Zweistufige Standortplanung unter Berücksichtigung von Tourenplanungsaspekten: primale Heuristiken und lokale Suchverfahren
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|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
1998
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I
Inhaltsübersicht
Abkürzungsverzeichnis XI
Symbolverzeichnis XIII
Abbildungsverzeichnis XVII
Tabellenverzeichnis XIX
Algorithmenverzeichnis XXIII
1 Einleitung 1
2 Standortplanung: strategisches Logistikmanagement 5
2.1 Logistik 5
2.2 Standortplanung als Teil der strategischen
Distributionslogistik 12
3 Modellierung des zweistufigen Standortproblems 29
3.1 Begriffe und Annahmen 30
3.2 Das Two Stage Capacitated Facility Location Routing Problem
(TSCFLRP) 32
3.3 Teilmodelle mit Standortaspekten 36
3.4 Teilmodelle mit Tourenaspekten 41
3.5 Teilmodell des Güterflusses 46
II Inhaltsübersicht
4 Heuristische Lösungsverfahren 51
4.1 Grundlagen 51
4.2 Problemspezifische Heuristiken 59
4.3 Metaheuristiken 84
5 Lösungsstrategien für das TSCFLRP 121
5.1 Bisherige Ansätze zur Lösung kombinierter Standort- und
Tourenplanungsprobleme 122
5.2 Neue Ansätze zur Lösung des TSCFLRP 148
6 Parameterwahl und numerische Ergebnisse 215
6.1 Allgemeines Vorgehen 216
6.2 Parameterwahl und numerische Ergebnisse für das
TSCFLP-Modul 218
6.3 Parameterwahl und numerische Ergebnisse für das
MDVRP-Modul 226
6.4 Parameterwahl und numerische Ergebnisse für das
TSCFLRP-Modul 234
6.5 Anwendung des TSCFLRP-Moduls auf das Testproblem
von Perl 241
7 Zusammenfassung und Ausblick 247
A TSCFLRP-Testprobleme 251
B Bezeichnungen der Parameter 255
C Numerische Ergebnisse 259
C.l Ergebnisse des TSCFLP-Moduls 260
C.2 Ergebnisse des MDVRP-Moduls 264
C.3 Ergebnisse des TSCFLRP-Moduls 267
Literaturverzeichnis 275
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeiclmis XI
Symbolverzeichnis XIII
Abbildungsverzeichnis XVII
Tabellenverzeichnis XIX
Algorithmenverzeichnis XXIII
1 Einleitung 1
2 Standortplanung: strategisches Logistikmanagement 5
2.1 Logistik 5
2.2 Standortplanung als Teil der strategischen
Distributionslogistik 12
3 Modellierung des zweistufigen Standortproblems 29
3.1 Begriffe und Annahmen 30
3.2 Das Two Stage Capacitated Facility Location Routing Problem
(TSCFLRP) 32
3.3 Teilmodelle mit Standortaspekten 36
IV Inhaltsverzeichnis
3.3.1 Das Two Stage Capacitated Facüity Location Problem
(TSCFLP) 36
3.3.2 Das Capacitated Facility Location Problem with
Single Sourcing (CFLPSS) 38
3.3.3 Das Generalized Assignment-Problem (GAP) 40
3.4 Teilmodelle mit Tourenaspekten 41
3.4.1 Das Multi Depot Vehicle Routing Problem (MDVRP) . 41
3.4.2 Das Vehicle Routing Problem (VRP) 43
3.4.3 Das Travelling Salesman Problem (TSP) 45
3.5 Teilmodell des Güterflusses 46
3.5.1 Das Transportproblem (TP) 46
4 Heuristische Lösungsverfahren 51
4.1 Grundlagen 51
4.1.1 Kombinatorische Problemstellungen 52
4.1.2 Komplexitätsüberlegungen 53
4.1.3 Einsatz von Heuristiken 56
4.2 Problemspezifische Heuristiken 59
4.2.1 Heuristiken für Standortprobleme 59
4.2.1.1 ylcW-Algorithmen 61
4.2.1.2 Drop- Algorithmen 66
4.2.1.3 Standortprobleme mit eindeutigen
Kundenzuordnungen 68
4.2.1.4 Weitere Algorithmen 70
