Uma nova abordagem heurística para a resolução do problema do roteamento de veículos capacitados com restrições tridimensionais de carregamento

Abstract

Resumo: O Problema do Roteamento de Veículos Capacitados com Restrições Tridimensionais de Carregamento (3L – CVRP) é um recente avanço da pesquisa operacional para a resolução de problemas logísticos de alta complexidade. O interesse prático reside no transporte e distribuição de mercadorias de baixa densidade, cujo carregamento dos itens deve atender a restrições espaciais, como, eletrodomésticos, componentes mecânicos, móveis, entre outros. O 3L – CVRP também apresenta um grande desafio teórico na medida em que generaliza dois dos mais conhecidos problemas de otimização combinatória: O Problema do Roteamento de Veículos Capacitados e o Problema do Bin Packing Tridimensional. A solução do 3L – CVRP requer a determinação de rotas de menor custo para uma frota de veículos de mesma capacidade, de forma que se atenda a demanda de clientes dispersos em uma região. Tal demanda consiste em caixas retangulares que precisam ser carregadas atendendo a restrições operacionais. A resolução integrada implica na evocação iterativa de um método que resolve o problema do carregamento na medida em que o problema do roteamento vai sendo resolvido. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a resolução do 3L – CVRP. O método proposto resolve de forma heurística o problema do roteamento em dois estágios: o primeiro deles consiste em agrupar os clientes conforme sua demanda volumétrica enquanto que o segundo estágio constrói uma rota inicial refinando-a sequencialmente. O problema do carregamento é resolvido por um software comercial com licença trial. Foi desenvolvida uma nova estratégia para a integração entre os dois problemas baseada em limites de ocupação volumétrica do veículo. Os testes computacionais foram realizados em três etapas: Primeiramente avaliou-se o desempenho da heurística para o problema do roteamento de veículos capacitados. Testes foram realizados com instâncias clássicas da literatura e comparados com outras abordagens existentes (exatas e heurísticas), produzindo resultados satisfatórios tanto em termos de eficácia, quanto de eficiência. O segundo estágio de estes avaliou o software de carregamento para instâncias referentes ao problema de carregamento de contêineres e o problema do Bin Packing tridimensional. A comparação com outras abordagens existentes aponta um desempenho satisfatório do software. O terceiro e último estágio foi feito sobre instâncias do 3L – CVRP e comparadas com outros trabalhos existentes, produzindo resultados superiores em termos de eficácia para algumas instâncias, dependendo das configurações de restrição de carregamento, com melhorias em termos de eficiência para a grande maioria das instâncias testadas.

Abstract: The Three Dimensional Loading Capacitated Vehicle Routing Problem (3L – CVRP) is a recent advance in operational research to solve logistical problems of high complexity. The practical interest is in transportation and distribution of low-density goods, whose shipment of the items must meet the spatial constraints, for example, mechanical components, furniture, household appliances, among other. The problem is also a great theoretical challenge because it generalizes two of the most well known problems in combinatorial optimization: the Capacitated Vehicle Routing Problem and the Three-dimensional Bin Packing Problem. The solution of the 3L - CVRP requires the determination of routes of minimum cost for a fleet of vehicles of the same capacity, so that it meets the demand of customers scattered across a region. This demand consists of rectangular boxes that need to be loaded given a set of operational constraints. The integrated resolution implies the evocation of an iterative method that solves the loading problem while the routing problem is solving. This work presents a new approach to solve the 3L – CVRP. The method employs heuristics procedures to solve the Capacitated Vehicle Routing Problem, in a strategy divided in two stages. The first grouping customers according to their demand based on volume, and the second builds an initial route and improve this route sequentially. The loading problem is solved by commercial software with a trial license. It was developed a new strategy for the integration of the two problems based on occupancy limits of the vehicle volume. The computational experiments were made in three stages: First was evaluated the performance of the heuristic to the Capacitated Vehicle Routing Problem. Tests were performed with instances of classical literature and compared with other existing approaches (heuristic and exact), producing satisfactory results in terms of effectiveness and efficiency. The second stage of tests evaluated the performance of software loading. For this, we use instances for the Container Loading Problem and the problem of Three- Dimensional Bin Packing. A comparison with other existing approaches shows a satisfactory performance of the software. The third and final stage was made on instances of 3L - CVRP and compared with other existing works, producing superior results in terms of effectiveness in some instances, depending on the load restriction settings, with improvements in efficiency for the most of instances tested.