[論文レビュー] Search algorithms for efficient logistics chains

Serge Lawrencenko, Irina Albertovna Duborkina|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2015

Process Optimization and Integration参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、効率性と不適切性を補完的指標として用いた物流ネットワークの新規モデルを提案する。ここで、チェーン効率性はリンク効率性の積であり、不適切性はリンク不適切性の和である。4つの探索アルゴリズムを導入し、指定されたノード間で最も効率的な経路を特定する2つと、任意のノード対間で保証された最低限のサービス水準を確保する2つである。エネルギー網の事例研究を通じて、損失最小化に関する定量的結果が示された。

ABSTRACT

Logistics networks arise whenever there is a transfer of material substance or objects (such as checked baggage on international flights) as well as energy, information, or finance through links (channels). A general concept of logistics network is suggested and motivated for modeling a service of any kind supplied through links between the nodes of the network. The efficiency of a single link is defined to be the ratio of the volume of useful service at the output node to the volume of expended service at the input node of the link (for a specific period of time). Similarly, the efficiency of a chain is the ratio of the volume of service at the output to the volume of service at the input of the chain. The overall efficiency of the chain is calculated as the product of the efficiencies of its links; the more efficiency of the chain, the less are the losses in the chain. This paper introduces the notion of inadequacy of service in such a way that the overall inadequacy of a chain is equal to the sum of the inadequacies of its links. So the efficiencies are being multiplied, whereas the inadequacies are being added. Thus, the antagonistic pair (efficiency, inadequacy) appears to be analogous to the pair (reliability, entropy) in communication theory. Various possible interpretations of the proposed logistic model are presented: energy, material, information and financial networks. Four algorithms are provided for logistics chain search: two algorithms for finding the most effective chain from a specified origin to a specified destination, and two algorithms for finding the guaranteed minimum level of service between any pair of unspecified nodes in a given network. An example is shown as to how one of the algorithms finds the most efficient energy chain from the electrical substation to a specified user in a concrete energy network.

研究の動機と目的

• 物流ネットワークを測定可能なサービス効率性と不適切性を有するリンクの鎖としてモデル化すること。
• 全チェーン効率性を個々のリンク効率性の積として定義し、全不適切性を個々のリンク不適切性の和として定義すること。
• 指定された出発点から到着点までの最も効率的な物流チェーンを同定するアルゴリズムを開発すること。
• ネットワーク内の任意のノード対間で保証された最低限のサービス水準を確保するアルゴリズムを設計すること。
• 本モデルとアルゴリズムの実世界への適用可能性、例えばエネルギー配分ネットワークのような文脈において実証すること。

提案手法

• リンク効率性を、時間期間内における有用な出力サービスと入力サービスの比として定義する。
• リンク不適切性を効率性の補数として定義し、チェーン全体で加法的性質を満たすようにする。
• 全チェーン効率性を個々のリンク効率性の積としてモデル化し、損失を最小化する。
• 全チェーン不適切性を個々のリンク不適切性の和としてモデル化し、加法的最適化を可能にする。
• 出発点と到着点が指定された場合に、効率性最大化を用いて最も効果的なチェーンを特定する2つのアルゴリズムを開発する。
• 全ノード対間で保証された最低限のサービス水準を特定する2つのアルゴリズムを開発し、不適切性のしきい値とネットワーク全体の制約に基づく。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サービス損失と信頼性を反映するために、効率性と不適切性の二重指標を用いて物流ネットワークをどのようにモデル化できるか？
• RQ2 ネットワーク内の2つの指定されたノード間で、最も効率的な物流チェーンを同定するためのアルゴリズム的手法は何か？
• RQ3 物流ネットワーク全体で、任意のノード対間で保証された最低限のサービス水準をどのように確保できるか？
• RQ4 チェーンレベルのパフォーマンス評価において、積ベースの効率性と和ベースの不適切性との間の数学的関係は何か？
• RQ5 提案されたアルゴリズムは、エネルギー配分のような実世界の物流シナリオでどのように機能するか？

主な発見

• 本モデルは、通信理論における信頼性とエントロピーに類似した二重性をフレームワークとして採用し、体系的な分析を可能にした。
• 具体的なエネルギー網において、指定された出発点から到着点までの最も効率的なチェーンが同定され、実用的適用性が実証された。
• 保証された最低限のサービス水準を求めるアルゴリズムにより、ネットワーク内に存在するいかなるノード対に対しても、サービスが所定のしきい値未満に下がらないことが保証された。
• 加法的不適切性と乗法的効率性の併用により、複雑なチェーンにおいてもスケーラブルかつ数学的に整合性のある最適化が可能になった。
• 電気変電所ネットワークを対象とした事例研究により、アルゴリズムが損失を効果的に最小化し、サービス配信効率を最大化できることを確認した。