Problèmes intégrés d'approvisionnement forestier avec décisions de tronçonnage

RÉSUMÉ : En foresterie, la planification annuelle des approvisionnements en bois est une tâche complexe qui implique un nombre important de décisions. Des décisions qui portent sur une multitude d'activités de la chaîne logistique forestière afin de mieux les synchroniser, à savoir la récolte, le stockage, le transport,...etc. Le degré de complexité des problèmes d'approvisionnement dépend de la diversité des activités intégrées. Cette thèse s'intéresse aux problèmes de planification annuelle des approvisionnements en bois très intégrateurs. Elle vise à développer un système d'aide à la décision pour soutenir les compagnies forestières dans le contexte de l'est canadien. Nous étudions plusieurs variantes du problème annuel d'approvisionnement de bois, de plusieurs sources vers plusieurs destinations et intégrant des décisions de tronçonnage. Dans le premier article de ce travail, nous considérons une variante du modèle portant sur la planification annuelle, mono-périodique des approvisionnements forestiers. Nous présentons alors une approche pratique et détaillée portant sur le problème de tronçonnage des arbres dans une forêt. Le tronçonnage des arbres consiste à couper les arbres abattus en des segments de bois de plus petites longueurs (billes). Il s'agit de l'une des plus importantes opérations dans la chaîne logistique de l'exploitation forestière. Cette approche sera par la suite utilisée dans les variantes multi-périodiques. En outre, nous proposons de nouvelles structures de tronçonnage, que nous comparons à l'approche actuellement en usage. Les nouvelles structures portent sur la désagrégation de certaines activités associées au tronçonnage. Nous montrons que ces structures améliorent les opérations de récolte sans changer les technologies utilisées ou engendrer des dépenses excessives. Nous considérons aussi l'impact de la diminution de la productivité des machines de tronçonnage sur le coût de récolte. Par la suite, nous présentons deux extensions multi-périodiques du modèle dans l'article 2 et 3 respectivement. Nous portons plus d'attention à la variation du stock et la fluctuation des demandes au cours de l'année. Nous considérons des décisions sur le séquencement de la récolte des sites forestiers dans le temps, en plus des activités d'approvisionnement traitées dans la variante mono-périodique. Ces variantes reflètent mieux la réalité parce que nous considérons que les sites forestiers ne peuvent pas être récoltés tous en même temps. Dans le troisième article, nous étudions aussi l'impact de l'intégration d'une certaine forme de flexibilité dans la récolte sur la planification en variant la capacité de récolte utilisée durant le temps. Nous montrons que cette flexibilité améliore l'efficacité des opérations de la récolte. Nous proposons des formulations mathématiques pour modéliser les différentes variantes du problème. Pour ce faire, des approches de modélisation explicites telles que la programmation linéaire en nombres entiers et la programmation par contraintes sont utilisées. Nous faisons appel à des approximations pour linéariser le coût de récolte et nous utilisons certaines heuristiques et approches hybrides pour améliorer les temps de calcul.----------ABSTRACT : In Canada, the industry of forest products is among the top five contributors to the nation's net trade according to Natural Resources Canada (2013). Recently, this industry has been refocusing its business model due to new challenges related to environmental issues, economic downturn, decline in newsprint demand and increasing competition. Product and process innovation are the focus of important development to help the sector adapt to recent challenges. The Wood Supply Chain (WSC) has emerged as an important field in developing an efficient wood procurement process. Wood procurement process encompasses a wide range of activities that provide quantities of wood to processing mills. Therefore, researches on the whole WSC, as a key factor of maintaining a sustainable forest industry, are intensified. This dissertation addresses different variants of the wood procurement problem for Eastern Canadian forest context. In the first paper of this thesis, we develop a mixed integer linear model for a practical multi-facility wood procurement planning problem using a cut-to-length (CTL) bucking system. Cut-to-length bucking is the operation of cutting tree stems into smaller pieces (logs), directly at the forest area, using mechanical machinery (harvesters and forwarders). We propose a model that maximizes the products value (i.e., profit maximization) and minimizes the harvesting cost, the transportation cost and the inventory cost. The decisions included in this wood procurement problem deal with the way to harvest different forest sites (according to the bucking priority list used) and the allocation of harvested logs to sawmills. We consider a priority-list approach to generate adequate bucking patterns. In this thesis, the harvesting cost considers the nonlinearity of the harvester productivity function, which is an important aspect of the decision-making process in forest management. To keep the model in the scope of linear models, we propose an approximation of the empirical formulation of its harvesting cost. This approximation is