Optimization models and methods for real-time transportation planning in forestry

Lors du transport du bois de la forêt vers les usines, de nombreux événements imprévus peuvent se produire, événements qui perturbent les trajets prévus (par exemple, en raison des conditions météo, des feux de forêt, de la présence de nouveaux chargements, etc.). Lorsque de tels événements ne sont connus que durant un trajet, le camion qui accomplit ce trajet doit être détourné vers un chemin alternatif. En l’absence d’informations sur un tel chemin, le chauffeur du camion est susceptible de choisir un chemin alternatif inutilement long ou pire, qui est lui-même "fermé" suite à un événement imprévu. Il est donc essentiel de fournir aux chauffeurs des informations en temps réel, en particulier des suggestions de chemins alternatifs lorsqu’une route prévue s’avère impraticable. Les possibilités de recours en cas d’imprévus dépendent des caractéristiques de la chaîne logistique étudiée comme la présence de camions auto-chargeurs et la politique de gestion du transport. Nous présentons trois articles traitant de contextes d’application différents ainsi que des modèles et des méthodes de résolution adaptés à chacun des contextes. Dans le premier article, les chauffeurs de camion disposent de l’ensemble du plan hebdomadaire de la semaine en cours. Dans ce contexte, tous les efforts doivent être faits pour minimiser les changements apportés au plan initial. Bien que la flotte de camions soit homogène, il y a un ordre de priorité des chauffeurs. Les plus prioritaires obtiennent les volumes de travail les plus importants. Minimiser les changements dans leurs plans est également une priorité. Étant donné que les conséquences des événements imprévus sur le plan de transport sont essentiellement des annulations et/ou des retards de certains voyages, l’approche proposée traite d’abord l’annulation et le retard d’un seul voyage, puis elle est généralisée pour traiter des événements plus complexes. Dans cette ap- proche, nous essayons de re-planifier les voyages impactés durant la même semaine de telle sorte qu’une chargeuse soit libre au moment de l’arrivée du camion à la fois au site forestier et à l’usine. De cette façon, les voyages des autres camions ne seront pas mo- difiés. Cette approche fournit aux répartiteurs des plans alternatifs en quelques secondes. De meilleures solutions pourraient être obtenues si le répartiteur était autorisé à apporter plus de modifications au plan initial. Dans le second article, nous considérons un contexte où un seul voyage à la fois est communiqué aux chauffeurs. Le répartiteur attend jusqu’à ce que le chauffeur termine son voyage avant de lui révéler le prochain voyage. Ce contexte est plus souple et offre plus de possibilités de recours en cas d’imprévus. En plus, le problème hebdomadaire peut être divisé en des problèmes quotidiens, puisque la demande est quotidienne et les usines sont ouvertes pendant des périodes limitées durant la journée. Nous utilisons un modèle de programmation mathématique basé sur un réseau espace-temps pour réagir aux perturbations. Bien que ces dernières puissent avoir des effets différents sur le plan de transport initial, une caractéristique clé du modèle proposé est qu’il reste valable pour traiter tous les imprévus, quelle que soit leur nature. En effet, l’impact de ces événements est capturé dans le réseau espace-temps et dans les paramètres d’entrée plutôt que dans le modèle lui-même. Le modèle est résolu pour la journée en cours chaque fois qu’un événement imprévu est révélé. Dans le dernier article, la flotte de camions est hétérogène, comprenant des camions avec des chargeuses à bord. La configuration des routes de ces camions est différente de celle des camions réguliers, car ils ne doivent pas être synchronisés avec les chargeuses. Nous utilisons un modèle mathématique où les colonnes peuvent être facilement et naturellement interprétées comme des itinéraires de camions. Nous résolvons ce modèle en utilisant la génération de colonnes. Dans un premier temps, nous relaxons l’intégralité des variables de décision et nous considérons seulement un sous-ensemble des itinéraires réalisables. Les itinéraires avec un potentiel d’amélioration de la solution courante sont ajoutés au modèle de manière itérative. Un réseau espace-temps est utilisé à la fois pour représenter les impacts des événements imprévus et pour générer ces itinéraires. La solution obtenue est généralement fractionnaire et un algorithme de branch-and-price est utilisé pour trouver des solutions entières. Plusieurs scénarios de perturbation ont été développés pour tester l’approche proposée sur des études de cas provenant de l’industrie forestière canadienne et les résultats numériques sont présentés pour les trois contextes.

