Planning and optimization methods for advanced urban logistics systems at tactical level
Simona Mancini1, Jesus Gonzalez-Feliu2, Teodor Gabriel Crainic3
- Dipartimento di Automatica ed Informatica, Politecnico di Torino, Turin, Italy
- Laboratoire drsquo;Economie des Transports, CNRS, Lyon, France
- Deacute;partement de Management et Technologie, ESG-UQAM and CIRRELT, Montreacute;al, Canada
Abstract This chapter aims to review and present the main combinatorial opti-mization problems recently introduced in literature, arising in urban logistics, in which distribution systems are involved as well as to make a critical analysis of the economic and environmental advantages obtained by following this kind of approaches. First we present the different categories of systems where, due to geographic or political constraints, there are access limitations to customersrsquo; area for vehicles which do not respect given requirements. Second, the main definitions and characteristics of advanced consolidation systems are presented. Third, the main combinatorial optimization problems associated to such systems are present-ed, as well as the main heuristics methods to solve them. Finally, to complete this study, a socio-economic analysis based on a set of interviews is proposed.
Keywords: Urban logistics, freight distribution, cross-docking, combinatorial optimization, tactical planning
1 Introduction
The sudden change of habits in the modern society, the advance of progress, the achievement of welfare and prosperity and a frenzy increase of life rhythms yielded to the need of finding new solutions for the management of freight distri-bution to reach a higher level of efficiency (Mancini, 2013a). This goal may be achieved through a better exploitation of presently available resources, a clever planning of the whole distribution process, a smart network design and a strictly collaboration among shipping companies. Such kind of approach implies the con-solidation of loads of different shippers and carriers on the same vehicle, or, more generally, on the same service, and an efficient coordination of the resulting trans-portation activities. One of the most efficient ways to implement goods consolida-
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tion is to adopt multi-stage LTL transport systems (Gonzalez-Feliu, 2012a), which allow to split the transportation chains in different legs, in each one of which, goods are consolidated at facilities, where they are sorted and carried on other vehicles which perform the delivery to the customers or to another set of facilities.
The specificities of the last mile of the supply chains (mainly LTL transporta-tion, with less optimized vehicles and confronted in many cases to big constraints and unexpected events related to the congestion of urban and peri-urban infra-structures) and the increase of customer satisfaction approaches in supply chain management make important to relate the quality to the logistics costs, making the economic aspects of the last mile an important component of supply chain design. In this context, the new advances in technologies have been a positive factor for the development of new markets and new consumer needs: the growth of e-commerce and postal shopping, as well as the pace of life, have reinforced the importance of “just in time” policies in freight distribution. Moreover, the service quality of a transportation carrier is often related to travel time, and can vary ac-cording to both socio-economics and trip characteristics. The total travel time of a vehicle trip depends on several aspects, like actual travel time, waiting and access time, congestion, deadlines or service features, etc. In addition, the new con-straints of the generalised economic and financial crisis make a readjustment on the freight transportation strategies that have to be included in the main logistics tactical decisions. For these reasons, it is important for a distribution system to ensure the efficiency while maintaining a service quality defined by the time win-dows or other quality indices. For this reason, after defining the system, it is im-portant to ensure that in a middle term period, the system is well-managed and controlled. To do this, a several methods from the operations research and combi-natorial optimization can be defined (Crainic and Laporte, 1997).
The aim of this chapter is to propose a guide for researchers and practitioners on the main methods related to tactical planning in urban logistics. Two main families of problems will be addressed: vehicle routing with time windows and multi-stage vehicle routing. The chapter is organised as follows. Next section provides a brief background of freight transportation problems in urban logistics and motivates the aim and scope of the chapter. After that, a focus on two-stage VRP will be made, presenting the main issues, problems and variants. Finally, a qualitative analysis on the development of such systems will be carried out.