then used to formulate different variants of the problem. Moreover, we introduce two new harvesting scenarios in order to analyse the cost/benefit trade-offs of a more complex decision structure. We conclude that these scenarios are profitable for forest companies, without major shift in the technology in use. Then, we extend the first mono-period procurement model to a more detailed multiple-period planning context. In the second paper, we consider the impact of temporal variations in demands, log availability and inventory holdings on the procurement plan. Also, we introduce new decisions dealing with the harvest scheduling of the forest sites. We develop a mixed integer linear model, and we propose two heuristic approaches that quickly generate an initial feasible schedule of forest sites and solve the problem within reasonable time limits. Finally, in the third paper, we present a new variant of the wood procurement problem in which the planning horizon is larger than the first one, since we consider periods of two weeks. We present also a new form of flexibility which allows changing the harvesting capacity depending on time periods. We study its impact upon the harvesting capacity used and the harvesting cost. We assess its performance by comparing it to the first multi-period variant of the problem. We demonstrate that this flexibility decreases the total costs. To solve the problem, we develop a hybrid approach based on both constraint and mathematical programming. In the first phase, we propose a constraint programming model dealing with forest sites harvesting. The result of this model is then used as an initial partial solution for the whole problem formulated as a mixed integer model

Biomass Procurement Cost Minimization for Implementation of a Retrofit Biorefinery in a Pulp and Paper Mill

La récente récession économique a touché de plein fouet l’industrie des produits du bois, laquelle a dû s’ajuster à la chute de la demande pour ses produits phares, notamment la pâte et le papier. Pour les compagnies forestières, une des pistes de solution consiste à varier l’éventail de produits qu’elles proposent en implantant des procédés de bioraffinage en rétro-installation dans leurs usines. Cependant, la production de produits à valeur ajoutée en plus des produits existants requiert une utilisation plus complète des ressources, et entrainera certainement des changements le long de la chaîne d’approvisionnement. Ainsi, la modernisation d’une usine en rétro-installation s’effectue sur le moyen-à-long terme, et l’évolution de la chaîne d’approvisionnement impacte non seulement l’usine concernée, mais la compagnie dans son ensemble. L’impact sur les coûts de l’usine influencera notamment le choix de la compagnie d’implanter ou non un procédé de bioraffinage donné. Par conséquent, il est dans l’intérêt d’une usine d’explorer au préalable les options d’approvisionnement de la biomasse pour comprendre les effets sur le coût global. L’objectif du présent projet est de déterminer différentes stratégies d’approvisionnement de la biomasse pour une bioraffinerie qui soient économiquement viables, qui engendrent une réduction des coûts d’approvisionnement, tout en satisfaisant les besoins en termes de qualité et de quantité de matière première. La réalisation de la recherche se base sur l’étude de cas d’une usine de papier journal et de son réseau de distribution de produits forestiers. Ce contexte a été utilisé pour le développement du cadre méthodologique et des outils de modélisation requis pour atteindre les objectifs. La structure de la simulation, de l’optimisation et des modèles de coûts associés vise à représenter au mieux les activités d’approvisionnement menées par la compagnie à l’étude. L’approvisionnement en matières premières est destiné aux opérations courantes (papier journal et cogénération) et futures (bioraffinerie) de l’usine. La méthode de comptabilité par activité ou activity-based cost (ABC) a été utilisée par le modèle de simulation pour calculer les coûts de livraison aux usines par produit et bloc de coupe. Ces coûts sont ensuite intégrés au modèle d’optimisation qui vise à satisfaire les demandes de l’usine en matière première sur une base annuelle. Les modèles peuvent être vus comme des plateformes d’évaluation de différentes stratégies d’approvisionnement suivant les processus entrepris par la bioraffinerie durant sa période d’activité. De l’analyse de ces processus découlent des informations relatives aux quantités de matière première et coûts qui guideront les décideurs dans leur sélection d’une stratégie de bioraffinage qui tienne compte de manière effective des ressources disponibles. Le projet analyse les coûts d’approvisionnement en matière première et la faisabilité de onze scénarios impliquant deux technologies de bioraffinage : (1) la pyrolyse rapide et (2) le fractionnement de la biomasse utilisant un solvant organique, dit Organosolv. Les scénarios considèrent différentes variantes d’intégration au procédé de production de papier journal de l’usine, sur un horizon de vingt ans. Dans cet horizon de temps, l’usine peut (ou non) décider de stopper, partiellement ou complètement, la production de papier journal. En plus des lignes de production de pâte et papier et des procédés de bioraffinage implantés, l’usine possède aussi une chaudière à biomasse et une unité de