An Integrated Systems Approach to the Development of Winter Maintenance / Management Systems

Winter road maintenance operations require many complex strategic and operational planning decisions. The five primary problems involved in this intricate planning procedure include locating depots, designing sectors, routing service vehicles, scheduling vehicles, and configuring the vehicle fleet. The complexity involved in each of these decisions has resulted mainly in research that approaches each of the problems separately and sequentially, which can lead to isolated and suboptimal solutions. After discussing the complexity of the relaxed subproblems that would need to be solved to optimize the intricate winter maintenance operations, the research turns to a heuristic approach to more feasibly address the interrelated problems. This report subsequently presents a systematic, heuristic-based optimization approach to integrate the winter road maintenance planning decisions for depot location, sector design, vehicle route design, vehicle scheduling, and fleet configuration. The approach presented is illustrated through an example of public sector winter road maintenance planning for a rural transportation network in Boone County, Missouri. When applied to the real-world winter road maintenance planning problems for Boone County, the methodology delivered very promising results. The solution methodology successfully achieves the objective of a more integrated and less sequential approach to the problems considered. The integrated solution would allow the Missouri Department of Transportation (MoDOT) to maintain the same high level of service with significantly fewer resources. The results indicate that this methodology is a successful step towards solving realistic multiple-depot problems involving heterogeneous winter maintenance fleets

Arc Routing Problems with Time Duration Constraints and Uncertainty

RÉSUMÉ : Le problème résolu dans cette thèse est divisé en deux parties: 1) la localisation-affectation pour les tournées sur les arcs en tenant compte des caractéristiques des secteurs, c’est-à-dire le problème de conception des secteurs (SDP), 2) le routage robuste sur les arcs avec contraintes de durée (RARPTD). Les objectifs de cette recherche sont les suivants: 1) développer une formulation mathématique pour la conception des secteurs en considérant le temps de passage sur les arcs et le niveau de service requis. Le résultat du modèle mathématique donne une solution optimale pour le problème de localisation-affectation pour les tournées sur les arcs, 2) proposer un algorithme heuristique efficace, qui assure à la fois des coûts acceptables et de bonnes caractéristiques des secteurs. L'algorithme heuristique donne une solution applicable pour le problème de conception des secteurs, 3) développer une formulation mathématique déterministe pour le problème de tournées sur les arcs avec contraintes de durée et concevoir un jeu de données d'incertitude des temps de parcours et de service, 4) proposer une formulation résoluble pour le problème de tournées robustes sur les arcs avec contraintes de durée. Les essais sont conduits avec des données générées aléatoirement et avec un cas réel de réseau. L'analyse des résultats démontre que l'algorithme heuristique en trois étapes est plus facile à utiliser que l'algorithme branch-and-cut. De plus, l'algorithme heuristique en trois étapes peut générer une bonne solution avec des secteurs concis et bien conçus. En ce qui concerne le RARPTD, les essais montrent que les réseaux de petite taille peuvent être résolus rapidement. L’analyse de sensibilité indique que: 1) il existe toujours deux façons d'améliorer la robustesse de la solution optimale: payer le prix de la robustesse ou ajuster l'allocation des arcs aux secteurs, 2) lorsque le nombre de véhicules augmente, la solution optimale sous faible niveau d'incertitude peut être plus robuste, mais le coût des solutions optimales sous le même niveau d'incertitude augmente.----------ABSTRACT : The problem solved in this thesis is divided into two parts: 1) location-allocation arc routing with considering the characteristics of sectors, namely, the sector design problem (SDP), 2) robust arc routing with time duration based on the sectoring result of sector design (RARPTD). The objectives of this research are: 1) to develop a location-allocation arc routing mathematical formulation with considering the deadheading time and required service level. The result of the mathematical model provides an optimal solution for the location-allocation arc routing problem, 2) to design an effective and efficient heuristic algorithm, which ensures both acceptable cost and good sector characteristics. The heuristic algorithm provides an applicable solution for the sector design problem, 3) to develop the deterministic mathematical formulation for the arc routing problem with time duration and deadheading time and design the uncertainty support set of the service time and deadheading time, 4) to propose a solvable formulation for the robust arc routing problem. The result of the robust formulation provides the robust optimal solution for the robust arc routing problem with time duration. Experiments are conducted with randomly generated instances and a real network case. The results analysis demonstrates that the three-stage heuristic algorithm is computationally more tractable than the branch-and-cut algorithm and could yield high quality solution with compact and good shaped sectors. As for the part of RARPTD, experiments demonstrate that small-sized networks can be solved to optimality quickly and sensitivity analysis indicates: 1) there are always two ways to improve the robustness of the optimal solution: pay the price of robustness or adjust the allocation of required edges, 2) when the number of vehicles increases, the optimal solution under low uncertainty level can be more robust but the cost of the optimal solutions under the same uncertainty level increases

