Modelling and solving hazardous materials distribution problems

Abstract

The transportation of hazardous materials is an essential yet intricate aspect of urban logistics. The secure and efficient delivery of hazardous materials (HazMat) poses a significant logistical challenge and holds paramount importance for safeguarding populations and the environment. In recent years, there has been an increased emphasis on the transportation of hazardous materials (HazMat), which can be attributed to the expanding urbanization and the imperative for rigorous safety protocols. The growing emphasis on the Vehicle Routing Problem (VRP) within logistics and transportation research has been a notable aspect of recent advancements in the field. The heightened attention towards this matter can be predominantly attributed to the acknowledgment of its importance in enhancing the efficiency and safety of urban transportation. Both researchers and practitioners have been actively investigating novel approaches to tackle the intricacies of Hazardous Materials distribution, with a strong focus on enhancing routing tactics and risk management. The problems discussed in the presented work involves a wide range of concerns, spanning from ensuring compliance with transportation safety regulations to effectively managing and reducing hazards related with the transportation of hazardous materials (HazMat). One of the primary challenges involves the optimization of vehicle routing for the distribution of hazardous materials, which is usually referred to as the HazMat Vehicle Routing Problem. The complexity of the Vehicle Routing Problem increases significantly when HazMat are involved, mostly due to the presence of strict laws, the necessity to prioritize safety, and the requirement for optimal usage of resources. This PhD dissertation makes a valuable contribution to the continuous endeavors aimed at addressing the complexities associated with the transportation of hazardous materials in urban settings. This study explores two crucial components within this field, aiming to improve safety, efficiency, and also mitigate potential risks. The first part of this study focuses on the practical and physical challenge of the multi-compartment tank-truck loading problem within the field of fuel distribution. This study primarily examines key factors related to the restrictions on maximum axle weight and the effects of fuel oscillation during the process of transportation. One notable aspect of this study is the development of a novel computational methodology. This methodology is specifically designed for evaluating the allocation of load weight among the various axles of rigid vehicles that are equipped with more than two axles. This approach greatly improves the effectiveness and security of load allocation within the domain of fuel transportation. In detail, a formulation has been developed that employs sophisticated structural analysis theory to calculate the weight distribution, encompassing both the cargo and truck weight, among the individual axles of a three-axle truck. The presented study utilizes a distinct formulation with the objective of efficiently regulating the allocation of weight on the truck's axles during the delivery route, hence mitigating any potential breach of the designated weight limitations. These constraints play a crucial role in ensuring that the load on each axle stays within preset limits throughout the whole transportation route. Additionally, this research has incorporated an important element: a constraint that requires each compartment to be filled at a level that is either below 20% or above 80% of its maximum capacity. The present unique limitation has been deliberately formulated with the aim of mitigating the negative impacts caused by fuel oscillation during transportation. Moreover, the study integrates the application of two separate Mixed-Integer Linear Programming (MILP) models to account for differences in truck equipment, including the inclusion or exclusion of flow meters in the compartments. In the context of hazardous materials (HazMat) transportation, there exists a compelling matter that necessitates additional attention. In order to address this difficulty directly, a new solution is proposed, which involves the integration of a holistic transportation risk metric into the decision-making framework. This metric encompasses key components like time, distance, and the quantity of hazardous materials being transported, so providing an extensive perspective on safety precautions and strategies for mitigating risks. The proposed risk metric related with the transportation of hazardous materials in urban areas, takes into account three crucial elements which are: 1) the population exposure, 2) the impact radius determined by the weight of hazardous materials being transported, and 3) the time of the population exposure to the potential risks connected with the transportation of HazMat. In essence this new metric is time dependent, i.e., the risk of a route depends on the departure time from the depot. A novel feature of this work is that it incorporates the influence of the loading schedule of trucks at the depot on the time of departure. The proposed HazMat Vehicle Routing Problem involves two objective functions: the HazMat transportation risk and the total travelled distance. A NSGA-II algorithm with various novel features has been developed for addressing the emerging routing and scheduling problem. In summary, this research addresses significant concerns pertaining to urban transportation and logistics, specifically emphasizing the improvement of safety, efficiency, and risk mitigation. The research focuses on developing novel methodologies and computational approaches to enhance the modeling of the HazMat routing problem. Additionally, its aim is to tackle practical obstacles in HazMat distribution (e.g. fuels), thereby making valuable contributions to the improvement of safety and efficiency in urban logistics operations. These research activities contribute to the advancement of knowledge and potential innovation in the sector. They hold the potential to create a future in which the transportation of hazardous materials and fuel distribution in urban areas is characterized by enhanced safety, increased sustainability, and optimal efficiency.

