2. ARAÇ ROTALAMA PROBLEMİ
2.3 Araç Rotalama Problemi Türleri
2.3.3 Kısıtlarına Göre Araç Rotalama Problemi
Gerçek hayatta firmaların lojistik sistemlerini işletirken karşılaştıkları sorunlar, araç rotalarının modellenmesinde bir çok kısıtlar ortaya çıkarmaktadır. Bu kısıtların hepsinin aynı anda göz önünde bulundurulması çok zor olduğu için önemli görülen kısıtlar seçilip eklenerek araç rotalarında optimizasyona erişilmeye çalışılır.
2.3.3.1 Kapasite Kısıtlı Araç Rotalama Problemi
Kapasite Kısıtlı Araç Rotalama Problemi (KKARP) bir veya daha fazla sayıda işletme birimi (depo) bulunan bir işletmenin talepleri belli n adet müşterisine ulaşabilmesi için yükleme kapasiteleri kısıtlı araçların rota planlaması problemidir. Literatürde klasik ARP ile KKARP bir olarak tutulup, genellikle tüm ARP uygulamalarında kapasite kısıtı bulunmaktadır.
KKARP’de bir rotada yer alan müşterilerin toplam talebi araç kapasitesi C’yi geçmemelidir.
ARP modelinde bu kısıt (2.6) numaralı denklemde gösterilmektedir. KKARP’nin farklı versiyonları bulunmaktadır. Örneğin bazı problemlerde her aracın bir sabit çalıştırma maliyeti bulunup bu değer amaç fonksiyonuna eklenmektedir. Bu durumda sabit maliyet unsurundan dolayı amaç fonksiyonunda kullanılan araç sayısı minimize edilmeye çalışılmakta ve çözümde sonuç olarak bazı araçların rotalaması yapılmamaktadır. Başka bir KKARP çeşidi ise problemde farklı tipte ve dolayısıyla yükleme kapasiteleri farklı olan araçların (Ck, k=1,….M) söz konusu olmasıdır (Erol, 2006). Aşağıda yer alan şekil bir KKARP çözüm örneğini teşkil etmektedir. Şekil 2.3 (a)’da 32 müşterili bir KKARP örneği şekil üzerinde gösterilmiştir. Şekil 2.3 (b)’de ise bu örnek için optimal çözümü göstermektedir.
(a) (b)
Şekil 2.3 Kapasite Kısıtlı Araç Rotalama Problemi çözüm uygulama örneği (Ropke, 2005)
KKARP’de araç kapasitesi sınırlı olduğu için araç periyodik olarak depoya tekrar yükleme için dönmelidir. KKARP’de müşteri talebinin parçalanamaz. Bu yüzden KKARP çözümü her müşterinin birkere ziyaret edildiği vetoplam tur talebinin en fazla C olduğu turların toplamından oluşur[4].
2.3.3.2 Mesafe Kısıtlı Araç Rotalama Problemi
Mesafe Kısıtlı Araç Rotalama Probleminde (MKARP) rotalara atanan her aracın gidebileceği maksimum mesafe kısıtı bulunmaktadır. Daha önce verilen modelde bu kısıt aşağıdaki (2.9) nolu kısıt eklenerek bulunmaktadır. Denklemde L, bir aracın gidebileceği maksimum mesafe değerini ifade etmektedir.
k∈{1,...,M} için
∑∑ ∑
= = = ≠
≤
N
i N
j N
i j j
ijk
ij X L
d
0 0 0'
(2.9)
Literatürde KKARP’nin olduğu gibi MKARP’nin de farklı versiyonları bulunabilmektedir.
Örneğin farklı tipteki araçlar için farklı mesafe kısıtı (Lk, k=1…….,M) söz konusu olabilir.