Arc Routing Problems for Road Network Maintenance

RÉSUMÉ : Cette thèse présente deux problèmes rencontrés dans l’entretien des réseaux routiers, soit la surveillance des réseaux routiers pour la détection de verglas sur la chaussée et la reprogrammation des itinéraires pour les activités de déneigement et d’épandage de sel. Nous représentons ces problèmes par des modèles de tournées sur les arcs. La dépendance aux moments et la nature dynamique sont des caractéristiques propres de ces problèmes, par conséquence le cas de surveillance des réseaux routiers est modélisé comme un problème de postier rural avec fenêtres-horaires (RPPTW), tandis que le cas de la reprogrammation utilise des modèles obtenus à partir des formulations de problèmes de tournées sur les arcs avec capacité. Dans le cas du problème de surveillance, une patrouille vérifie l’état des chemins et des autoroutes, elle doit principalement détecter le verglas sur la chaussée dans le but d’assurer de bonnes conditions aux chauffeurs et aux piétons. Étant donné un réseau routier et des prévisions météo, le problème consiste à créer une tournée qui permette de détecter opportunément le verglas sur les rues et les routes. L’objectif poursuivi consiste à minimiser le coût de cette opération. En premier, on présente trois formulations basées sur la programmation linéaire en nombres entiers pour le problème de surveillance des réseaux qui dépend du moment et deux méthodes de résolution: un algorithme de coupes et un algorithme heuristique appelé adaptive large neighborhood search (ALNS). La méthode exacte inclut des inéquations valides tirées du problème du voyageur de commerce avec fenêtres-horaires et aussi du problème de voyageur du commerce avec contraintes de précédence. La méthode heuristique considère deux phases: en premier, on trouve une solution initiale et après dans la deuxième phase, l’algorithme essaie d’améliorer la solution initiale en utilisant sept heuristiques de destruction et deux heuristiques de réparation choisies au hasard. La performance des heuristiques est évaluée pendant les itérations. Une meilleure performance correspond à une plus grande probabilité de choisir une heuristique. Plusieurs tests ont été faits sur deux ensembles d’exemplaires de problèmes. Les résultats obtenus montrent que l’algorithme de coupes est capable de résoudre des réseaux avec 104 arêtes requises et des fenêtres-horaires structurées par tranches horaires ; l’algorithme peut aussi résoudre des réseaux avec 45 arêtes requises et des fenêtres-horaires structurées pour chaque arête requise. Pour l’algorithme ALNS, différentes versions de l’algorithme sont comparées. Les résultats montrent que cette méthode est efficace parce qu’elle est capable de résoudre à l’optimalité 224 des 232 exemplaires et de réduire le temps de calcul significativement pour les exemplaires les plus difficiles. La dernière partie de la thèse introduit le problème de la reprogrammation de tournées sur les arcs avec capacité (RCARP), lequel permet de modéliser la reprogrammation des itinéraires après une panne d’un véhicule lors de la phase d’exécution d’un plan initial des activités de déneigement ou d’épandage de sel. Le planificateur doit alors modifier le plan initial rapidement et reprogrammer les véhicules qui restent pour finir les activités. Dans ce cas, l’objectif poursuivi consiste à minimiser le coût d’opération et le coût de perturbation. La distance couverte par les véhicules correspond au coût d’opération, cependant une nouvelle métrique est développée pour mesurer le coût de perturbation. Les coûts considérés sont des objectifs en conflit. On analyse quatre politiques à la phase de re-routage en utilisant des formulations de programmation linéaire en nombres entiers. On propose une solution heuristique comme méthode pour résoudre le RCARP quand les coûts d’opération et de perturbation sont minimisés en même temps et quand une réponse rapide est nécessaire. La méthode consiste à fixer une partie de l’itinéraire initial et après à modifier seulement les itinéraires des véhicules les plus proches de la zone de l’interruption de la tournée du véhicule défaillant. La méthode a été testée sur des exemplaires obtenus d’un réseau réel. Nos tests indiquent que la méthode peut résoudre rapidement des exemplaires avec 88 arêtes requises et 10 véhicules actifs après la panne d’un véhicule. En conclusion, la principale contribution de cette thèse est de présenter des modèles de tournées sur les arcs et de proposer des méthodes de résolution d’optimisation qui incluent la dépendance aux temps et l’aspect dynamique. On propose des modèles et des méthodes pour résoudre le RPPTW, et on présente des résultats pour ce problème. On introduit pour la première fois le RCARP. Trois articles correspondant aux trois principaux chapitres ont été acceptés ou soumis à des revues avec comité de Lecture: “The rural postman problem with time windows” accepté dans Networks, “ALNS for the rural postman problem with time windows” soumis à Networks, and “The rescheduling capacitated arc routing problem” soumis à International Transactions in Operational Research.