4.2.2 Heuristiken für Tourenplanungsprobleme 72
4.2.2.1 Heuristiken für das klassische TSP 72
4.2.2.2 Cluster First - Route 5econrf-Heuristiken
für das VRP 73
4.2.2.3 Route First - Cluster 5econrf-Heuristiken
für das VRP 77
Inhaltsverzeichnis V
4.2.2.4 Parallel-Heuristiken für das VRP 77
4.2.2.5 Verbesserungsheuristiken für das VRP 80
v 4.2.2.6 Heuristiken für das MDVRP 81
4.3 Metaheuristiken 84
4.3.1 Klassisches Local Search 85
4.3.1.1 Grundlegende Konzepte 85
4.3.1.2 Guided Local Search-Ansätze 88
4.3.1.3 Local Search in der Standort- und
Tourenplanung 88
4.3.2 Simulated Annealing 91
4.3.2.1 Annealing in der Thermodynamik 91
4.3.2.2 Annealing in der Optimierung 93
4.3.2.3 Design von Simulated Annealing 95
4.3.2.4 Simulated Annealing in der Standort- und
Tourenplanung 99
4.3.3 Tabu Search 100
4.3.3.1 Grundlegende Konzepte 101
4.3.3.2 Design von Tabu Search 101
4.3.3.3 Tabu Search in der Standort- und
Tourenplanung 106
4.3.4 Adaptive Memory Programming 107
4.3.5 Sonstige Algorithmen 110
4.3.5.1 TAresAoW-Algorithmen 110
4.3.5.2 Greedy Randomized Adaptive Search
Procedure 111
4.3.5.3 Genetische Algorithmen 114
4.3.5.4 Lagrange-Ansätze 116
yj Inhaltsverzeichnis
5 Lösungsstrategien für das TSCFLRP 121
5.1 Bisherige Ansätze zur Lösung kombinierter Standort- und
Tourenplanungsprobleme 122
5.1.1 Übersicht 123
5.1.2 Approximative Verfahren bzw. Reduktionen auf eine
Standortplanung 127
5.1.3 Locate First - Route Second-Ansätze 136
5.1.4 Route First - Locate Second-Ansätze 141
5.1.5 Geschachtelte Ansätze 144
5.2 Neue Ansätze zur Lösung des TSCFLRP 148
5.2.1 Lösungsidee 149
5.2.2 Algorithmen innerhalb des TP-Moduls 155
5.2.3 Algorithmen innerhalb des GAP-Moduls 155
5.2.3.1 Konstruktionsheuristiken 155
5.2.3.1.1 Eine einfache Reallokationsheuristik . 156
5.2.3.1.2 Eine erweiterte Reallokationsheuristik 156
5.2.3.1.3 Eine modifizierte
Reallokationsheuristik 159
5.2.3.2 Verbesserungsheuristiken 159
5.2.3.2.1 Local 5earc/i-Heuristiken 159
5.2.3.2.2 Tabu 5earr/i-Heuristiken 162
5.2.4 Algorithmen innerhalb des CFLPSS-Moduls 164
5.2.4.1 Konstruktionsheuristiken 165
5.2.4.1.1 Eine Z?rop-Heuristik 166
5.2.4.1.2 Eine Drop-Est-Rmnstüa 166
5.2.4.2 Verbesserungsheuristiken 168
5.2.4.2.1 Verbesserungsheuristiken auf
Verteilzentrenebene 169
Inhaltsverzeichnis VII
5.2.4.2.2 Eine Local SearcA-Heuristik mit FA-
Strategie auf Verteilzentrenebene ... 170
5.2.4.2.3 Eine Local Searc/i-Heuristik mit BA-
Strategie auf Verteilzentrenebene ... 171
5.2.4.2.4 Eine Tabu Searc/j-Heuristik auf
Verteilzentrenebene 171
5.2.4.2.5 Eine Verbesserungsheuristik auf
Kundenebene 172
5.2.5 Algorithmen innerhalb des TSCFLP-Moduls 173
5.2.5.1 Eine Konstruktionsheuristik 174
5.2.5.1.1 Generierung der Schätzer ohne
Lösungsinformationen 174
5.2.5.1.2 Generierung der Schätzer mit
Lösungsinformationen 176
5.2.5.2 Verbesserungsheuristiken 177
5.2.5.2.1 Verbesserungsheuristiken auf
Verteilzentrenebene 178
5.2.5.2.2 Eine Local Searc/t-Heuristik mit BA-
Strategie auf Verteilzentrenebene ... 178
5.2.5.2.3 Eine Tabu SearcÄ-Heuristik auf
Verteilzentrenebene 179
5.2.5.2.4 Eine Verbesserungsheuristik auf
Kundenebene 180
5.2.5.3 Eine Adaptive Memory Programming-Heuristik 181
