Decomposition strategies for large scale multi depot vehicle routing problems

Das Umfeld in der heutigen Wirtschaft verlangt nach immer bessern Ansätzen, um Transportprobleme möglichst effizient zu lösen. Die Klasse der ”Vehicle Routing Problems” (VRP) beschäftigt sich speziell mit der Optimierung von Tourenplanungsproblemen in dem ein Service-Leister seine Kunden möglichst effizient beliefern muss. Eine der VRP-Varianten ist das ”Multi Depot Vehicle Routing Problem with Time Windows” (MDVRPTW), in dem Kunden von verschiedenen Depots in einem fix vorgegebenen Zeitintervall beliefert beliefert werden müssen. Das MDVRPTW ist im realen Leben dank seiner realitätsnahen Restriktionen sehr oft vertreten. Typische Transportprobleme, wie sie in der Wirklichkeit auftreten, sind jedoch oftmals so groß, dass sie von optimalen Lösungsansätzen nicht zufriedenstellend gelöst werden können. In der vorliegenden Dissertation werden zwei Lösungsansätze präsentiert, wie diese riesigen, realitätsnahen Probleme zufriedenstellend bewältigt werden können. Beide Ansätze benutzen die POPMUSIC Grundstruktur, um das Problem möglichst intelligent zu dekomponieren. Die Dekomponierten und damit kleineren Subprobleme können dann von speziell entwickelten Algorithmen effizienter bearbeitet und letztendlich gelöst werden. Mit dem ersten Ansatz präsentieren wir eine Möglichkeit Transportprobleme zu dekomponieren, wenn populationsbasierte Algorithmen als Problemlöser eingesetzt werden. Dazu wurde ein maßgeschneiderter Memetischer Algorithmus (MA) entwickelt und in das Dekompositionsgerüst eingebaut um ein reales Problem eines österreichischen Transportunternehmens zu lösen. Wir zeigen, dass die Dekomponierung und Optimierung der resultierenden Subprobleme, im Vergleich zu den Ergebnissen des MA ohne Dekomposition, eine Verbesserung der Zielfunktion von rund 20% ermöglicht. Der zweite Ansatz beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Dekomponierungsmethode für Lösungsalgorithmen, die nur an einer einzigen Lösung arbeiten. Es wurde ein ”Variable Neigborhood Search” (VNS) als Optimierer in das POPMUSIC Grundgerüst implementiert, um an das vorhandene Echtwelt-Problem heranzugehen. Wir zeigen, dass dieser Ansatz rund 7% bessere Ergebnisse liefert als der pure VNS Lösungsansatz. Außerdem präsentieren wir Ergebnisse des VNS Dekompositionsansatzes die um rund 6% besser sind als die des MA Dekompositionsansatzes. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist das Vorstellen von zwei komplett verschiedenen Ansätzen um das Problem in kleinere Sub-Probleme zu zerteilen. Dazu wurden acht verschiedene Nähe-Maße definiert und betrachtet. Es wurde der 2,3 und 4 Depot Fall getestet und im Detail analysiert. Die Ergebnisse werden präsentiert und wir stellen einen eindeutigen Gewinner vor, der alle Testinstanzen am Besten lösen konnte. Wir weisen auch darauf hin, wie einfach die POPMUSIC Dekomponierung an reale Bedürfnisse, wie zum Beispiel eine möglichst schnelle Ergebnisgenerierung, angepasst werden kann. Wir zeigen damit, dass die vorgestellten Dekomponierungsstrategien sehr effizient und flexibel sind, wenn Transportprobleme, wie sie in der realen Welt vorkommen gelöst werden müssen.The optimization of transportation activities is of high importance for companies in today’s economy. The Vehicle Routing Problem (VRP) class is dealing with the routing of vehicles so that the customer base of a company can be served in the most efficient way. One of the many variants in the VRP class is the Multi Depot Vehicle Routing Problem with Time Windows (MDVRPTW) which extends the VRP by additional depots from which customers can be served, as well as an individual time window for each customer in which he is allowed to be served. Modern carrier fleet operators often encounter these MDVRPTW in the real world, and usually they are of very large size so that exact approaches cannot solve them efficiently. This thesis presents two different approaches how this real world large scale MDVRPTWs can be solved. Both approaches are based on the POPMUSIC framework, which intelligently tries to decompose the large scale problem into much smaller sub-problems. The resulting sub-problems can then be solved more efficiently by specialized optimizers. The first approach in this thesis was developed for population based optimizers. A Memetic Algorithm (MA) was developed and used as an optimizer in the framework to solve a real world MDVPRTW from an Austrian carrier fleet operator. We show that decomposing the complete problem and solving the resulting sub-problems improves the solution quality by around 20% compared to using the MA without any decomposition. The second approach specially focuses on decomposition strategies for single solution methods. More precisely, a Variable Neighborhood Search (VNS) was implemented in the POPMUSIC framework to solve the real world instances. We show that decomposing the problem can yield improvements of around 7% compared to using the pure VNS method. Compared to the POPMUSIC MA approach the second approach can further improve the solution quality by around 6%. Another contribution in this thesis is the development of two generally different ways to measure proximity when creating sub-problems. In detail we tested eight different proximity measures and analyzed how good they decompose the problem in different environments. We tested the two, three and four depot case and present a clear winner that can outperform all other measures. Further we demonstrate that the POPMUSIC approach can flexibly be adjusted to real world demands, like a faster solution finding process, while at the same time maintaining high quality solutions. We show that a decomposition strategies combined with state of the art metaheuristic solvers are a very efficient and flexible tool to tackle real world problems with regards to solution quality as well as runtime