----------ABSTRACT : This dissertation addresses two problems related to road network maintenance: the road network monitoring of black-ice and the rescheduling of itineraries for snow plowing and salt spreading operations. These problems can naturally be represented using arc routing models. Timing-sensitive and dynamic nature are inherent characteristics of these problems, therefore the road network monitoring is modeled as a rural postman problem with time windows (RPPTW) and in the rescheduling case, models based on capacitated arc routing formulations are suggested for the rerouting phase. The detection of black-ice on the roads is carried out by a patrol to ensure safety conditions for drivers and pedestrians. Specific meteorological conditions cause black-ice on the roads; therefore the patrol must design a route covering part of the network in order to timely detect the black-ice according to weather forecasts. We look for minimum-cost solutions that satisfy the timing constraints. At first, three formulations based on mixed integer linear programming are presented for the timing-sensitive road network monitoring and two solution approaches are proposed: a cutting plane algorithm and an adaptive large neighborhood search (ALNS) algorithm. The exact method includes valid inequalities from the traveling salesman problem (TSP) with time windows and from the precedence constrained TSP. The heuristic method consists of two phases: an initial solution is obtained, and then in the second phase the ALNS method tries to improve the initial solution using seven removal and two insertion heuristics. The performance of the heuristics is evaluated during the iterations, and therefore the heuristics are selected depending on their performance (with higher probability for the better ones). Several tests are done on two sets of instances. The computational experiments performed show that the cutting plane algorithm is able to solve instances with up to 104 required edges and with time windows structured by time slots, and problems with up to 45 required edges and time windows structured by each required edge. For the ALNS algorithm, several versions of the algorithm are compared. The results show that this approach is efficient, solving to optimality 224 of 232 instances and significantly reducing the computational time on the hardest instances. The last part of the dissertation introduces the rescheduling capacitated arc routing problem (RCARP), which models the rescheduling of itineraries after a vehicle failure happens in the execution of an initial plan of snow plowing or salt spreading operations. A dispatcher must quickly adjust the remaining vehicles and modify the initial plan in order to complete the operations. In this case we look for solutions that minimize operational and disruption costs. The traveled distance represents the operational cost, and a new metric is discussed as disruption cost. The concerned objectives are in conflict. Four policies are analyzed in the rerouting phase using mixed integer linear programming formulations. A heuristic solution is developed to solve the RCARP when operational and disruption costs are minimized simultaneously and a quick response is needed. The idea is to fix part of the initial itinerary and only modify the itinerary of vehicles closer to the failure zone. The method is tested on a set of instances generated from a real network. Our tests indicate that the method can solve instances with up to 88 required edges and 10 active vehicles after the vehicle breakdown. In short the main contribution of this dissertation is to present arc routing models and optimization solution techniques that consider timing-sensitive and dynamic aspects. Formulations and solution methods with computational results are given for the RPPTW, and the RCARP is studied for the first time here. Three articles corresponding to the main three chapters have been accepted or submitted to peer review journals: “The rural postman problem with time windows” accepted in Networks, “ALNS for the rural postman problem with time windows” submitted to Networks, and “The rescheduling capacitated arc routing problem” submitted to International Transactions in Operational Research

