Models and methods to support decision making in urban logistics context

Abstract

Nowadays, there is an expanding global population living in central and metropolitan areas of cities, as well as an increase in e-commerce sales. This emphasizes the need to implement solutions that improve the Urban Logistics effectiveness in delivering freight into metropolitan areas. In this context, the integration of passenger and freight movements inside cities has received extensive attention in recent years given the potential benefits to inhabitants' quality of life, such as reduced air pollution, noise, and congestion. However, further research is needed to better understand the city stakeholders' expectations and perceptions about the adoption of these types of solutions, as well as how to develop and model these integrated solutions in an effective manner. This research, developed within the scope of the SOLFI (Sistema de Optimização para a Logística Urbana com Fluxos Integrados de mercadorias e passageiros) project, addresses an urban logistics solution combining freight and passenger flows. This integrated solution is intended to leverage the city of Porto's bus network to transport freight packages into the city center, making use of the passenger journeys that already occur in the city. The contributions of this research are spelt out in three main parts. First, a systematic and comprehensive evaluation of the current operational research models and methods investigating urban logistics, integrating freight and passenger flows, was done. This allowed to understand how other researchers have addressed the subject, as well as highlight existing literature gaps and describe the research directions of this work. Second, a questionnaire and three semi-structured interviews were conducted to gather the key stakeholders’ requirements and expectations for the integrated logistical solution. The results from the application of these instruments allowed to design the integrated logistical solution and obtain a conceptual model for the solution, based on Unified Modeling Language (UML). Lastly, exact optimization models and heuristics algorithms were developed and applied to two relevant problems, within the topic under research, to support the decision- making process: The Freight Network Flow Assignment Problem (FNFAP) to study the assignment of freight along the distribution network, supporting the operational planning, and the Bus Network Planning Problem (BNPP) to study the bus fleet size required, supporting the strategic planning. Computational experiments were conducted for both problems, using IBM CPLEX for the exact optimization models and MATLAB for the heuristic approaches, using sets of generated instances. This thesis makes several contributions to theory and practice, in particular the proposal for a new urban logistics service that seeks to incorporate sustainability, with the voice of the main stakeholders. Furthermore, the models and methods developed for two relevant associated problems showed that competitive solutions in short computation times can be obtained, efficiently supporting the decision-making process in this integrated logistical solution in the city of Porto.

Atualmente, existe uma população global em crescimento que vive em áreas centrais e metropolitanas das cidades, juntamente com um aumento nas vendas de comércio eletrónico. Isto enfatiza a necessidade de implementar soluções que melhorem a eficácia da Logística Urbana na entrega de mercadorias nas áreas metropolitanas. Neste contexto, a integração dos fluxos de passageiros e mercadorias nas cidades tem recebido ampla atenção nos últimos anos devido aos potenciais benefícios para a qualidade de vida dos habitantes, como a redução da poluição do ar, do ruído e do congestionamento rodoviário. No entanto, é necessária mais investigação para entender melhor as expectativas e perceções dos stakeholders das cidades sobre a adoção desses tipos de soluções, bem como desenvolver e modelar essas soluções integradas de maneira eficaz. Esta pesquisa, desenvolvida no âmbito do projeto SOLFI (Sistema de Optimização para a Logística Urbana com Fluxos Integrados de mercadorias e passageiros), aborda uma solução de logística urbana que combina fluxos de mercadorias e passageiros. Esta solução integrada tem como objetivo aproveitar a rede de autocarros da cidade do Porto para transportar pacotes de mercadorias para o centro da cidade, fazendo uso das viagens de passageiros que já ocorrem na cidade. As contribuições desta investigação são divididas em três partes principais. Primeiro, foi realizada uma avaliação sistemática e abrangente dos modelos e métodos de investigação operacional atuais que investigam a logística urbana, integrando fluxos de mercadorias e passageiros. Isto permitiu entender como outros investigadores abordaram o assunto, destacar lacunas existentes na literatura e delinear as direções de investigação deste trabalho. Em segundo lugar, foi realizado um questionário e três entrevistas semiestruturadas para recolher os requisitos e expectativas dos principais stakeholders em relação à solução logística integrada. Os resultados da aplicação destes instrumentos permitiram desenhar a solução de logística integrada e obter um modelo conceptual para a solução, com base na Unified Modeling Language (UML). Por fim, foram desenvolvidos modelos de otimização exata e algoritmos heurísticos e foram aplicados a dois problemas relevantes, dentro do tópico em pesquisa, para apoiar o processo de tomada de decisão: o Problema de Alocação de Fluxo de Rede de Mercadorias (FNFAP) para estudar a alocação de mercadorias ao longo da rede de distribuição, apoiando o planeamento operacional, e o Problema de Planeamento da Rede de autocarros (BNPP) para estudar a dimensão da frota de autocarros necessária, apoiando o planeamento estratégico. Testes computacionais foram realizados para ambos os problemas, utilizando o IBM CPLEX para os modelos de otimização exata e o MATLAB para as abordagens heurísticas, com conjuntos de instâncias geradas. Esta tese faz várias contribuições para a teoria e para a prática, em particular a proposta de um novo serviço de logística urbana que procura incorporar a sustentabilidade, com a participação dos principais stakeholders. Além disso, os modelos e métodos desenvolvidos para dois problemas mostraram que soluções competitivas podem ser obtidas em curtos períodos de tempo de computação, apoiando eficientemente o processo de tomada de decisão nesta solução logística integrada na cidade do Porto.