Karaoğlan, İsmailGedikli, Tolga2026-04-102026-04-102026https://hdl.handle.net/20.500.13091/13239https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/TezGoster?key=KOgdn9H3uVnWeb15j2W4h2TeNKChzCzNubUMoi-YiI3uWPdS39xAmJTqFPcrtX88In recent years, rapid advancements in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technologies and their increasing potential for use in logistics processes have made UAV-assisted routing problems a research area of significant interest from both academic and industrial perspectives. The high travel speed, direct flight capability, and ability to operate independently of traffic conditions of UAVs offer significant opportunities for shortening delivery times and reducing operational costs, particularly in urban environments where delivery demand has increased due to urbanization and e-commerce. Accordingly, achieving a goal-oriented alignment between academic modeling studies and industrial application requirements is critical for the effective design of UAV-assisted delivery systems. This thesis addresses eight different types of two echelon location selection and UAV assisted vehicle routing problems (2E-URP). Within the scope of the problem, decisions regarding which mobile depots a ground vehicle will visit from the main depot, and which customers the UAVs departing from these mobile depots will serve, are determined simultaneously in a way that minimizes the total trip/route completion time. Since it requires the interconnected design of ground vehicle routes and UAV mission assignments, it presents an integrated decision problem reflecting the coordination of last-mile operations. This thesis examines two main problem types. First, 2E-URP is considered, where customers are solely delivery customers. This main problem type includes four different problem types, considering two variations allowing single or multiple use of UAVs from the same mobile depot, and multi-vehicle versions of these variations. Efficient mixed-integer linear programming models were developed for each problem type, and experimental studies were conducted. Experimental findings show that the proposed models exhibit stronger performance in terms of solution time and scalability compared to basic models in the literature. They also yielded good results in larger-scale test problems addressed in this thesis. Second, a new family of problems, the Two Echelon UAV-Assisted Pickup and Delivery Vehicle Routing Problem (2E-UPDRP), where customers can be either pickup or delivery customers, is introduced. Within the scope of 2E-UPDRP, four problem types were addressed: two variations involving the single or multiple use of UAVs from the same mobile depot, and a multi-ground vehicle version for each of these variations. Mixed-integer linear programming models were proposed for their solution. The models were solved in the GAMS/CPLEX environment; they were tested on extensive experimental sets under different customer structures and scenarios, and numerical findings were reported. Thus, a modeling framework was created for two-stage UAV-supported systems with a pickup and delivery characteristic, which was lacking in the literature. The contribution of the thesis is not limited only to proposing new problem types. The thesis ensures the consistent and integrated representation of different UAV usage configurations (single/multiple mission), customer types (pickup/delivery), and two echelon operation logic at the mathematical modeling level. The developed models allow for the simultaneous consideration of decisions regarding the coordinated use of ground vehicles and UAVs in last-mile delivery systems, offering a solution infrastructure adaptable to different operational arrangements that may be encountered in practice. The findings show that structural features such as problem type, problem size, as well as parameters such as the number of UAVs and speed level, significantly affect both the objective function value and computational difficulty. Thus, while expanding the 2E-URP literature with more flexible variations, this study presents a new, consistent, and applicable modeling framework for UAV-assisted routing problems through the 2E-UPDRP problem family, which