Learning-Based Matheuristic Solution Methods for Stochastic Network Design

Cette dissertation consiste en trois études, chacune constituant un article de recherche. Dans tous les trois articles, nous considérons le problème de conception de réseaux multiproduits, avec coût fixe, capacité et des demandes stochastiques en tant que programmes stochastiques en deux étapes. Dans un tel contexte, les décisions de conception sont prises dans la première étape avant que la demande réelle ne soit réalisée, tandis que les décisions de flux de la deuxième étape ajustent la solution de la première étape à la réalisation de la demande observée. Nous considérons l’incertitude de la demande comme un nombre fini de scénarios discrets, ce qui est une approche courante dans la littérature. En utilisant l’ensemble de scénarios, le problème mixte en nombre entier (MIP) résultant, appelé formulation étendue (FE), est extrêmement difficile à résoudre, sauf dans des cas triviaux. Cette thèse vise à faire progresser le corpus de connaissances en développant des algorithmes efficaces intégrant des mécanismes d’apprentissage en matheuristique, capables de traiter efficacement des problèmes stochastiques de conception pour des réseaux de grande taille. Le premier article, s’intitulé "A Learning-Based Matheuristc for Stochastic Multicommodity Network Design". Nous introduisons et décrivons formellement un nouveau mécanisme d’apprentissage basé sur l’optimisation pour extraire des informations concernant la structure de la solution du problème stochastique à partir de solutions obtenues avec des combinaisons particulières de scénarios. Nous proposons ensuite une matheuristique "Learn&Optimize", qui utilise les méthodes d’apprentissage pour déduire un ensemble de variables de conception prometteuses, en conjonction avec un solveur MIP de pointe pour résoudre un problème réduit. Le deuxième article, s’intitulé "A Reduced-Cost-Based Restriction and Refinement Matheuristic for Stochastic Network Design". Nous étudions comment concevoir efficacement des mécanismes d’apprentissage basés sur l’information duale afin de guider la détermination des variables dans le contexte de la conception de réseaux stochastiques. Ce travail examine les coûts réduits associés aux variables hors base dans les solutions déterministes pour guider la sélection des variables dans la formulation stochastique. Nous proposons plusieurs stratégies pour extraire des informations sur les coûts réduits afin de fixer un ensemble approprié de variables dans le modèle restreint. Nous proposons ensuite une approche matheuristique utilisant des techniques itératives de réduction des problèmes. Le troisième article, s’intitulé "An Integrated Learning and Progressive Hedging Method to Solve Stochastic Network Design". Ici, notre objectif principal est de concevoir une méthode de résolution capable de gérer un grand nombre de scénarios. Nous nous appuyons sur l’algorithme Progressive Hedging (PHA), ou les scénarios sont regroupés en sous-problèmes. Nous intégrons des methodes d’apprentissage au sein de PHA pour traiter une grand nombre de scénarios. Dans notre approche, les mécanismes d’apprentissage developpés dans le premier article de cette thèse sont adaptés pour résoudre les sous-problèmes multi-scénarios. Nous introduisons une nouvelle solution de référence à chaque étape d’agrégation de notre ILPH en exploitant les informations collectées à partir des sous problèmes et nous utilisons ces informations pour mettre à jour les pénalités dans PHA. Par conséquent, PHA est guidé par les informations locales fournies par la procédure d’apprentissage, résultant en une approche intégrée capable de traiter des instances complexes et de grande taille. Dans les trois articles, nous montrons, au moyen de campagnes expérimentales approfondies, l’intérêt