5.2.6 Algorithmen innerhalb des TSP-Moduls 183
5.2.7 Algorithmen innerhalb des VRP-Moduls 184
5.2.7.1 Eine Konstruktionsheuristik 184
5.2.7.2 Verbesserungsheuristiken 184
5.2.7.2.1 Eine Local Searc/t-Heuristik mit
fli4-Strategie 185
5.2.7.2.2 Eine Tabu SearcA-Heuristik 185
yjjj Inhaltsverzeichnis
5.2.7.2.3 Eine Guided Local Searc/i-Heuristik . 186
5.2.7.2.4 Eine Simulated ^4nnea/m /-Heuristik . 187
5.2.8 Algorithmen innerhalb der Kostenschätzungsphase
von Konstruktionsheuristiken für das TSCFLRP .... 189
5.2.8.1 Kostenschätzung auf der Basis von TSPen . . 190
5.2.8.2 Kostenschätzung auf der Basis von VRPen .. 191
5.2.9 Algorithmen innerhalb der Startphase von Locate First -
Route SecW-Heuristiken für das TSCFLRP 191
5.2.9.1 Kostenschätzung auf der Basis der
Kostenzusammensetzung 191
5.2.9.2 Kostenschätzung durch Clusterbildung .... 192
5.2.9.3 Kostenschätzung auf der Basis von
radialen Distanzen 194
5.2.10 Algorithmen innerhalb des MDVRP-Moduls 194
5.2.10.1 Eine Konstruktionsheuristik 194
5.2.10.2 Verbesserungsheuristiken 195
5.2.10.2.1 Eine Local SearcA-Heuristik mit
Ä4-Strategie 196
5.2.10.2.2 Eine Tabu 5earc/i-Heuristik 196
5.2.10.2.3 Eine Tabu Search-Remisük mit
Diversifikationsstrategie 196
5.2.10.2.4 Eine Tabu SearcA-Heuristik mit
erweiterter Nachbarschaft 197
5.2.10.2.5 Eine Tabu Searc/j-Heuristik mit
eingeschränkter Nachbarschaft .... 199
5.2.10.2.6 Eine modifizierte Tabu Search-
Heuristik 199
5.2.10.2.7 Eine Guided Local SearcA-Heuristik . 200
5.2.10.2.8 Eine Postoptimierung 201
5.2.10.3 Eine Adaptive Memory Programming-Heuristik 202
I
Inhaltsverzeichnis IX
5.2.11 Algorithmen innerhalb des TSCFLRP-Moduls 203
5.2.11.1 Konstruktionsheuristiken 204
5.2.11.1.1 Eine Locate First-Route Second-
Heuristik 204
5.2.11.1.2 Eine reduzierte Locate First - Route
Second-Heuristik 205
5.2.11.1.3 Eine Route First - Locate Second-
Heuristik 206
5.2.11.1.4 Eine reduzierte Route First-Locate
^econrf-Heuristik 206
5.2.11.2 Verbesserungsheuristiken 207
5.2.11.2.1 Verbesserungsheuristiken auf
Verteilzentrenebene 207
5.2.11.2.2 Eine Local SearcÄ-Heuristik mit BA-
Strategie auf Verteilzentrenebene ... 211
5.2.11.2.3 Eine Tabu Searc/i-Heuristik auf
Verteilzentrenebene 212
5.2.11.2.4 Eine Verbesserungsheuristik auf
Kundenebene 212
6 Parameterwähl und numerische Ergebnisse 215
6.1 Allgemeines Vorgehen 216
6.2 Parameterwahl und numerische Ergebnisse für das
TSCFLP-Modul 218
6.2.1 Testbeispiele und Ergebnisse 218
6.2.2 Übersicht über günstige Parameterkombinationen .... 220
6.2.3 Beschreibung der ausgewählten
Parameterkombinationen 221
6.2.4 Allgemeine Beobachtungen 223
6.2.5 Vergleich der Leistungsfähigkeit 225
6.3 Parameterwahl und numerische Ergebnisse für das
MDVRP-Modul 226
X Inhaltsverzeichnis
6.3.1 Testbeispiele und Ergebnisse 226
6.3.2 Übersicht über günstige Parameterkombinationen .... 228
6.3.3 Beschreibung der ausgewählten
Parameterkombinationen 229
6.3.4 Allgemeine Beobachtungen 231
6.3.5 Vergleich der Leistungsfähigkeit 233
6.4 Parameterwahl und numerische Ergebnisse für das
TSCFLRP-Modul 234
6.4.1 Testbeispiele und Ergebnisse 234
6.4.2 Übersicht über günstige Parameterkombinationen .... 236
