmes de tournées de véhicules avec fenêtres de temps où un gain est associé à chaque client et où l'objectif est de maximiser la somme des gains recueillis moins les coûts de transport. De plus, un même véhicule peut effectuer plusieurs tournées durant l'horizon de planification. Ce problème a été relativement peu étudié en dépit de son importance en pratique. Par exemple, dans le domaine de la livraison de denrées périssables, plusieurs tournées de courte durée doivent être combinées afin de former des journées complètes de travail. Nous croyons que ce type de problème aura une importance de plus en plus grande dans le futur avec l'avènement du commerce électronique, comme les épiceries électroniques, où les clients peuvent commander des produits par internet pour la livraison à domicile. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous présentons d'abord une revue de la littérature consacrée aux problèmes de tournées de véhicules avec gains ainsi qu'aux problèmes permettant une réutilisation des véhicules. Nous présentons les méthodologies générales adoptées pour les résoudre, soit les méthodes exactes, les méthodes heuristiques et les méta-heuristiques. Nous discutons enfin des problèmes de tournées dynamiques où certaines données sur le problème ne sont pas connues à l'avance. Dans le second chapitre, nous décrivons un algorithme exact pour résoudre un problème de tournées avec fenêtres de temps et réutilisation de véhicules où l'objectif premier est de maximiser le nombre de clients desservis. Pour ce faire, le problème est modélisé comme un problème de tournées avec gains. L'algorithme exact est basé sur une méthode de génération de colonnes couplée avec un algorithme de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources. Pour résoudre des instances de taille réaliste dans des temps de calcul raisonnables, une approche de résolution de nature heuristique est requise. Le troisième chapitre propose donc une méthode de recherche adaptative à grand voisinage qui exploite les différents niveaux hiérarchiques du problème (soit les journées complètes de travail des véhicules, les routes qui composent ces journées et les clients qui composent les routes). Dans le quatrième chapitre, qui traite du cas dynamique, une stratégie d'acceptation et de refus des nouvelles requêtes de service est proposée, basée sur une anticipation des requêtes à venir. L'approche repose sur la génération de scénarios pour différentes réalisations possibles des requêtes futures. Le coût d'opportunité de servir une nouvelle requête est basé sur une évaluation des scénarios avec et sans cette nouvelle requête. Enfin, le dernier chapitre résume les contributions de cette thèse et propose quelques avenues de recherche future.

Approches générales de résolution pour les problèmes multi-attributs de tournées de véhicules et confection d'horaires

Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université de Technologie de Troyes