Bunun yanında mesafe kısıtı yerine mesafeyle orantılı seyir süresi kısıtı da olabilir. Bu durumda araç her bir müşteriye uğradığında si servis süresi kadar bekleyecektir. Bu tip problemlerde (2.9) numaralı kısıt aşağıdaki hali alacaktır.
k∈{1,...,M} için
∑∑ ∑ ∑∑ ∑
≠
=
= = = ≠ = =
+ ≤ +
N
i j j
ijk N
i N
j
N
i j j
N
i N
j
j i ijk
ij s s X T
pX d
, 0
0 0 0, 0 0 2 (2.10)
Burada p aracın seyir süresini kat ettiği toplam mesafe yoluyla hesaplamakta kullanılan bir parametredir. Servis sürelerinin (si) ikiye bölünerek hesaplanmasının sebebi, aracın rotasında bulunan yolları sıralarken rota içerisindeki bir müşterinin bir yolun başlangıcında diğer yolun ise sonunda yer alması ve bu sebeple denklemdeki toplam ifadesi ile iki defa karşılaşılmasıdır.
Bunların yanında yükleme kapasitesinin ve mesafe kısıtının birlikte kullanıldığı problemler bulunmaktadır. Bu tip problemlerde 2.8 ve 2.9 numaralı kısıtlar beraber kullanılmaktadır (Erol, 2006).
Aşağıda yer alan Şekil 2.4’de hem araç kapasitesi kısıtı hem de mesafe kısıta bulunan araç rotalama problemine örnek verilmektedir. Araç rotaları hem bir rota ile hizmet edilen müşteri taleplerinin toplam talebi araç kapasitesini geçmemektedir hem de bir turda katedilen toplam mesafe, mesafe kısıtını aşmamaktadır. Şekil ile anlatımı aşağıda yer alan Şekil 2.4’de gösterilmektedir.
Şekil 2.4 Mesafe Kısıtlı Araç Rotalama Probleminin grafiksel gösterimi (Laporte, 2004)
2.3.3.3 Zaman Pencereli Araç Rotalama Problemi
Zaman Pencereli Araç Rotalama Problemi (ZPARP) dağınık olarak dağıtılmış müşteriler kümesine bir depodan en düşük meliyetli rotaların tasarlanması problemi olarak tanımlanabilir. Rotalar, verilen bir zaman aralığında her müşteri bir kere ve sadece bir araç tarafından ziyaret edilecek şekilde tasarlanmalıdır ve her rota depoda başlayıp son bulmalıdır (Braysy ve Gendreau, 2001).
Amaç fonksiyonu araç filosunu, toplam seyahat süresini ve tüm müşterilere kendi saatlerinde tedarik için gerekli bekleme zamanlarını minimize eder. ZPARP, ARP’ye göre aşağıdaki ek ksıtılar eklenerek karakterize edilmiştir: [2]
• Eğer bir müşteri kendi zaman penceresinin üst sınırından sonra ziyaret edildiyse çözüm
fizibil değildir.
• Bir aracın zaman penceresinin alt sınırından önce müşteriyi ziyaret etmesi rotayda fazladan bekleme zamanına sebep olacaktır.
• Her rota depo ile ilgili zaman penceresi içerisinde başlamalı ve bitmelidir.
• Ilımlı zaman pencerelerinin olduğu durumda, geç hizmet sonucun fizibilliğine etki etmez ama amaç fonksiyonuna ek değerle ceza verir.
Aşağıdaki yer alan Şekil 2.5 (a)’da ZPARP’nin Solomon’un 50 müşterili örneklerinden biri görülmektedir. Şekil 2.5 (b)’de ise çözüm uygulaması yer almaktadır.
(a) (b)
Şekil 2.5 Zaman Pencereli Araç Rotalama Probleminin çözüm uygulama örneği (Ropke, 2005)
2.3.3.4 Toplama ve Dağıtım İşlemlerini Kapsayan Araç Rotalama Problemi
Bu problem toplama ve dağıtım işlemlerini birlikte kapsayan bir araç rotalama problemi (TDARP) türüdür. Bütün dağıtım taleplerinin depodan başladığı ve bütün toplama taleplerinin depoya getirilmesi gerektiği ve bu sayede müşteriler arasında mal akışının olmadığı kısıtlı bir durum dikkate alınır. Başka bir alternatif, kısıtı tüm müşterilerin tam olarak bir kez ziyaret edileceği hale getirerek esnetmektir. Başka bir basitleştirme de her bir aracın malları toplama işlemine başlamadan önce dağıtım işlemlerini tamamladığını varsaymaktır.
