Confection de tournées de livraison dans un réseau urbain à l’aide de métaheuristiques et de méthodes de forage de données massives

RÉSUMÉ: La confection de tournées de livraison dans un réseau urbain est un problème qui peut faire appel à la recherche opérationnelle, au forage de données, à l’intelligence artificielle et à la géomatique, entre autres disciplines. Il s’agit de trouver une affectation des clients aux véhicules de livraison et un ordre de visite des clients pour chacun des véhicules afin d’optimiser une certaine fonction objectif. La considération d’une version dynamique du problème, où le processus d’optimisation doit aussi tenir compte de nouvelles données qui affluent en temps réel, rend la résolution encore plus complexe. De tels problèmes se retrouvent, par exemple, dans les entreprises qui offrent des services de livraison à domicile. Dans un contexte d’intégration, de globalisation et de compétitivité, ces entreprises se doivent de prendre les décisions menant aux meilleures tournées de livraison possibles. La recherche d’une solution optimale est souvent impossible pour des instances de taille réaliste. Afin d’obtenir de bonnes solutions dans des temps de calcul raisonnables, des approches heuristiques et métaheuristiques ont été proposées dans la littérature. Cependant, la majorité des travaux se basent sur des instances synthétiques qui, entre autres, négligent la topologie des réseaux routiers rencontrés dans la pratique. Cette thèse vise, dans un premier temps, à contribuer à l’intégration des méthodes de forage de données et d’apprentissage automatique dans la prédiction des vitesses de parcours dans un réseau routier réel. Grâce à la collaboration d’un partenaire industriel, nous disposons d’une base de données de points GPS recueillis dans la région métropolitaine de Montréal à partir de dispositifs embarqués dans des véhicules de livraison, couvrant une période de plus de deux ans. Nous proposons une méthode de prédiction des vitesses sur les arcs de ce réseau en faisant appel au forage de données massives et à l’apprentissage automatique : techniques de réduction de dimensionnalité, méthodes d’imputation et d’apprentissages supervisé et non supervisé. L’ensemble de cette méthodologie a fait l’objet d’un article, actuellement en révision, soumis à la revue scientifique EURO Journal on Transportation and Logistics. Cette thèse vise aussi à contribuer à l’avancement des métaheuristiques pour la résolution de problèmes de tournées de livraisons à domicile définies sur un réseau routier, avec des vitesses et temps de parcours qui dépendent du moment de la journée, des fenêtres de temps pour le service aux clients et une capacité maximale pour les véhicules. Plus précisément, nous proposons une recherche tabou qui remet en question l’ordre de visite des clients ainsi que le chemin utilisé dans le réseau routier pour se rendre d’un client à un autre, en fonction du moment de la journée. Un développement majeur de ce travail est la conception de techniques d’évaluation en temps constant de la réalisabilité ainsi que du coût approximatif des solutions dans le voisinage de la solution courante. Ces techniques permettent de réduire l’effort computationnel et de résoudre des instances avec 200 noeuds et 580 arcs dans des temps de calcul très raisonnables. L’approche de résolution incluant la description des techniques d’évaluation en temps constant de la réalisibilité des solutions dans le voisinage et de leurs coûts approximatifs a fait l’objet d’un article soumis à la revue scientifique Transportation Science. Enfin, la thèse s’attaque à une variante dynamique du problème précédent, dans un contexte où les vitesses sur les arcs du réseau routier varient de façon dynamique due à des incidents imprévus. Un simulateur a été développé pour générer les perturbations dynamiques aux vitesses sur les arcs, tout en respectant les relations spatio-temporelles entre ces derniers. Une procédure permet ensuite de réagir aux perturbations en modifiant la solution courante de façon plus ou moins importante selon l’importance des perturbations. La démarche développée pour résoudre ce problème dynamique de confection de tournées qui inclut l’ajustement à des plans de livraison déjà optimisés dans un contexte statique est présentée dans un article ayant été soumis à la revue scientifique European Journal of Operational Research.----------ABSTRACT: Fleet management for home deliveries in an urban context is at the crossroads between several disciplines such as operations research, data mining, artificial intelligence, geomatic, etc. The objective is to find 1) assignment of customers to vehicles and 2) sequence of customers visited by each vehicle to optimize a certain objective function. Since accurate travel time predictions are of foremost importance in urban environments, it is important to address dynamic variants of vehicle routing problems, because they better model the problems faced by transportation companies like home delivery services. In an era where companies have to integrate their supply chain, face globalization and competitiveness, it is important for them to make decisions leading to the best possible delivery routes. Therefore, in this thesis, we first consider the prediction of travel speeds using as input GPS traces of commercial vehicles collected over a significant period of time. We propose a forecasting framework based on machine learning and data mining techniques: dimensionality reduction techniques, imputation methods, unsupervised and supervised learning. Secondly, we propose a solution approach to solve a time-dependent vehicle routing problem with time windows in which travel speeds are defined on the road network itself. The solution approach involves a tabu search heuristic that considers different shortest paths between pairs of customers at different times of the day. A major contribution of this work is the development of techniques to evaluate the feasibility as well as the approximate cost of a solution in constant time, thus allowing the overall solution approach to handle instances with up to 200 nodes and 580 arcs in very reasonable computing times. Finally, we consider a dynamic vehicle routing problem motivated from home delivery applications that can adapt to changes in speeds by modifying the paths used in the road network to go from one customer to the next and by modifying the sequences of customers in the planned routes. Here, uncertainty comes from a single source, namely, the occurrence of new traffic information that affects speeds. To mimic real-time perturbations in the road network, we developed a simulator that generates traffic events and updates the speeds accordingly