Η μεταφορά επικίνδυνων υλικών είναι μια ουσιαστική αλλά πολύπλοκη πτυχή της αστικής εφοδιαστικής αλυσίδας. Η ασφαλής και αποτελεσματική μεταφορά επικίνδυνων υλικών (HazMat) αποτελεί σημαντική πρόκληση και έχει ύψιστη σημασία για την προστασία των πληθυσμών και του περιβάλλοντος. Τα τελευταία χρόνια, έχει δοθεί αυξημένη έμφαση στη μεταφορά επικίνδυνων υλικών (HazMat), η οποία μπορεί να αποδοθεί στην αυξανόμενη αστικοποίηση και στην επιτακτική ανάγκη για αυστηρά πρωτόκολλα ασφαλείας. Τα τελευταία χρόνια, έχει σημειωθεί σημαντική αύξηση της εστίαση στο Πρόβλημα Δρομολόγησης Οχημάτων (VRP) στον τομέα της έρευνας της εφοδιαστικής αλυσίδας και των μεταφορών. Η αυξημένη προσοχή σε αυτό το θέμα μπορεί να αποδοθεί κυρίως στην αναγνώριση της σημασίας του για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας και της ασφάλειας των αστικών μεταφορών. Τόσο οι ερευνητές όσο και οι επαγγελματίες έχουν ερευνήσει ενεργά νέες προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση των περιπλοκών της διανομής Επικίνδυνων Υλικών, με ιδιαίτερη έμφαση στη βελτίωση των τακτικών δρομολόγησης και στη διαχείριση κινδύνου. Τα προβλήματα που συζητήθηκαν στην παρούσα εργασία περιλαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα ανησυχιών, που εκτείνονται από τη διασφάλιση της συμμόρφωσης με τα κανονιστικά όρια έως την αποτελεσματική διαχείριση και τη μείωση των κινδύνων που σχετίζονται με τη μεταφορά επικίνδυνων υλικών (HazMat). Μία από τις κύριες προκλήσεις περιλαμβάνει τη βελτιστοποίηση της δρομολόγησης των οχημάτων για τη διανομή επικίνδυνων υλικών, η οποία συνήθως αναφέρεται ως Πρόβλημα δρομολόγησης οχημάτων που μεταφέρουν επικίνδυνα υλικά. Η πολυπλοκότητα του Προβλήματος Δρομολόγησης Οχημάτων αυξάνεται σημαντικά όταν εμπλέκεται η μεταφορά επικίνδυνων υλικών, κυρίως λόγω της παρουσίας αυστηρών νόμων, της ανάγκης να δοθεί προτεραιότητα στην ασφάλεια και της απαίτησης για βέλτιστη χρήση των πόρων. Αυτή η διδακτορική διατριβή συνεισφέρει στις συνεχείς προσπάθειες που στοχεύουν στην αντιμετώπιση των πολυπλοκοτήτων που σχετίζονται με τη διανομή επικίνδυνων υλικών σε αστικά περιβάλλοντα. Αυτή η μελέτη διερευνά δύο κρίσιμα στοιχεία σε αυτόν τον τομέα, με στόχο τη βελτίωση της ασφάλειας, της αποτελεσματικότητας και επίσης τον μετριασμό των πιθανών κινδύνων.Το πρώτο μέρος αυτής της μελέτης εστιάζει στην πρακτική και φυσική πρόκληση του προβλήματος φόρτωσης βυτιοφόρων-φορτηγών πολλαπλών διαμερισμάτων στον τομέα της διανομής καυσίμου. Αυτή η μελέτη εξετάζει πρωτίστως βασικούς παράγοντες που σχετίζονται με τους περιορισμούς στο μέγιστο βάρος που πέφτει πάνω σε κάθε άξονα και τις επιπτώσεις της ταλάντωσης του καυσίμου κατά τη διαδικασία της μεταφοράς. Μια αξιοσημείωτη πτυχή αυτής της μελέτης είναι η ανάπτυξη μιας νέας υπολογιστικής μεθοδολογίας. Αυτή η μεθοδολογία έχει σχεδιαστεί ειδικά για την αξιολόγηση της κατανομής του βάρους φορτίου μεταξύ των διαφόρων αξόνων άκαμπτων οχημάτων που είναι εξοπλισμένα με περισσότερους από δύο άξονες. Αυτή η προσέγγιση βελτιώνει σημαντικά την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια της κατανομής φορτίου στον τομέα της μεταφοράς καυσίμων. Αναλυτικά, έχει αναπτυχθεί μια φόρμουλα που χρησιμοποιεί εξελιγμένη θεωρία δομικής ανάλυσης για τον υπολογισμό της κατανομής βάρους, που περιλαμβάνει τόσο το βάρος φορτίου όσο και το βάρος του φορτηγού, μεταξύ των επιμέρους αξόνων ενός φορτηγού τριών αξόνων. Η μελέτη χρησιμοποιεί μια ξεχωριστή φόρμουλα με στόχο την αποτελεσματική ρύθμιση