des approches proposées en termes de temps de calcul et de qualité des solutions produites, en particulier pour traiter des cas très difficiles avec un grand nombre de scénarios.This dissertation consists of three studies, each of which constitutes a self-contained research article. In all of the three articles, we consider the multi-commodity capacitated fixed-charge network design problem with uncertain demands as a two-stage stochastic program. In such setting, design decisions are made in the first stage before the actual demand is realized, while second-stage flow-routing decisions adjust the first-stage solution to the observed demand realization. We consider the demand uncertainty as a finite number of discrete scenarios, which is a common approach in the literature. By using the scenario set, the resulting large-scale mixed integer program (MIP) problem, referred to as the extensive form (EF), is extremely hard to solve exactly in all but trivial cases. This dissertation is aimed at advancing the body of knowledge by developing efficient algorithms incorporating learning mechanisms in matheuristics, which are able to handle large scale instances of stochastic network design problems efficiently. In the first article, we propose a novel Learning-Based Matheuristic for Stochastic Network Design Problems. We introduce and formally describe a new optimizationbased learning mechanism to extract information regarding the solution structure of a stochastic problem out of the solutions of particular combinations of scenarios. We subsequently propose the Learn&Optimize matheuristic, which makes use of the learning methods in inferring a set of promising design variables, in conjunction with a state-ofthe- art MIP solver to address a reduced problem. In the second article, we introduce a Reduced-Cost-Based Restriction and Refinement Matheuristic. We study on how to efficiently design learning mechanisms based on dual information as a means of guiding variable fixing in the context of stochastic network design. The present work investigates how the reduced cost associated with non-basic variables in deterministic solutions can be leveraged to guide variable selection within stochastic formulations. We specifically propose several strategies to extract reduced cost information so as to effectively identify an appropriate set of fixed variables within a restricted model. We then propose a matheuristic approach using problem reduction techniques iteratively (i.e., defining and exploring restricted region of global solutions, as guided by applicable dual information). Finally, in the third article, our main goal is to design a solution method that is able to manage a large number of scenarios. We rely on the progressive hedging algorithm (PHA) where the scenarios are grouped in subproblems. We propose a two phase integrated learning and progressive hedging (ILPH) approach to deal with a large number of scenarios. Within our proposed approach, the learning mechanisms from the first study of this dissertation have been adapted as an efficient heuristic method to address the multi-scenario subproblems within each iteration of PHA.We introduce a new reference point within each aggregation step of our proposed ILPH by exploiting the information garnered from subproblems, and using this information to update the penalties. Consequently, the ILPH is governed and guided by the local information provided by the learning procedure, resulting in an integrated approach capable of handling very large and complex instances. In all of the three mentioned articles, we show, by means of extensive experimental campaigns, the interest of the proposed approaches in terms of computation time and solution quality, especially in dealing with very difficult instances with a large number of scenarios