Optimization models and methods for real-time transportation planning in forestry

Lors du transport du bois de la forêt vers les usines, de nombreux événements imprévus peuvent se produire, événements qui perturbent les trajets prévus (par exemple, en raison des conditions météo, des feux de forêt, de la présence de nouveaux chargements, etc.). Lorsque de tels événements ne sont connus que durant un trajet, le camion qui accomplit ce trajet doit être détourné vers un chemin alternatif. En l’absence d’informations sur un tel chemin, le chauffeur du camion est susceptible de choisir un chemin alternatif inutilement long ou pire, qui est lui-même "fermé" suite à un événement imprévu. Il est donc essentiel de fournir aux chauffeurs des informations en temps réel, en particulier des suggestions de chemins alternatifs lorsqu’une route prévue s’avère impraticable. Les possibilités de recours en cas d’imprévus dépendent des caractéristiques de la chaîne logistique étudiée comme la présence de camions auto-chargeurs et la politique de gestion du transport. Nous présentons trois articles traitant de contextes d’application différents ainsi que des modèles et des méthodes de résolution adaptés à chacun des contextes. Dans le premier article, les chauffeurs de camion disposent de l’ensemble du plan hebdomadaire de la semaine en cours. Dans ce contexte, tous les efforts doivent être faits pour minimiser les changements apportés au plan initial. Bien que la flotte de camions soit homogène, il y a un ordre de priorité des chauffeurs. Les plus prioritaires obtiennent les volumes de travail les plus importants. Minimiser les changements dans leurs plans est également une priorité. Étant donné que les conséquences des événements imprévus sur le plan de transport sont essentiellement des annulations et/ou des retards de certains voyages, l’approche proposée traite d’abord l’annulation et le retard d’un seul voyage, puis elle est généralisée pour traiter des événements plus complexes. Dans cette ap- proche, nous essayons de re-planifier les voyages impactés durant la même semaine de telle sorte qu’une chargeuse soit libre au moment de l’arrivée du camion à la fois au site forestier et à l’usine. De cette façon, les voyages des autres camions ne seront pas mo- difiés. Cette approche fournit aux répartiteurs des plans alternatifs en quelques secondes. De meilleures solutions pourraient être obtenues si le répartiteur était autorisé à apporter plus de modifications au plan initial. Dans le second article, nous considérons un contexte où un seul voyage à la fois est communiqué aux chauffeurs. Le répartiteur attend jusqu’à ce que le chauffeur termine son voyage avant de lui révéler le prochain voyage. Ce contexte est plus souple et offre plus de possibilités de recours en cas d’imprévus. En plus, le problème hebdomadaire peut être divisé en des problèmes quotidiens, puisque la demande est quotidienne et les usines sont ouvertes pendant des périodes limitées durant la journée. Nous utilisons un modèle de programmation mathématique basé sur un réseau espace-temps pour réagir aux perturbations. Bien que ces dernières puissent avoir des effets différents sur le plan de transport initial, une caractéristique clé du modèle proposé est qu’il reste valable pour traiter tous les imprévus, quelle que soit leur nature. En effet, l’impact de ces événements est capturé dans le réseau espace-temps et dans les paramètres d’entrée plutôt que dans le modèle lui-même. Le modèle est résolu pour la journée en cours chaque fois qu’un événement imprévu est révélé. Dans le dernier article, la flotte de camions est hétérogène, comprenant des camions avec des chargeuses à bord. La configuration des routes de ces camions est différente de celle des camions réguliers, car ils ne doivent pas être synchronisés avec les chargeuses. Nous utilisons un modèle mathématique où les colonnes peuvent être facilement et naturellement interprétées comme des itinéraires de camions. Nous résolvons ce modèle en utilisant la génération de colonnes. Dans un premier temps, nous relaxons l’intégralité des variables de décision et nous considérons seulement un sous-ensemble des itinéraires réalisables. Les itinéraires avec un potentiel d’amélioration de la solution courante sont ajoutés au modèle de manière itérative. Un réseau espace-temps est utilisé à la fois pour représenter les impacts des événements imprévus et pour générer ces itinéraires. La solution obtenue est généralement fractionnaire et un algorithme de branch-and-price est utilisé pour trouver des solutions entières. Plusieurs scénarios de perturbation ont été développés pour tester l’approche proposée sur des études de cas provenant de l’industrie forestière canadienne et les résultats numériques sont présentés pour les trois contextes.

Development of Planning And Evaluation Models For Superstreets

Despite the extensive implementation of Superstreets on congested arterials, reliable methodologies for such designs remain unavailable. The purpose of this research is to fill the information gap by offering reliable tools to assist traffic professionals in the design of Superstreets with and without signal control. The entire tool developed in this thesis consists of three models. The first model is used to determine the minimum U-turn offset length for an Un-signalized Superstreet, given the arterial headway distribution of the traffic flows and the distribution of critical gaps among drivers. The second model is designed to estimate the queue size and its variation on each critical link in a signalized Superstreet, based on the given signal plan and the range of observed volumes. Recognizing that the operational performance of a Superstreet cannot be achieved without an effective signal plan, the third model is developed to produce a signal optimization method that can generate progression offsets for heavy arterial flows moving into and out of such an intersection design.