της κατανομής του βάρους στους άξονες του φορτηγού κατά τη διαδρομή παράδοσης, μετριάζοντας επομένως κάθε πιθανή παραβίαση των καθορισμένων περιορισμών βάρους. Αυτοί οι περιορισμοί διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη διασφάλιση ότι το φορτίο σε κάθε άξονα παραμένει εντός των προκαθορισμένων ορίων σε όλη τη διαδρομή μεταφοράς. Επιπλέον, αυτή η έρευνα παρουσιάζει ένα νέο και σημαντικό στοιχείο: έναν περιορισμό που απαιτεί κάθε διαμέρισμα να γεμίζεται σε επίπεδο που είναι είτε κάτω από το 20% είτε πάνω από το 80% της μέγιστης χωρητικότητάς του. Ο παρόν μοναδικός περιορισμός έχει διατυπωθεί σκόπιμα με στόχο τον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων που προκαλούνται από την ταλάντωση του καυσίμου κατά τη μεταφορά. Επιπλέον, η μελέτη ενσωματώνει την εφαρμογή δύο ξεχωριστών μοντέλων Μικτού Ακέραιου Γραμμικού Προγραμματισμού (MILP) για να ληφθούν υπόψη οι διαφορές στον εξοπλισμό φορτηγών, συμπεριλαμβανομένης της συμπερίληψης ή εξαίρεσης μετρητών ροής στα διαμερίσματα. Στο πλαίσιο της μεταφοράς επικίνδυνων υλικών (HazMat), υπάρχει ένα επιτακτικό θέμα που απαιτεί πρόσθετη προσοχή. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί άμεσα αυτή η δυσκολία, προτείνεται μια νέα λύση, η οποία περιλαμβάνει την ενσωμάτωση μιας ολιστικής μέτρησης κινδύνου μεταφοράς στο πλαίσιο λήψης αποφάσεων. Αυτή η μέτρηση περιλαμβάνει βασικά στοιχεία όπως ο χρόνος, η απόσταση και η ποσότητα των επικίνδυνων υλικών που μεταφέρονται, παρέχοντας έτσι μια εκτενή προοπτική σχετικά με τις προφυλάξεις ασφαλείας και τις στρατηγικές για τον μετριασμό των κινδύνων. Η προτεινόμενη μέτρηση κινδύνου που σχετίζεται με τη μεταφορά επικίνδυνων υλικών σε αστικές περιοχές, λαμβάνει υπόψη τρία κρίσιμα στοιχεία που είναι: 1) η έκθεση του πληθυσμού, 2) η ακτίνα πρόσκρουσης που καθορίζεται από το βάρος των επικίνδυνων υλικών που μεταφέρονται και 3) ο χρόνος της έκθεσης του πληθυσμού στους πιθανούς κινδύνους που συνδέονται με τη μεταφορά των επικίνδυνων υλικών. Στην ουσία αυτή η νέα μέτρηση εξαρτάται από το χρόνο, δηλαδή ο κίνδυνος μιας διαδρομής εξαρτάται από την ώρα αναχώρησης από την αποθήκη. Ένα νέο χαρακτηριστικό αυτής της εργασίας είναι ότι ενσωματώνει την επίδραση του προγράμματος φόρτωσης των φορτηγών στο αμαξοστάσιο στην ώρα αναχώρησης. Το προτεινόμενο πρόβλημα δρομολόγησης οχήματος HazMat περιλαμβάνει δύο αντικειμενικές λειτουργίες: τον κίνδυνο μεταφοράς επικίνδυνων υλικών και τη συνολική διανυθείσα απόσταση. Ένας αλγόριθμος NSGA-II με διάφορα νέα χαρακτηριστικά έχει αναπτυχθεί για την αντιμετώπιση του αναδυόμενου προβλήματος δρομολόγησης και προγραμματισμού. Συνοπτικά, αυτή η έρευνα αντιμετωπίζει σημαντικές ανησυχίες που σχετίζονται με τις αστικές μεταφορές και την εφοδιαστική, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη βελτίωση της ασφάλειας, της αποτελεσματικότητας και του μετριασμού του κινδύνου. Η έρευνα επικεντρώνεται στην ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών και υπολογιστικών προσεγγίσεων για τη βελτίωση της μοντελοποίησης του προβλήματος δρομολόγησης HazMat. Επιπλέον, στόχος του είναι να αντιμετωπίσει πρακτικά εμπόδια στη διανομή HazMat (π. Αυτές οι ερευνητικές δραστηριότητες συμβάλλουν στην προώθηση της γνώσης και της πιθανής καινοτομίας στον τομέα. Έχουν τη δυνατότητα να δημιουργήσουν ένα μέλλον στο οποίο η μεταφορά επικίνδυνων υλικών και η διανομή καυσίμων σε αστικές περιοχές χαρακτηρίζεται από ενισχυμένη ασφάλεια, αυξημένη βιωσιμότητα και βέλτιστη απόδοση.