Algorithme du simplexe en nombres entiers avec décomposition

RÉSUMÉ : L’objectif général de cette thèse est de développer un algorithme efficace pour la résolution du problème de partitionnement d’ensemble (SPP : Set Partitioning Problem). Le SPP est un problème très connu de la programmation linéaire en nombres entiers. Il consiste à partitionner un ensemble de tâches (ex : vols d’avion, segments de trajet d’autobus, ...) en sous-ensembles (routes de véhicules ou suites de tâches effectuées par une personne) de sorte que les sous-ensembles sélectionnés aient un coût total minimum tout en couvrant chaque tâche exactement une et une seule fois. Le SPP est en général résolu par la méthode branch-and-price. Cette méthode peut être excessivement lente dans le cas de problèmes difficiles de très grande taille. Le paradigme derrière la méthode est “dual” ou “tout ou rien” dans le sens où une solution entière du problème est en général obtenue très tard ou à la fin de la résolution pour les problèmes pratiques. Avoir une solution entière rapidement est très apprécié en pratique. En plus, il est très fréquent, en pratique, de vouloir optimiser un problème pour lequel on connaît déjà une solution avec une bonne information primale que l’on veut, au moins, améliorer. La méthode branch-and-price n’est pas adaptée pour tirer avantage d’une telle situation. Une approche “primale” est mieux appropriée pour la résolution du SPP (ex : planification d’horaires de chauffeurs d’autobus). L’approche, en question, s’appelle l’algorithme du simplexe en nombres entiers et consiste à commencer d’une solution initiale connue et effectuer une série de petites améliorations de façon à produire une suite de solutions présentant des coûts décroissants et convergeant vers une solution optimale. Plusieurs auteurs ont proposé par le passé des algorithmes pour résoudre le SPP d’une façon primale. Malheureusement, aucun de ces algorithmes n’est assez efficace pour être utilisé en pratique. Le principal facteur derrière cela est la nature fortement dégénérée du SPP. Pour chaque solution, il y a un très grand nombre de bases permettant d’identifier des mouvements vers des solutions voisines. Le phénomène de la dégénérescence implique qu’il est difficile, et même combinatoire, de passer d’une solution entière à une autre ; mais ces algorithmes ne proposent pas de techniques efficaces pour pallier ce phénomène. Donc, plus précisément, l’objectif de cette thèse est de proposer une implémentation de l’algorithme du simplexe en nombres entiers pratique et efficace contre la dégénérescence. C’est-à-dire que l’implémentation recherchée doit être capable de résoudre des SPPs de grande taille ; et elle doit aussi être en mesure d’exploiter une solution initiale donnée et produire, itérativement et dans des temps raisonnablement courts, des solutions améliorées. Pour ce faire, nous commençons, dans un premier travail, par l’exploitation des idées d’un algorithme appelé simplexe primal amélioré (IPS : Improved Primal Simplex). Cet algorithme cerne efficacement le phénomène de la dégénérescence lors de la résolution d’un programme linéaire quelconque. Ainsi, nous proposons un algorithme inspiré par IPS et adapté au contexte du SPP (nombres entiers). L’algorithme, baptisé simplexe en nombres entiers avec décomposition, commence à partir d’une solution initiale avec une bonne information primale. Comme dans IPS, il améliore itérativement la solution courante en décomposant le problème original en deux sous-problèmes : un premier sous-problème, appelé problème réduit, qui est un petit SPP, permet d’améliorer la solution en ne considérant que les colonnes dites compatibles avec la solution courante. Un deuxième sous-problème, appelé problème complémentaire, ne considérant que les colonnes incompatibles avec la solution courante, permet de trouver une direction de descente combinant plusieurs variables qui garantit d’avoir une meilleure solution, mais pas nécessairement entière. Le domaine réalisable du problème complémentaire, relaxé de toute contrainte d’intégralité, représente un cône des directions réalisables. Une contrainte supplémentaire, appelée contrainte de normalisation, lui est ajoutée pour assurer qu’il soit borné. Les directions qu’il trouve ont la caractéristique d’être minimales dans le sens où elles ne contiennent aucune sous-direction réalisable. Cette caractéristique, accompagnée d’une technique de pricing partiel (partial pricing) appelée multi-phase, fait que, dans la majorité des itérations, le problème complémentaire trouve directement des directions qui mènent vers des solutions entières. Dans le restant des cas, où les directions trouvées mènent vers des solutions fractionnaires, un branchement en profondeur permet souvent d’aboutir rapidement à une solution entière. Nous avons testé ce nouvel algorithme sur des instances d’horaires de chauffeurs d’autobus ayant 1600 contraintes et 570000 variables. L’algorithme atteint la solution optimale, ou une solution assez proche, pour la majorité de ces instances ; et ceci dans un temps qui représente une fraction de ce qu’aurait demandé un solveur commercial tel que CPLEX; sachant que ce dernier n’arrive même pas à trouver une première solution réalisable après une durée de plus de 10 