Amaç; araç akışını ve toplam dolaşım süresini minimize etmek ve bunu yaparken araçların malları müşterilere dağıtmak için ve müşterilerden topladığı malları depoya getirmek için yeterli kapasiteye sahip olmasına dikkat etmektir. Her rotaya atanmış olan toplam miktar araç kapasitesini aşmıyorsa ve araç müşterilerden malı toplamak için yeterli kapasiteye sahipse
çözüm fizibildir. Bir rotanın maliyeti klasik ARP problemindeki gibidir ancak burada ek olarak, bir rotanın sadece dağıtım fizibilitesine, toplama fizibilitesine, yükleme fizibilitesine sahip olduğunda fizibil olabileceği sınırlaması getirilir. Öncelikle q değişkenini müşterinin toplama talebi olarak tanımlanmalıdır.
Dağıtım fizibilitesi; Bu durum, bir rotada dağıtılan toplam malın araç kapasitesini aşmaması anlamına gelir. Ri={ v0, v1,……,vm+1} rotası ve bu rotaya atanan C kapasiteli araç kısıtı şöyle ifade edilebilir:
Cd (vk) ≤ C ve Cd (vk+1) 〉 C ;
Cd (vk), v0’da (depoda) başlayan ve vk’da biten bir rotadaki tüm müşterilere dağıtılacak olan mal toplamıdır.
( )
( )
∑
∈
=
k
i P v
v
k
iq v
d C
, 1
,
1 (2.11)
P(v1, vk), depodan vk’ya kadar, vk da dahil, yol boyunca ziyaret edilen müşterileri gösterir.
Toplama fizibilitesi; Bu kısıtlar aracın rotadaki tüm müşterilerin mallarını toplayabilecek kapasiteye sahip olduğunu güvence altına alır. Cq (vk) ≤ C ve Cq (vk+1) 〉 C; Cq (vk), vk’ya kadar ve vk da dahil rotadaki tüm müşterilerden toplanan toplam maldır. Yani;
( )
( )
∑
∈
=
k
i P v
v i k
q v q
C
, 1
(2.12)
Yükleme fizibilitesi ; Aracın kapasitesi rotanın herhangi bir düğümünde bozulabilir. Böyle bir bozulma müşterilerin sıralanışına bağlı olacaktır. L(vk) vk müşterisi terk edildikten sonraki araç yükü olsun.Aracın depoyu L(1) ≤ C şeklindeki bir ilk yükle terk ettiğini varsayalım. O zaman rotanın herhangi bir yerinde aracın yükü,
L(vk )= Cp (vk) + L(1)-Cd (ik) (2.13) Bu eşitlikte verilen araç yükü, aracın kapasitesini aşabilir. Bu, yolun fizibil olmaması anlamına gelir çünkü araç yol üzerinde bulunan bir sonraki vk+1 müşterisine hizmet edemez.
Bu nedenle bir rota L(vk) ≤ C ve L(vk+1) 〉 C ise fizibildir [2].
Şekil 2.6 Toplama ve Dağıtım İşlerini Kapsayan Araç Rotalama Probleminin grafiksel görünümü (Montane ve Galvao, Basımda)
Yukarıdaki Şekil 2.6’da toplama ve dağıtım işlemlerini birlikte kapsayan araç rotalama problemine ilişkin örnek şekilli anlatım bulunmaktadır.