2 Urban consolidation and City Logistics systems
Urban logistics involves different stakeholders, like retailers and other urban commercial and service premises, wholesalers and distribution companies, transport and logistics carriers, public administrations and real estate actors among others (Ambrosini and Routhier, 2004). In order to deal with city logistics objec-tives (i.e. reduce congestion and environmental nuisances related to urban freight
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distribution without penalizing urban premises and inhabitants), several solutions and actions can be applied. Different types of actions can be defined in literature (Munuzuri et al., 2005; Benjelloun et al., 2010; Russo and Com
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先进城市物流系统的战术规划与优化方法
西蒙娜·曼奇尼1，耶稣·冈萨雷斯-费留2，特奥多·加布里埃尔·克雷恩奇3
1 意大利都灵理工学院自动化信息学院
2 法国里昂CNRS经济运输实验室
3 ESG-UQAM和CIRRELT管理与技术部，加拿大蒙特利尔
摘要本章旨在回顾和介绍最近在文献中出现过的物流优化问题，这些问题是由城市物流引起的，涉及物流系统，并对采用这种物流方法获得的经济和环境优势进行了批判性分析。首先，我们介绍了不同类别的系统，由于地理或政治限制，对于不符合给定要求的车辆，客户区域存在访问限制。其次，介绍了高级整合系统的主要定义和特征。第三，介绍了与此类系统相关的主要组合优化问题，以及解决这些问题的主要启发式方法。最后，为了完成这项研究，我们提出了一套基于访谈的社会经济分析。
关键字：城市物流，货运，交叉对接，组合优化，战术规划
1 引言
现代社会习惯的突然改变，进程的进步，福利和繁荣的实现以及生活节奏的疯狂加速，导致需要寻找新的解决方案来管理货运分配以达到更高的水平。（Mancini，2013a）。可以通过更好地利用当前可用资源，对整个分配过程进行明智的计划，智能网络设计以及船运公司之间的严格协作来实现此目标。这种方法意味着不同的托运人和承运人的货物在同一辆车上，或者更普遍地说，在同一种服务上，以及由此产生的运输活动的有效协调。实现商品整合最有效的方法之一是采用多级LTL运输系统(Gonzalez-Feliu,2012a),它能够将运输链在不同的分支的每一个的货物合并在设施上,将其排序并进行其他车辆执行交付到客户或另一套设备。
供应链最后一公里的特点（主要是零担运输，车辆优化程度较低，在许多情况下都面临着与城市和郊区基础设施拥堵有关的巨大制约因素和突发事件），以及供应链管理中的客户满意度方法对于将质量与物流成本相关联非常重要，因此最后一英里的经济方面成为供应链设计的重要组成部分。在这种情况下，技术的新进步已成为开发新市场和新消费者需求的积极因素：电子商务和邮政购物的增长以及人们的生活节奏，增强了“及时”的重要性。此外，运输承运人的服务质量通常与出行时间有关，并且会根据社会经济因素和出行特征而有所不同。车辆旅行的总旅行时间取决于几个方面，例如实际旅行时间，等待和上车时间，交通拥堵，截止日期或服务功能等。此外，在经济和金融危机的新形势下，必须将货运战略纳入主要的物流战术决策中。由于这个原因，在定义了系统之后，确保在中期期间系统得到良好的管理和控制是非常重要的。要做到这一点，可以定义运筹学和公司-自然优化的几种方法(Crainic和Laporte,1997)。
本章的目的是为研究者和实践者提供一个关于城市物流中战术规划的主要方法的指南。将讨论两大类问题:具有时间窗的车辆路径选择和多阶段车辆路径选择。本章的组织如下。下一节简要介绍了城市物流中货物运输问题的背景，激发了本章的目的和范围。在此之后，将重点讨论两阶段VRP，介绍主要问题、问题和变体。最后，将对这些系统的发展进行定性分析。
2 城市整合和城市物流系统