heures d’exécution sur certaines instances. L’algorithme, dans sa première version, représente à notre avis une première implémentation de l’algorithme du simplexe en nombres entiers à être capable de résoudre des instances de SPP de grande taille dans des temps acceptables en pratique. Toutefois, il souffre encore de quelques limitations telles que la nécessité de développer un branchement complexe pour pouvoir améliorer la qualité des solutions trouvées. Cela est dû au fait que le problème complémentaire présente une structure difficilement exploitable par CPLEX. Une autre limitation de cette implémentation est qu’elle ne permet pas de supporter les contraintes supplémentaires qui ne sont pas de type partitionnement. Dans un deuxième travail, nous améliorons notre algorithme en généralisant certains aspects de son concept. Notre objectif dans cette étape est d’éviter d’implémenter un branchement complexe et exhaustif tout en permettant à notre algorithme de pouvoir considérer des contraintes supplémentaires. Nous revoyons donc la façon avec laquelle l’algorithme décompose le problème et nous proposons une méthode de décomposition dynamique où l’intégralité de la solution est contrôlée au niveau du problème réduit au lieu du problème complémentaire. Ainsi, le problème complémentaire n’est plus responsable de trouver une direction menant à une solution entière mais plutôt une direction de descente quelconque ; et c’est le problème réduit qui s’occupe de chercher une solution entière autour de cette direction de descente en déléguant le branchement au solveur commercial. Avec cette décomposition dynamique, l’algorithme atteint une solution optimale, ou presque optimale, pour toutes les instances, tout en maintenant le même ordre de grandeur des temps d’exécution de la version précédente. Dans un troisième travail, nous nous donnons l’objectif d’améliorer la performance de l’algorithme. Nous visons de rendre les temps d’exécution de l’algorithme plus rapides sans perdre tous les avantages introduits par le deuxième travail. Nous constatons, alors, que la minimalité des directions de descente exigée par le problème complémentaire est un facteur qui favorise l’intégralité des solutions subséquentes, mais représente, aussi, un élément de ralentissement puisqu’il force l’algorithme à faire plusieurs petits pas, vers des solutions adjacentes uniquement, en direction de sa solution finale. Nous changeons, alors, le modèle du problème complémentaire pour lui permettre de trouver des directions de descente non minimales. Le nouveau modèle arrive, ainsi, à aller directement vers des solutions entières non adjacentes présentant des améliorations considérables dans le coût ; et ceci en un nombre d’itérations très réduit qui ne dépasse pas deux itérations pour les instances de grande taille dans nos tests. Une solution optimale est toujours atteinte et le temps global d’exécution est réduit par au moins un facteur de cinq sur toutes les instances. Ce facteur est de l’ordre de dix pour les instances de grande taille. Avec ces trois travaux, nous pensons avoir proposé un algorithme du simplexe en nombres entiers efficace qui produit des solutions de qualité en des temps courts.----------ABSTRACT : The general objective of this thesis is to develop an efficient algorithm for solving the Set Partitioning Problem (SPP). SPP is a well known problem of integer programming. Its goal is to partition a set of tasks (e.g. plane flights, bus trip segments, ...) into subsets (vehicle routes or set of tasks performed by a person) such that the selected subsets have a minimum total cost while covering each task exactly once. SPP is usually solved by the method of branch-and-price. This method can be excessively slow when solving difficult problems of large size. The paradigm behind the method is “dual” or “all or nothing” in the sense that an integer solution of the problem is generally obtained very late or at the end of the solution process for large instances. In practice, having an integer solution quickly is very appreciated. Also, it is very common in practice to solve a problem for which a solution having good primal information is already known. We want to, at least, improve that solution. The branch-and-price method is not suitable to take advantage of such a situation. A “primal” approach fits better for the solution of the SPP (e.g. bus driver scheduling). The approach is called the Integral Simplex algorithm. It consists of starting from a known initial solution and performing a series of small improvements so as to produce a series of solutions with decreasing costs and converging towards an optimal solution. Several authors have, in the past, proposed algorithms for solving the SPP in using a primal paradigm. Unfortunately, none of these algorithms is effective enough to be used in practice. The main factor behind this is the highly degenerate nature of the SPP. For each solution, there is a very large number of bases that permit to identify transitions to neighbor solutions. The degeneracy implies that it is difficult, and even combinatorial, to go from an integer solution to another; but these algorithms do not offer effective techniques to overcome degeneracy. So, specifically, the aim of this thesis is to