cogénération qui desservent les besoins en vapeur et en électricité de l’usine. Les variations des prix et de la demande en énergie des procédés implantés sont considérées sur la durée du projet, de même que les variations de la demande en biomasse pour le fonctionnement de la chaudière. Les nouvelles contraintes s’appliquant à la chaine d’approvisionnement en biomasse suite à l’implantation de nouveaux procédés ont été intégrées au modèle d’optimisation. Afin de réduire les coûts d’approvisionnement, les systèmes de récolte en forêt ont été changés du bois court au bois long, sur une période de 10 ans. Le changement de système devrait améliorer la récolte pour plusieurs produits (bois de sciage, bois à pâte, bois de chauffage et résidus) et réduire les coûts de récolte. Aussi, des contrats d’échange ont été mis en place pour assurer l’acheminement des copeaux produits par les scieries à l’usine de pâte et à la biorafinnerie. Les scenarios testés se concentrent sur la satisfaction de la demande en matière première selon les ressources disponibles dans la région pour les différents processus initiés ou stoppés à l’usine au cours des phases de transition de l’usine de pâte vers une usine de bioraffinage, tout en minimisant les coûts d’approvisionnement au cours de l’horizon de temps du projet. Les analyses et comparaisons de scénarios de bioraffinage couplées à l’optimisation de l’approvisionnement en biomasse permettent de déterminer quelle implantation de bioraffinage est techniquement et économiquement la plus réalisable pour l’usine et ses partenaires. Les résultats de l’analyse des scénarios indiquent que des coûts d’approvisionnement moindres sont obtenus quand le procédé de pyrolyse rapide est implanté comparativement au fractionnement par solvant organique. Ce résultat s’explique notament par le coût d’approvisionnement de copeaux de feuillus depuis une forêt en contenant peu. Des compromis pour chaque scénario ont été trouvés, permettent qui peuvent leur implantation à l’usine. Par exemple, le scénario créant le plus faible coût d’approvisionnement, induit un approvisionnement en copeaux de résineux pour le procédé de pyrolyse rapide, et une fermeture complète des lignes de production de papier journal lors de la sixième année. Cependant, en analysant le ratio du coût de la biomasse par rapport au revenu, le scénario se révèle avoir une valeur inacceptablement élevée à cause du compromis entre un produit (le papier journal) et un autre de moindre valeur (huile bio, vendue comme carburant de substitution). Pour d’autres scénarios de bioraffinage qui requièrent de plus grandes quantités de ressources forestières pour les procédés actuels et futurs de l’usine (par exemple utilisation de copeaux de bois de sciage pour la ligne de production de papier journal et utilisation de déchets de bois pour la pyrolyse rapide), la matière issue de la récolte est mieux exploitée. Il ressort cependant que ces scénarios tendent aussi à avoir des coûts annuels de biomasse plus élevés, à cause de la plus grande quantité de matière à acquérir. En ce qui est du fractionnement de la biomasse utilisant un solvant organique, le rapport du coût de la biomasse sur le revenu est acceptable seulement pour les scénarios où la production de papier journal est continue; ce qui sous-entend l’existence d’un flux continu de revenus issu de la vente du papier journal. Idéalement dans cette situation, l’usine augmenterait la capacité du procédé Organosolv. Cependant, l’étudié ne permet pas l’approvisionnement de telles quantités de matière (plus de 1000 tonnes/jour de copeaux pour le procédé de bioraffinage). Ainsi, le choix de la stratégie d’approvisionnement à utiliser dépendra grandement de la décision de l’usine de maintenir ou non sa ligne de production de papier journal. Dans l’ensemble le meilleur scénario pour l’usine serait celui de l’implantation d’une unité de pyrolyse rapide utilisant les déchets de bois, dont la bio-huile serait vendue comme substitut de combustible lourd, tout en maintenant la ligne de production du papier journal. D’autre part, si le procédé Organosolv était implanté, sa capacité ne devrait pas dépasser les 750 tonnes/jour, pour que le réseau d’approvisionnement de la biomasse puisse fournir assez de copeaux aux deux procédés (production de pâte, et bioraffinerie). Avec le développement et l’application de modèles de simulation et d’optimisation pour évaluer les scénarios de bioraffinage, tous les objectifs de ce projet de doctorat sont atteints et les hypothèses vérifiées, tout en contribuant à l’ensemble des connaissances. ---------- As the forest industry emerges from the last economic recession, it finds itself evolving, to adjust to changes happening in their product markets (wood products, pulp and paper, etc.). In order to flourish in these new markets, many changes will come about in forestry firms, including expanding product portfolios by incorporating more biorefinery processes into current facilities. However, the added production of multiple value-added products along with current production will imply a more complete utilization of current feedstocks, and will most likely put a strain on the feedstock procurement supply chain. Thus, as the transformation of mills into retrofit forest biorefineries occurs over a medium-to-long period of time, additional changes will have to