Modeling and Solving Arc Routing Problems in Street Sweeping and Snow Plowing

In arc routing problems, the goal is to determine an optimal path, or set of paths, that traverse a required subset of arcs on a graph with respect to a set of constraints and objective function. The Chinese Postman Problem (CPP) forms the basis for many arc routing problems. Let graph G =(V,A), where V is a set of vertices and A = {(i,j) | i,j in V} is a set of arcs that each connect exactly two vertices, each with its own cost of traversal cij. The objective of the CPP is to construct a least cost path that traverses each arc in A at least once. There are many practical applications for variants of the CPP, including winter street maintenance, and street sweeping that incorporate: [Rural Instances] Rural Postman Problems (RPP) stipulate that only a subset $A_R \subset A$ require traversal, allowing for non-servicing traversal on the rest of the graph. In the context of street sweeping, a street sweeper isn't responsible for sweeping all the streets. [Windy Graphs] In the CPP, the cost of traversal of an arc is the same, regardless of the direction of traversal. In the Windy Postman Problem (WPP), the cost of traversal is asymmetric. That is, it is possible for cij not equal cji. In the context of snow plowing, it is harder to plow uphill than downhill. [Multi-Vehicle] Instead of a single vehicle with a single tour, multiple tours are found for multiple vehicles. This is often accompanied with an objective function that seeks to minimize the cost of the largest cost route. This is motivated by practical applications, which seek to balance the cost of each route. In the case where route cost is measured in time, route balancing minimizes, for example, paid overtime. [Turn Penalties] UPS reported that it saved three million gallons of gasoline annually by avoiding unnecessary left-hand turns, which take longer to perform than going straight or turning right. Instances with turn penalties incorporate costs of turning, in addition to costs of traversal. The Windy Postman Problem (WPP) incorporates windy graphs and the Rural Postman Problem (RPP) incorporates rural instances. The RPP can be extended to include turn penalties (RPPTP). The Windy Rural Postman Problem (WRPP) incorporates instances that are both windy and rural. The WRPP can be extended to the MM k-WRPP which adds k plows. In this dissertation, we extend these variants to new problems with new problem attributes that are practically motivated. Our new attributes are listed below. [Multi-Period] The CPP solves for a single route, which can be interpreted to be traversed in a single day. It is possible that the set of required arcs is too long to service in a single day and therefore must be split among multiple days. In this case, we need to decide which day to assign service to each arc, before routing can take place. [Downhill Instances] In street snow plowing, it is faster to deadhead (traverse without servicing) a street rather than plowing it. In this case, there are different costs for deadheading and plowing a street. Moreover, it takes longer to plow uphill, resulting in four costs: plowing uphill, plowing downhill, deadheading uphill, and deadheading downhill. [Precedence] When considering downhill instances, the snow may be so deep that it is impossible for a snowplow to deadhead a street before the street is plowed. In this dissertation we present a variety of heuristics to solve these problems, all adaptations of the concept of cycle permutation based on Euclidean cycle decomposition. To our knowledge, the use of moving or permuting sub-cycles as a way to change and improve a Eulerian cycle is novel and we show that it is very robust at improving solutions

Identification and Recommendations for Correction of Equipment Factors Causing Fatigue in Snowplow Operations

MnDOT No. 1001325The objective of this project was to recommend cost-effective equipment solutions to mitigate fatigue experienced by winter maintenance operators. A questionnaire collected the opinions on the relationship between equipment and fatigue from 2,011 winter maintenance operators in 23 Clear Roads states. An analysis of the existing literature and questionnaire results produced eight cost-effective equipment solutions and eight non-equipment solutions to mitigate winter maintenance operator fatigue. These 16 solutions are believed to be the most promising to mitigate fatigue at low cost (in no particular order): (1) provide dimmable interior cab lighting, (2) use light emitting diode (LED) bulbs for exterior lighting, (3) equip winter maintenance vehicles with warning lights that have a nighttime setting (i.e., dimmable), (4) install a compact disc player or satellite radio in all winter maintenance vehicles, (5) equip winter maintenance vehicles with a heated windshield, (6) install snow deflectors on front plows, (7) install LED narrow-beam bulbs on auxiliary lighting, (8) use an ergonomically designed seat with vibration dampening/air-ride technology, (9) instruct winter maintenance operators to take a 15- to 30-minute break every 4 to 5 hours, (10) provide education and training to winter maintenance operators to identify early signs of fatigue, (11) investigate reduced shift lengths, start/end times, and overtime rules/limits, (12) create an agency-wide fatigue management policy, (13) investigate methods to provide early notifications of an impending swing shift, (14) encourage heathy lifestyles, (15) encourage winter maintenance operator input in equipment purchases, and (16) provide a dedicated place for winter maintenance operators to rest at each garage/terminal