OPTIMIZATION OF RAILWAY TRANSPORTATION HAZMATS AND REGULAR COMMODITIES

Transportation of dangerous goods has been receiving more attention in the realm of academic and scientific research during the last few decades as countries have been increasingly becoming industrialized throughout the world, thereby making Hazmats an integral part of our life style. However, the number of scholarly articles in this field is not as many as those of other areas in SCM. Considering the low-probability-and-high-consequence (LPHC) essence of transportation of Hazmats, on the one hand, and immense volume of shipments accounting for more than hundred tons in North America and Europe, on the other, we can safely state that the number of scholarly articles and dissertations have not been proportional to the significance of the subject of interest. On this ground, we conducted our research to contribute towards further developing the domain of Hazmats transportation, and sustainable supply chain management (SSCM), in general terms. Transportation of Hazmats, from logistical standpoint, may include all modes of transport via air, marine, road and rail, as well as intermodal transportation systems. Although road shipment is predominant in most of the literature, railway transportation of Hazmats has proven to be a potentially significant means of transporting dangerous goods with respect to both economies of scale and risk of transportation; these factors, have not just given rise to more thoroughly investigation of intermodal transportation of Hazmats using road and rail networks, but has encouraged the competition between rail and road companies which may indeed have some inherent advantages compared to the other medium due to their infrastructural and technological backgrounds. Truck shipment has ostensibly proven to be providing more flexibility; trains, per contra, provide more reliability in terms of transport risk for conveying Hazmats in bulks. In this thesis, in consonance with the aforementioned motivation, we provide an introduction into the hazardous commodities shipment through rail network in the first chapter of the thesis. Providing relevant statistics on the volume of Hazmat goods, number of accidents, rate of incidents, and rate of fatalities and injuries due to the incidents involving Hazmats, will shed light onto the significance of the topic under study. As well, we review the most pertinent articles while putting more emphasis on the state-of-the-art papers, in chapter two. Following the discussion in chapter 3 and looking at the problem from carrier company’s perspective, a mixed integer quadratically constraint problem (MIQCP) is developed which seeks for the minimization of transportation cost under a set of constraints including those associating with Hazmats. Due to the complexity of the problem, the risk function has been piecewise linearized using a set of auxiliary variables, thereby resulting in an MIP problem. Further, considering the interests of both carrier companies and regulatory agencies, which are minimization of cost and risk, respectively, a multiobjective MINLP model is developed, which has been reduced to an MILP through piecewise linearization of the risk term in the objective function. For both single-objective and multiobjective formulations, model variants with bifurcated and nonbifurcated flows have been presented. Then, in chapter 4, we carry out experiments considering two main cases where the first case presents smaller instances of the problem and the second case focuses on a larger instance of the problem. Eventually, in chapter five, we conclude the dissertation with a summary of the overall discussion as well as presenting some comments on avenues of future work

Lagrangian-based methods for single and multi-layer multicommodity capacitated network design