2.3.3.5 Periyodik Yüklemeli Araç Rotalama Problemi
Periyodik araç rotalama probleminde (PARP) planlama periyodu P güne yükseltilerek klasik araç rotalama problemi genelleştirilir. Amaç araç akışını ve müşterilerin taleplerini karşılamak için gerekli olan toplam zamanı minimize etmektir. ARP’nin tüm kısıtları sağlanıyorsa çözüm fizibildir. Ayrıca araç depoya bir günde geri dönmeyebilir. P gün içinde tüm müşteriler en az bir kere ziyaret edilmiş olmalıdır.
Tüm rotalardaki maliyet minimize edilir. Her müşteri, tek bir araçla sadece bir ziyarette karşılanması gereken, önceden bilinen günlük bir talebe sahiptir. Planlama periyodu P=1 ise problem klasik araç rotalama problemi haline gelir. PARP’de her müşteri k defa ziyaret edilmelidir. 1≤ k ≤ P olmalıdır. PARP’nin klasik modelinde müşterilerin günlük talebi daima sabittir. PARP, global maliyetlerin düşürülmesi ve kısıtların karşılanabilmesi amacıyla, her gün için bir grup rota üreten bir problem olarak görülebilir. PARP ayrıca çok aşamalı bir kombinasyonel optimizasyon problemi olarak da görülebilir: İlk aşamada, amaç her müşteri için bir grup fizibil alternatif (kombinasyon) oluşturmaktadır. İkinci aşamada, her müşteri için günlük kısıtları sağlayan alternatiflerden biri seçilmelidir. Bu yüzden her gün için ziyaret edilen müşterileri seçilmelidir. Üçüncü aşamada, her gün için ayrı ayrı klasik araç rotalama problemi çözülür[2].
2.3.3.6 Parçalı Dağıtımlı Araç Rotalama Problemi
Parça Dağıtımlı Araç Rotalama Probleminde (PDARP) eğer toplam maliyetlerin düşmesine katkı sağlayacaksa, aynı müşteri farklı araçlardan hizmet alabilir. Burada, eğer müşterinin siparişlerinin hacmi aracın kapasitesi kadar büyükse, klasik ARP probleminin genişletilmesi konusu kritik bir konudur. PDARP’de optimum sonucu bulmak ARP’dekinden çok daha zordur. Amaç araç akışını ve müşterilerin taleplerini karşılamak için gerekli olan toplam zamanı minimize etmektir. Bir müşterinin birden fazla araçtan hizmet görmesi dışında ARP kısıtlarının tümü sağlanıyorsa çözüm fizibildir. Tüm rotalardaki toplam maliyet minimize edilir. ARP’yi PDARP’ye dönüştürmenin kolay bir yolu, her müşteri siparişini daha küçük olan ve bölünemeyen siparişlere ayırarak, dağıtımların parçalanmasına izin vermektir [2].
2.3.3.7 Stokastik Araç Rotalama Problemi
Stokastik Araç Rotalama Problemi (SARP), klasik araç rotalama probleminin, problem elemanlarından bir ya da birkaçının rastgele olduğu bir modele dönüştürülmesiyle elde edilir.
SARP’nin 3 farklı türü vardır:
• Stokastik müşteriler: Her i müşterisi pi olasılığı ile vardır, 1-pi olasılığıyla yoktur.
• Stokastik talepler: Her müşterinin talebi qi, rassal bir değişkendir.
• Stokastik zamanlar: Servis zamanları si ve dolaşım zamanları tij rassal değişkenlerdir.
SARP’de çözüme ulaşmak için iki aşama kullanılır. Önce rassal değişkenlerin gerçekleşme değerleri bilinmeden bir ilk çözüm belirlenir. İkinci adımda ise, rassal değişkenlerin değerleri bilindiğinde düzeltici bir işlem yapılabilir. Amaç araç filosunu ve varlığı belirlenmiş olan rassal değerli müşterilerin taleplerini karşılamak için gerekli olan toplam zamanı ve servis sürelerini minimize etmektir. Bazı verilerin rassal olduğu durumlarda, rassal değerlerin tüm gerçekleşme durumlarında kısıtların karşılanmasını beklemek artık imkansızdır. Bu nedenle karar verici ya belirli bir olasılıkla bazı kısıtların karşılanması koşulunu koyabilir ya da herhangi bir kısıt bozulduğunda probleme düzeltici işlemler ekleyebilir.