A maintenance-data-model of enterprise resource planning

Two distinct maintenance-data-models are studied: a government Enterprise Resource Planning (ERP) maintenance-data-model, and the Software Engineering Industries (SEI) maintenance-data-model. The objective is to: (i) determine whether the SEI maintenance-data-model is sufficient in the context of ERP (by comparing with an ERP case), (ii) identify whether the ERP maintenance-data-model in this study has adequately captured the essential and common maintenance attributes (by comparing with the SEI), and (iii) proposed a new ERP maintenance-data-model as necessary. Our findings suggest that: (i) there are variations to the SEI model in an ERP-context, and (ii) there are rooms for improvements in our ERP case’s maintenance-data-model. Thus, a new ERP maintenance-data-model capturing the fundamental ERP maintenance attributes is proposed. This model is imperative for: (i) enhancing the reporting and visibility of maintenance activities, (ii) monitoring of the maintenance problems, resolutions and performance, and (iii) helping maintenance manager to better manage maintenance activities and make well-informed maintenance decisions.

Supporting pre-tender construction planning with virtual prototyping

Purpose – Virtual prototyping technologies linked to building information models are commonplace within the aeronautical and automotive industries. Their use within the construction industry is now emerging. The purpose of this paper is to show how these technologies have been adopted on the pre-tender planning for a typical construction project. Design/methodology/approach – The research methodology taken was an “action research” approach where the researchers and developers were actively involved in the production of the virtual prototypes on behalf of the contractor thereby gaining consistent access to the decisions of the planning staff. The experiences from the case study were considered together with similar research on other construction projects. Findings – The findings from the case studies identify the role of virtual prototyping in components modelling, site modelling, construction equipment modelling, temporary works modelling, construction method visualization and method verification processes. Originality/value – The paper presents a state-of-the-art review and discusses the implications for the tendering process as these technologies are adopted. The adoption of the technologies will lead to new protocols and changes in the procurement of buildings and infrastructure.

Initial steps in optimal planning of a distribution system

This paper reports the initial steps of research on planning of rural networks for MV and LV. In this paper, two different cases are studied. In the first case, 100 loads are distributed uniformly on a 100 km transmission line in a distribution network and in the second case, the load structure become closer to the rural situation. In case 2, 21 loads are located in a distribution system so that their distance is increasing, distance between load 1 and 2 is 3 km, between 2 and 3 is 6 km, etc). These two models to some extent represent the distribution system in urban and rural areas, respectively. The objective function for the design of the optimal system consists of three main parts: cost of transformers, and MV and LV conductors. The bus voltage is expressed as a constraint and should be maintained within a standard level, rising or falling by no more than 5%.

Optimizing construction planning schedules by virtual prototyping enabled resource analysis

The inherent uncertainty and complexity of construction work make construction planning a particularly difficult task for project managers due to the need to anticipate and visualize likely future events. Conventional computer-assisted technology can help but is often limited to the constructability issues involved. Virtual prototyping, however, offers an improved method through the visualization of construction activities by computer simulation — enabling a range of ‘what-if’ questions to be asked and their implications on the total project to be investigated. This paper describes the use of virtual prototyping to optimize construction planning schedules by analyzing resource allocation and planning with integrated construction models, resource models, construction planning schedules and site-layout plans. A real-life case study is presented that demonstrates the use of a virtual prototyping enabled resource analysis to reallocate space, logistic on access road and arrange tower cranes to achieve a 6-day floor construction cycle.

The carrying capacity imperative : assessing regional carrying capacity methodologies for sustainable land-use planning

The global impact of an ever-increasing population-base combined with dangerously depleted natural resources highlights the urgent need for changes in human lifestyles and land-use patterns. To achieve more equitable and sustainable land use, it is imperative that populations live within the carrying capacity of their natural assets in a manner more accountable to and ethically responsible for the land which sustains them. Our society’s very survival may well depend on worldwide acceptance of the carrying capacity imperative as a principle of personal, political, economic, educational and planning responsibility. This theoretically-focused research identifies, examines and compares a range of methodological approaches to carrying capacity assessment and considers their relevance to future spatial planning. It also addresses existing gaps in current methodologies and suggests avenues for improvement. A set of eleven key criteria are employed to compare various existing carrying capacity assessment models. These criteria include whole-systems analysis, dynamic responses, levels of impact and risk, systemic constraints, applicability to future planning and the consideration of regional and local boundary delineation. This research finds that while some existing methodologies offer significant insights into the assessment of population carrying capacities, a comprehensive model is yet to be developed. However, it is suggested that by combining successful components from various authors, and collecting a range of interconnected data, a practical and workable systems-based model may be achievable in the future.