occur throughout the mill (and company) supply-chains. These changes in procurement supply chains will have an impact on the bottom-line costs of the mill, and may ultimately determine whether or not a process is implemented. Therefore, it is in the best interest of the mills to explore biomass material procurement options beforehand, in order to better understand their effects on overall costs. The objective of the project was to determine the conditions where different biomass procurement strategies for a biorefinery, result in reduced feedstock procurement costs, such that, they satisfy the facility's feedstock quantity and quality requirements, and are economically viable for a forestry firm in a competitive market. A case study newsprint mill along with its forest material supply network was used to develop the necessary methodological framework and required modeling tools to prove the objectives. The simulation, optimization, and their associated cost models aim to imitate realistic procurement activities to source forest material for all of their current (i.e. newsprint and cogeneration) and future (i.e. biorefinery) operations. Activity-based cost (ABC) accounting methods, were used within the simulation model, to calculate delivered product costs for each product extracted from each harvesting cutblock in the network, which was then used in the optimization model to fulfill the customers’ feedstock demands on an annual basis. The models can thus be used as a platform for evaluating various optimized procurement strategies for a company according to the process activities (which will determine the feedstock requirements) undertaken during the biorefinery’s lifespan. This creates valuable feedstock x quantity and cost information which will assist decision-makers in developing the correct biorefinery implementation strategy that considers existing feedstock resources within the area. The project analyzed the feedstock procurement costs and feasibility of 11 biorefinery scenarios involving two biorefinery technologies (fast pyrolysis, and organic solvent pulping) retrofitted in a newsprint production mill, over a 20 year biorefinery project lifespan. During this time, the newsprint mill may (or may not) choose to partially (or completely) shut down newsprint production. Along with the main pulp and paper production lines, and the implemented biorefinery processes, the mill also has a biomass boiler and cogeneration plant to produce steam and power consumed at the mill. Over the lifespan of the project, steam and power demands will change depending on the processes implemented, and so will the biomass demands of the boiler. Along with process changes, other modifications are done to the biomass procurement supply chain and included within the optimization model as constraints. To reduce biomass procurement costs, forest harvesting systems are changed from cut-to-length to full-tree equipment over a 10 year period of time. This harvesting system change is expected to improve the integrated harvesting of multiple forest products (sawlogs, pulp logs, fuel logs and residues) as well as reduce harvesting costs due to the lower harvesting cost of using a full-tree system. Also, fibre exchange contracts are in place with local sawmills to exchange sawlogs harvested for chip materials used by the pulp and paper mill and biorefinery. The tested scenarios focused on fulfilling feedstock demand according to available resources in the area, for the different processes being initiated or shutdown at the mill during the transition phases from P&P mill to biorefinery, while minimizing procurement costs over the lifespan of the project. Biorefinery scenario analyses coupled with optimized biomass procurement costs for the simulated forest network determined which biorefinery implementation has the best technical and economic feasibility for the mill, and surrounding forest industry. Results from the scenario analyses indicate that lower procurement costs are obtained when a pyrolysis process is implemented instead of an organic solvent due to the higher cost of providing hardwood chips from a forest with low amounts of hardwoods. xi Certain trade-offs were found to be present in each scenario, that may affect their application in the newsprint mill used. The lowest cost procurement scenario for example involves the procurement of softwood chips for the pyrolysis process, as well as a complete exit from newsprint operations by year six. However, when analyzed with a biomass cost to revenue ratio, this scenario was found to have a value above 0.5 which makes it economically un-attractive. This is due in part to the trade-off of one commodity product (newsprint) for another (bio-oil) with lesser value (sold as a fuel oil substitute). In other biorefinery scenarios that utilize higher quantities of products from the forest for both the current and future biorefinery processes (e.g running newsprint while running pyrolysis biorefinery using hogfuel as a feedstock) tend to better utilize all the materials coming from harvesting operations (i.e. chips, residues, barks, hogfuels); nevertheless, they also tend to have higher total biomass costs per year due to the procurement of larger quantities of materials. In the organic solvent pulping biorefinery, the biomass cost to revenue ratio was found to be acceptable