Le problème de conception de réseau avec coûts fixes et capacités (MCFND) et le problème de conception de réseau multicouches (MLND) sont parmi les problèmes de conception de réseau les plus importants. Dans le problème MCFND monocouche, plusieurs produits doivent être acheminés entre des paires origine-destination différentes d’un réseau potentiel donné. Des liaisons doivent être ouvertes pour acheminer les produits, chaque liaison ayant une capacité donnée. Le problème est de trouver la conception du réseau à coût minimum de sorte que les demandes soient satisfaites et que les capacités soient respectées. Dans le problème MLND, il existe plusieurs réseaux potentiels, chacun correspondant à une couche donnée. Dans chaque couche, les demandes pour un ensemble de produits doivent être satisfaites. Pour ouvrir un lien dans une couche particulière, une chaîne de liens de support dans une autre couche doit être ouverte. Nous abordons le problème de conception de réseau multiproduits multicouches à flot unique avec coûts fixes et capacités (MSMCFND), où les produits doivent être acheminés uniquement dans l’une des couches. Les algorithmes basés sur la relaxation lagrangienne sont l’une des méthodes de résolution les plus efficaces pour résoudre les problèmes de conception de réseau. Nous présentons de nouvelles relaxations à base de noeuds, où le sous-problème résultant se décompose par noeud. Nous montrons que la décomposition lagrangienne améliore significativement les limites des relaxations traditionnelles. Les problèmes de conception du réseau ont été étudiés dans la littérature. Cependant, ces dernières années, des applications intéressantes des problèmes MLND sont apparues, qui ne sont pas couvertes dans ces études. Nous présentons un examen des problèmes de MLND et proposons une formulation générale pour le MLND. Nous proposons également une formulation générale et une méthodologie de relaxation lagrangienne efficace pour le problème MMCFND. La méthode est compétitive avec un logiciel commercial de programmation en nombres entiers, et donne généralement de meilleurs résultats.The multicommodity capacitated fixed-charge network design problem (MCFND) and the multilayer network design problem (MLND) are among the most important network design problems. In the single-layer MCFND problem, several commodities have to be routed between different origin-destination pairs of a given potential network. Appropriate capacitated links have to be opened to route the commodities. The problem is to find the minimum cost design and routing such that the demands are satisfied and the capacities are respected. In the MLND, there are several potential networks, each at a given layer. In each network, the flow requirements for a set of commodities must be satisfied. However, the selection of the links is interdependent. To open a link in a particular layer, a chain of supporting links in another layer has to be opened. We address the multilayer single flow-type multicommodity capacitated fixed-charge network design problem (MSMCFND), where commodities are routed only in one of the layers. Lagrangian-based algorithms are one of the most effective solution methods to solve network design problems. The traditional Lagrangian relaxations for the MCFND problem are the flow and knapsack relaxations, where the resulting Lagrangian subproblems decompose by commodity and by arc, respectively. We present new node-based relaxations, where the resulting subproblem decomposes by node. We show that the Lagrangian dual bound improves significantly upon the bounds of the traditional relaxations. We also propose a Lagrangian-based algorithm to obtain upper bounds. Network design problems have been the object of extensive literature reviews. However, in recent years, interesting applications of multilayer problems have appeared that are not covered in these surveys. We present a review of multilayer problems and propose a general formulation for the MLND. We also propose a general formulation and an efficient Lagrangian-based solution methodology for the MMCFND problem. The method is competitive with (and often significantly better than) a state-of-the-art mixedinteger programming solver on a large set of randomly generated instances

Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.This thesis studies a scheduled service network design problem for rail freight transportation planning. Rails follow a special two level consolidation organization, and the car-to-block, block-to-service handling procedure complicates daily operations. In this research, the two consolidation processes as well as the operation schedule are considered simultaneously, and by solving this problem, we provide an overall cost-effective operating plan, including blocking policy, train routing, scheduling, make-up policy and traffic distribution. In order to describe various rail operations at the tactical level, we extend the physical network and construct a 3-layer time-space structure, in which the time dimension takes into consideration the temporal impacts on operations. Furthermore, operations on trains, blocks, and cars are described in different layers. Based on this network structure, we model the rail planning problem to a service network design formulation. The proposed model relies on a complex mixed-integer programming formulation. The problem is very hard to solve due to the computational difficulty as well as the tremendous size of the application instances. Three versions of the problem are studied, which are the simplified model (with only non-stop services), complete model (with both non-stop and multi-stop services) and very-large-scale complete model. Heuristic algorithms are developed to provide good feasible solutions in reasonable computing efforts. A special case with non-stop services is first studied. According to a specific characteristic of the direct service network design problem, we develop a tabu search algorithm. The tabu search moves in a cycle-based neighborhood, where flows on blocks are re-distributed according to the cycles in a conceptual residual network. A slope scaling based algorithm is developed for the complete model, and we propose a new method, called ellipsoidal search, to further improve the solution quality. Ellipsoidal search combines the good feasible solutions generated from the slope scaling, and collects the features of good solutions into an elite problem, and solves it with exact solvers. The algorithm thus takes advantage of the convergence speed of slope scaling and solution quality of ellipsoidal search, and is proven effective. The algorithm also presents an alternative for solving the simplified problem. Finally, we work on the very-large-size complete model. A hybrid heuristic is developed by integrating the ideas of previous research with column generation. We propose a new slope scaling scheme where, compared with the previous scheme, only approximate service costs instead of both service and block costs are considered. The new slope scaling scheme thus separates the block decisions and service decisions, and provide a natural decomposition of the problem. Experiments show the algorithm is good to solve real-life size instances