∑ ( )
<
+
j i
ij
ijx Q x
c (2.14)
formülünü aşağıdaki koşullar altında minimize et:
xij, (vi, vj) zaman düzleminde başlangıç çözümünde görünen tamsayılı bir değişkendir. Eğer i, j >1 ise xij sadece 0 ve 1 değerini alabilir. Eğer i=1 ise aracın depo ve vj arasında bir geri dönüş hareketi yaptığı durumda, xij 2’ye eşittir.
Q(x) ikinci aşamada beklenen başvuru fonksiyonudur. Probleme bağımlıdır ve mümkün başvuru hareketlerinin kısmi seçimi ile ilişkilidir[2].
Örneğin kapasite kısıtlı toplamalı SARP probleminde olabilecek başvuru hareketleri:
• Araç dolu ise boşaltmak için depoya geri dön ve sonra toplamalara planlanan şekilde devam et.
• Araç dolduğunda yine bir önceki adım gibi depoya geri dön ve planlanan rotanın geri kalan kısmını yeniden optimize et.
• Araç dolu olmasa bile depoya önleyici bir geri dönüş hareketi planla. Böyle bir durumda bu karar, birikmiş olan miktara ve aracı depodan ayıran uzaklığa göre verilir.
Dolu olmayan bir araç, bir sonraki müşterinin araç kapasitesinin aşılmasına neden olacağı bilinirse, depoya dolmadan geri dönebilir [2].
2.3.3.8 Geri Dönüşlü Araç Rotalama Problemi
Geri Dönüşlü Araç Rotalama Problemi (GDARP) müşterilerin bazı ticaret mallarını geri gönderdiği ya da talep ettiği araç rotalama problemi tipidir. Bu yüzden TDARP’de müşterilerin geri gönderecekleri malların araçlara sığabilmesi koşulu hesaba katılmalıdır.
Buradaki kritik varsayım, her bir rotada toplama işlemine başlayabilmek için önce dağıtım işlemlerinin tamamlanmasıdır. Bu durum araçların arkadan yüklemeli olmasından kaynaklanır. Çünkü dağıtım noktalarında araçlardaki yüklerin yeniden düzenlenmesi ekonomik ve fizibil olmayacaktır. Dağıtılacak ve toplanacak miktarlar sabittir ve önceden bilinir. Amaç, toplam kat edilen yolun minimum olduğu rotalar oluşturmaktır. Fizibil bir çözüm, dağıtım işlemlerinin toplama işlemlerinden önce tamamlandığı ve araç kapasitesinin rotaya atanan geri dönüş noktalarıyla bozulmadığı rotaları içerir.
Bir rotanın maliyeti klasik ARP problemindeki gibidir ancak burada ek olarak, bir rotanın sadece dağıtım fizibilitesine, toplama fizibilitesine, yükleme fizibilitesine sahip olduğunda fizibil olabileceği sınırlaması getirilir. Öncelikle p değişkenini müşterinin toplama talebi olarak tanımlanmalıdır.
Dağıtım fizibilitesi; Bu durum, bir rotada dağıtılan toplam malın araç kapasitesini aşmaması anlamına gelir. Ri={ v0, v1,……,vm+1} rotası ve bu rotaya atanan C kapasiteli araç kısıtı şöyle ifade edilebilir: Cd (vk) ≤ C ve Cd (vk+1) 〉 C ; Cd (vk), v0’da (depoda) başlayan ve vk’da biten bir rotadaki tüm müşterilere dağıtılacak olan mal toplamıdır.
( )
( )
∑
∈
=
k
i P v
v
k
ip v
d vk
Cd
, 1
, 1 )
( (2.15)
P(v1, vk), depodan vk’ya kadar, vk da dahil, yol boyunca ziyaret edilen müşterileri gösterir.