Optimizing and Reoptimizing: tackling static and dynamic combinatorial problems

As suggested by the title, in this thesis both static and dynamic problems of Operations Research will be addressed by either designing new procedures or adapting well-known algorithmic schemes. Specifically, the first part of the thesis is devoted to the discussion of three variants of the widely studied Shortest Path Problem, one of which is defined on dynamic graphs. Namely, first the Reoptimization of Shortest Paths in case of multiple and generic cost changes is dealt with an exact algorithm whose performance is compared with Dijkstra's label setting procedure in order to detect which approach has to be preferred. Secondly, the k-Color Shortest Path Problem is tackled. It is a recent problem, defined on an edge-constrained graph, for which a Dynamic Programming algorithm is proposed here; its performance is compared with the state of the art solution approach, namely a Branch & Bound procedure. Finally, the Resource Constrained Clustered Shortest Path Tree Problem is presented. It is a newly defined problem for which both a mathematical model and a Branch & Price procedure are detailed here. Moreover, the performance of this solution approach is compared with that of CPLEX solver. Furthermore, in the first part of the thesis, also the Path Planning in Urban Air Mobility, is discussed by considering both the definition of the Free-Space Maps and the computation of the trajectories. For the former purpose, three different but correlated discretization methods are described; as for the latter, a two steps resolution, offline and online, of the resulting shortest path problems is performed. In addition, it is checked whether the reoptimization algorithm can be used in the online step. In the second part of this thesis, the recently studied Additive Manufacturing Machine Scheduling Problem with not identical machines is presented. Specifically, a Reinforcement Learning Iterated Local Search meta-heuristic featuring a Q-learning Variable Neighbourhood Search is described to solve this problem and its performance is compared with the one of CPLEX solver. It is worthwhile mentioning that, for each of the proposed approaches, a thorough experimentation is performed and each Chapter is equipped with a detailed analysis of the results in order to appraise the performance of the method and to detect its limits

An investigation of new methods for estimating parameter sensitivities

The method proposed for estimating sensitivity derivatives is based on the Recursive Quadratic Programming (RQP) method and in conjunction a differencing formula to produce estimates of the sensitivities. This method is compared to existing methods and is shown to be very competitive in terms of the number of function evaluations required. In terms of accuracy, the method is shown to be equivalent to a modified version of the Kuhn-Tucker method, where the Hessian of the Lagrangian is estimated using the BFS method employed by the RQP algorithm. Initial testing on a test set with known sensitivities demonstrates that the method can accurately calculate the parameter sensitivity

The stochastic vehicle routing problem : a literature review, part I : models

Building on the work of Gendreau et al. (Eur J Oper Res 88(1):3–12; 1996), we review the past 20 years of scientific literature on stochastic vehicle routing problems. The numerous variants of the problem that have been studied in the literature are described and categorized. Keywords: vehicle routing (VRP), stochastic programming, SVRPpublishedVersio

Multihoming in the market for payment media: evidence from young Finnish consumers

In the market for payment media, some consumers use only one medium when paying for their point-of-sale transactions, while others multihome and use many. As this pattern reflects the diffusion of new payment media, we take a look at the determinants of the adoption of new payment media through the window of multihoming. Using data on young Finnish consumers, we find that one key determinant of multihoming behaviour is consumer awareness. Our instrumental variable estimates indicate that the better informed use 1.2–1.3 times more payment media than the less informed. Because many payment method innovations are typically first used simultaneously with established methods, our results suggest that increasing consumer awareness could significantly speed up the adoption of new means of payment, such electronic money and mobile payments.payment media; multihoming; consumer awareness; adoption of financial technology