The open capacitated arc routing problem

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

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.

Cut-first branch-and-price-second for the capacitated arc-routing problem

This paper presents the first full-fledged branch-and-price (bap) algorithm for the capacitated arc-routing problem (CARP). Prior exact solution techniques either rely on cutting planes or the transformation of the CARP into a node-routing problem. The drawbacks are either models with inherent symmetry, dense underlying networks, or a formulation where edge flows in a potential solution do not allow the reconstruction of unique CARP tours. The proposed algorithm circumvents all these drawbacks by taking the beneficial ingredients from existing CARP methods and combining them in a new way. The first step is the solution of the one-index formulation of the CARP in order to produce strong cuts and an excellent lower bound. It is known that this bound is typically stronger than relaxations of a pure set-partitioning CARP model.rnSuch a set-partitioning master program results from a Dantzig-Wolfe decomposition. In the second phase, the master program is initialized with the strong cuts, CARP tours are iteratively generated by a pricing procedure, and branching is required to produce integer solutions. This is a cut-first bap-second algorithm and its main function is, in fact, the splitting of edge flows into unique CARP tours.

On arc-routing problems

Das Basisproblem von Arc-Routing Problemen mit mehreren Fahrzeugen ist das Capacitated Arc-Routing Problem (CARP). Praktische Anwendungen des CARP sind z.B. in den Bereichen Müllabfuhr und Briefzustellung zu finden. Das Ziel ist es, einen kostenminimalen Tourenplan zu berechnen, bei dem alle erforderlichen Kanten bedient werden und gleichzeitig die Fahrzeugkapazität eingehalten wird. In der vorliegenden Arbeit wird ein Cut-First Branch-and-Price Second Verfahren entwickelt. In der ersten Phase werden Schnittebenen generiert, die dem Master Problem in der zweiten Phase hinzugefügt werden. Das Subproblem ist ein kürzeste Wege Problem mit Ressourcen und wird gelöst um neue Spalten für das Master Problem zu liefern. Ganzzahlige CARP Lösungen werden durch ein neues hierarchisches Branching-Schema garantiert. Umfassende Rechenstudien zeigen die Effektivität dieses Algorithmus. Kombinierte Standort- und Arc-Routing Probleme ermöglichen eine realistischere Modellierung von Zustellvarianten bei der Briefzustellung. In dieser Arbeit werden jeweils zwei mathematische Modelle für Park and Loop und Park and Loop with Curbline vorgestellt. Die Modelle für das jeweilige Problem unterscheiden sich darin, wie zulässige Transfer Routen modelliert werden. Während der erste Modelltyp Subtour-Eliminationsbedingungen verwendet, werden bei dem zweiten Modelltyp Flussvariablen und Flusserhaltungsbedingungen eingesetzt. Die Rechenstudie zeigt, dass ein MIP-Solver den zweiten Modelltyp oft in kürzerer Rechenzeit lösen kann oder bei Erreichen des Zeitlimits bessere Zielfunktionswerte liefert.

Vehicle Routing Problem with Load Compatibility Constraints

The major contribution of this paper is to introduce load compatibility constraints in the mathematical model for the capacitated vehicle routing problem with pickup and deliveries. The employee transportation problem in the Indian call centers and transportation of hazardous materials provided the motivation for this variation. In this paper we develop a integer programming model for the vehicle routing problem with load compatibility constraints. Specifically two types of load compatability constraints are introduced, namely mutual exclusion and conditional exclusion. The model is demonstrated with an application from the employee transportation problem in the Indian call centers.

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.

Multilevel refinement for the vehicle routing problem

Multilevel approaches to computational problems are pervasive across many areas of applied mathematics and scientific computing. The multilevel paradigm uses recursive coarsening to create a hierarchy of approximations to the original problem, then an initial solution is found for the coarsest problem and iteratively refined and improved at each level, coarsest to finest. The solution process is aided by the global perspective (or `global view') imparted to the optimisation by the coarsening. This paper looks at their application to the Vehicle Routing Problem.

