Network Flexibility for Recourse Considerations in Bi-Criteria Facility Location

What is the best set of facility location decisions for the establishment of a logistics network when it is uncertain how a company’s distribution strategy will evolve? What is the best configuration of a distribution network that will most likely have to be altered in the future? Today’s business environment is turbulent, and operating conditions for firms can take a turn for the worse at any moment. This fact can and often does influence companies to occasionally expand or contract their distribution networks. For most companies operating in this chaotic business environment, there is a continuous struggle between staying cost efficient and supplying adequate service. Establishing a distribution network which is flexible or easily adaptable is the key to survival under these conditions. This research begins to address the problem of locating facilities in a logistics network in the face of an evolving strategic focus through the implicit consideration of the uncertainty of parameters. The trade-off of cost and customer service is thoroughly examined in a series of multi-criteria location problems. Modeling techniques for incorporating service restrictions for facility location in strategic network design are investigated. A flexibility metric is derived for the purposes of quantifying the similarity of a set of non-dominated solutions in strategic network design. Finally, a multi-objective greedy random adaptive search (MOG) metaheuristic is applied to solve a series of bi-criteria, multi-level facility location problems

Iterative restricted space search : a solving approach based on hybridization

Face à la complexité qui caractérise les problèmes d'optimisation de grande taille l'exploration complète de l'espace des solutions devient rapidement un objectif inaccessible. En effet, à mesure que la taille des problèmes augmente, des méthodes de solution de plus en plus sophistiquées sont exigées afin d'assurer un certain niveau d 'efficacité. Ceci a amené une grande partie de la communauté scientifique vers le développement d'outils spécifiques pour la résolution de problèmes de grande taille tels que les méthodes hybrides. Cependant, malgré les efforts consentis dans le développement d'approches hybrides, la majorité des travaux se sont concentrés sur l'adaptation de deux ou plusieurs méthodes spécifiques, en compensant les points faibles des unes par les points forts des autres ou bien en les adaptant afin de collaborer ensemble. Au meilleur de notre connaissance, aucun travail à date n'à été effectué pour développer un cadre conceptuel pour la résolution efficace de problèmes d'optimisation de grande taille, qui soit à la fois flexible, basé sur l'échange d'information et indépendant des méthodes qui le composent. L'objectif de cette thèse est d'explorer cette avenue de recherche en proposant un cadre conceptuel pour les méthodes hybrides, intitulé la recherche itérative de l'espace restreint, ±Iterative Restricted Space Search (IRSS)>>, dont, la principale idée est la définition et l'exploration successives de régions restreintes de l'espace de solutions. Ces régions, qui contiennent de bonnes solutions et qui sont assez petites pour être complètement explorées, sont appelées espaces restreints "Restricted Spaces (RS)". Ainsi, l'IRSS est une approche de solution générique, basée sur l'interaction de deux phases algorithmiques ayant des objectifs complémentaires. La première phase consiste à identifier une région restreinte intéressante et la deuxième phase consiste à l'explorer. Le schéma hybride de l'approche de solution permet d'alterner entre les deux phases pour un nombre fixe d'itérations ou jusqu'à l'atteinte d'une certaine limite de temps. Les concepts clés associées au développement de ce cadre conceptuel et leur validation seront introduits et validés graduellement dans cette thèse. Ils sont présentés de manière à permettre au lecteur de comprendre les problèmes que nous avons rencontrés en cours de développement et comment les solutions ont été conçues et implémentées. À cette fin, la thèse a été divisée en quatre parties. La première est consacrée à la synthèse de l'état de l'art dans le domaine de recherche sur les méthodes hybrides. Elle présente les principales approches hybrides développées et leurs applications. Une brève description des approches utilisant le concept de restriction d'espace est aussi présentée dans cette partie. La deuxième partie présente les concepts clés de ce cadre conceptuel. Il s'agit du processus d'identification des régions restreintes et des deux phases de recherche. Ces concepts sont mis en oeuvre dans un schéma hybride heuristique et méthode exacte. L'approche a été appliquée à un problème d'ordonnancement avec deux niveaux de décision, relié au contexte des pâtes et papier: "Pulp Production Scheduling Problem". La troisième partie a permit d'approfondir les concepts développés et ajuster les limitations identifiées dans la deuxième partie, en proposant une recherche itérative appliquée pour l'exploration de RS de grande taille et une structure en arbre binaire pour l'exploration de plusieurs RS. Cette structure a l'avantage d'éviter l'exploration d 'un espace déjà exploré précédemment tout en assurant une diversification naturelle à la méthode. Cette extension de la méthode a été testée sur un problème de localisation et d'allocation en utilisant un schéma d'hybridation heuristique-exact de manière itérative. La quatrième partie généralise les concepts préalablement développés et conçoit un cadre général qui est flexible, indépendant des méthodes utilisées et basé sur un échange d'informations entre les phases. Ce cadre a l'avantage d'être général et pourrait être appliqué à une large gamme de problèmes

