Simulation and impact assessment of innovative systems for urban freight distribution

Abstract

Freight distribution is considered a main contributor to traffic congestion and environmental pollution in urban areas (CIVITAS Initiative, 2017). The ever growing demand for transport of goods as a result of the increasing urbanization, consumerism, technological blooming, international competition and supply chain disruptions due to atypical reasons, e.g. the recent pandemic, cause a vast demand for products and services and renders the upkeep of a high traffic and living quality in cities, a challenging process. Over the last decades, many logistic solutions have been developed to allay cities’ problems related to the distribution of goods (Holguin-Veras et al., 2018; Holguín-Veras et al., 2018b). These solutions complement traditional Urban Freight Transport (UFT) solutions – policies, measures, techniques, projects, programs – or replace them entirely. The latest news at the end of 2020 indicates a clear shift towards a more digital world which triggers changes in consumers’ shopping behavior all around the world (UNCTAD, 2020). While some demand shifts may be temporary, others are likely to have long-lasting effects on e-commerce (OECD, 2020). This new e-commerce reality questions several aspects of the current logistics processes and put immense pressure on courier companies for seamless servicing of higher volume home deliveries and processes’ digitalization. To serve this additional demand, new delivery processes should be introduced requiring the creation of new shared interconnected logistics networks, that beyond reproach, uphold the dogma of zero emissions in transport (Alice, 2020). The emerging vehicle automation technology, which is characterized by asset intensity and high capacity utilization, and the pervasive use of mobile technology that can engage a “crowd” for fast and cheap deliveries seem prominent responses to this call for too many small deliveries. Micro consolidation centers are considered a prerequisite for the deployment of the aforementioned delivery methods, as they have a pivotal role in transporting the freight into the cities’ centers. A grid of strategically positioned micro consolidation centers that operate as transshipment points can serve last-mile demand in a more consolidated way, resulting in increased load factors and reduced emissions per shipment.The multivariate nature of the logistics solutions, however, may bring adverse effects if all aspects are not considered carefully. To avoid such situations, ex-ante evaluation of the proposed solutions through simulation is always advised in order to quantify their impacts. Micro and macro traffic simulation in combination with other simulation techniques have proved to be valuable tools for planning, designing and evaluating the contribution of UFT to the urban economy and environment (Taniguchi et al., 2012). This dissertation aims to assess the potential of innovative UFT solutions to improve last mile delivery through the development of a simulation system. The methodology towards the development of this system is based on an extended systematic literature review on the existing simulation techniques for assessing smart logistics solutions, the development of a real-time Delphi platform for organizing and coordinating different stakeholders in a structured communication method upon solution selection method and a city-scale freight traffic microsimulation model which provides input into Evalog, a multi-criteria multi-stakeholder decision-making platform for assessing the performance of urban logistics solutions. The first solution regards a combination of smart lockers and the use of public transportation for the deployment of crowdshipping services. The second solution regards a combination of smart lockers and the use of a connected and automated fleet of freight vehicles for last mile deliveries. The assessment of the impacts is based on a before-after analysis, where “before” is the business-as-usual scenario and “after” is the scenario after having implemented the solution(s). The results showed that in the case of crowdshipping, in which a share of daily deliveries is taken on by public transport users who act as crowdshippers, the operator can benefit up to 13% for certain scenarios’ configurations. In the case of connected and autonomous vehicles, the operator can achieve up to 65% improvement, in scenarios that are characterized by high penetration rates of autonomous vehicles in the overall traffic of high demand.References:CIVITAS Initiative, 2017. Refined CIVITAS process and impact evaluation framework, Brussels: CIVITAS SATELLITE.Holguin-Veras, J. et al., 2018. State of the art and practice of urban freight management: Part I: Infrastructure, vehicle-related, and traffic operations. Transportation Research Part A: Policy and Practice.Holguín-Veras, J. et al., 2018b. State of the art and practice of urban freight management: Part II: Financial approaches, logistics, and demand management. Transportation Research Part A: Policy and Practice, Volume 137, pp. 383-410.UNCTAD, 2020. COVID-19 has changed online shopping forever, survey shows. [Online] Available at: https://unctad.org/news/covid-19-has-changed-online-shopping-forever-surveyshows [Accessed 22 January 2021].OECD, 2020. E-commerce in the time of COVID-19. [Online] Available at: https://read.oecd-ilibrary.org/view/?ref=137_137212-t0fjgnerdb&title=Ecommerce-in-the-time-of-COVID-19 [Accessed 22 January 2021].Alice, 2020. Covid-19: actions to prevent an ecological second wave in the Supply Chain. [Online] Available at: http://www.etp-logistics.eu/wp-content/uploads/2020/09/ALICE-COVID-19.pdf [Accessed 12 January 2021].Taniguchi, E., Thompson, G. R. & and Yamada, T., 2012. Emerging techniques for enhancing the practical application of city logistics models. Procedia - Social and Behavioral Sciences, Volume 39, pp. 3-18.