The carrying capacity imperative : assessing regional carrying capacity methodologies for sustainable land-use planning

While some existing carrying capacity methodologies offer significant insights into the assessment of population carrying capacities, a comprehensive model is yet to be developed. This research identifies, examines and compares a range of methodological approaches to carrying capacity assessment and considers their relevance to future spatial planning. A range of key criteria are employed to compare various existing carrying capacity assessment models. These criteria include integrated systems analysis, dynamic responses, levels of risk, systemic constraints, applicability to future planning and the consideration of regional boundary delineation. It is suggested that by combining successful components from various authors, and collecting a range of interconnected data, a practical and workable system-based model may be achievable in the future.

Validation of FHWA crash models for rural intersections - Lessons learned

A national-level safety analysis tool is needed to complement existing analytical tools for assessment of the safety impacts of roadway design alternatives. FHWA has sponsored the development of the Interactive Highway Safety Design Model (IHSDM), which is roadway design and redesign software that estimates the safety effects of alternative designs. Considering the importance of IHSDM in shaping the future of safety-related transportation investment decisions, FHWA justifiably sponsored research with the sole intent of independently validating some of the statistical models and algorithms in IHSDM. Statistical model validation aims to accomplish many important tasks, including (a) assessment of the logical defensibility of proposed models, (b) assessment of the transferability of models over future time periods and across different geographic locations, and (c) identification of areas in which future model improvements should be made. These three activities are reported for five proposed types of rural intersection crash prediction models. The internal validation of the model revealed that the crash models potentially suffer from omitted variables that affect safety, site selection and countermeasure selection bias, poorly measured and surrogate variables, and misspecification of model functional forms. The external validation indicated the inability of models to perform on par with model estimation performance. Recommendations for improving the state of the practice from this research include the systematic conduct of carefully designed before-and-after studies, improvements in data standardization and collection practices, and the development of analytical methods to combine the results of before-and-after studies with cross-sectional studies in a meaningful and useful way.

Important omitted spatial variables in safety models: Understanding contributing crash causes at intersections

Advances in safety research—trying to improve the collective understanding of motor vehicle crash causation—rests upon the pursuit of numerous lines of inquiry. The research community has focused on analytical methods development (negative binomial specifications, simultaneous equations, etc.), on better experimental designs (before-after studies, comparison sites, etc.), on improving exposure measures, and on model specification improvements (additive terms, non-linear relations, etc.). One might think of different lines of inquiry in terms of ‘low lying fruit’—areas of inquiry that might provide significant improvements in understanding crash causation. It is the contention of this research that omitted variable bias caused by the exclusion of important variables is an important line of inquiry in safety research. In particular, spatially related variables are often difficult to collect and omitted from crash models—but offer significant ability to better understand contributing factors to crashes. This study—believed to represent a unique contribution to the safety literature—develops and examines the role of a sizeable set of spatial variables in intersection crash occurrence. In addition to commonly considered traffic and geometric variables, examined spatial factors include local influences of weather, sun glare, proximity to drinking establishments, and proximity to schools. The results indicate that inclusion of these factors results in significant improvement in model explanatory power, and the results also generally agree with expectation. The research illuminates the importance of spatial variables in safety research and also the negative consequences of their omissions.

Forecasting crashes at the planning level: Simultaneous negative binomial crash model applied in Tucson, Arizona

At least two important transportation planning activities rely on planning-level crash prediction models. One is motivated by the Transportation Equity Act for the 21st Century, which requires departments of transportation and metropolitan planning organizations to consider safety explicitly in the transportation planning process. The second could arise from a need for state agencies to establish incentive programs to reduce injuries and save lives. Both applications require a forecast of safety for a future period. Planning-level crash prediction models for the Tucson, Arizona, metropolitan region are presented to demonstrate the feasibility of such models. Data were separated into fatal, injury, and property-damage crashes. To accommodate overdispersion in the data, negative binomial regression models were applied. To accommodate the simultaneity of fatality and injury crash outcomes, simultaneous estimation of the models was conducted. All models produce crash forecasts at the traffic analysis zone level. Statistically significant (p-values < 0.05) and theoretically meaningful variables for the fatal crash model included population density, persons 17 years old or younger as a percentage of the total population, and intersection density. Significant variables for the injury and property-damage crash models were population density, number of employees, intersections density, percentage of miles of principal arterial, percentage of miles of minor arterials, and percentage of miles of urban collectors. Among several conclusions it is suggested that planning-level safety models are feasible and may play a role in future planning activities. However, caution must be exercised with such models.