includes a pickup and delivery structure.Son yıllarda İnsansız Hava Araçları (İHA) teknolojilerindeki hızlı gelişmeler ve lojistik süreçlerde kullanılma potansiyelinin artması, İHA destekli araç rotalama problemlerini hem akademik hem de endüstriyel açıdan dikkat çeken bir araştırma alanı hâline getirmiştir. İHA'ların yüksek seyahat hızı, doğrudan uçuş kabiliyeti ve trafik koşullarından bağımsız çalışabilmesi, özellikle kentleşme ve e-ticaret kaynaklı teslimat talebinin arttığı kentsel ortamlarda teslimat sürelerinin kısaltılması ve operasyonel maliyetlerin azaltılması açısından önemli fırsatlar sunmaktadır. Bu doğrultuda, İHA destekli teslimat sistemlerinin etkin biçimde tasarlanabilmesi için akademik modelleme çalışmaları ile endüstriyel uygulama gereksinimleri arasında hedef odaklı bir uyumun sağlanması kritik önem taşımaktadır. Tez kapsamında, İki Aşamalı Yer Seçimi ve İHA Destekli Araç Rotalama Problemlerinin (2A-İRP) sekiz farklı türü ele alınmaktadır. Problem kapsamında, ana depodan hareket eden kara aracının hangi mobil depolara uğrayacağı ve bu mobil depolardan kalkış yapan İHA'ların hangi müşterilere hizmet vereceği kararları, toplam tur/rota tamamlama süresini en küçükleyecek biçimde eşzamanlı olarak belirlenmektedir. Kara aracı rotası ile İHA görev atamalarının birbirine bağlı olarak tasarlanmasını gerektirdiğinden, son kilometre operasyonlarının koordinasyonunu yansıtan bütünleşik bir karar problemi ortaya çıkarmaktadır. Tez kapsamında iki ana problem türü incelenmiştir. İlk olarak, müşterilerin yalnızca dağıtım müşterisi olduğu 2A-İRP yapısı ele alınmıştır. Bu ana problem türünde İHA'ların aynı mobil depodan tekil veya çoklu kullanımına izin veren iki varyasyon ve bu varyasyonların çok araçlı versiyonları dikkate alınarak toplam dört farklı problem türü incelenmiştir. Her bir problem türü için etkin karma tamsayılı doğrusal programlama modelleri geliştirilmiştir ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneysel bulgular, önerilen modellerin literatürdeki temel modellere kıyasla çözüm süresi ve ölçeklenebilirlik açısından daha güçlü bir performans sergilediğini göstermektedir. Ayrıca tez kapsamında ele alınan daha büyük boyutlu test problemlerinde de iyi sonuçlar vermişlerdir. İkinci olarak, müşterilerin dağıtım ya da toplama müşterisi olabildiği yeni bir problem yapısı olan İki Aşamalı İHA Destekli Topla-Dağıt Araç Rotalama Problemi (2A-İTDRP) tanıtılmıştır. 2A-İTDRP kapsamında da İHA'nın aynı mobil depodan tekil veya çoklu kullanımını içeren iki varyasyon ve bu varyasyonların her biri için çok kara araçlı versiyonu olmak üzere dört problem türü ele alınmış ve çözüm için karma tamsayılı doğrusal programlama modelleri önerilmiştir. Modeller GAMS/CPLEX ortamında çözülmüş; farklı müşteri yapıları ve senaryolar altında kapsamlı deney setleri üzerinde test edilerek sayısal bulgular raporlanmıştır. Böylece, topla-dağıt karakteristiğine sahip iki aşamalı İHA destekli sistemler için literatürde hissedilen modelleme boşluğunu gidermeye yönelik kapsamlı bir modelleme çerçevesi geliştirilmiştir. Tezin katkısı, yalnızca yeni problem türlerinin önerilmesiyle sınırlı kalmamaktadır. Tez, farklı İHA kullanım kurgularının (tekil/çoklu görev), müşteri tiplerinin (dağıtım/toplama) ve iki aşamalı operasyon mantığının matematiksel modelleme düzeyinde tutarlı ve bütünleşik biçimde temsil edilmesini sağlamaktadır. Geliştirilen modeller, son kilometre teslimat sistemlerinde kara aracı ile İHA'nın eşgüdümlü kullanımına ilişkin kararların bir arada ele alınmasına olanak tanıyarak, uygulamada karşılaşılabilecek farklı operasyonel düzenlere uyarlanabilir bir çözüm altyapısı sunmaktadır. Elde edilen bulgular, problem türü, problem boyutu ve müşteri dağılımı gibi yapısal özelliklerin yanı sıra İHA sayısı ve İHA hızı gibi parametrelerin hem amaç fonksiyonu değeri hem de çözüm süresini belirgin biçimde etkilediğini göstermektedir. Böylece çalışma, 2A-İRP literatürünü daha esnek varyasyonlarla genişletirken, topla-dağıt yapısını içeren 2A-İTDRP problem yapısı üzerinden İHA destekli araç rotalama problemleri için yeni, tutarlı ve uygulanabilir bir modelleme çerçevesi sunmaktadır.trIndustrial and Industrial EngineeringEndüstri ve Endüstri MühendisliğiDoctoral Thesis