Model and solution methods for some hub location problems

In this thesis we study some hub location problems in the context of transportation networks. These are combinatorial optimization problems appearing in situations where there is a need of transporting some traffic, like items, people, and information, from many origins to many destinations. Instead of sending these flows using a direct shipment between all pairs of nodes in the network, a subset of these nodes is selected to use as hubs, with the aim of consolidating and distribute the flows. Thus, hubs induce a subnetwork that sends the traffic more efficiently and at a cheaper cost, allowing economies of scale when large amounts of traffic between nodes on this subnet are transported. We study different variants of hub location problems that try to model several real world situations and characteristics. In all of them, we aim to minimize the cost of sending traffic through the transportation network.In this thesis we study some hub location problems in the context of transportation networks. These are combinatorial optimization problems appearing in situations where there is a need of transporting some traffic, like items, people, and information, from many origins to many destinations. Instead of sending these flows using a direct shipment between all pairs of nodes in the network, a subset of these nodes is selected to use as hubs, with the aim of consolidating and distribute the flows. Thus, hubs induce a subnetwork that sends the traffic more efficiently and at a cheaper cost, allowing economies of scale when large amounts of traffic between nodes on this subnet are transported. We study different variants of hub location problems that try to model several real world situations and characteristics. In all of them, we aim to minimize the cost of sending traffic through the transportation network

Matheuristics:survey and synthesis

In integer programming and combinatorial optimisation, people use the term matheuristics to refer to methods that are heuristic in nature, but draw on concepts from the literature on exact methods. We survey the literature on this topic, with a particular emphasis on matheuristics that yield both primal and dual bounds (i.e., upper and lower bounds in the case of a minimisation problem). We also make some comments about possible future developments

The multimode covering location problem

In this paper we introduce the Multimode Covering Location Problem. This is a generalization of the Maximal Covering Location Problem that consists in locating a given number of facilities of different types with a limitation on the number of facilities sharing the same site. The problem is challenging and intrinsically much harder than its basic version. Nevertheless, it admits a constant factor approximation guarantee, which can be achieved combining two greedy algorithms. To improve the greedy solutions, we have developed a Variable Neighborhood Search approach, based on an exponential-size neighborhood. This algorithm computes good quality solutions in short computational time. The viability of the approach here proposed is also corroborated by a comparison with a Heuristic Concentration algorithm, which is presently the most effective approach to solve large instances of the Maximal Covering Location Problem

