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Consolidation of Urban Freight Transport – Models and Algorithms

Friedrich, Christian (2022):
Consolidation of Urban Freight Transport – Models and Algorithms. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021423,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Consolidation of Urban Freight Transport – Models and Algorithms
Language: English
Abstract:

Urban freight transport is an indispensable component of economic and social life in cities. Compared to other types of transport, however, it contributes disproportionately to the negative impacts of traffic. As a result, urban freight transport is closely linked to social, environmental, and economic challenges. Managing urban freight transport and addressing these issues poses challenges not only for local city administrations but also for companies, such as logistics service providers (LSPs). Numerous policy measures and company-driven initiatives exist in the area of urban freight transport to overcome these challenges. One central approach is the consolidation of urban freight transport. This dissertation focuses on urban consolidation centers (UCCs) which are a widely studied and applied measure in urban freight transport. The fundamental idea of UCCs is to consolidate freight transport across companies in logistics facilities close to an urban area in order to increase the efficiency of vehicles delivering goods within the urban area. Although the concept has been researched and tested for several decades and it was shown that it can reduce the negative externalities of freight transport in cities, in practice many UCCs struggle with a lack of business participation and financial difficulties. This dissertation is primarily focused on the costs and savings associated with the use of UCCs from the perspective of LSPs. The cost-effectiveness of UCC use, which is also referred to as cost attractiveness, can be seen as a crucial condition for LSPs to be interested in using UCC systems. The overall objective of this dissertation is two-fold. First, it aims to develop models to provide decision support for evaluating the cost-effectiveness of using UCCs. Second, it aims to analyze the impacts of urban freight transport regulations and operational characteristics on the cost attractiveness of using UCCs from the perspective of LSPs. In this context, a distinction is made between UCCs that are jointly operated by a group of LSPs and UCCs that are operated by third parties who offer their urban transport service for a fee. The main body of this dissertation is based on three research papers. The first paper focuses on jointly-operated UCCs that are operated by a group of cooperating LSPs. It presents a simulation model to analyze the financial impacts on LSPs participating in such a scheme. In doing so, a particular focus is placed on urban freight transport regulations. A case study is used to analyze the operation of a jointly-operated UCC for scenarios involving three freight transport regulations. The second and third papers take on a different perspective on UCCs by focusing on third-party operated UCCs. In contrast to the first paper, the second and third papers present an evaluation approach in which the decision to use UCCs is integrated with the vehicle route planning of LSPs. In addition to addressing the basic version of this integrated routing problem, known as the vehicle routing problem with transshipment facilities (VRPTF), the second paper presents problem extensions that incorporate time windows, fleet size and mix decisions, and refined objective functions. To heuristically solve the basic problem and the new problem variants, an adaptive large neighborhood search (ALNS) heuristic with embedded local search heuristic and set partitioning problem (SPP) is presented. Furthermore, various factors influencing the cost attractiveness of UCCs, including time windows and usage fees, are analyzed using a real-world case study. The third paper extends the work of the second paper and incorporates daily and entrance-based city toll schemes and enables multi-trip routing. A mixed-integer linear programming (MILP) formulation of the resulting problem is proposed, as well as an ALNS solution heuristic. Moreover, a real-world case study with three European cities is used to analyze the impact of the two city toll systems in different operational contexts.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Städtischer Güterverkehr ist ein wichtiger Bestandteil von Städten. Doch im Vergleich zu anderen Verkehrsträgern trägt der städtische Güterverkehr unverhältnismäßig stark zu den negativen Auswirkungen des Verkehrs bei. Infolgedessen ist der städtische Güterverkehr eng mit sozialen, ökologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen verbunden. Das Management des städtischen Güterverkehrs stellt nicht nur lokale Stadtverwaltungen, sondern auch Unternehmen wie beispielsweise Logistikdienstleister vor Herausforderungen. Zahlreiche politische Maßnahmen und unternehmensgetriebene Initiativen zielen auf die Bewältigung dieser Herausforderungen im städtischen Güterverkehr ab. Ein zentraler Ansatz ist die unternehmensübergreifende Konsolidierung von städtischen Gütertransporten. Diese Dissertation konzentriert sich auf städtische Konsolidierungszentren (Urban Consolidation Centers (UCC)), die eine weithin untersuchte und angewandte Maßnahme im städtischen Güterverkehr darstellen. Der Grundgedanke von UCCs besteht darin, den Güterverkehr unternehmensübergreifend in Logistikeinrichtungen in der Nähe eines Stadtgebiets zu konsolidieren, um so die Effizienz der in das Stadtgebiet einfahrenden Lieferfahrzeuge zu erhöhen. Obwohl das Konzept seit mehreren Jahrzehnten erforscht und erprobt wird und gezeigt wurde, dass es die negativen externen Effekte des Güterverkehrs in Städten verringern kann, kämpfen in der Praxis viele UCCs mit mangelnder Beteiligung von Unternehmen und finanziellen Schwierigkeiten. Diese Dissertation konzentriert sich in erster Linie auf die Kosten und möglichen Einsparungen, die mit der Nutzung von UCCs aus der Perspektive von Logistikdienstleistern verbunden sind. Die Kosteneffizienz der Nutzung von UCCs, die auch als Kostenattraktivität bezeichnet wird, kann als eine maßgebliche Voraussetzung für das Interesse von Logistikdienstleistern an der Nutzung von UCC-Konzepten gesehen werden.