Η διανομή εμπορευμάτων θεωρείται βασικός παράγοντας στην κυκλοφοριακή συμφόρηση και στην περιβαλλοντική ρύπανση των αστικών περιοχών (CIVITAS Initiative, 2017). Η αυξανόμενη ζήτηση για μεταφορά εμπορευμάτων ως αποτέλεσμα της έντονης αστικοποίησης, του καταναλωτισμού, της τεχνολογικής άνθισης, του διεθνούς ανταγωνισμού και των «διαταραχών» της αλυσίδας εφοδιασμού λόγω της πρόσφατης πανδημίας, προκαλεί τεράστια ζήτηση για προϊόντα και υπηρεσίες, και καθιστά πρόκληση τη διατήρηση ενός υψηλού επιπέδου κυκλοφορίας και ποιότητας ζωής στις πόλεις. Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί πολλές λύσεις για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που σχετίζονται με την αστική διανομή αγαθών (Holguin-Veras et al., 2018; Holguín-Veras et al., 2018b). Αυτές οι λύσεις συμπληρώνουν τις «παραδοσιακές» λύσεις Αστικών Εμπορευματικών Μεταφορών (ΑΕΜ) ή τις αντικαθιστούν πλήρως.Τα τελευταία νέα στο τέλος του 2020 δείχνουν μια στροφή προς έναν πιο ψηφιακό κόσμο που προκαλεί αλλαγές στην αγοραστική συμπεριφορά των καταναλωτών σε όλο τον κόσμο (UNCTAD, 2020). Ενώ ορισμένες αλλαγές ως προς τη ζήτηση προϊόντων ή υπηρεσιών μπορεί να είναι προσωρινές, άλλες ενδέχεται να έχουν μακροχρόνιες επιπτώσεις (OECD, 2020). Αυτή η νέα πραγματικότητα ηλεκτρονικού εμπορίου αμφισβητεί διάφορες πτυχές των υφιστάμενων εφοδιαστικών αλυσίδων και ασκεί τεράστια πίεση στις εταιρείες ταχυμεταφορών για απρόσκοπτη εξυπηρέτηση της πρόσθετης ζήτησης για κατ’ οίκον παραδόσεις και ψηφιοποίηση των διαδικασιών. Για την εξυπηρέτηση αυτής της πρόσθετης ζήτησης θα πρέπει να εξεταστούν νέοι τρόποι παράδοσης που στηρίζονται στη χρήση κοινών διασυνδεδεμένων δικτύων διανομών, οι οποίοι θα ακολουθούν απαρέγκλιτα το δόγμα των μηδενικών εκπομπών στις μεταφορές (Alice, 2020). Τα αυτοματοποιημένα οχήματα και ο πληθοπορισμός φαίνονται αποτελεσματικές λύσεις για την εξυπηρέτηση της πρόσθετης ζήτησης του ηλεκτρονικού εμπορίου. Για την ανάπτυξη αυτών των λύσεων, η ύπαρξη αστικών κέντρων ενοποίησης και διανομής θεωρείται απαραίτητη προϋπόθεση, καθώς παίζουν καθοριστικό ρόλο στη μεταφορά των εμπορευμάτων στα κέντρα των αστικών περιοχών. Συγκεκριμένα, ένα πλέγμα στρατηγικά τοποθετημένων αστικών κέντρων ενοποίησης που λειτουργούν ως σημεία μεταφόρτωσης μπορούν να εξυπηρετήσουν τη ζήτηση με έναν πιο ενοποιημένο τρόπο, πετυχαίνοντας αυξημένα ποσοστά πληρότητας και μειωμένες εκπομπές ανά αποστολή.Η πολυπαραγοντική φύση των λύσεων εφοδιαστικής, ωστόσο, μπορεί να έχει αρνητικές επιπτώσεις εάν όλοι οι παράγοντες δεν εξεταστούν προσεκτικά. Για την αποφυγή τέτοιων καταστάσεων συνιστάται πάντα η εκ των προτέρων αξιολόγηση των προτεινόμενων λύσεων μέσω προσομοίωσης προκειμένου να ποσοτικοποιηθούν οι επιπτώσεις τους. Η μικροσκοπική και μακροσκοπική κυκλοφοριακή προσομοίωση σε συνδυασμό με άλλες τεχνικές προσομοίωσης έχουν αποδειχθεί πολύτιμα εργαλεία για τον σχεδιασμό και την αξιολόγηση της συμβολής των AEM στην αστική οικονομία και περιβάλλον (Taniguchi et al., 2012).