Methods for Utilizing Connected Vehicle Data in Support of Traffic Bottleneck Management

The decision to select the best Intelligent Transportation System (ITS) technologies from available options has always been a challenging task. The availability of connected vehicle/automated vehicle (CV/AV) technologies in the near future is expected to add to the complexity of the ITS investment decision-making process. The goal of this research is to develop a multi-criteria decision-making analysis (MCDA) framework to support traffic agencies’ decision-making process with consideration of CV/AV technologies. The decision to select between technology alternatives is based on identified performance measures and criteria, and constraints associated with each technology. Methods inspired by the literature were developed for incident/bottleneck detection and back-of-queue (BOQ) estimation and warning based on connected vehicle (CV) technologies. The mobility benefits of incident/bottleneck detection with different technologies were assessed using microscopic simulation. The performance of technology alternatives was assessed using simulated CV and traffic detector data in a microscopic simulation environment to be used in the proposed MCDA method for the purpose of alternative selection. In addition to assessing performance measures, there are a number of constraints and risks that need to be assessed in the alternative selection process. Traditional alternative analyses based on deterministic return on investment analysis are unable to capture the risks and uncertainties associated with the investment problem. This research utilizes a combination of a stochastic return on investment and a multi-criteria decision analysis method referred to as the Analytical Hierarchy Process (AHP) to select between ITS deployment alternatives considering emerging technologies. The approach is applied to an ITS investment case study to support freeway bottleneck management. The results of this dissertation indicate that utilizing CV data for freeway segments is significantly more cost-effective than using point detectors in detecting incidents and providing travel time estimates one year after CV technology becomes mandatory for all new vehicles and for corridors with moderate to heavy traffic. However, for corridors with light, there is a probability of CV deployment not being effective in the first few years due to low measurement reliability of travel times and high latency of incident detection, associated with smaller sample sizes of the collected data

