Optimum network design using NOR and NOR-AND gates by integer programming,

Bibliography: p. 44.

Enabling long journeys in electric vehicles:design and demonstration of an infrastructure location model

This research develops a methodology and model formulation which suggests locations for rapid chargers to help assist infrastructure development and enable greater battery electric vehicle (BEV) usage. The model considers the likely travel patterns of BEVs and their subsequent charging demands across a large road network, where no prior candidate site information is required. Using a GIS-based methodology, polygons are constructed which represent the charging demand zones for particular routes across a real-world road network. The use of polygons allows the maximum number of charging combinations to be considered whilst limiting the input intensity needed for the model. Further polygons are added to represent deviation possibilities, meaning that placement of charge points away from the shortest path is possible, given a penalty function. A validation of the model is carried out by assessing the expected demand at current rapid charging locations and comparing to recorded empirical usage data. Results suggest that the developed model provides a good approximation to real world observations, and that for the provision of charging, location matters. The model is also implemented where no prior candidate site information is required. As such, locations are chosen based on the weighted overlay between several different routes where BEV journeys may be expected. In doing so many locations, or types of locations, could be compared against one another and then analysed in relation to siting practicalities, such as cost, land permission and infrastructure availability. Results show that efficient facility location, given numerous siting possibilities across a large road network can be achieved. Slight improvements to the standard greedy adding technique are made by adding combination weightings which aim to reward important long distance routes that require more than one charge to complete.

Distribution network design and optimization

The objective of this thesis is to examine distribution network designs and modeling practices and create a framework to identify best possible distribution network structure for the case company. The main research question therefore is: How to optimize case company’s distribution network in terms of customer needs and costs? Theory chapters introduce the basic building blocks of the distribution network design and needed calculation methods and models. Framework for the distribution network projects was created based on the theory and the case study was carried out by following the defined framework. Distribution network calculations were based on the company’s sales plan for the years 2014 - 2020. Main conclusions and recommendations were that the new Asian business strategy requires high investments in logistics and the first step is to open new satellite DC in China as soon as possible to support sales and second possible step is to open regional DC in Asia within 2 - 4 years.

Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.

Parallel metaheuristics for stochastic capacitated multicommodity network design

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

Logistics Network Design with Differentiated Delivery Lead-Time: Benefits and Insights

Most logistics network design models assume exogenous customer demand that is independent of the service time or level. This paper examines the benefits of segmenting demand according to lead-time sensitivity of customers. To capture lead-time sensitivity in the network design model, we use a facility grouping method to ensure that the different demand classes are satisfied on time. In addition, we perform a series of computational experiments to develop a set of managerial insights for the network design decision making process.

Avian mortalities due to transmission line collisions: a review of current estimates and field methods with an emphasis on applications to the Canadian electric network

Birds are vulnerable to collisions with human-made fixed structures. Despite ongoing development and increases in infrastructure, we have few estimates of the magnitude of collision mortality. We reviewed the existing literature on avian mortality associated with transmission lines and derived an initial estimate for Canada. Estimating mortality from collisions with power lines is challenging due to the lack of studies, especially from sites within Canada, and due to uncertainty about the magnitude of detection biases. Detection of bird collisions with transmission lines varies due to habitat type, species size, and scavenging rates. In addition, birds can be crippled by the impact and subsequently die, although crippling rates are poorly known and rarely incorporated into estimates. We used existing data to derive a range of estimates of avian mortality associated with collisions with transmission lines in Canada by incorporating detection, scavenging, and crippling biases. There are 231,966 km of transmission lines across Canada, mostly in the boreal forest. Mortality estimates ranged from 1 million to 229.5 million birds per year, depending on the bias corrections applied. We consider our most realistic estimate, taking into account variation in risk across Canada, to range from 2.5 million to 25.6 million birds killed per year. Data from multiple studies across Canada and the northern U.S. indicate that the most vulnerable bird groups are (1) waterfowl, (2) grebes, (3) shorebirds, and (4) cranes, which is consistent with other studies. Populations of several groups that are vulnerable to collisions are increasing across Canada (e.g., waterfowl, raptors), which suggests that collision mortality, at current levels, is not limiting population growth. However, there may be impacts on other declining species, such as shorebirds and some species at risk, including Alberta’s Trumpeter Swans (Cygnus buccinator) and western Canada’s endangered Whooping Cranes (Grus americana). Collisions may be more common during migration, which underscores the need to understand impacts across the annual cycle. We emphasize that these estimates are preliminary, especially considering the absence of Canadian studies.