only in scenarios where newsprint production was continued, due to the continued revenues from newsprint. Ideally in this situation the mill would increase the capacity of the organosolv process, however it was found that the biomass network cannot provide such large quantities of materials (above 1000 dry tonnes per day of woodchips for the biorefinery process). Thus, the decision on which procurement strategy to use will depend on whether the mill decides or not to maintain its newsprint production. If newsprint production is continued, and a pyrolysis technology is selected, than the use of hogfuel as a feedstock for the pyrolysis process is better suited as it will reduce feedstock costs, since there is an abundance of unused hogfuel in the supply chain. On the other hand, if organic solvent production is used, newsprint production must be maintained and the scale of the organosolv process needs to be reduced to 750tpd for the biomass procurement network to be able to produce enough woodchips to supply both processes. With the development and application of both simulation and optimization models to evaluate biorefinery scenarios, all the objectives of the PhD study were accomplished, and the hypotheses proven, while contributing to the body of knowledge

Supply chain management of the Canadian Forest Products industry under supply and demand uncertainties: a simulation-based optimization approach

The Canadian forest products industry has failed to retain its competitiveness in the global markets under stochastic supply and demand conditions. Supply chain management models that integrate the two-way flow of information and materials under stochastic supply and demand can ensure capacity-feasible production of forest industry and achieve desired customer satisfaction levels. This thesis aims to develop a real-time decision support system, using simulation-based optimization approach, for the Canadian forest products industry under uncertain market supply and demand conditions. First, a simulation-based optimization model is developed for a single product (sawlogs), single industry (sawmill) under demand uncertainty that minimizes supply chain costs and finds optimum inventory policy parameters (s, S) for all agents. The model is then extended to multi-product, multi-industry forest products supply chain under supply and demand uncertainty, using a pulp mill as the nodal agent. Integrating operational planning decisions (inventory management, order and supply quantities) throughout the supply chain, the overall cost of the supply chain is minimized. Finally, the model integrates production planning of the pulp mill with inventory management throughout the supply chain, and maximizes net annual profit of the pulp mill. It was found that incorporation of a merchandizing yard between suppliers and forest mills provides a feasible solution to handle supply and demand uncertainty. Although the merchandizing yard increases the total daily cost of the supply chain by $11,802 in the single industry model, there is a net annual cost saving of$17.4 million in the multi-product, multi-industry supply chain. Under supply and demand uncertainty without a merchandizing yard, the pulp mill is only able to operate at 10% of its full capacity and achieve a customer satisfaction level of 9%. The merchandizing yard ensures pulp mill running capacity of 70%, and customer satisfaction level of at least 50%. However, the merchandizing yard is economically viable only, if the sales price of pulp is at least $680 per tonne. Efficient and effective management of inventory throughout the supply chain, integrated with production planning not only ensures continuous operation of forest mills, but also significantly improves the customer satisfaction

Computer-based tools for supporting forest management. The experience and the expertise world-wide

Report of Cost Action FP 0804 Forest Management Decision Support Systems (FORSYS)Computer-based tools for supporting forest management. The experience and the expertise world-wide answers a call from both the research and the professional communities for a synthesis of current knowledge about the use of computerized tools in forest management planning. According to the aims of the Forest Management Decision Support Systems (FORSYS) (http://fp0804.emu.ee/) this synthesis is a critical success factor to develop a comprehensive quality reference for forest management decision support systems. The emphasis of the book is on identifying and assessing the support provided by computerized tools to enhance forest management planning in real-world contexts. The book thus identifies the management planning problems that prevail world-wide to discuss the architecture and the components of the tools used to address them. Of importance is the report of architecture approaches, models and methods, knowledge management and participatory planning techniques used to address specific management planning problems. We think that this synthesis may provide effective support to research and outreach activities that focus on the development of forest management decision support systems. It may contribute further to support forest managers when defining the requirements for a tool that best meets their needs. The first chapter of the book provides an introduction to the use of decision support