Multilevel refinement strategies for the capacity vehicle routing problem

We discuss the application of the multilevel (ML) refinement technique to the Vehicle Routing Problem (VRP), and compare it to its single-level (SL) counterpart. Multilevel refinement recursively coarsens to create a hierarchy of approximations to the problem and refines at each level. A SL algorithm, which uses a combination of standard VRP heuristics, is developed first to solve instances of the VRP. A ML version, which extends the global view of these heuristics, is then created, using variants of the construction and improvement heuristics at each level. Finally some multilevel enhancements are developed. Experimentation is used to find suitable parameter settings and the final version is tested on two well-known VRP benchmark suites. Results comparing both SL and ML algorithms are presented.

The application of multilevel refinement to the vehicle routing problem

We discuss the application of the multilevel (ML) refinement technique to the Vehicle Routing Problem (VRP), and compare it to its single-level (SL) counterpart. Multilevel refinement recursively coarsens to create a hierarchy of approximations to the problem and refines at each level. A SL heuristic, termed the combined node-exchange composite heuristic (CNCH), is developed first to solve instances of the VRP. A ML version (the ML-CNCH) is then created, using the construction and improvement heuristics of the CNCH at each level. Experimentation is used to find a suitable combination, which extends the global view of these heuristics. Results comparing both SL and ML are presented.

Waste collection routing-limited multiple landfills and heterogeneous fleet

This article deals with a real-life waste collection routing problem. To efficiently plan waste collection, large municipalities may be partitioned into convenient sectors and only then can routing problems be solved in each sector. Three diverse situations are described, resulting in three different new models. In the first situation, there is a single point of waste disposal from where the vehicles depart and to where they return. The vehicle fleet comprises three types of collection vehicles. In the second, the garage does not match any of the points of disposal. The vehicle is unique and the points of disposal (landfills or transfer stations) may have limitations in terms of the number of visits per day. In the third situation, disposal points are multiple (they do not coincide with the garage), they are limited in the number of visits, and the fleet is composed of two types of vehicles. Computational results based not only on instances adapted from the literature but also on real cases are presented and analyzed. In particular, the results also show the effectiveness of combining sectorization and routing to solve waste collection problems.

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].

A heuristic algorithm for the Capacitated Vehicle Routing Problem with Synchronized Pick-ups and Drop-offs : a case study for medications delivery and supervision in DR Congo

Dans des contextes de post-urgence tels que le vit la partie occidentale de la République Démocratique du Congo (RDC), l’un des défis cruciaux auxquels font face les hôpitaux ruraux est de maintenir un niveau de médicaments essentiels dans la pharmacie. Sans ces médicaments pour traiter les maladies graves, l’impact sur la santé de la population est significatif. Les hôpitaux encourent également des pertes financières dues à la péremption lorsque trop de médicaments sont commandés. De plus, les coûts du transport des médicaments ainsi que du superviseur sont très élevés pour les hôpitaux isolés ; les coûts du transport peuvent à eux seuls dépasser ceux des médicaments. En utilisant la province du Bandundu, RDC pour une étude de cas, notre recherche tente de déterminer la faisabilité (en termes et de la complexité du problème et des économies potentielles) d’un problème de routage synchronisé pour la livraison de médicaments et pour les visites de supervision. Nous proposons une formulation du problème de tournées de véhicules avec capacité limitée qui gère plusieurs exigences nouvelles, soit la synchronisation des activités, la préséance et deux fréquences d’activités. Nous mettons en œuvre une heuristique « cluster first, route second » avec une base de données géospatiales qui permet de résoudre le problème. Nous présentons également un outil Internet qui permet de visualiser les solutions sur des cartes. Les résultats préliminaires de notre étude suggèrent qu’une solution synchronisée pourrait offrir la possibilité aux hôpitaux ruraux d’augmenter l’accessibilité des services médicaux aux populations rurales avec une augmentation modique du coût de transport actuel.