introduce an implementation of the Integral Simplex that is effective against degeneracy in practice. This means that the intended implementation must be able to solve SPPs of large size; and it must also be able to benefit from a given initial solution and produce, iteratively and in reasonably short time, improved solutions. To do this, we first use ideas from an algorithm called Improved Primal Simplex (IPS) algorithm. This algorithm helps the primal simplex algorithm in effectively coping with degeneracy when solving linear programs. Thus, we propose an algorithm inspired by IPS and adapted to the context of the SPP. The algorithm, called Integral Simplex Using Decomposition, starts from an initial solution with good primal information. As in IPS, it iteratively improves the current solution by decomposing the original problem into two sub-problems: a first sub-problem, called reduced problem, which is a small completely non-degenerate SPP that improves the solution by considering only the columns that are said to be compatible with the current solution. A second sub-problem, called complementary problem, considers only the columns that are incompatible with the current solution. The complementary problem finds a descent direction, combining several variables, that guarantees to have a better solution; but not necessarily integer. The feasible domain of the complementary problem, where all the integrality constraints are relaxed, is a cone of feasible directions. An additional constraint, called normalization constraint, is added to ensure that the problem is bounded. The directions found are minimal in the sense that they do not contain any feasible sub-direction. This minimality feature, combined with a partial pricing technique called multi-phase, helps the complementary problem in finding directions that directly lead to integer solutions in the majority of iterations. In the remaining cases, where the directions lead to fractional solutions, a quick deep branching often lead to an integer solution. We tested the new algorithm on bus driver scheduling problems having 1600 rows and 570000 columns. The algorithm reaches an optimal, or near optimal, solution for the majority of these problems; solution times represent a fraction of what would have taken a commercial solver such as CPLEX. The latter does not even find a first feasible solution within a 10 hour runtime period for some of those problems. We think that the algorithm, under its first version, is a first implementation of the integral simplex method that was able to solve large SPP problems within acceptable times in practice. However, it still has some limitations such as the need to develop a complex branching to improve the quality of the solutions found. This is due to the fact that the complementary problem presents a structure that is not suitable to handle. Another limitation of this implementation is the fact that it does not consider supplementary non partitioning constraints. In a second paper, we improve our algorithm generalizing certain aspects of its concept. Our goal in this step is to avoid implementing a complex and exhaustive branching while allowing our algorithm to consider supplementary constraints. We review, therefore, the way in which the algorithm decomposes the problem and propose a method of dynamic decomposition where the integrality of the solution is controlled within the reduced problem instead of the complementary problem. Thus, the complementary problem is no longer responsible for finding a direction leading to an integer solution but only a descent direction; and the reduced problem handles the integrality of the solution, while searching around this descent direction, by delegating the branching to the commercial solver. With this dynamic decomposition, the algorithm reaches an optimal or near optimal solution for all instances; while maintaining execution times comparable to the ones from the previous version. In a third paper, we target the objective of improving the performance of the algorithm. We aim to make the algorithm run faster without losing the benefits introduced by the second paper. We observe, then, that the minimality of descent directions, required by the complementary problem, forces the algorithm to make small steps towards adjacent solutions. We then change the model of the complementary problem to let it find non-minimal descent directions. The new model is, thus, able to go directly to non-adjacent integer solutions with significant improvements in the cost, in a very limited number of iterations that does not exceed two iterations for large problems in our tests. An optimal solution is always reached and the execution time is reduced by at least a factor of five on all instances. This factor is about ten for large instances. With these three papers, we believe we have introduced an effective integral simplex algorithm that produces quality solutions in short times

Méthodes pour favoriser l’intégralité de l’amélioration dans le simplexe en nombres entiers - Application aux rotations d’équipages aériens