Models and algorithms for the capacitated location-routing problem

Le problème de localisation-routage avec capacités (PLRC) apparaît comme un problème clé dans la conception de réseaux de distribution de marchandises. Il généralisele problème de localisation avec capacités (PLC) ainsi que le problème de tournées de véhicules à multiples dépôts (PTVMD), le premier en ajoutant des décisions liées au routage et le deuxième en ajoutant des décisions liées à la localisation des dépôts. Dans cette thèse on dévelope des outils pour résoudre le PLRC à l’aide de la programmation mathématique. Dans le chapitre 3, on introduit trois nouveaux modèles pour le PLRC basés sur des flots de véhicules et des flots de commodités, et on montre comment ceux-ci dominent, en termes de la qualité de la borne inférieure, la formulation originale à deux indices [19]. Des nouvelles inégalités valides ont été dévelopées et ajoutées aux modèles, de même que des inégalités connues. De nouveaux algorithmes de séparation ont aussi été dévelopés qui dans la plupart de cas généralisent ceux trouvés dans la litterature. Les résultats numériques montrent que ces modèles de flot sont en fait utiles pour résoudre des instances de petite à moyenne taille. Dans le chapitre 4, on présente une nouvelle méthode de génération de colonnes basée sur une formulation de partition d’ensemble. Le sous-problème consiste en un problème de plus court chemin avec capacités (PCCC). En particulier, on utilise une relaxation de ce problème dans laquelle il est possible de produire des routes avec des cycles de longueur trois ou plus. Ceci est complété par des nouvelles coupes qui permettent de réduire encore davantage le saut d’intégralité en même temps que de défavoriser l’apparition de cycles dans les routes. Ces résultats suggèrent que cette méthode fournit la meilleure méthode exacte pour le PLRC. Dans le chapitre 5, on introduit une nouvelle méthode heuristique pour le PLRC. Premièrement, on démarre une méthode randomisée de type GRASP pour trouver un premier ensemble de solutions de bonne qualité. Les solutions de cet ensemble sont alors combinées de façon à les améliorer. Finalement, on démarre une méthode de type détruir et réparer basée sur la résolution d’un nouveau modèle de localisation et réaffectation qui généralise le problème de réaffectaction [48].The capacitated location-routing problem (CLRP) arises as a key problem in the design of distribution networks. It generalizes both the capacitated facility location problem (CFLP) and the multiple depot vehicle routing problem (MDVRP), the first by considering additional routing decisions and the second by adding the location decision variables. In this thesis we use different mathematical programming tools to develop and specialize new models and algorithms for solving the CLRP. In Chapter 3, three new models are presented for the CLRP based on vehicle-flow and commodity-flow formulations, all of which are shown to dominate, in terms of the linear relaxation lower bound, the original two-index vehicle-flow formulation [19]. Known valid inequalities are complemented with some new ones and included using separation algorithms that in many cases generalize extisting ones found in the literature. Computational experiments suggest that flow models can be efficient for dealing with small or medium size instances of the CLRP (50 customers or less). In Chapter 4, a new branch-and-cut-and-price exact algorithm is introduced for the CLRP based on a set-partitioning formulation. The pricing problem is a shortest path problem with resource constraints (SPPRC). In particular, we consider a relaxation of such problem in which routes are allowed to contain cycles of length three or more. This is complemented with the development of new valid inequalities that are shown to be effective for closing the optimality gap as well as to restrict the appearance of cycles. Computational experience supports the fact that this method is now the best exact method for the CLRP. In Chapter 5, we introduce a new metaheuristic with the aim of finding good quality solutions in short or moderate computing times. First, a bundle of good solutions is generated with the help of a greedy randomized adaptive search procedure (GRASP). Following this, a blending procedure is applied with the aim of producing a better upper bound as a combination of all the others in the bundle. An iterative destroy-and-repair method is then applied using a location-reallocation model that generalizes the reallocation model due to de Franceschi et al. [48]

Applications of biased-randomized algorithms and simheuristics in integrated logistics