Benders Decomposition for Profit Maximizing Hub Location Problems with Capacity Allocation

This paper models capacity allocation decisions within profit maximizing hub location problems to satisfy demand of commodities from different market segments. A strong deterministic formulation of the problem is presented and two exact algorithms based on a Benders reformulation are described to solve large-size instances of the problem. A new methodology is developed to strengthen the Benders optimality cuts by decomposing the subproblem in a two-phase fashion. The algorithms are enhanced by the integration of improved variable fixing techniques. The deterministic model is further extended by considering uncertainty associated with the demand to develop a two-stage stochastic program. To solve the stochastic version, a Monte-Carlo simulation-based algorithm is developed that integrates a sample average approximation scheme with the proposed Benders decomposition algorithms. Novel acceleration techniques are presented to improve the convergence of the algorithms proposed for the stochastic version. The efficiency and robustness of the algorithms are evaluated through extensive computational experiments. Computational results show that large-scale instances with up to 500 nodes and three demand segments can be solved to optimality, and that the proposed algorithms generate cuts that provide significant speedups compared to using Pareto-optimal cuts. The proposed two-phase methodology for solving the Benders subproblem as well as the variable fixing and acceleration techniques can be used to solve other discrete location and network design problems

Efficient People Movement through Optimal Facility Configuration and Operation

There are a variety of circumstances in which large numbers of people gather and must disperse. These include, for example, carnivals, parades, and other situations involving entrance to or exit from complex buildings, sport stadiums, commercial malls, and other type of facilities. Under these situations, people move on foot, commonly, in groups. Other circumstances related to large crowds involve high volumes of people waiting at transportation stations, airports, and other types of high traffic generation points. In these cases, a myriad of people need to be transported by bus, train, or other vehicles. The phenomenon of moving in groups also arises in these vehicular traffic scenarios. For example, groups may travel together by carpooling or ridesharing as a cost-saving measure. The movement of significant numbers of people by automobile also occurs in emergency situations, such as transporting large numbers of carless and mobility-impaired persons from the impacted area to shelters during evacuation of an urban area. This dissertation addresses four optimization problems on the design of facilities and/or operations to support efficient movement of large numbers of people who travel in groups. A variety of modeling approaches, including bi-level and nonlinear programming are applied to formulate the identified problems. These formulations capture the complexity and diverse characteristics that arise from, for example, grouping behavior, interactions in decisions by the system and its users, inconvenience constraints for passengers, and interdependence of strategic and operational decisions. These models aim to provide: (1) estimates of how individuals and groups distribute themselves over the network in crowd situations; (2) an optimal configuration of the physical layout to support large crowd movement; (3) an efficient fleet resource management tool for ridesharing services; and (4) tools for effective regional disaster planning. A variety of solution algorithms, including a meta-heuristic scheme seeking a pure-strategy Nash equilibrium, a multi-start tabu search with sequential quadratic programming procedure, and constraint programming based column generation are developed to solve the formulated problems. All developed models and solution methodologies were employed on real-world or carefully created fictitious examples to demonstrate their effectiveness