A Polyhedral Study of Mixed 0-1 Set

We consider a variant of the well-known single node fixed charge network flow set with constant capacities. This set arises from the relaxation of more general mixed integer sets such as lot-sizing problems with multiple suppliers. We provide a complete polyhedral characterization of the convex hull of the given set

Exact and Heuristic Hybrid Approaches for Scheduling and Clustering Problems

This thesis deals with the design of exact and heuristic algorithms for scheduling and clustering combinatorial optimization problems. All the works are linked by the fact that all the presented methods arebasically hybrid algorithms, that mix techniques used in the world of combinatorial optimization. The algorithms are all efficient in practice, but the one presented in Chapter 4, that has mostly theoretical interest. Chapter 2 presents practical solution algorithms based on an ILP model for an energy scheduling combinatorial problem that arises in a smart building context. Chapter 3 presents a new cutting stock problem and introduce a mathematical formulation and a heuristic solution approach based on a heuristic column generation scheme. Chapter 4 provides an exact exponential algorithm, whose importance is only theoretical so far, for a classical scheduling problem: the Single Machine Total Tardiness Problem. The relevant aspect is that the designed algorithm has the best worst case complexity for the problem, that has been studied for several decades. Furthermore, such result is based on a new technique, called Branch and Merge, that avoids the solution of several equivalent sub-problems in a branching algorithm that requires polynomial space. As a consequence, such technique embeds in a branching algorithm ideas coming from other traditional computer science techniques such as dynamic programming and memorization, but keeping the space requirement polynomial. Chapter 5 provides an exact approach based on semidefinite programming and a matheuristic approach based on a quadratic solver for a fractional clustering combinatorial optimization problem, called Max-Mean Dispersion Problem. The matheuristic approach has the peculiarity of using a non-linear MIP solver. The proposed exact approach uses a general semidefinite programming relaxation and it is likely to be extended to other combinatorial problems with a fractional formulation. Chapter 6 proposes practical solution methods for a real world clustering problem arising in a smart city context. The solution algorithm is based on the solution of a Set Cover model via a commercial ILP solver. As a conclusion, the main contribution of this thesis is given by several approaches of practical or theoretical interest, for two classes of important combinatorial problems: clustering and scheduling. All the practical methods presented in the thesis are validated by extensive computational experiments, that compare the proposed methods with the ones available in the state of the art

Iterative restricted space search : a solving approach based on hybridization

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

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

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

Mathematical Models and Decomposition Algorithms for Cutting and Packing Problems

In this thesis, we provide (or review) new and effective algorithms based on Mixed-Integer Linear Programming (MILP) models and/or decomposition approaches to solve exactly various cutting and packing problems. The first three contributions deal with the classical bin packing and cutting stock problems. First, we propose a survey on the problems, in which we review more than 150 references, implement and computationally test the most common methods used to solve the problems (including branch-and-price, constraint programming (CP) and MILP), and we successfully propose new instances that are difficult to solve in practice. Then, we introduce the BPPLIB, a collection of codes, benchmarks, and links for the two problems. Finally, we study in details the main MILP formulations that have been proposed for the problems, we provide a clear picture of the dominance and equivalence relations that exist among them, and we introduce reflect, a new pseudo-polynomial formulation that achieves state of the art results for both problems and some variants. The following three contributions deal with two-dimensional packing problems. First, we propose a method using Logic based Benders’ decomposition for the orthogonal stock cutting problem and some extensions. We solve the master problem through an MILP model while CP is used to solve the slave problem. Computational experiments on classical benchmarks from the literature show the effectiveness of the proposed approach. Then, we introduce TwoBinGame, a visual application we developed for students to interactively solve two-dimensional packing problems, and analyze the results obtained by 200 students. Finally, we study a complex optimization problem that originates from the packaging industry, which combines cutting and scheduling decisions. For its solution, we propose mathematical models and heuristic algorithms that involve a non-trivial decomposition method. In the last contribution, we study and strengthen various MILP and CP approaches for three project scheduling problems

Structural optimization in steel structures, algorithms and applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Progressive selection method for the coupled lot-sizing and cutting-stock problem

The coupled lot-sizing and cutting-stock problem has been a challenging and significant problem for industry, and has therefore received sustained research attention. The quality of the solution is a major determinant of cost performance in related production and inventory management systems, and therefore there is intense pressure to develop effective practical solutions. In the literature, a number of heuristics have been proposed for solving the problem. However, the heuristics are limited in obtaining high solution qualities. This paper proposes a new progressive selection algorithm that hybridizes heuristic search and extended reformulation into a single framework. The method has the advantage of generating a strong bound using the extended reformulation, which can provide good guidelines on partitioning and sampling in the heuristic search procedure so as to ensure an efficient solution process. We also analyze per-item and per-period Dantzig-Wolfe decompositions of the problem and present theoretical comparisons. The master problem of the per-period Dantzig-Wolfe decomposition is often degenerate, which results in a tailing-off effect for column generation. We apply a hybridization of Lagrangian relaxation and stabilization techniques to improve the convergence. The discussion is followed by extensive computational tests, where we also perform detailed statistical analyses on various parameters. Comparisons with other methods indicate that our approach is computationally tractable and is able to obtain improved results

Evolutionary algorithms and hyper-heuristics for orthogonal packing problems

This thesis investigates two major classes of Evolutionary Algorithms, Genetic Algorithms (GAs) and Evolution Strategies (ESs), and their application to the Orthogonal Packing Problems (OPP). OPP are canonical models for NP-hard problems, the class of problems widely conceived to be unsolvable on a polynomial deterministic Turing machine, although they underlie many optimisation problems in the real world. With the increasing power of modern computers, GAs and ESs have been developed in the past decades to provide high quality solutions for a wide range of optimisation and learning problems. These algorithms are inspired by Darwinian nature selection mechanism that iteratively select better solutions in populations derived from recombining and mutating existing solutions. The algorithms have gained huge success in many areas, however, being stochastic processes, the algorithms' behaviour on different problems is still far from being fully understood. The work of this thesis provides insights to better understand both the algorithms and the problems. The thesis begins with an investigation of hyper-heuristics as a more general search paradigm based on standard EAs. Hyper-heuristics are shown to be able to overcome the difficulty of many standard approaches which only search in partial solution space. The thesis also looks into the fundamental theory of GAs, the schemata theorem and the building block hypothesis, by developing the Grouping Genetic Algorithms (GGA) for high dimensional problems and providing supportive yet qualified empirical evidences for the hypothesis. Realising the difficulties of genetic encoding over combinatorial search domains, the thesis proposes a phenotype representation together with Evolution Strategies that operates on such representation. ESs were previously applied mainly to continuous numerical optimisation, therefore being less understood when searching in combinatorial domains. The work in this thesis develops highly competent ES algorithms for OPP and opens the door for future research in this area