Transportation and logistics (T&L) activities play a vital role in the development of many businesses from different industries. With the increasing number of people living in urban areas, the expansion of on-demand economy and e-commerce activities, the number of services from transportation and delivery has considerably increased. Consequently, several urban problems have been potentialized, such as traffic congestion and pollution. Several related problems can be formulated as a combinatorial optimization problem (COP). Since most of them are NP-Hard, the finding of optimal solutions through exact solution methods is often impractical in a reasonable amount of time. In realistic settings, the increasing need for 'instant' decision-making further refutes their use in real life. Under these circumstances, this thesis aims at: (i) identifying realistic COPs from different industries; (ii) developing different classes of approximate solution approaches to solve the identified T&L problems; (iii) conducting a series of computational experiments to validate and measure the performance of the developed approaches. The novel concept of 'agile optimization' is introduced, which refers to the combination of biased-randomized heuristics with parallel computing to deal with real-time decision-making.Las actividades de transporte y logística (T&L) juegan un papel vital en el desarrollo de muchas empresas de diferentes industrias. Con el creciente número de personas que viven en áreas urbanas, la expansión de la economía a lacarta y las actividades de comercio electrónico, el número de servicios de transporte y entrega ha aumentado considerablemente. En consecuencia, se han potencializado varios problemas urbanos, como la congestión del tráfico y la contaminación. Varios problemas relacionados pueden formularse como un problema de optimización combinatoria (COP). Dado que la mayoría de ellos son NP-Hard, la búsqueda de soluciones óptimas a través de métodos de solución exactos a menudo no es práctico en un período de tiempo razonable. En entornos realistas, la creciente necesidad de una toma de decisiones "instantánea" refuta aún más su uso en la vida real. En estas circunstancias, esta tesis tiene como objetivo: (i) identificar COP realistas de diferentes industrias; (ii) desarrollar diferentes clases de enfoques de solución aproximada para resolver los problemas de T&L identificados; (iii) realizar una serie de experimentos computacionales para validar y medir el desempeño de los enfoques desarrollados. Se introduce el nuevo concepto de optimización ágil, que se refiere a la combinación de heurísticas aleatorias sesgadas con computación paralela para hacer frente a la toma de decisiones en tiempo real.Les activitats de transport i logística (T&L) tenen un paper vital en el desenvolupament de moltes empreses de diferents indústries. Amb l'augment del nombre de persones que viuen a les zones urbanes, l'expansió de l'economia a la carta i les activitats de comerç electrònic, el nombre de serveis del transport i el lliurament ha augmentat considerablement. En conseqüència, s'han potencialitzat diversos problemes urbans, com ara la congestió del trànsit i la contaminació. Es poden formular diversos problemes relacionats com a problema d'optimització combinatòria (COP). Com que la majoria són NP-Hard, la recerca de solucions òptimes mitjançant mètodes de solució exactes sovint no és pràctica en un temps raonable. En entorns realistes, la creixent necessitat de prendre decisions "instantànies" refuta encara més el seu ús a la vida real. En aquestes circumstàncies, aquesta tesi té com a objectiu: (i) identificar COP realistes de diferents indústries; (ii) desenvolupar diferents classes d'aproximacions aproximades a la solució per resoldre els problemes identificats de T&L; (iii) la realització d'una sèrie d'experiments computacionals per validar i mesurar el rendiment dels enfocaments desenvolupats. S'introdueix el nou concepte d'optimització àgil, que fa referència a la combinació d'heurístiques esbiaixades i aleatòries amb informàtica paral·lela per fer front a la presa de decisions en temps real.Tecnologies de la informació i de xarxe

Hub Network Design and Discrete Location: Economies of Scale, Reliability and Service Level Considerations

In this thesis, we study three related decision problems in location theory. The first part of the dissertation presents solution algorithms for the cycle hub location problem (CHLP), which seeks to locate p-hub facilities that are connected by means of a cycle, and to assign non-hub nodes to hubs so as to minimize the total cost of routing flows through the network. This problem is useful in modeling applications in transportation and telecommunications systems, where large setup costs on the links and reliability requirements make cycle topologies a prominent network architecture. We present a branch and-cut algorithm that uses a flow-based formulation and two families of mixed-dicut inequalities as a lower bounding procedure at nodes of the enumeration tree. We also introduce a greedy randomized adaptive search algorithm that is used to obtain initial upper bounds for the exact algorithm and to obtain feasible solutions for large-scale instances of the CHLP. Numerical results on a set of benchmark instances with up to 100 nodes confirm the efficiency of the proposed solution algorithms. In the second part of this dissertation, we study the modular hub location problem, which explicitly models the flow-dependent transportation costs using modular arc costs. It neither assumes a full interconnection between hub nodes nor a particular topological structure, instead it considers link activation decisions as part of the design. We propose a branch-and-bound algorithm that uses a Lagrangean relaxation to obtain lower and upper bounds at the nodes of the enumeration tree. Numerical results are reported for benchmark instances with up to 75 nodes. In the last part of this dissertation we study the dynamic facility location problem with service level constraints (DFLPSL). The DFLPSL seeks to locate a set of facilities with sufficient capacities over a planning horizon to serve customers at minimum cost while a service level requirement is met. This problem captures two important sources of stochasticity in facility location by considering known probability distribution functions associated with processing and routing times. We present a nonlinear mixed integer programming formulation and provide feasible solutions using two heuristic approaches. We present the results of computational experiments to analyze the impact and potential benefits of explicitly considering service level constraints when designing distribution systems

Adaptive genetic algorithm based on fuzzy reasoning for the multilevel capacitated lot-sizing problem with energy consumption in synchronizer production