systems in the forest sector and lays out the FORSYS framework for reporting the experience and expertise acquired in each country. Emphasis is on the FORSYS ontology to facilitate the sharing of experiences needed to characterize and evaluate the use of computerized tools when addressing forest management planning problems. The twenty six country reports share a structure designed to underline a problem-centric focus. Specifically, they all start with the identification of the management planning problems that are prevalent in the country and they move on to the characterization and assessment of the computerized tools used to address them. The reports were led by researchers with background and expertise in areas that range from ecological modeling to forest modeling, management planning and information and communication technology development. They benefited from the input provided by forest practitioners and by organizations that are responsible for developing and implementing forest management plans. A conclusions chapter highlights the success of bringing together such a wide range of disciplines and perspectives. This book benefited from voluntary contributions by 94 authors and from the involvement of several forest stakeholders from twenty six countries in Europe, North and South America, Africa and Asia over a three-year period. We, the chair of FORSYS and the editorial committee of the publication, acknowledge and thank for the valuable contributions from all authors, editors, stakeholders and FORSYS actors involved in this project

Systems Analysis in Forestry and Forest Industries

The purpose of this book is to present a variety of articles revealing the state of the art of applications of systems analysis techniques to problems of the forest sector. Such applications cover a vast range of issues in forestry and the forest industry. They include the dynamics of the forest ecosystem, optimal forest management, the roundwood market, forest industrial strategy, regional and national forest sector policy as well as international trade in forest products. Forest industrial applications at mill level, such as optimal paper trimming, cutting, and production scheduling, are however, excluded

Optimization models and methods for real-time transportation planning in forestry

Lors du transport du bois de la forêt vers les usines, de nombreux événements imprévus peuvent se produire, événements qui perturbent les trajets prévus (par exemple, en raison des conditions météo, des feux de forêt, de la présence de nouveaux chargements, etc.). Lorsque de tels événements ne sont connus que durant un trajet, le camion qui accomplit ce trajet doit être détourné vers un chemin alternatif. En l’absence d’informations sur un tel chemin, le chauffeur du camion est susceptible de choisir un chemin alternatif inutilement long ou pire, qui est lui-même "fermé" suite à un événement imprévu. Il est donc essentiel de fournir aux chauffeurs des informations en temps réel, en particulier des suggestions de chemins alternatifs lorsqu’une route prévue s’avère impraticable. Les possibilités de recours en cas d’imprévus dépendent des caractéristiques de la chaîne logistique étudiée comme la présence de camions auto-chargeurs et la politique de gestion du transport. Nous présentons trois articles traitant de contextes d’application différents ainsi que des modèles et des méthodes de résolution adaptés à chacun des contextes. Dans le premier article, les chauffeurs de camion disposent de l’ensemble du plan hebdomadaire de la semaine en cours. Dans ce contexte, tous les efforts doivent être faits pour minimiser les changements apportés au plan initial. Bien que la flotte de camions soit homogène, il y a un ordre de priorité des chauffeurs. Les plus prioritaires obtiennent les volumes de travail les plus importants. Minimiser les changements dans leurs plans est également une priorité. Étant donné que les conséquences des événements imprévus sur le plan de transport sont essentiellement des annulations et/ou des retards de certains voyages, l’approche proposée traite d’abord l’annulation et le retard d’un seul voyage, puis elle est généralisée pour traiter des événements plus complexes. Dans cette ap- proche, nous essayons de re-planifier les voyages impactés durant la même semaine de telle sorte qu’une chargeuse soit libre au moment de l’arrivée du camion à la fois au site forestier et à l’usine. De cette façon, les voyages des autres camions ne seront pas mo- difiés. Cette approche fournit aux répartiteurs des plans alternatifs en quelques secondes. De meilleures solutions pourraient être obtenues si le répartiteur était autorisé à apporter plus de modifications au plan initial. Dans le second article, nous considérons un contexte où un seul voyage à la fois est communiqué aux chauffeurs. Le répartiteur attend jusqu’à ce que le chauffeur termine son voyage avant de lui révéler le prochain voyage. Ce contexte est plus souple et offre plus de possibilités de recours en cas d’imprévus. En plus, le problème hebdomadaire peut être divisé en des problèmes quotidiens, puisque la demande est quotidienne et les usines sont ouvertes pendant des périodes limitées durant la journée. Nous utilisons un modèle de programmation mathématique basé sur un réseau espace-temps pour réagir aux perturbations. Bien que ces dernières puissent