Power distribution network design aided by an expert system

The next couple of years will see the need for replacement of a large amount of life-expired switchgear on the UK 11 kV distribution system. Latest technology and alternative equipment have made the choice of replacement a complex task. The authors present an expert system as an aid to the decision process for the design of the 11 kV power distribution network.

Two-level network design with intermediate facilities: An application to electrical distribution systems

We consider the two-level network design problem with intermediate facilities. This problem consists of designing a minimum cost network respecting some requirements, usually described in terms of the network topology or in terms of a desired flow of commodities between source and destination vertices. Each selected link must receive one of two types of edge facilities and the connection of different edge facilities requires a costly and capacitated vertex facility. We propose a hybrid decomposition approach which heuristically obtains tentative solutions for the vertex facilities number and location and use these solutions to limit the computational burden of a branch-and-cut algorithm. We test our method on instances of the power system secondary distribution network design problem. The results show that the method is efficient both in terms of solution quality and computational times. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Benders, metric and cutset inequalities for multicommodity capacitated network design

Solving multicommodity capacitated network design problems is a hard task that requires the use of several strategies like relaxing some constraints and strengthening the model with valid inequalities. In this paper, we compare three sets of inequalities that have been widely used in this context: Benders, metric and cutset inequalities. We show that Benders inequalities associated to extreme rays are metric inequalities. We also show how to strengthen Benders inequalities associated to non-extreme rays to obtain metric inequalities. We show that cutset inequalities are Benders inequalities, but not necessarily metric inequalities. We give a necessary and sufficient condition for a cutset inequality to be a metric inequality. Computational experiments show the effectiveness of strengthening Benders and cutset inequalities to obtain metric inequalities.

Multi-Objective Pipe Smoothing Genetic Algorithm For Water Distribution Network Design

This paper describes the formulation of a Multi-objective Pipe Smoothing Genetic Algorithm (MOPSGA) and its application to the least cost water distribution network design problem. Evolutionary Algorithms have been widely utilised for the optimisation of both theoretical and real-world non-linear optimisation problems, including water system design and maintenance problems. In this work we present a pipe smoothing based approach to the creation and mutation of chromosomes which utilises engineering expertise with the view to increasing the performance of the algorithm whilst promoting engineering feasibility within the population of solutions. MOPSGA is based upon the standard Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) and incorporates a modified population initialiser and mutation operator which directly targets elements of a network with the aim to increase network smoothness (in terms of progression from one diameter to the next) using network element awareness and an elementary heuristic. The pipe smoothing heuristic used in this algorithm is based upon a fundamental principle employed by water system engineers when designing water distribution pipe networks where the diameter of any pipe is never greater than the sum of the diameters of the pipes directly upstream resulting in the transition from large to small diameters from source to the extremities of the network. MOPSGA is assessed on a number of water distribution network benchmarks from the literature including some real-world based, large scale systems. The performance of MOPSGA is directly compared to that of NSGA-II with regard to solution quality, engineering feasibility (network smoothness) and computational efficiency. MOPSGA is shown to promote both engineering and hydraulic feasibility whilst attaining good infrastructure costs compared to NSGA-II.

Substitution-newton-Raphson method for the solution of electric network equations

The power flow problem, in transmission networks, has been well solved, for most cases, using Newton-Raphson method (NR) and its decoupled versions. Generally speaking, the solution of a non-linear system of equations refers to two methods: NR and Successive Substitution. The proposal of this paper is to evaluate the potential of the Substitution-Newton-Raphson Method (SNR), which combines both methods, on the solution of the power flow problem. Simulations were performed using a two-bus test network in order to observe the characteristics of these methods. It was verified that the NR is faster than SNR, in terms of convergence, considering non-stressed scenarios. For those cases where the power flow in the network is closed to the limits (stressed system), the SNR converges faster. This paper presents the power flow formulation of the SNR and describes its potential for its application in special cases such as stressed scenarios. © 2006 IEEE.

Two-level network design with intermediate facilities: An application to electrical distribution systems

We consider the two-level network design problem with intermediate facilities. This problem consists of designing a minimum cost network respecting some requirements, usually described in terms of the network topology or in terms of a desired flow of commodities between source and destination vertices. Each selected link must receive one of two types of edge facilities and the connection of different edge facilities requires a costly and capacitated vertex facility. We propose a hybrid decomposition approach which heuristically obtains tentative solutions for the vertex facilities number and location and use these solutions to limit the computational burden of a branch-and-cut algorithm. We test our method on instances of the power system secondary distribution network design problem. The results show that the method is efficient both in terms of solution quality and computational times. © 2010 Elsevier Ltd.