A discrete-continuous optimization approach for the design and operation of synchromodal transportation networks

Abstract

Modern tedarik zinciri sistemleri verimlilik seviyelerinin geliştirilmesi amacıyla meydana gelen yoğun talep ve baskılardan ötürü daha kompleks ve bütünleşik bir forma dönüşmüşlerdir. Avrupa bölgesinde trafik yoğunlukları, karbon emisyon salınımları, çok modlu taşımacılık sistemlerinin entegre edilmesi, yeni altyapı ve üst yapı ihtiyaçları ve bunların bakım süreçleri gibi taşımacılık sistemleri açısından önemli olacak bazı konuların özellikle taşımacılık sistemlerinin güvenilirliğini, kalitesini, sürdürülebilirliğini ve verimliliğini artıracak şekilde ele alınması önemli sorunların başında gelmektedir ve bu bağlamda taşımacılık alanında birçok farklı paydaş grup tarafından yeni vizyon ve çözüm yöntemleri tanımlanmıştır. Bu tez çalışmasının ana amaçlarından bir tanesi de kompleks sürdürülebilir taşımacılık sistemlerinin analizlerinin, değerlendirmelerinin, ve yönetimlerinin yapılabilmesi için geliştirilmiş olan yeni modellerin detaylandırılması, test edilmesi ve doğrulamalarının yapılmasıdır. Tez kapsamında synchromodal taşımacılık sistemlerinin farklı karakteristiklerini (örneğin gerçek zamanlı planlama, kargoların konsolidasyonu gibi) kapsayan çok amaçlı karışık tam sayılı doğrusal programlama modeli sunulmuştur. Problem öngörülen ağ yapısını optimize ederken, toplam taşımacılık maliyeti, zamanı ve karbon emisyon salınım değerleri gibi hedef fonksiyonları da kapsamaktadır. Zamana bağlı araç hızları, trafik yoğunluğu, araç doluluk oranları gibi önemli konular probleme entegre edilmiş ve Marmara Bölgesi için oluşturulmuş örneklemeler üzerinde gerçek veriler kullanılarak gösterilmiştir. Doğrusal olmayan model doğrusal bir forma dönüştürüldükten sonra, ϵ-kısıt methodu kullanılarak çok amaçlı karışık tam sayılı doğrusal problem çözülmüştür. Elde edilen çözüm setleri ve önerilen modellerin duyarlılık analizleri karar vericiler için özetlenmiştir. Elde edilen çözümler ve analizler doğrultusunda synchromodal taşımacılık sistemlerinin ağ yapılarının tasarımında ve operasyonel planlama ve yönetimler açısından oldukça etkili olduğu gösterilmiştir.

Modern supply chain systems have become mostly integrated and complex due to the constant pressure to improve their efficiency thresholds. In Europe, some of the important challenges including traffic congestion, carbon emission rates, intermodal transportation integration, the need for new infrastructure developments and maintenance of existing infrastructures as well as ensuring quality, reliability and efficiency of transportation and mobility services have always been a concern for the transportation systems. These challenges are emerging as an urgent issue and there are many visions and solution methodologies addressed by different stakeholders in the transportation domain. The main objective of this thesis is the elaboration, testing and validation of new models for the analysis, design, evaluation, and management of complex sustainable transportation activities. This thesis presents the multi-objective mixed-integer programming problem for integrating specific characteristics of synchromodal transportation (such as real-time planning and bundling of shipments). The problem includes different objective functions including the total transportation cost, travel time and CO2 emissions of proposed networks while optimizing the network structure. The traffic congestion, time-dependent vehicle speeds and vehicle filling ratios are considered in an integrated manner and computational results for different illustrative cases are presented with real data from the Marmara Region of Turkey. The defined non-linear model is converted into linear form and solved by using a customized implementation of the ϵ-constraint method for the multi-objective mixed-integer linear programming problem. Then, the analysis of Pareto solutions and sensitivity analysis of proposed mathematical models with different pre-processing constraints are summarized for decisions makers. It is shown that the synchromodal transportation model presented in this paper is very affective in determining transportation network structures and optimized planning and operation of these networks.