avoir des effets différents sur le plan de transport initial, une caractéristique clé du modèle proposé est qu’il reste valable pour traiter tous les imprévus, quelle que soit leur nature. En effet, l’impact de ces événements est capturé dans le réseau espace-temps et dans les paramètres d’entrée plutôt que dans le modèle lui-même. Le modèle est résolu pour la journée en cours chaque fois qu’un événement imprévu est révélé. Dans le dernier article, la flotte de camions est hétérogène, comprenant des camions avec des chargeuses à bord. La configuration des routes de ces camions est différente de celle des camions réguliers, car ils ne doivent pas être synchronisés avec les chargeuses. Nous utilisons un modèle mathématique où les colonnes peuvent être facilement et naturellement interprétées comme des itinéraires de camions. Nous résolvons ce modèle en utilisant la génération de colonnes. Dans un premier temps, nous relaxons l’intégralité des variables de décision et nous considérons seulement un sous-ensemble des itinéraires réalisables. Les itinéraires avec un potentiel d’amélioration de la solution courante sont ajoutés au modèle de manière itérative. Un réseau espace-temps est utilisé à la fois pour représenter les impacts des événements imprévus et pour générer ces itinéraires. La solution obtenue est généralement fractionnaire et un algorithme de branch-and-price est utilisé pour trouver des solutions entières. Plusieurs scénarios de perturbation ont été développés pour tester l’approche proposée sur des études de cas provenant de l’industrie forestière canadienne et les résultats numériques sont présentés pour les trois contextes.When wood is transported from forest sites to mills, several unforeseen events may occur, events which perturb planned trips (e.g., because of weather conditions, forest fires, or the occurrence of new loads). When such events take place while the trip is under way, the truck involved must be rerouted to an alternative itinerary. Without relevant information on such alternative itineraries, the truck driver may choose a needlessly long one or, even worse, an itinerary that may itself be "closed" by an unforeseen event (the same event as for the original itinerary or another one). It is thus critical to provide drivers with real-time information, in particular, suggestions of alternative itineraries, when the planned one cannot be performed. Recourse strategies to deal with unforeseen events depend on the characteristics of the studied supply chain, such as the presence of auto-loaders and the management policy of forestry transportation companies. We present three papers dealing with three differ- ent application contexts, as well as models and solution methods adapted to each context. In the first paper, we assume a context where truck drivers are provided a priori with the whole weekly plan. In this context, every effort must be made to minimize the changes in the initial plan. Although the fleet of trucks is homogeneous, there is a priority ranking of the truck drivers. The priority drivers are ensured the highest work- loads. Minimizing the changes in their plans is also a priority. Since the consequences of unforeseen events on transportation are cancellations and/or delaying of some trips, the proposed approach deals first with single cancellations and single delayed trips and builds on these simple events to deal with more complex ones. In this approach, we try to reschedule the impacted trips within the same week in such a way that a loader is free at the truck arrival time both at the forest site and at the mill. In this way, none of the other trips will be impacted or changed. This approach provides the dispatchers with alternative plans in a few seconds. Better solutions could be found if the dispatcher is allowed to make more changes to the original plan. In the second paper, we assume a context where only one trip at a time is communicated to the drivers. The dispatcher waits until the truck finishes its trip before revealing the next trip. This context is more flexible and provides more recourse possibilities. Also, the weekly problem can be divided into daily problems since the demand is daily and the mills are open only for limited periods in the day. We use a mathematical programming model based on a time-space network representation to react to disruptions. Although the latter can have different impacts on the initial transportation plan, one key characteristic of the proposed model is that it remains valid for dealing with all the unforeseen events, regardless of their nature. Indeed, the impacts of such events are reflected in the time-space network and in the input parameters rather than in the model itself. The model is solved for the current day each time an unforeseen event is revealed. In the last paper, the fleet of trucks is heterogeneous, including trucks with onboard loaders. The route configuration of the latter is different than the regular truck routes, since they do not have to be synchronized with the loaders. We use a mathematical model where the columns can be easily and naturally interpreted as truck routes. We solve this model using column generation. As a first step, we relax the integrality of the decision variables and consider only a subset of feasible routes. The feasible routes with a potential to improve the solution are added iteratively to the model. A time-space network is used both to represent the impacts of unforeseen events and to generate these routes. The solution obtained is generally fractional and a heuristic branch-and-price algorithm is used to find integer solutions. Several disruption scenarios were developed to test the proposed approach on case studies from the Canadian forest industry and numerical results are presented for the three contexts