6.4.3 Beschreibung der ausgewählten
Parameterkombinationen 236
6.4.4 Allgemeine Beobachtungen 238
6.5 Anwendung des TSCFLRP-Moduls auf das Testproblem
von Perl 241
7 Zusammenfassung und Ausblick 247
A TSCFLRP-Testprobleme 251
B Bezeichnungen der Parameter 255
C Numerische Ergebnisse 259
C.l Ergebnisse des TSCFLP-Moduls 260
C.2 Ergebnisse des MDVRP-Moduls 264
C.3 Ergebnisse des TSCFLRP-Moduls 267
Literaturverzeichnis 275
Abbildungsverzeichnis
2.1 Grundstrukturen von Logistiksystemen 7
2.2 Funktionelle Abgrenzung der Logistik 11
2.3 Gegenläufige Kosteneinflussgrössen in der Standortplanung . . 16
2.4 Schematische Darstellung eines Standortplanungsprozesses ... 18
3.1 Das TSCFLRP und die daraus abgeleiteten Modelle 48
4.1 2-Opt- Austauschschritt 73
4.2 Sweep-Verfahren 75
4.3 Route First - Cluster Second-Verfahren 77
4.4 Sawnsrs-Verfahren 78
4.5 (l,l)-Reinsertion 81
4.6 Lokales und globales Optimum 87
4.7 Simulation eines thermischen Gleichgewichts 93
5.1 Fehllokation bei Verwendung radialer Distanzen 128
5.2 Komponenten einer Tour 130
5.3 Kostenzusammensetzung einer Tour 130
6.1 TSCFLP: Lösungsgüte vs. Rechenzeit 219
6.2 TSCFLP: Robustheit vs. Rechenzeit 220
XVIII Abbildungsverzeichnis
6.3 MDVRP: Lösungsgüte vs. Rechenzeit 227
6.4 MDVRP: Robustheit vs. Rechenzeit 228
6.5 TSCFLRP: Lösungsgüte vs. Rechenzeit 235
6.6 TSCFLRP: Robustheit vs. Rechenzeit 235
6.7 CFLRP-Instanz: Lösung mit Parameterkombination 1 243
6.8 CFLRP-Instanz: Lösung mit Parameterkombination 39 .... 244
6.9 CFLRP-Instanz: Lösung mit Parameterkombination 14-33 . . . 246
Tabellenverzeichnis
1.1 Logistikkosten vs. Bruttosozialprodukt verschiedener
Wirtschaftsregionen (1994) 2
2.1 Aggregierter Katalog von Standortfaktoren 14
2.2 Einordnung der Problemstellung dieser Arbeit 28
3.1 Merkmalmatrix des TSCFLRP und der daraus abgeleiteten Sub-
probleme 49
4.1 Problemgrösse und Komplexität 54
4.2 Analogien zwischen Thermodynamik und Optimierung 94
4.3 Ausgewählte Attribute des Zuges von x nach x 104
4.4 Ausgewählte Tabu-Restriktionen 104
5.1 Problemstellungen und Lösungsansätze in der Literatur zur
kombinierten Standort- und Tourenplanung (Teil 1) 124
5.1 Problemstellungen und Lösungsansätze in der Literatur zur
kombinierten Standort- und Tourenplanung (Teil 2) 125
5.2 Modulübersicht der TSCFLRP-Heuristik 150
6.1 Vergleich der Leistungsfähigkeit des TSCFLP-Moduls mit der
Lagrange-Heuristik und der LP-basierten Heuristik von Klose . 226
6.2 Vergleich der Leistungsfähigkeit des TSCFLP-Moduls mit der
Heuristik von Bruns 226
XX Tabellenverzeichnis
6.3 Auswirkung der Postoptimierung beim MDVRP 232
6.4 Vergleich der Leistungsfähigkeit des MDVRP-Moduls mit der
Heuristik von Cordeau 233
6.5 TSCFLRP: Durchschnittliche Rechenzeit (Sek.) in Abhängig¬
keit der Problemgrösse 241
6.6 TSCFLRP: Durchschnittliche Lösungsgüte (%) in Abhängigkeit
der Problemgrösse 242
6.7 Ergebnisse der Parameterkombinationen 1 bis 39 für die
CFLRP-Instanz 242
6.8 Ergebnisse der modifizierten Parameterkombinationen 14 für die
CFLRP-Instanz 245
B.l Klassenbezeichner der Parameter 255
B.2 Mögliche Parameterausprägungen beim GAP-Modul 256
B.3 Mögliche Parameterausprägungen beim CFLPSS-Modul .... 256