Optimisation de tournées de véhicules en viabilité hivernale

RÉSUMÉ : Cette thèse développe des outils mathématiques et informatiques pour améliorer les opérations de viabilité hivernale. En particulier, la confection des tournées de déneigement est traitée comme un problème de tournées sur les arcs avec plusieurs contraintes. Une métaheuristique est d’abord développée pour la confection de ces tournées. Par la suite, des modifications majeures sont apportées à cet algorithme pour tenir compte des caractéristiques spécifiques aux problèmes de tournées sur les arcs (arc routing problem) (ARP) sur des réseaux routiers réels. Finalement, un second problème combinant les tournées de déneigement et d’épandage avec la mise en commun de certains véhicules pour les opérations est traité. La solution développée permet de tirer parti des caractéristiques de chaque véhicule. Tout au long de la thèse, un accent particulier est porté sur l’utilisation des données réelles ainsi que sur le développement de méthodes pour faciliter l’importation et l’exportation de ces données. Les travaux entourant cette thèse débutent avec la confection de tournées de déneigement pour une ville au Québec, soit Dolbeau-Mistassini (DM). De nombreux problèmes ont été rencontrés avec l’utilisation d’une méthode tirée de la littérature. Parmi ceux-ci, on compte : — de nombreux demi-tours difficiles à exécuter par les véhicules ; — le faible respect des priorités accordées aux rues à l’échelle du réseau ; — de nombreux véhicules parcourent de longues distances pour se rendre dans les coins reculés du réseau ; — le déséquilibre des tâches de travail en raison des différentes vitesses d’opération des véhicules ; — le fait que la méthode ne tient pas compte des ruelles qui peuvent être traitées dans une direction ou dans l’autre en un seul passage. À la suite de nombreux ajustements manuels pour corriger les tournées obtenues, force a été de constater que des améliorations pouvaient être apportées à ce type de méthode. Les travaux concernant la première contribution de cette thèse ont donc porté sur le développement d’une méthode de création de tournées de déneigement. En raison du grand nombre de variables et de contraintes considérées dans le problème, le choix s’est porté sur une méthode heuristique. Ce type de méthode offre un bon équilibre entre le temps de traitement et la qualité des solutions obtenues. Plus précisément, le choix s’est arrêté sur une métaheuristique de type algorithme de recherche à voisinage adaptatif large (adaptive large neighborhood search) (ALNS), en raison du succès remporté récemment par ce type de méthode. Le premier article a permis de constater que l’algorithme développé permet de créer des tournées pour les véhicules de déneigement. Les contraintes suivantes sont respectées : équilibrage des tournées, couverture partielle du réseau, vitesses hétérogènes, restrictions de virages, restrictions rue/véhicule et hiérarchie du réseau. Pour la deuxième contribution de thèse, le problème a d’abord été formalisé par l’intermédiaire d’un programme linéaire en nombres entiers (mixed integer programming) (MIP). Le problème a été formulé comme un problème des k-postiers ruraux avec objectif minmax (min-max k-vehicles rural postman problem) (MM K-RPP) avec hiérarchies, pénalités sur virages, vitesses d’opération hétérogènes et tournées ouvertes sur un graphe mixte. Tel qu’anticipé, la résolution devient rapidement impossible à traiter avec un solveur commercial en utilisant seulement 20 segments de rue. Il a été décidé de poursuivre l’approfondissement de l’algorithme développé en première partie. Cette décision a été prise notamment en raison du très long temps de traitement qui réduit l’utilité du premier algorithme. Cette décision repose aussi sur le fait que visuellement, on constate que les tournées obtenues peuvent être améliorées. Dans cette optique, une collaboration a été initiée avec messieurs Fabien Lehuédé et Olivier Péton du laboratoire des sciences du numérique de Nantes (LS2N) à IMT Atlantique. Leur expertise avec la méthode ALNS a effectivement permis d’améliorer grandement les résultats obtenus. Parmi les améliorations apportées, on note une transformation du réseau permettant de tenir compte des pénalités sur virages lors du calcul des plus courts chemins. Cette transformation permet également de mieux prendre en compte les ruelles qui requièrent un seul passage dans une direction ou dans l’autre. De plus, la possibilité d’appliquer plusieurs fois un opérateur de destruction avant de passer à la construction est ajoutée. Cette contribution a également été l’occasion de développer et tester de nouveaux opérateurs de voisinage, développer une méthode de groupement des arcs et revoir et simplifier le code de la métaheuristique. L’algorithme a été appliqué à la première étude de cas ainsi qu’a deux nouvelles études de cas, Baie-Comeau (BC) et Plateau-Mont-Royal (PMR). Des tests ont également été exécutés en comparant les nouvelles tournées obtenues à des tournées conçues quelques années plus tôt ainsi qu’aux résultats obtenus par un solveur commercial. Les résultats obtenus démontrent que la méthodologie améliore les tournées conçues précédemment. Il est aussi possible de conclure que la méthode de groupage des arcs améliore la qualité des solutions obtenues et l’efficacité des nouveaux opérateurs développés varie selon le réseau utilisé. Pour la troisième contribution, nous sommes revenus sur le cas d’étude initial tel que décrit par les intervenants de la première étude de cas. Il a été dit que les charges de travail doivent être équilibrées, mais que certains véhicules doivent également épandre des fondants ou des abrasifs en plus de déneiger. Pour tenir compte de cette contrainte, certaines tournées avaient délibérément été gardées plus courtes dans les premières solutions. Pour le troisième article, il a été décidé de traiter cette problématique de front. Ce qu’il faut savoir est que certains véhicules sont équipés pour l’épandage et le déneigement alors que d’autres sont équipés pour le déneigement seulement. Lorsque les premiers traitent un segment de rue, ils exécutent les deux opérations simultanément. Lorsque les deuxièmes traitent un segment de rue, il faut planifier un second passage par les premiers véhicules pour qu’ils puissent épandre des fondants ou des abrasifs. L’algorithme développé précédemment a donc été modifié dans cette optique. En plus, la considération des contraintes de restrictions rue/véhicule a été ajoutée dans l’algorithme. Les résultats démontrent que l’algorithme permet effectivement de concevoir des tournées qui respectent les contraintes de la nouvelle étude de cas. Cet outil permet donc de tirer profit de l’interaction entre les divers types de véhicules. La contribution souligne également l’utilité d’un tel outil pour supporter l’analyse des besoins justifiant l’achat de nouveaux véhicules. En parallèle aux développements algorithmiques, des méthodes d’importation et d’exportation des données provenant des cas d’étude réels sont aussi développées. Dès le départ, il a été choisi d’utiliser des fichiers de type Shapefile comme source de données en raison de sa grande disponibilité et de la compatibilité avec les système d’information géographique (SIG). Une méthode pour passer du réseau géographique vers un réseau mathématique a donc été améliorée au cours des travaux. Alors qu’au début des travaux de la thèse, il fallait passer par un chiffrier Microsoft ExcelTM pour ensuite importer les données dans le code, à la fin, une méthode automatisée permet l’importation directe à partir des fichiers Shapefiles vers le code de la métaheuristique. Quant aux résultats obtenus, ils furent obtenus dans les premières étapes sous forment de représentations géographiques dans un SIG ainsi que des feuilles d’instructions indiquant les étapes, coin de rue par coin de rue, aux opérateurs de véhicules. De ce côté, les développements ont permis d’obtenir des fichiers de type KML. Ce type de fichier est compatible avec plusieurs logiciels et applications, dont Google EarthviewTM et des applications de guidage routier sur des appareils mobiles.