[論文レビュー] Modular Vehicle Routing for Combined Passenger and Freight Transport

Jonas Hatzenbühler, Erik Jenelius+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2022

Urban and Freight Transport Logistics被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、乗客輸送と貨物輸送を統合する画期的なモジュラー型の配送ルーティングフレームワークを提案しており、多目的車両の列車走行（プラトーニング）を可能にすることで、両方の需要タイプを同時に最適化する。CPLEXとアダプティブ大領域探索（ALNS）を用いて解くカスタマイズされたピックアップ・デリバリー問題により、総コストで57%の削減と空走キロ数で60%以上の削減を達成し、モularityと需要の統合を通じて顕著な効率向上を示している。

ABSTRACT

The continuous increase in urban deliveries and the ongoing urbanization of large cities require the development of efficient and sustainable transportation solutions. This study investigates the impact of modular vehicle concepts and the consolidation of different demand types in the route planning on the efficiency of the urban freight and passenger transportation system. Modularity is achieved by connecting multiple vehicles together to form a platoon. The consolidation of different demand types is realized by simultaneously consider passenger and freight demand in the optimization algorithm. The considered vehicles are specific for each demand type by can be connected freely, hence it is possible to transport different demand types in the same platoon. The cost terms in the problem formulation are comprised of travel time costs, travel distance costs, fleet size costs, and cost considering unserved requests. The modular vehicle operations are modeled in a novel pickup and delivery problem which is solved using CPLEX and Adaptive Large Neighborhood Search. In an extensive scenario study and case study in Stockholm, the potentials of the new modular vehicle type are explored for different spatial and temporal demand distributions. A parameter study on vehicle capacity, vehicle range and cost saving assumptions is performed to study their influence on the efficiency. The experiments carried out indicate a general cost savings of 48% due to modularity and an additional 9% due to consolidation. The reduction mainly stems from reduced operating costs and reduced trip duration, while the same number of requests can be served in all cases. Empty vehicle kilometers are reduced by more than 60% by consolidation and modularity. The proposed model and optimization framework can be used by companies and policy makers to identify required fleet sizes, optimal vehicle routes and cost savings.

研究の動機と目的

• 都市部における貨物および乗客輸送の需要増加に応えるために、統合的で効率的かつ持続可能なルーティングソリューションを開発すること。
• 車両が連結して列車走行（プラトーニング）可能なモジュラー型車両運用が、都市部の貨物および乗客輸送の効率に与える影響を調査すること。
• 単一の最適化フレームワーク内で乗客と貨物の需要を統合することによる相乗効果を評価すること。
• シナリオおよびパラメータスタディを通じて、コスト削減、移動時間の短縮、空走キロ数の低減を定量すること。
• 運行業者および政策立案者にとって実用的でスケーラブルな最適化フレームワークを提供し、新技術を備えた車両の運用におけるフリート規模、ルーティング、コスト効率を評価可能にする。

提案手法

• 車両が連結して列車走行可能であり、乗客および貨物の両方の要請を満たせるモジュラー車両運用を含む、ピックアップ・デリバリー問題の新規変種を定式化する。
• モデルには、移動時間、移動距離、フリート規模、未対応要請ペナルティの4つのコスト要素を組み込む。
• 小規模なインスタンスについてはCPLEXを用いた厳密解法、大規模で複雑なシナリオについてはアダプティブ大領域探索（ALNS）を用いたハイブリッド手法で問題を解く。
• 都市環境の多様な状況下でのパフォーマンスを評価するために、複数のシナリオで空間的・時間的需要パターンをモデル化する。
• 車両の容量、走行距離、コスト仮定を変化させたパラメータスタディにより、それらがシステム効率に与える影響を評価する。
• ストックホルムにおける実世界の事例研究により、モデルの実都市環境への適用可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュラー車両の列車走行（プラトーニング）は、都市部の乗客および貨物輸送における総運行コストをどの程度削減できるか？
• RQ2 単一のルーティング最適化フレームワーク内で乗客と貨物の需要を統合することで、どの程度追加の効率向上が達成されるか？
• RQ3 車両の容量、走行距離、コスト仮定の変更が、全体のコスト削減およびシステムパフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ4 モジュラーおよび統合型運用下で、空走キロ数と移動時間はどのように変化するか？
• RQ5 本研究で提案するモデルは、ストックホルムのような実世界の都市環境にどの程度適用可能か？

主な発見

• モジュラー車両システムは、プラトーニングによる48%のコスト削減に加え、需要統合による追加で9%の削減を達成し、合計で57%の総コスト削減を実現した。
• モularityと需要統合の併用効果により、空走キロ数は60%以上削減された。
• より少ない回数の長距離走行と負荷利用率の向上により、移動時間は60%以上短縮された。
• すべてのシナリオで対応要請数に変化がなく、サービス水準の低下を伴わず、効率向上が達成された。
• ストックホルムの事例研究により、実都市環境におけるモジュラー輸送システムの実用的妥当性とスケーラビリティが確認された。
• 固定された列車走行構成や既知の需要といったモデルの仮定は理論的利点を制限するが、実世界への適用可能性を高めている。