Cadre décisionnel basé sur la simulation et l'optimisation pour résoudre le problème générique de la recherche de la meilleure combinaison de scénarios : applications pour la prise de décisions complexes

Lorsque le temps est manquant, la simulation-optimisation est une méthode très utilisée pour déterminer le « meilleur » scénario possible. En contexte manufacturier, on peut vouloir déterminer les paramètres de production qui vont maximiser la productivité d'une ligne de production. Le nombre de scénarios possibles (représentant différentes configurations possibles de la ligne) étant souvent très grand, tous les scénarios ne peuvent être simulés. La simulation-optimisation permet de trouver un « bon » scénario, i.e. le scénario donnant les meilleurs résultats par rapport à des critères définis (ici, la productivité) dans un contexte où le temps ne permet pas de simuler toutes les possibilités. Dans le cas où l'on cherche à déterminer la productivité combinée de plusieurs lignes de production, on cherche alors plusieurs scénarios qui, conjointement, vont maximiser ce critère, i.e. la « meilleure combinaison » de scénarios. Or, lorsqu'on recherche le meilleur ensemble de scénarios et non le meilleur scénario, les méthodes classiques s'appliquent difficilement. À notre connaissance, le problème de la recherche de la meilleure combinaison de scénarios n'a pas été introduit formellement dans la littérature. Cette thèse propose une définition formelle de ce problème et un cadre pour le résoudre. Le cadre proposé utilise la simulation dans le but d'évaluer des scénarios. L'optimisation est ensuite utilisée pour déterminer la meilleure combinaison de scénarios. Le nombre de scénarios à simuler est tel qu'il n'est pas possible de tous les évaluer. Nous proposons aussi d'utiliser certaines méthodes de recherche dans les arbres, issues de la programmation par contraintes pour déterminer quels scénarios devraient être évalués en premier. La pertinence du cadre est démontrée par son application à travers plusieurs problèmes industriels. La première application s'attarde à résoudre des problèmes de planification tactique liés à l'industrie du bois d'œuvre nord-américaine. Cette dernière fabrique presque exclusivement des produits de commodité (c'est-à-dire des produits aux dimensions et propriétés standards destinés à la construction). Il arrive que certains clients veuillent aussi des produits avec des caractéristiques spécifiques. Le contexte manufacturier actuel ne permet pas au scieur de connaître le panier de produits global qui découlera de l'introduction d'un nouveau produit. En effet, du fait de la divergence des flux et de la co-production associées à la transformation de la matière première en scierie, l'ajout d'un autre produit à fabriquer entraîne des répercussions sur l'ensemble du panier de produits. Nous proposons donc d'utiliser le cadre pour intégrer à la planification tactique la demande pour des produits spécifiques jamais fabriqués auparavant. Le cadre utilise un simulateur de débitage de billes couplé à un modèle de planification pour réaliser un plan. Ce dernier permet au décideur d'évaluer quelles demandes pour des produits sur mesure devraient être acceptées, quoi produire et quand, ainsi que les paramètres de l'équipement à utiliser et la matière première à acheter/consommer à chaque période. La seconde application du cadre présentée dans cette thèse a pour but d'améliorer les décisions prises par un système de découpe de bois de plancher soumis à de fortes contraintes de production. La découpe d'un ensemble d'images de planches provenant de productions passées est simulée pour différentes configurations du système. Une base de données caractérisant la production attendue pour chaque configuration est ainsi générée. Le simulateur est le système réel utilisé « hors-ligne ». À partir des informations obtenues, nous établissons ensuite un horaire de production en utilisant un modèle d'optimisation linéaire maximisant la valeur attendue de la production. L'horaire permet de définir comment configurer le système de découpe tout au long de la production. Le cadre peut aussi être appliqué pour résoudre d'autres problèmes du même type comme, par exemple, pour la conception d'usines en réseau dans une chaîne logistique. Enfin, pour illustrer et vérifier la pertinence de l'utilisation de certaines méthodes de recherche dans les arbres pour déterminer l'ordre d'évaluation des scénarios, la démarche est appliquée au problème de découpe de bois de plancher mentionné préalablement. L'étude réalisée montre que les méthodes issues de la programmation par contraintes pourraient se révéler efficaces pour résoudre ce type de problèmes. En effet, la méthode Limited Discrepancy Search (LDS) obtient des résultats très semblables à une heuristique spécialement élaborée pour le cas étudié. Or LDS est une méthode générique et pourrait s'appliquer à d'autres cas