Modeling the Last Mile : A Large-Scale Agent-Based Simulation Framework for Parcel Delivery
The growing volume of parcel deliveries challenges urban infrastructure. While numerous simulation studies have explored logistical strategies, a gap in large-scale, comprehensive, and cross-regional studies assessing parcel delivery traffic’s impact across different spatial area types has been identified. To address the gap in the literature, an agent-based freight simulation tool focusing on parcel deliveries was developed in this doctoral research project using the MATSim simulation framework. Unlike other studies that depend on smaller or hypothetical datasets, the approach benefits from using a comprehensive dataset as the base for the simulation framework. Thus, the actual parcel demand could be used to establish a calibrated baseline scenario.
As a first step, a general agent-based transport simulation model of the Hanover Region was set up to represent the transportation infrastructure and traffic dynamics accurately. The model was extended to encompass parcel delivery traffic, leveraging the MATSim freight extension. A comprehensive parcel demand input dataset was extrapolated. Geospatial analysis was incorporated into the framework, identifying eight distinct spatial types. This integration allowed for a quantitative assessment of the impacts of delivery traffic across these areas. The complex Vehicle Routing Problem was effectively addressed, minimizing the computational workload. The model was utilized to evaluate the spatial impact of parcel Last-Mile Delivery (LMD) of the baseline scenario, with variability being uncovered across the area types. To understand how new logistic concepts affect urban and rural areas, two distinct strategies were integrated into the simulation framework as case studies:
In the first case study, an extended Collection Point Delivery (CPD) or parcel locker strategy was explored. Introducing Collection Points (CP) enhanced the rate of successful first-time deliveries. Compared to the baseline scenario, the results demonstrated a reduction of traveled kilometers by up to 10 % and a decrease in CO2 emissions by up to 13 %. Shared CPs, used by different logistics service providers, generally yield better efficiencies at higher network penetrations, whereas dedicated lockers are more effective at lower rates. This observation stems from the segmentation of routes, initially only minimally simplified by the introduction of shared CPs. Compared to rural areas, deliveries to CPs are particularly efficient when the lockers are located in densely populated areas with high parcel demand in both scenarios.
In the second case study, Consolidated Last-Mile Delivery (CLMD) strategies were evaluated, which involve a single provider managing all parcel deliveries within a defined area. Two CLMD scenarios were tested: one focusing on consolidation in low-density rural areas alongside conventional operations and a fully consolidated scenario across the entire region. The simulation demonstrated improvements in operational efficiency and environmental impact, with a decrease of up to 59 % in total kilometers driven by delivery vehicles and a 44 % reduction in CO2 emissions compared to the baseline scenario. Yet, despite these advances, the overall impact of these strategies remains modest compared to total traffic emissions. Therefore, it is questionable whether implementing the concept and associated market transformation is feasible. However, local consolidated solutions for inefficient delivery areas might present a more feasible option for implementation.
In conclusion, to accurately represent the transportation infrastructure and traffic dynamics, a parcel LMD simulation model was used to assess new logistical concepts incorporating different spatial area types. The findings of this thesis emphasize the importance of expanding research beyond merely urban areas. More than half of the daily CO2 emissions from delivery vehicles are generated in urban peripheries and rural areas – areas that previous research has overlooked. The effectiveness of the analyzed logistics concepts varies depending on the spatial conditions in which they are implemented. Thus, the impact of other spatial area types on logistics operations must be acknowledged and integrated into implementing logistics solutions.
Das steigende Volumen der Paketzustellungen belastet städtische Infrastrukturen erheblich. Obwohl sich Simulationsstudien bereits mit neuen Zustellstrategien im urbanen Raum beschäftigt haben, besteht eine Forschungslücke bei raumübergreifenden Studien zu den Auswirkungen des Lieferverkehrs. Diese Dissertation entwickelt daher ein agentenbasiertes Frachtsimulationstool, das auf dem MATSim-Framework basiert und sich auf Paketzustellungen konzentriert. Im Gegensatz zu Studien, die auf kleineren oder synthetischen Datensätzen basieren, nutzt das entwickelte Simulationstool einen Datensatz eines deutschen Kurier-, Express- und Paketdienstes (KEP) aus der Region Hannover, der auf alle Anbieter hochgerechnet wurde. So war es möglich, die Simulationen auf realen Nachfragedaten aufzubauen und ein kalibriertes Basisszenario zu erstellen.