Toplama fizibilitesi; Bu kısıtlar aracın rotadaki tüm müşterilerin mallarını toplayabilecek kapasiteye sahip olduğunu güvence altına alır. Cp (vk) ≤ C ve Cp(vk+1)〉C; Cp(vk), vk’ya kadar ve vk da dahil rotadaki tüm müşterilerden toplanan toplam maldır. Yani ;
( )
∑
∈
=
k
i p v
v i k
p v p
C
, 1
)
( (2.16) Yükleme fizibilitesi ; Aracın kapasitesi rotanın herhangi bir düğümünde bozulabilir. Böyle bir bozulma müşterilerin sıralanışına bağlı olacaktır. Lk, vk müşterisi terk edildikten sonraki araç yükü olsun. Aracın depoyu L(1) ≤ C şeklindeki bir ilk yükle terk ettiğini varsayalım. O zaman rotanın herhangi bir yerinde aracın yükü, . L(vk )= Cp (vk) + L(1) - Cd (ik) . Bu eşitlikte verilen araç yükü, aracın kapasitesini aşabilir. Bu, yolun fizibil olmaması anlamına gelir çünkü araç yol üzerinde bulunan bir sonraki vk+1 müşterisine hizmet edemez. Bu nedenle bir rota L (vk) ≤ C ve L(vk+1) 〉 C ise fizibildir[2].
Aşağıda yer alan Şekil 2.7’de GDARP için şematik bir gösterim yer almaktadır.
Şekil 2.7 Geri Dönüşümlü Araç Rotalama Probleminin grafiksel görünümü (Montane ve Galvao, Basımda)
2.3.3.9 Çok Depolu Araç Rotalama Problemi
Bir işletme müşterilerine hizmet sunmada kullandığı birden çok depoya sahip olabilir. Çok Depolu Araç Rotalama Problemi (ÇDARP) müşterilerin depolara atanmasını gerekmektedir.
Her depoya bir araç filosu verilir. Her araç bir depodan başlar, o depoya atanan müşterileri ziyaret eder ve aynı depoya geri döner. ÇDARP’nin amacı seyahat mesafesini ve araç sayısını minimize etmektir. Bu problemdeki amaç fonksiyonu, toplam ticari ürün talepleri bir çok
depodan karşılanırken araç filosunu ve toplam seyahat süresini minimize etmektir. Çözüm, her rota standart ARP kısıtlarını karşıladığında ve aynı depoda başlayıp bitmesi durumunda fizibildir.
Bu ARP’nin çok depolu olması durumundaki uzantısıdır ve problemdeki noktalar V={v1,…….,vn}UV0 ile gösterilir ve V0={v01,……,v0d} depoları göstermektedir.
Ri={d,v1,……,vm,d} ile d∈V0 i rotası gösterilir. Rota maliyeti standart ARP’de olduğu gibi hesaplanır[2].
Gerçekte sadece tek depodan bir dağıtım sistemini yürütme ihtimali zayıf olmasına rağmen ÇDARP yayınlanmış çalışmaların azlığı sıkıntısı içerisindedir. ÇDARP çözümünde yaygın olarak kullanılan teknik iki aşamalı bir yaklaşımdır, ilk olarak müşteriler kendileri için en yakın olan müşteriye atanır ve her depo için ARP çözülür (Salhi ve Sari, 1997).
Bu tür problemlerin esas zorluğuna karşın, önce grupla sonra rotala tipindeki iki aşamalı yaklaşık metodun pratik boyutlardaki problemler için ümit vericidir. ÇDARP için toplam çözüm maliyeti ilk aşamada kullanılan atama algoritmasına kuvvetli şekilde bağımlıdır ve bu algoritmalar çözülecek problem örneğinin coğrafi topolojisine dayanmaktadır. ÇDARP’de müşterilere bir çok depodan biri tarafından hizmet verilmelidir. ARP’deki gibi her araç ayrıldığı depoya geri dönmelidir (Tansini, Urquhart ve Viera, 2000).