RÉSUMÉ : Dans son cadre le plus général, le processus d’optimisation mathématique se scinde en trois grandes étapes. La première consiste à modéliser le problème, c’est-à-dire le représenter sous la forme d’un programme mathématique, ensemble d’équations constitué d’un objectif à minimiser ou maximiser (typiquement, les coûts ou le bénéfice de l’entreprise) et de contraintes à satisfaire (contraintes opérationnelles, convention collective, etc.). Aux décisions à prendre correspondent les variables du problème. S’il est une représentation parfaite de la réalité, ce modèle est dit exact, sinon il reste approximatif. La seconde étape du processus est la résolution de ce programme mathématique. Il s’agit de déterminer une solution respectant les contraintes et pour laquelle la valeur de l’objectif est la meilleure possible. Pour ce faire, on applique généralement un algorithme de résolution, ensemble de règles opératoires dont l’application permet de résoudre le problème énoncé au moyen d’un nombre fini d’opérations. Un algorithme peut être traduit grâce à un langage de programmation en un programme exécutable par un ordinateur. L’exécution d’un tel programme permet ainsi de résoudre le programme mathématique. Enfin, la dernière étape consiste à ajuster la solution obtenue à la réalité. Dans le cas où le modèle n’est qu’approximatif, cette solution peut ne pas convenir et nécessiter d’être modifiée a posteriori afin de s’accorder aux exigences de la réalité concrète. Cette thèse se concentre sur la seconde de ces trois étapes, l’étape de résolution, en particulier sur le développement d’un algorithme de résolution d’un programme mathématique précis, le partitionnement d’ensemble. Le problème de partitionnement d’ensemble permet de modéliser des applications variées : planification d’emplois du temps, logistique, production d’électricité, partage équitable, reconnaissance de forme, etc. Pour chacun de ces exemples l’objectif et les contraintes prennent des significations physiques différentes, mais la structure du modèle est la même. D’un point de vue mathématique, il s’agit d’un programme linéaire en nombres entiers, dont les variables sont binaires, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent prendre que les valeurs 0 et 1. Le programme est linéaire car l’objectif et les contraintes sont représentés par des fonctions linéaires des variables. Les algorithmes les plus couramment utilisés pour la résolution de tels problèmes sont basés sur le principe de séparation et évaluation (branch-and-bound). Dans ces méthodes, les contraintes d’intégralité sont d’abord relâchées : les solutions peuvent alors être fractionnaires. La résolution du programme ainsi obtenu – appelé relaxation linéaire du programme en nombres entiers – est bien plus simple que celle du programme en nombres entiers. Pour obtenir l’intégralité, on sépare le problème afin d’éliminer les solutions fractionnaires. Ces séparations donnent naissance à un arbre de branchement où, à chaque noeud, la relaxation d’un problème de partitionnement de la taille du problème original est résolue. La taille de cet arbre, et donc le temps d’exécution, croissent exponentiellement avec la taille des instances. De plus, l’algorithme utilisé pour résoudre la relaxation, le simplexe, fonctionne mal sur des problèmes dégénérés, c’est-à-dire dont trop de contraintes sont saturées. C’est malheureusement le cas de nombreux problèmes issus de l’industrie, particulièrement du problème de partitionnement dont le taux de dégénérescence est intrinsèquement élevé. Une autre approche de ce type de problèmes est celle des algorithmes primaux : il s’agit de partir d’une solution entière non optimale, de trouver une direction qui mène vers une meilleure solution entière, puis d’itérer ce processus jusqu’à atteindre l’optimalité. À chaque étape, un sous-problème d’augmentation est résolu : trouver une direction d’amélioration (ou d’augmentation) ou affirmer que la solution courante est optimale. Les travaux concernant les méthodes primales sont moins nombreux que ceux sur le branch-and-bound, qui représentent depuis quarante ans la filière dominante pour la résolution de problèmes en nombres entiers. Développer une méthode primale efficace en pratique constituerait ainsi un changement majeur dans le domaine. Des travaux computationels sur des algorithmes primaux ressortent deux principaux défis rencontrés lors de la conception et l’implémentation de ces méthodes. D’une part, de nombreuses directions d’amélioration sont irréalisables, c’est-à-dire qu’effectuer un pas, aussi petit soit-il, dans ces directions implique une violation des contraintes du problème. On parle alors de dégénérescence ; c’est par exemple le cas des directions associées à certains pivots de simplexe (pivots dégénérés). Les directions irréalisables ne permettent pas à l’algorithme de progresser et peuvent mettre en péril sa terminaison s’il est impossible de déterminer de direction réalisable. D’autre part, lorsqu’une direction d’amélioration réalisable pour la relaxation linéaire a été déterminée, il est difficile de s’assurer que la solution vers laquelle elle mène est entière. Parmi les algorithmes primaux existants, celui qui apparait comme le plus prometteur est le simplexe en nombres entiers avec décomposition (Integral Simplex Using Decomposition, ISUD) car il intègre au cadre primal des techniques de décomposition permettant de se prémunir des effets néfastes de la