城市物流涉及不同的利益相关者，如零售商和其他城市商业和服务场所，批发商和分销公司，运输和物流承运人，公共行政和房地产参与者等(Ambrosini和routier,2004)。为了处理城市物流目标(即在不惩罚城市场所和居民的情况下减少与城市货运分配有关的拥堵和环境污染)，可以应用几种解决方案和行动。在文献中可以定义不同类型的行为(Munuzuri等人，2005;Benjelloun等人，2010;Russo和Comi,2010;Ville等人，2012);我们可以把它们分为三大类:
- 与公共当局有关的政策和规划行动
- 组织行为
- 技术操作
根据Gonzalez-Feliu等人(2012a)的研究，所有三种运动类型的结合可以有效地减少旅行距离，从而减少交通和环境污染。然而，我们从他们的结果中观察到，每个人的影响是不一样的。换句话说，如果没有组织上的变化，其他两种分类对减少拥堵或将问题转移到城市的其他区域的影响都是有限的。所以需要创新的组织策略和模式,提高货物运输效率(重要的托运人,接收器和运输和物流运营商),减少车辆流动和类型(重要的公共部门和公民)与环境问题(大多数利益相关者涉及但公共当局更明智的)。我们必须注意到，这些组织变革必须在不惩罚城市经济活动和确保与城市物流相关的不同利益相关者的参与的情况下进行。城市物流为运筹学、管理学和组合优化提供了巨大的挑战和机遇，尤其是在车辆路径和车队管理方面。
由于减少车辆数量并提高其装载率的最有效方法之一是商品聚集，因此城市整合已成为城市物流的支柱之一。由于减少车辆数量和提高车辆装载率的最有效方法之一是商品集合体，城市集合体已成为城市物流的支柱之一。整合可以发生在城市供应链的不同阶段(Danielis等人，2013;和使用不同的城市物流设施存在于城市地区(Boudouin等人，2013)。虽然可以定义不同的整合形式，但我们关注的是多参与者方法，即不同参与者将货运带到整合平台的方案，主要是在城市周边，从那里将商品运输到城市内的客户(Crainic等人，2012)。这种方案的基本思想是基于这样一个事实，即考虑船舶、承运人、车辆和收货人不是单独的，而是作为一个综合物流系统的组成部分(Crainic,2008)。然后，需要在物流联营计划中整合船舶(Gonzalez-Feliu和Morana,2011)，以便为不同的客户提供更好的负载、更节能、更少的道路占用率影响，并最终实现绿色交通工具。要做到这一点，重要的是确保货物、承运人和收货人进入需要被公共和私人利益相关者接受的协同运输系统的协调(Morana等人，2013)。
最受欢迎的例子,这样的系统是城市的配送中心,也被称为城市整合或配送中心(Boudouin等人,2013),这是由艾伦等人(2007)定义为“一个物流设施位于相对接近的地理区域,它(的城市中心,整个城市或一个特定的网站如购物中心),而许多物流公司送货的区域,综合配送在该区域内进行，在该区域内可以提供一系列其他增值物流和零售服务”。这些城市航站楼出现于20世纪90年代，当时有100多个，但它们遇到了一些困难，这些困难涉及在没有公共资金支持的情况下确保经济平衡的困难，以及市政当局不愿继续补贴它们(Ville等人，2012)。如今，欧洲此类真正重要的整合终端还不到20个，尤其是意大利(Morana等人，2013)，日本不到5个(Dablanc,2010)。
UCC也称为城市配送中心（CDC，vanDuin等，2008）或城市配送中心（UDC，Boudouin等，2013）。尽管许多配送公司和物流服务提供商可以使用一些设施，在配送之前先对货物进行合并，但并没有明确定义和发展涉及不同公司的城市合并中心，有时甚至在竞争中也是如此。除了高效利用这些设施可以改变人们的生活习惯和现有的组织结构(这对一些运营商来说并不容易)之外，这类平台的可能位置并不属于大量的备选方案。事实上，就房地产价格而言，城市中心是昂贵的，物流活动参与了这个大都市的周边地区（DablancandRakotonarivo，2010; Adriankaja，2012年）。这一事实也涉及现有的平台形式，将适应成为城市合并设施。在实践中，最常见的UCC位于多式联运平台、物流中心或以前的批发设施，这些设施经过改造，增强了功能，在市区内提供协调和高效的货物运输。它们也可以是码头的一部分(主要是海上或河流港口、机场和火车站)。然而，这些设施通常位于城市郊区(Gonzalez-Feliu和Morana,2010)，靠近高速公路。在任何情况下，大多数UCC都是经过改造的设施，而不是最初为城市物流建造的。
从这些设施可以定义不同的分配方案。它们可以分为两大类(Benjelloun等人，2010):单层系统源于使用LTL方案将客户从UCCs交付给直接发货;两层系统旨在通过将装载良好的中型车辆发送的货物分组到呼叫卫星的交叉对接平台上，然后由小型车辆通过卫星为客户提供服务，从而更好地理顺物流。
2.1 单层分配系统
单层配送系统是将客户从区域物流平台交付给客户的最常见策略。在这样的系统中，在城市整合平台上，货物被整合，然后一套直接的航运路线被规划为服务于城市中心的客户，由在城市整合设施中开始和结束的车辆运营旅游(Crainic等人，2012)。战术规划问题相关的直接航运计划使用LTL路线是很好的研究文献(托特和Vigo,2002;Cordeau等，2007;Golden等人，2008)。
