Competitive multiple allocation p-hub location problems: models and exact algorithms

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Elisangela Martins de Sá
Gilberto de Miranda Junior
Fatima Machado de Souza Lima
Andréa Cynthia Santos Duhamel

Resumo

Esta tese aborda o problema competitivo de localização de p-hubs com múltiplos caminhos e alocação múltipla (MPMAPHLP), motivado por aplicações na indústria aérea, na qual uma nova companhia aérea busca competir com uma empresa estabelecida em um mercado consolidado. Nesse contexto, levamos em consideração a escolha de rota pelo passageiro, tornando o planejamento estratégico de redes hub-and-spoke um fator crucial para a conquista de mercado. Duas novas formulações matemáticas são propostas: a primeira reformula o problema original de maximização da literatura em um modelo equivalente de minimização. A segunda reforça restrições de acoplamento do problema alcançando maior escalabilidade. Este trabalho é o primeiro a tratar este tipo de problema através da perda de mercado e a utilizar restrições de acoplamento mais fortes, favorecendo a escalabilidade. Para resolver os problemas inteiros mistos não lineares, primeiramente utilizamos formulações cônicas equivalentes, em seguida, novos algoritmos exatos baseados na técnica de aproximação externa do tipo Outer Approximation são desenvolvidos. Ademais, o trabalho é pioneiro na combinação de reformulação cônica com Outer Approximation nesse contexto. Através de extensivos experimentos computacionais usando dados da Civil Aeronautics Board com até 70 nós, demonstramos que nossos modelos superam substancialmente todo o trabalho anterior. Através de um solucionador cônico comercial, nossas formulações propostas alcançaram ganhos computacionais notáveis em relação ao modelo da literatura: o modelo de minimização inicial atinge acelerações médias de 113 vezes, e a segunda formulação chega a acelerações médias de 1081 vezes, ambas mais rápidas que o modelo de maximização, estabelecendo um novo padrão em eficiência de soluções para MPMAPHLP competitivo. Ganhos de performance foram obtidos ao empregar algoritmos baseados em aproximação externa OA, demonstrando a eficiência dos novos algoritmos desenvolvidos.

Abstract

This thesis addresses the competitive multi-path multi-allocation p-hub location problem (MPMAPHLP), motivated by applications in the airline industry, in which a new airline seeks to compete with an established company in a consolidated market. In this context, we consider passenger route choice, making strategic hub-and-spoke network planning a crucial factor for market capture. Two new mathematical formulations are proposed: the first reformulates the original maximization problem from the literature into an equivalent minimization model. The second reinforces the problem’s coupling constraints, achieving greater scalability. This work is the first to address this type of problem through market loss and to use stronger coupling constraints, favoring scalability. To solve mixed-integer non-linear problems, we first use equivalent conic formulations, followed by new exact algorithms based on the outer approximation technique. Furthermore, this work pioneers the combination of conic reformulation with outer approximation in this context. Through extensive computational experiments using Civil Aeronautics Board (CAB) data with up to 70 nodes, we demonstrate that our models substantially outperform all previous work. Using a commercial conic solver, our proposed formulations achieved remarkable computational gains compared to the literature model: the initial minimization model achieves average speedups of 113 times, and the second formulation reaches average speedups of 1081 times, both faster than the maximization model, establishing a new standard in efficiency for competitive MPMAPHLP solutions. Performance gains were obtained by employing algorithms based on external approximation, demonstrating the efficiency of the newly developed algorithms.

Assunto

Engenharia de produção, Logística, Aerovias, Algoritmos - Simulação por computador

Palavras-chave

Hub location, Competitive location, Economies of scale, Mixed-integer secondorder cone programming, Outer approximation technique

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