Models and Methods for the City Logistics: The Two-Echelon Capacitated Vehicle Routing Problem
Résumé
Freight distribution is a field which is constantly in development, and constitutes an important economy factor. However, in cities, it contributes to the main problems of congestion, pollution, noise and other diseases for the inhabitants of the city. To deal with these problems, a new discipline , called " City Logistics ", has been created in late XXth century, with the aims of reducing the traffic congestion, the air pollution and the noise produced by freight transportation in urban areas. In the last years, several studies and experiences have been developed in Europe, but for the moment, no common policies have been adopted at UE level for urban freight distribution. In Italy, only some small and middle-sized cities have experimented city logistics policies with success, but these experiences are not connected between them. We observe that most of these experiences use Urban Distribution Centers to organize and distribute the different goods, which can be traduced into a multi-echelon transportation system. Several studies in Operations Research have focused on multi-echelon freight distribution system. However, the optimization of the transportation costs is usually calculated without considering the connexion aspects between levels, or by approximating some of them. Another problem derives from the fact that each study uses its own vocabulary and notation, and we observe a lack of unification of terms that increases the difficulty of the bibliographic research. The aims of this research are mainly two: to propose several guidelines for the urban freight distribution planning, unifying some of the terms, and to present a family of vehicle routing problems which consider the transportation costs in multi-echelon distribution systems without separating or approximating each echelon's travel costs. In a first time, we will present the main Italian experiences in urban freight distribution, and the main guidelines to plan an efficient and operative city logistics system, from the conclusions obtained on these experiences. Then, a brief survey in multi-echelon distribution will be presented, unifying the main vocabulary and notation. We will present a new family of transportation cost optimization problems: the multi-echelon vehicle routing problems, focusing on the basic problem, which is the two-echelon case. We propose some mathematical models to solve this problem, a group of benchmarks to test them and the main results of this study, showing the advantages and limits of this modeling approach.
La distribution de marchandises est un secteur en constant développement et constitue un facteur économique important. Par contre, dans les villes, il contribue notamment aux problèmes de congestion, pollution, bruit et d'autres dérangements à la population des villes. Pour faire face à ces problèmes, une nouvelle discipline est née à la fin du XXe siècle, la " City Logistics ", qui a comme objectifs principaux la réduction de la congestion, la pollution et le bruit occasionné par le transport de marchandises en ville. Dans les dernières années, plusieurs études et expériences se sont développées en toute l'Europe, mais pour l'instant une politique commune en matière de logistique urbaine n'a pas encore été proposée par l'Union Européenne. En Italie, seulement certaines villes de petite taille ont expérimenté des politiques de " city logistics " avec succès, mais sans un lien entre elles. Nous observons que ces expériences utilisent des centres urbains de distribution de marchandises, ce qui peut se traduire en un système de transport à deux ou plus niveaux. Plusieurs études en recherche opérationnelle ont traité des problématiques liées à des systèmes à niveaux multiples pour la distribution de marchandise. Néanmoins, l'optimisation des coûts de transport est en générale réalisé en considérant chaque niveau indépendant des autres, ou en approximant les coûts du transport dans certains niveaux pour simplifier. Un autre problème est le manque d'une unification de la terminologie utilisée dans ces études, qui difficulte la recherche bibliographique. Le but de cette recherche est, d'un coté, proposer des lignes guide d'accion en matière de planification de la distribution urbaine de marchandises, en unifiant certains termes, et d'un autre coté présenter une famille de problèmes d'optimisation de routes des véhicules qui considère les systèmes à niveaux multiples dans son ensemble et pas comme une somme de systèmes indépendants. Dans un premier temps, nous présentons les principales expériences de " city logistics " en Italie, ainsi que des lignes d'action dans la planification des systèmes de distribution urbaine des marchandises qui puissent devenir opérationnels et efficients. Ensuite nous présentons les principales problématiques et limites de l'optimisation de systèmes de transports à niveaux multiples, en unifiant les concepts et la notation. Nous proposons une nouvelle famille de problèmes d'optimisation de routes de véhicules pour des systèmes à niveaux multiples, en détaillant le cas basique : le problème de routes de véhicules à deux niveaux. Nous proposons des modèles mathématiques pour ce problème et des résultats numériques pour illustrer les avantages et les limites de la modélisation de ces systèmes.
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