----------ABSTRACT : In this thesis, we develop mathematical and computerized tools to improve winter viability operations. More precisely, the snow routing design problem is treated as an problème de tournée sur les arcs (arc routing problem) (ARP). In a first effort to solve the problem, a metaheuristic procedure is designed. Then, some major modifications are made to the algorithm to improve the consideration of specific characteristics of real road networks. Finally, a second problem combining the routing of the snowplow and the spreading vehicles are addressed. The objective is to fully take advantage of the characteristics of the different type of vehicles. In parallel with the algorithmic development, this thesis also develops some methodologies to facilitate the importation and exportation of the real world data. Works concerning this thesis were initiated with a mandate to design snowplow routes for a city in the province of Québec, namely DM. The problem was addressed by using a methodology found in the literature, however, several difficulties were encountered. Among others: — the routes contained several U-turns which are difficult to perform by the snow plowing vehicles; — little consideration of the priorities at the network level; — several vehicles have to travel to some remote streets in the same sector of the city where we would expect only one vehicle to go; — unbalanced sectors due to the different speeds of operation of the vehicles; — no consideration for back alleys that needs to be serviced only once in either direction. In respond to these problems, several manual modifications of the routes were undertaken to make them feasible. It was found that the methodology fails to solve the problem as it is encountered. Therefore, works concerning the first contribution of this thesis focused on the development of a methodology to design snowplow routing. Due to numerous variables and constraints, it was decided to develop a metaheuristic algorithm. This type of methodology offers a good balance between runtime and the quality of the solution obtained. In particular, an ALNS is selected because of its recent success cited in the literature. Thus, the first article concludes that the algorithm can design snowplow routing. The following constraints are considered: workload balance, partial area coverage, heterogeneous vehicle speeds, road/vehicle dependencies, network hierarchies and turn restrictions. In the second contribution of this thesis, the problem was modeled as a mixed integer program. It is formulated as a min-max k-rural postmen problem with hierarchies, turn penalties, open tours and heterogeneous speed on a mixed graph. As expected, the formulation is intractable even for a number of arcs as low as 20. It was then decided to pursue the development of the ALNS algorithm. This decision was taken considering the long runtime of the first algorithm and the fact that the routes obtained can be visually improved. A collaboration with Fabien Lehuédé and Olivier Péton from the Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (LS2N), IMT Atlantique was undertaken. Their expertise with ALNS greatly helped to improve the results obtained. Among other improvements brought to the algorithm, one can cite the transformation of the graph which allows to better take into account turn penalties during the computation of the shortest paths. This transformation also allows to better take into account the back alleys which only need one service in either direction. This contribution also allowed to develop and test new neighborhood operators and an arc grouping methodology. Both of these innovations improve the quality of the solutions obtained. However the efficiency of the new operators varies with the network. For the third contribution, we took back the case study as it was described by the collaborator in DM. It was said that the workload needs to be balanced among the vehicles. However some vehicles must also perform winter spreading in addition to plowing. For the first set of routes produced, some of the routes were deliberately left with a lower workload to allow them to perform winter spreading. For the third article, it was decided to consider the spreading and the plowing directly during the construction and the improvement steps. Thus this problem was tackled more directly in the third article. It must be noted that some vehicles are equipped to perform both winter spreading and snow plowing and some others can only perform plowing. When the former service a street, they can perform both plowing and spreading at the same time. When the latter service a street, a second passage is required to spread salt or abrasives. The algorithm developed for the second contribution was then adapted for this new problem. Moreover, the street/vehicle restriction constraints were also added. The result shows that the algorithm can produce a set of routes respecting the constraints of the new problem. It can take advantage of the interaction between the various types of vehicles. The article also shows that such tool can be beneficial in analyzing the requirements for new vehicles. In parallel with the development of the algorithms, data importation and exportation techniques from real road networks are also developed. It was chosen to use Shapefiles because of its good relative availability and because of its compatibility with Geographic Information System (GIS). A method to transfer from a geographical to a mathematical network is improved during the thesis. At the beginning, a Microsoft ExcelTM datasheet is used to transfer the data from the GIS to the metaheuristic. At the end, it is possible to fetch the data directly from the Shapefiles to the metaheuristic. As for the results obtained, at the beginning, they were provided in the form of a Shapefile for visualization and indications on sheets of paper for the operators. At the end, the results can be exported to the KML format. This type of file is compatible with several software such as Google EarthviewTM and application Global Positioning System (GPS) applications on mobile devices