B.4 Mögliche Parameterausprägungen beim TSCFLP-Modul .... 257
B.5 Mögliche Parameterausprägungen beim MDVRP-Modul .... 257
B.6 Mögliche Parameterausprägungen beim VRP-Modul 258
B.7 Mögliche Parameterausprägungen beim TSCFLRP-Modul ... 258
C.l Zusammenfassung der Ergebnisse für das TSCFLP 260
C.2 Parameterkombination 1 für das TSCFLP 261
C.3 Parameterkombination 3 für das TSCFLP 261
C.4 Parameterkombination 13 für das TSCFLP 262
C.5 Parameterkombination 20 für das TSCFLP 262
C.6 Parameterkombination 33 für das TSCFLP 263
C.7 Zusammenfassung der Ergebnisse für das MDVRP 2^
C.8 Parameterkombination 1 für das MDVRP 265
C.9 Parameterkombination 2 für das MDVRP 265
CIO Parameterkombination 6 für das MDVRP 265
Tabellenverzeichnis XXI
C. 11 Parameterkombination 10 für das MDVRP 265
C.12 Parameterkombination 14 für das MDVRP 265
C.13 Parameterkombination 26 für das MDVRP 266
C.14 Parameterkombination 33 für das MDVRP 266
C.15 Parameterkombination 38 für das MDVRP 266
C.16 Zusammenfassung der Ergebnisse für das TSCFLRP 267
C.17 Parameterkombination 1 für das TSCFLRP 268
C.18 Parameterkombination 7 für das TSCFLRP 269
C.19 Parameterkombination 14 für das TSCFLRP 270
C.20 Parameterkombination 18 für das TSCFLRP 271
C.21 Parameterkombination 20 für das TSCFLRP 272
C.22 Parameterkombination 38 für das TSCFLRP 273
C.23 Parameterkombination 39 für das TSCFLRP 274
Algorithmenverzeichnis
4.1 AtM-Heuristik für das CFLP 63
4.2 £ rop-Heuristik für das CFLP 67
4.3 Martello Toth-Heuristik für das GAP 70
4.4 Nearest Neighbour-Ueunstik für das TSP 74
4.5 2-Opt-Heuristik für das TSP 75
4.6 Sweep-Heuristik für das VRP 76
4.7 Savings-Uemistik für das VRP 79
4.8 Klassisches Local Search mit E4-Strategie 86
4.9 Klassisches Local Search mit A4-Strategie 87
4.10 Guided Local Search 89
4.11 Waters-Verbesserungsheuristik für das VRP 92
4.12 Simulated Annealing 96
4.13 Tabu Search 102
4.14 Adaptive Memory Programming 109
4.15 TAres/ioW-Algorithmen 112
4.16 Greedy Randomized Adaptive Search 114
5.1 Einfache Reallokationsheuristik für das GAP (Teil 1) 157
5.1 Einfache Reallokationsheuristik für das GAP (Teil 2) 158
5.2 Erweiterte Reallokationsheuristik für das GAP 160
XXIV Algorithmenverzeichnis
5.3 Modifizierte Reallokationsheuristik für das GAP 161
5.4 Local Seörc/i-Heuristik mit A4-Strategie für das GAP 162
5.5 Erweiterte Local SearcA-Heuristik mit £L4-Strategie für das
GAP 163
5.6 Drop-Heuristik für das CFLPSS 167
5.7 Drop-Esi-Heuristik für das CFLPSS 168
5.8 Local Searc/i-Heuristik mit fi4-Strategie für das CFLPSS ... 171
5.9 Tabu Searc/i-Heuristik für das CFLPSS 173
5.10 Iterative Konstruktionsheuristik für das TSCFLP 177
5.11 Local Searc/i-Heuristik mit Ä4-Strategie für das TSCFLP ... 180
5.12 Adaptive Memory Programming-Heuristik für das TSCFLP . . 183
5.13 Gutded Local Searc/»-Heuristik für das VRP 188
5.14 Tabu 5earc/j-Heuristik mit Diversifikationsstrategie für das
MDVRP 198
5.15 Locate First - Route Second-Heuristik für das TSCFLRP ... 205
5.16 Route First - Locate Second-Heuristik für das TSCFLRP ... 207
5.17 Local Seörc/i-Heuristik mit A4-Strategie für das TSCFLRP . • 213
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