dégénérescence. Il s’agit à notre connaissance du premier algorithme de type primal capable de battre le branch-and-bound sur des instances de grande taille ; par ailleurs, la différence est d’autant plus importante que le problème est grand. Bien que fournissant des éléments de réponse à la problématique de la dégénérescence, cette méthode n’aborde pas pour autant la question de l’intégralité lors du passage à une solution de meilleur coût ; et pour qu’ISUD puisse envisager de supplanter les méthodes de type branch-and-bound, il lui faut parcourir cette deuxième moitié du chemin. Il s’agit là de l’objectif de ce doctorat : augmenter le taux de directions entières trouvées par ISUD pour le rendre applicable aux instances industrielles de grande taille, de type planification de personnel. Pour aller dans cette direction, nous approfondissons tout d’abord les connaissances théoriques sur ISUD. Formuler ce dernier comme un algorithme primal, comprendre en quoi il se rattache à cette famille, le traduire pour la première fois dans un langage exclusivement primal sans faire appel à la dualité, constituent le terreau de cette thèse. Cette analyse permet ensuite de mieux décrire la géométrie sous-jacente ainsi que les domaines de réalisabilité des différents problèmes linéaires considérés. Quand bien même ce pan majeur de notre travail n’est pas présenté dans cette thèse comme un chapitre à part entière, il se situe indubitablement à l’origine de chacune de nos idées, de nos approches et de nos contributions. Cette approche de l’algorithme sous un angle nouveau donne lieu à de nombreuses simplifications, améliorations et extensions de résultats déjà connus. Dans un premier temps, nous généralisons la formulation du problème d’augmentation afin d’augmenter la probabilité que la direction déterminée par l’algorithme mène vers une nouvelle solution entière. Lors de l’exécution d’ISUD, pour déterminer la direction qui mènera à la solution suivante, on résout un programme linéaire dont la solution est une direction d’amélioration qui appartient au cône des directions réalisables. Pour s’assurer que ce programme est borné (les directions pourraient partir à l’infini), on lui ajoute une contrainte de normalisation et on se restreint ainsi à une section de ce cône. Dans la version originelle de l’algorithme, les coefficients de cette contrainte sont uniformes. Nous généralisons cette contrainte à une section quelconque du cône et montrons que la direction réalisable déterminée par l’algorithme dépend fortement du choix des coefficients de cette contrainte ; il en va de même pour la probabilité que la solution vers laquelle elle mène soit entière. Nous étendons les propriétés théoriques liés à la décomposition dans l’algorihtme ISUD et montrons de nouveaux résultats dans le cas d’un choix de coefficients quelconques. Nous déterminons de nouvelles propriétés spécifiques à certains choix de normalisation et faisons des recommandations pour choisir les coefficients afin de pénaliser les directions fractionnaires au profit des directions entières. Des résultats numériques sur des instances de planification de personnel montrent le potentiel de notre approche. Alors que la version originale d’ISUD permet de résoudre 78% des instances de transport aérien du benchmark considéré, 100% sont résolues grâce à l’un, au moins, des modèles que nous proposons. Dans un second temps, nous montrons qu’il est possible d’adapter des méthodes de plans coupants utilisés en programmation linéaire en nombres entiers au cas d’ISUD. Nous montrons que des coupes peuvent êtres transférées dans le problème d’augmentation, et nous caractérisons l’ensemble des coupes transférables comme l’ensemble, non vide, des coupes primales saturées pour la solution courante du problème de partitionnement. Nous montrons que de telles coupes existent toujours, proposons des algorithmes de séparation efficaces pour les coupes primales de cycle impair et de clique, et montrons que l’espace de recherche de ces coupes peut être restreint à un petit nombre de variables, ce qui rend le processus efficace. Des résultats numériques prouvent la validité de notre approche ; ces tests sont effectués sur des instances de planification de personnel navigant et de chauffeurs d’autobus allant jusqu’à 1 600 contraintes et 570 000 variables. Sur les instances de transport aérien testées l’ajout de coupes primales permet de passer d’un taux de résolution de 70% à 92%. Sur de grandes instances d’horaires de chauffeurs d’autobus, les coupes prouvent l’optimalité locale de la solution dans plus de 80% des cas. Dans un dernier temps, nous modifions dynamiquement les coefficients de la contrainte de normalisation lorsque la direction trouvée par l’algorithme mène vers une solution fractionnaire. Nous proposons plusieurs stratégies de mise-à-jour visant à pénaliser les directions fractionnaires basées sur des observations théoriques et pratiques. Certaines visent à pénaliser la direction choisie par l’algorithme, d’autres procèdent par perturbation des coefficients de normalisation en utilisant les équations des coupes mentionnées précédemment. Cette version de l’algorithme est testée sur un nouvel ensemble d’instances provenant de l’industrie du transport aérien. À notre connaissance, l’ensemble d’instances que nous proposons n’est comparable à aucun autre. Il s’agit en effet de grands problèmes d’horaires de personnel navigant allant jusqu’à 1 700 vols et 115 000 rotations, donc autant de contraintes et de variables. Ils sont posés sous la forme de problèmes de partitionnement pour lesquels nous fournissons des solutions initiales comparables à celles dont on disposerait en milieu industriel. Notre travail montre le potentiel qu’ont les algorithmes primaux pour résoudre des problèmes de planification de personnel navigant, problèmes clés pour les compagnies aériennes, tant par leur complexité intrinsèque que par les conséquences économiques et financières qu’ils entraînent.