Im ersten Schritt wurde ein agentenbasiertes Verkehrssimulationsmodell der Region Hannover aufgebaut. Das Simulationsmodell wurde anschließend erweitert, um Paketlieferverkehr mit der MATSim Frachterweiterung zu integrieren und raumbezogene Analysen zu ermöglichen. Dazu wurden acht Raumtypen eingeführt, die sich anhand struktureller und logistischer Eigenschaften unterscheiden. Diese Gebietseinheiten bilden die Grundlage, um Lieferverkehre quantitativ und raumbezogen zu bewerten. Außerdem wurde ein Verfahren implementiert, mit dem Tourenplanungsprozesse vereinfacht werden konnten. Das Simulationsmodell wurde genutzt, um die raumbezogenen Auswirkungen von Zustellfahrten in einem Basisszenario zu ermitteln. Um zu verstehen, wie sich neue Lieferkonzepte auf städtische und ländliche Gebiete auswirken, wurden zwei Fallstudien mit unterschiedlichen Zustellstrategien in das Simulationstool integriert:
In der ersten Fallstudie wurden die Auswirkungen der Einführung eines erweiterten Netzwerks aus Packstationen für die letzte Meile der Paketzustellung in der Region Hannover untersucht. Durch die Einführung von Packstationen verbesserte sich die Erstzustellquote. Im Vergleich zum Basisszenario konnte eine Verringerung der gefahrenen Kilometer um bis zu 10 % und ein Rückgang der CO2 Emissionen um bis zu 13 % nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde die Einführung eines anbieterübergreifenden Packstationsnetzwerks analysiert. Geteilte Packstationen sind in der Regel bei höheren Nutzungsraten effizienter, während anbieterspezifische Packstationen bei geringerer Nutzung besser funktionieren. Diese Beobachtung resultiert aus der Segmentierung von Touren, die durch die Einführung gemeinsam genutzter Packstationen zunächst nur geringfügig vereinfacht wird. Im Vergleich zum ländlichen Raum sind Zustellungen an Packstationen gerade dann besonders effizient, wenn die Stationen in dichtbesiedelten Gebieten mit einer großen Paketnachfrage stehen.
In der zweiten Fallstudie wurde eine konsolidierte Zustellstrategie auf der letzten Meile der Paketzustellung für die Region Hannover bewertet. Dabei wurden unterschiedliche Szenarien getestet: Eine Teilumsetzung eines solchen Szenarios in dünn besiedelten ländlichen Gebieten sowie ein vollständig konsolidiertes Szenario. Beide Konsolidierungsstrategien zeigen Potential für einen Rückgang der insgesamt gefahrenen Kilometer von Zustellfahrzeugen um bis zu 59 % und eine Reduktion der CO2 Emissionen um bis zu 44 % im Vergleich zum Basisszenario. Trotz dieser Verbesserungen für den Paketlieferverkehr sind die Auswirkungen der Konsolidierung im gesamt verkehrlichen Kontext als verhältnismäßig gering zu bewerten. Daher ist fraglich, ob die vollständige Umsetzung des Konzepts, mit der verbundenen weitreichenden Transformation und dem direkten Eingriff in den KEP-Markt, realisierbar ist. Lokale konsolidierte Lösungen für ineffiziente Liefergegenden könnten aber eine realistischere Umsetzungsoption darstellen.
Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Notwendigkeit, die bestehende Forschung über rein urbane Gebiete und Großstädte hinaus zu erweitern. Es konnte nachgewiesen werden, dass mehr als die Hälfte der täglichen CO2 Emissionen von Lieferfahrzeugen in städtischen Randgebieten und ländlichen Regionen entsteht. Die Effizienz der untersuchten Logistikkonzepte variiert stark, je nach den räumlichen Randbedingungen, unter denen sie eingesetzt werden. Daher muss der Einfluss anderer Raumtypen auf logistische Operationen anerkannt und in Zukunft in die Entwicklung umfassender Logistiklösungen integriert werden.
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