The multilevel capacitated lot-sizing problem (MLCLSP) is a vital theoretical problem of production planning in discrete manufacturing. An improved algorithm based on the genetic algorithm (GA) is proposed to solve the MLCLSP. Based on the solution results, the distribution of energy consumption in a synchronous production case is analyzed. In the related literature, the GA has become a much-discussed topic in solving these kinds of problems. Although the standard GA can make up for the defects of the traditional algorithm, it will lead to the problems of unstable solution results and easy local convergence. For these reasons, this research presents an adaptive genetic algorithm based on fuzzy theory (fuzzy-GA) to solve the MLCLSP. Firstly, the solving process of the MLCLSP with the fuzzy-GA is described in detail, where algorithms for key technologies such as the capacity constraint algorithm and the algorithm of solving fitness value are developed. Secondly, the auto-encoding of decision variables for MLCLSPs is studied; within this, the decision variables of whether to produce or not are encoded into a hierarchical structure based on the bill of material; combined with external demand, the decision variables of lot-sizing are constructed. Thirdly, the adaptive optimization process of parameters of the GA for the MLCLSP based on fuzzy theory is expounded, in which membership function, fuzzy rule, and defuzzification of the MLCLSP is mainly presented. Experimental studies using the processed dataset collected from a synchronizer manufacturer have demonstrated the merits of the proposed approach, in which the energy consumption distribution of the optimized production plan is given. The optimal lot-sizing is closer to the average value of the optimal value compared with the standard GA, which indicates that the proposed fuzzy-GA approach has better convergence and stability

La métaheuristique CAT pour le design de réseaux logistiques déterministes et stochastiques

De nos jours, les entreprises d’ici et d’ailleurs sont confrontées à une concurrence mondiale sans cesse plus féroce. Afin de survivre et de développer des avantages concurrentiels, elles doivent s’approvisionner et vendre leurs produits sur les marchés mondiaux. Elles doivent aussi offrir simultanément à leurs clients des produits d’excellente qualité à prix concurrentiels et assortis d’un service impeccable. Ainsi, les activités d’approvisionnement, de production et de marketing ne peuvent plus être planifiées et gérées indépendamment. Dans ce contexte, les grandes entreprises manufacturières se doivent de réorganiser et reconfigurer sans cesse leur réseau logistique pour faire face aux pressions financières et environnementales ainsi qu’aux exigences de leurs clients. Tout doit être révisé et planifié de façon intégrée : sélection des fournisseurs, choix d’investissements, planification du transport et préparation d’une proposition de valeur incluant souvent produits et services au fournisseur. Au niveau stratégique, ce problème est fréquemment désigné par le vocable « design de réseau logistique ». Une approche intéressante pour résoudre ces problématiques décisionnelles complexes consiste à formuler et résoudre un modèle mathématique en nombres entiers représentant la problématique. Plusieurs modèles ont ainsi été récemment proposés pour traiter différentes catégories de décision en matière de design de réseau logistique. Cependant, ces modèles sont très complexes et difficiles à résoudre, et même les solveurs les plus performants échouent parfois à fournir une solution de qualité. Les travaux développés dans cette thèse proposent plusieurs contributions. Tout d’abord, un modèle de design de réseau logistique incorporant plusieurs innovations proposées récemment dans la littérature a été développé; celui-ci intègre les dimensions du choix des fournisseurs, la localisation, la configuration et l’assignation de mission aux installations (usines, entrepôts, etc.) de l’entreprise, la planification stratégique du transport et la sélection de politiques de marketing et d’offre de valeur au consommateur. Des innovations sont proposées au niveau de la modélisation des inventaires ainsi que de la sélection des options de transport. En deuxième lieu, une méthode de résolution distribuée inspirée du paradigme des systèmes multi-agents a été développée afin de résoudre des problèmes d’optimisation de grande taille incorporant plusieurs catégories de décisions. Cette approche, appelée CAT (pour collaborative agent teams), consiste à diviser le problème en un ensemble de sous-problèmes, et assigner chacun de ces sous-problèmes à un agent qui devra le résoudre. Par la suite, les solutions à chacun de ces sous-problèmes sont combinées par d’autres agents afin d’obtenir une solution de qualité au problème initial. Des mécanismes efficaces sont conçus pour la division du problème, pour la résolution des sous-problèmes et pour l’intégration des solutions. L’approche CAT ainsi développée est utilisée pour résoudre le problème de design de réseaux logistiques en univers certain (déterministe). Finalement, des adaptations sont proposées à CAT permettant de résoudre des problèmes de design de réseaux logistiques en univers incertain (stochastique)