----------ABSTRACT : Optimization is a three-step process. Step one models the problem and writes it as a mathematical program, i.e., a set of equations that includes an objective one seeks to minimize or maximize (typically the costs or benefit of a company) and constraints that must be satisfied by any acceptable solution (operational constraints, collective agreement, etc.). The unknowns of the model are the decision variables; they correspond to the quantities the decision-maker wants to infer. A model that perfectly represents reality is exact, otherwise it is approximate. The second step of the optimization process is the solution of the mathematical program, i.e., the determination of a solution that satisfies all constraints and for which the objective value is as good as possible. To this end, one generally uses an algorithm, a self-contained step-by-step set of operating rules that solves the problem in a finite number of operations. The algorithm is translated by means of a programming language into an executable program run by a computer; the execution of such software solves the mathematical program. Finally, the last step is the adaptation of the mathematical solution to reality. When the model is only approximate, the output solution may not fit the original requirements and therefore require a posteriori modifications. This thesis concentrates on the second of these three steps, the solution process. More specifically, we design and implement an algorithm that solves a specific mathematical program: set partitioning. The set partitioning problem models a very wide range of applications: workforce scheduling, logistics, electricity production planning, pattern recognition, etc. In each of these examples, the objective function and the constraints have different physical significations but the structure of the model is the same. From a mathematical point of view, it is an integer linear program whose decision variables can only take value 0 or 1. It is linear because both the objective and the constraints are linear functions of the variables. Most algorithms used to solve this family of programs are based on the principle called branch-and-bound. At first, the integrality constraints are relaxed; solutions may thus be fractional. The solution of the resulting program – called linear relaxation of the integer program – is significantly easier than that of the integer program. Then, to recover integrality, the problem is separated to eliminate fractional solutions. From the splitting a branching tree arises, in which, at each node, the relaxation of a set partitioning problem as big as the original one is solved. The size of that tree, and thus the solving time, grows exponentially with the size of the instance. Furthermore, the algorithm that solves the linear relaxations, the simplex, performs poorly on degenerate problems, i.e., problems for which too many constraints are tight. It is unfortunately the case of many industrial problems, and particularly of the set partitioning problem whose degeneracy rate is intrinsiquely high. An alternative approach is that of primal algorithms: start from a nonoptimal integer solution and find a direction that leads to a better one (also integer). That process is iterated until optimality is reached. At each step of the process one solves an augmentation subproblem which either outputs an augmenting direction or asserts that the current solution is optimal. The literature is significantly less abundant on primal algorithms than on branchand- bound and the latter has been the dominant method in integer programming for over forty years. The development of an efficient primal method would therefore stand as a major breakthrough in this field. From the computational works on primal algorithms, two main issues stand out concerning their design and implementation. On the one hand, many augmenting directions are infeasible, i.e., taking the smallest step in such a direction results in a violation of the constraints. This problem is strongly related to degeneracy and often affects simplex pivots (e.g., degenerate pivots). Infeasible directions prevent the algorithm from moving ahead and may jeopardize its performance, and even its termination when it is impossible to find a feasible direction. On the other hand, when a cost-improving direction has been succesfully determined, it may be hard to ensure that it leads to an integer solution. Among existing primal algorithms, the one appearing to be the most promising is the integral simplex using decomposition (ISUD) because it embeds decomposition techniques that palliate the unwanted effects of degeneracy into a primal framework. To our knowledge, it is the first primal algorithm to beat branch-and-bound on large scale industrial instances. Furthermore, its performances improve when the problem gets bigger. Despite its strong assets to counter degeneracy, however, this method does not handle the matter of integrality when reaching out for the next solution; and if ISUD is to compete with branch-and-bound, it is crucial that this issue be tackled. Therefore, the purpose of this thesis is the following: increasing the rate of integral directions found by ISUD to make it fully competitive with existing solvers on large-scale industrial workforce scheduling instances. To proceed in that direction, we first deepen the theoretical knowledge on ISUD. Formulating it as a primal algorithm, understanding how it belongs to that family, and translating it in a purely primal language that requires no notion of duality provide a fertile ground to our work. This analysis yields geometrical interpretations of the underlying structures and domains of the several mathematical programs involved in the solution process. Although no chapter specifically focuses on that facet of our work, most of our ideas, approaches and contributions stem from it. This groundbreaking approach of ISUD leads to simplifications, strengthening, and extensions of several theoretical results. In the first part of this work, we generalize the formulation of the augmentation problem in order to increase the likelihood that the direction found by the algorithm leads to a new integer solution. In ISUD, to find the edge leading to the next point, one solves a linear program to select an augmenting direction from a cone of feasible directions. To ensure that this linear program is bounded (the directions could go to infinity), a normalization constraint is added and the optimization is performed on a section of the cone. In the original version of the algorithm, all weights take the same value. We extend this constraint to the case of a generic normalization constraint and show that the output direction dépends strongly on the chosen normalization weights, and so does the likelihood that the next solution is integer. We extend the theoretical properties of ISUD, particularly those that are related to decomposition and we prove new results in the case of a generic normalization constraint. We explore the theoretical properties of some specific constraints, and discuss the design of the normalization constraint so as to penalize fractional directions. We also report computational results on workforce scheduling instances that show the potential behind our approach. While only 78% of aircrew scheduling instances from that benchmark are solved with the original version of ISUD, 100% of them are solved by at least one of the models we propose. In the second part, we show that cutting plane methods used in integer linear programming can be adapted to ISUD. We show that cutting planes can be transferred to the augmentation problem, and we characterize the set of transferable cuts as a nonempty subset of primal cuts that are tight to the current solution. We prove that these cutting planes always exist, we propose efficient separation procedures for primal clique and odd-cycle cuts, and we prove that their search space can be restricted to a small subset of the variables making the computation efficient. Numerical results demonstrate the effectiveness of adding cutting planes to the algorithm. Tests are performed on small- and large-scale set partitioning problems from aircrew and bus-driver scheduling instances up to 1,600 constraints and 570,000 variables. On the aircrew scheduling instances, the addition of primal cuts raises the rate of instances solved from 70% to 92%. On large bus drivers scheduling instances, primal cuts prove that the solution found by ISUD is optimal over a large subset of the domain for more than 80% of the instances. In the last part, we dynamically update the coefficients of the normalization constraint whenever the direction found by the algorithm leads to a fractional solution, to penalize that direction. We propose several update strategies based on theoretical and experimental results. Some penalize the very direction returned by the algorithm, others operate by perturbating the normalization coefficients with those of the aforementionned primal cuts. To prove the efficiency of our strategies, we show that our version of the algorithm yields better results than the former version and than classical branch-and-bound techniques on a benchmark of industrial aircrew scheduling instances. The benchmark that we propose is, to the best of our knowledge, comparable to no other from the literature. It provides largescale instances with up to 1,700 flights and 115,000 pairings, hence as many constraints and variables, and the instances are given in a set-partitioning form together with initial solutions that accurately mimic those of industrial applications. Our work shows the strong potential of primal algorithms for the crew scheduling problem, which is a key challenge for large airlines, both financially significant and notably hard to solve