如在不同的作品(冈萨雷斯-费利乌和莫拉娜，2010;Trentini和Malhene,2010;Allen等人，2012;Crainic等人，2012;Ville等人，2012;(Morana等人，2013)，城市整合平台通常出现在中小城市，经济运营方案一般与领域的具体背景相关。
2.2 两层配电系统
两级系统(Crainic等人,2004、2009、2010)主要是计划在大城市,基于所谓的整合分销渠道策略,它使用一个第二阶段的设施和不同车队为了避免大型汽车在市中心,这样减少空行程的数量和长度(Crainic,2008)。
图1.两层分配系统的示例（Crainic等，2012）
双层CL的不同的操作系统(命令准备、合并、排序等)执行设施组织成一个层次结构,如图2中所示:主要物流码头和仓库位于城市外围,在城市整合平台,这里叫做城市配送中心(Crainic等人,2012),加载到城市卡车、中型尺寸的(理想情况下9-12t);然后，货物通过交叉对接卫星运输城市货轮(3.5)，战略位置靠近城市中心或在城市中心，最终客户从那里交付。卫星一般被设计为简单的转运设施，如车辆接收点(Boudoin等人，2013)，并根据车辆同步和跨码头转运模型(Drexl,2012)运行。在美国，城市车辆和城市货轮在指定时间通过卫星会合，只允许短时间的等待。实际上，卫星上不允许有中间存储，除非是非常短的时间(一般少于半小时)。
图2.单层（A）和三个两层（B，C，D）分发系统之间的比较
2.3 挑战与机遇
虽然许多研究人员已经对城市合并中心进行了研究，但派生的系统为城市物流研究带来了一些挑战和机遇，更准确地说是与运筹学和管理科学相关。关于战略规划，我们观察到的第一个问题是具有文化和社会意识的组织和商业模式，以及这些计划的文化影响和对某种程度上定制的解决方案的需求(例如在北美)。然后，我们观察与公共政策相关的问题(Dablanc,2010;Ballantine和Lindholm,2013)，利益相关者行为(Marcucci和Gatta,2013)，伙伴关系和协作(GonzalezFeliu等人.，2013a;(Morana等人，2013)，这对供应模型有影响。另一个重要的问题是使用建模技术的需求识别(Ambrosini等人，2008;Anand等人，2012;Comi等人，2012;GonzalezFeliuandroutier,2012)。另一类挑战是定义合适的模型和工具来评估城市物流影响，进行前后分析并研究城市物流行动和解决方案的长期影响(GonzalezFeliu等人，2012a,b)。
在战术规划中，城市交通综合规划的制定是十分重要的，要考虑到个人交通与公共交通的融合、城市交通综合规划的影响和规划前的主要问题。运筹学的主要问题是系统、服务和操作计划，包括模型、算法和工具，以支持从业者的任务。
作为战略规划(与系统设计、平台位置和资源维度有关)和作战规划(实时和短期组织、优化和跟踪)的补充，战术规划与服务网络设计(Crainic,2000)有关，与乘员和车辆调度、时间问题和车辆路径安排有关。虽然这些问题在单层系统的多个版本中得到了深入的研究，但在多层系统中就不一样了(Gonza-lez-Feliu,2012b,2013a)。下一节，战术规划问题相关的两层城市物流计划，以支持城市规划者和承运人经理的战术选择和规划问题。
3 高级城市物流系统的战术规划问题
在城市物流中，当关注于机构间的时候，我们研究与商品进出城市或城市区域有关的运输流。由于第三方运输的主要组成部分是LTL电路，与城市物流相关的主要组合优化问题是车辆路径，这在所有的规划水平(参考文献)在单层系统中，车辆路径问题接近于文献中研究的经典问题(Toth和Vigo,2002;Golden等人，2008)。城市物流中与车辆路径相关的主要问题产生于运输的动态和时间依赖性(Taniguchi等人，1999,2001;谷口和汤普森，2002年)，关于访问限制(Munuzuri和VanDuin;2013年)，以及取货和送货策略等。由于单层系统在文献中得到了很好的研究，我们的目标是将Crainic(2008)的工作扩展到双层系统。请注意，本章是针对不同学科的研究人员和实践者的，所以它没有深入概述运筹学算法，而是介绍了问题的主要类别和方法。Drexl(2012)、Gonzalez-Feliu(2013b)和Mancini(2013b)中有详细的文献综述。
在两层系统中，两批异构车辆在客户时间窗口内同步交付依赖于时间的货运需求，(大多数)中转站几乎没有等候室。为了处理这样的系统，可以观察到一些新的问题和挑战，但是它们可以分为两大类。第一个来自于运输系统的多阶段性质，以及所有与阶段之间联系相关的问题(Gonzalez-Feliu,2012a)和同步(Drexel,2012)，
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