Quality of spatial information for municipal infrastructure management

Management of municipal infrastructure involves many processes such as planning, construction, operation, and maintenance of various assets. Municipal infrastructure management systems require gathering and combining a large amount of data from different sources. These data consist of spatial and non-spatial data for describing the process information about each facility. In recent years, Geographic Information Systems (GIS) are widely used in municipal infrastructure management to spatially locate the elements of roads, sewers and water networks. However, the data used in these systems are collected from different sources using different methods with little information about the quality of the data. Problems regarding spatial data quality can affect all fields that use geographic data. Furthermore, the aging of municipal infrastructure assets combined with limited maintenance budgets presents unprecedented challenges to municipalities and public work agencies. A new integrated Municipal Infrastructure Management System (MIMS) is required to perform better quality performance for optimizing maintenance, repair and replacement activities. In this research, first a literature review is conducted about the existing MIMS software solutions, various spatial technologies are introduced, and data standards and quality concepts are discussed. Then, a new framework for MIMS spatial data quality assurance process is proposed. This framework is developed to cover all aspects of data quality and several practical methods for achieving spatial data quality assurance. One case study with four implementations is used to demonstrate the applications of the proposed approach

10th Annual St. Cloud State University Student Research Colloquium 2007

2007 Student Research Colloquium Proceedings include Schedule of events, Acknowledgement of research sponsors, Program, Abstracts, Student presenter index, Faculty sponsor index, Acknowledgement of planning committee, volunteers, sponsors, donors, May of Atwood Memorial Center. Program highlights include: Invited alumnus address: Moira Petit, Got Exercise? Physical Activity and Bone Development (M.S. Exercise Physiology, St Cloud State University, 1994). COSE Denise M. McGuire Student Research Awards 2007 Best Poster Award

A Political Economy of Access: Infrastructure, Networks, Cities, and Institutions

Why should you read another book about transport and land use? This book differs in that we won’t focus on empirical arguments – we present political arguments. We argue the political aspects of transport policy shouldn’t be assumed away or treated as a nuisance. Political choices are the core reasons our cities look and function the way they do. There is no original sin that we can undo that will lead to utopian visions of urban life. The book begins by introducing and expanding on the idea of Accessibility. Then we proceed through several major parts: Infrastructure Preservation, Network Expansion, Cities, and Institutions. Infrastructure preservation concerns the relatively short-run issues of how to maintain and operate the existing surface transport system (roads and transit). Network expansion in contrast is a long-run problem, how to enlarge the network, or rather, why enlarging the network is now so difficult. Cities examines how we organize, regulate, and expand our cities to address the failures of transport policy, and falls into the time-frame of the very long-run, as property rights and land uses are often stickier than the concrete of the network is durable. In the part on Institutions we consider things that might at first blush appear to be short-run and malleable, are in fact very long-run. Institutions seem to outlast the infrastructure they manage. Many of the transport and land use problems we want to solve already have technical solutions. What these problems don’t have, and what we hope to contribute, are political solutions. We expect the audience for this book to be practitioners, planners, engineers, advocates, urbanists, students of transport, and fellow academics