Die vorliegende Dissertation verfolgt zwei übergeordnete Ziele. Erstens sollen Modelle entwickelt werden, die als Entscheidungsunterstützung für die Bewertung der Kosteneffizienz von UCCs dienen. Zweitens sollen die Auswirkungen von städtischen Güterverkehrsvorschriften und operativen Aspekten auf die Kosteneffizienz der Nutzung von UCCs analysiert werden. In diesem Zusammenhang wird dabei zwischen UCCs unterschieden, die gemeinsam von einer Gruppe von Logistikdienstleistern kooperativ betrieben werden, und UCCs, die von Dritten betrieben werden, die den Transport von Gütern in Städte gegen eine Gebühr anbieten. Der Hauptteil dieser Dissertation stützt sich auf drei Forschungsbeiträge. Der erste Beitrag konzentriert sich auf kooperativ-betriebene UCCs, die von einer Gruppe von kooperierenden Logistikdienstleistern betrieben werden. Hierfür wird ein Simulationsmodell zur Analyse der finanziellen Auswirkungen auf einzelne Logistikdienstleister vorgestellt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf städtischen Güterverkehrsvorschriften. Anhand einer Fallstudie wird ein kooperativ-betriebenes UCC für verschiedene Szenarien mit unterschiedlichen Güterverkehrsvorschriften analysiert. Der zweite und dritte Beitrag verfolgen eine andere Sichtweise auf UCCs, indem sie sich auf von Dritten betriebene UCCs konzentrieren. Im Gegensatz zum ersten Beitrag wird im zweiten und dritten Beitrag ein Bewertungsansatz vorgestellt, bei dem die Entscheidung über die Nutzung von UCCs in die Tourenplanung von Logistikdienstleistern integriert wird. Neben der grundlegenden Version dieses integrierten Tourenplanungsproblems, das als Vehicle Routing Problem With Transshipment Facilities (VRPTF) bekannt ist, werden im zweiten Beitrag Problemerweiterungen vorgestellt, die Zeitfenster, Entscheidungen über Flottengröße und deren Zusammensetzung sowie neue Zielfunktionen beinhalten. Um das Grundproblem und die neuen Problemvarianten heuristisch zu lösen, wird ein Adaptive Large Neighbourhood Search (ALNS) mit eingebetteter lokaler Suche und einem Mengenzerlegungsproblem zur Rekombination der Touren vorgestellt. Außerdem werden verschiedene Faktoren, wie beispielsweise Zeitfenster und UCC-Nutzungsgebühren, welche die Kostenattraktivität von UCCs beeinflussen, anhand einer Fallstudie analysiert. Der dritte Beitrag erweitert den Ansatz des zweiten Beitrags um eine tagesbasierte und einfahrtsbasierte City-Maut und ermöglicht es mehrere Touren pro Fahrzeug und Tag zu planen. Für das resultierende Problem wird ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsproblem formuliert und eine ALNS Meta-Heuristik präsentiert. Zudem werden anhand einer Fallstudie mit drei europäischen Städten die Auswirkungen der beiden Stadtmauten in verschiedenen operativen Situationen analysiert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvii, 178 Seiten
Classification DDC: 300 Sozialwissenschaften > 330 Wirtschaft
300 Sozialwissenschaften > 380 Handel, Kommunikation, Verkehr
Divisions: 01 Department of Law and Economics > Betriebswirtschaftliche Fachgebiete > Department of Management and Logistics
Date Deposited: 08 Jun 2022 12:05
Last Modified: 02 Sep 2022 06:54
DOI: 10.26083/tuprints-00021423
Corresponding Links:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-214233
Additional Information:

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Referees: Elbert, Prof. Dr. Ralf ; Weidinger, Prof. Dr. Felix
Date of oral examination: 3 May 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21423
PPN: 49655512X
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