Στόχος αυτής της διατριβής είναι η αξιολόγηση καινοτόμων λύσεων ΑΕΜ για τη βελτίωση της αποκαλούμενης «παράδοσης του τελευταίου μιλίου» μέσω της ανάπτυξης ενός συστήματος προσομοίωσης. Η μεθοδολογία για την ανάπτυξη αυτού του συστήματος βασίζεται σε μια εκτεταμένη συστηματική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με τις υπάρχουσες τεχνικές προσομοίωσης αξιολόγησης καινοτόμων λύσεων ΑΕΜ, την ανάπτυξη μιας πλατφόρμας Delphi πραγματικού χρόνου για την οργάνωση και τον συντονισμό των ομάδων ενδιαφερομένων κατά τη διαδικασία επιλογής λύσεων ΑΕΜ και σε ένα μοντέλο μικροσκοπικής κυκλοφοριακής προσομοίωσης εμπορευματικών ροών σε κλίμακα πόλης για την παροχή δεδομένων εισόδου στο Evalog, μια πλατφόρμα λήψης αποφάσεων πολλαπλών κριτηρίων για την αξιολόγηση λύσεων ΑΕΜ. Η πρώτη λύση που εξετάστηκε αφορά σε έναν συνδυασμό έξυπνων θυρίδων και χρήσης μέσων μαζικής μεταφοράς για την ανάπτυξη υπηρεσιών crowdshipping. Η δεύτερη εξεταζόμενη λύση αφορά σε έναν συνδυασμό έξυπνων θυρίδων και χρήσης ενός στόλου συνδεδεμένων και αυτόματων οχημάτων για παραδόσεις «τελευταίου μιλίου». Η εκτίμηση των επιπτώσεων και στις δύο περιπτώσεις βασίζεται σε μια ανάλυση «πριν-και-μετά», όπου ως «πριν» αναφέρεται το υφιστάμενο σενάριο, πριν την εφαρμογή των λύσεων, και ως «μετά» το σενάριο μετά την εφαρμογή των λύσεων.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στην περίπτωση του crowdshipping, ο μεταφορέας μπορεί να επωφεληθεί έως και 13% σε ορισμένους τύπους σεναρίων. Στην περίπτωση του στόλου συνδεδεμένων και αυτόματων οχημάτων, ο μεταφορέας μπορεί να επιτύχει βελτίωση έως και 65%, σε σενάρια που χαρακτηρίζονται από υψηλά ποσοστά διείσδυσης αυτόματων οχημάτων στη συνολική κυκλοφορία.Πηγές:CIVITAS Initiative, 2017. Refined CIVITAS process and impact evaluation framework, Brussels: CIVITAS SATELLITE.Holguin-Veras, J. et al., 2018. State of the art and practice of urban freight management: Part I: Infrastructure, vehicle-related, and traffic operations. Transportation Research Part A: Policy and Practice.Holguín-Veras, J. et al., 2018b. State of the art and practice of urban freight management: Part II: Financial approaches, logistics, and demand management. Transportation Research Part A: Policy and Practice, Volume 137, pp. 383-410.UNCTAD, 2020. COVID-19 has changed online shopping forever, survey shows. [Online] Available at: https://unctad.org/news/covid-19-has-changed-online-shopping-forever-surveyshows [Accessed 22 January 2021].OECD, 2020. E-commerce in the time of COVID-19. [Online] Available at: https://read.oecd-ilibrary.org/view/?ref=137_137212-t0fjgnerdb&title=Ecommerce-in-the-time-of-COVID-19 [Accessed 22 January 2021].Alice, 2020. Covid-19: actions to prevent an ecological second wave in the Supply Chain. [Online] Available at: http://www.etp-logistics.eu/wp-content/uploads/2020/09/ALICE-COVID-19.pdf [Accessed 12 January 2021].Taniguchi, E., Thompson, G. R. & and Yamada, T., 2012. Emerging techniques for enhancing the practical application of city logistics models. Procedia - Social and Behavioral Sciences, Volume 39, pp. 3-18.