Métaheuristiques de recherche avec tabous pour le problème de synthèse de réseau multiproduits avec capacités

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

A cycle-based evolutionary algorithm for the fixed-charge capacitated multi-commodity network design problem

This paper presents an evolutionary algorithm for the fixed-charge multicommodity network design problem (MCNDP), which concerns routing multiple commodities from origins to destinations by designing a network through selecting arcs, with an objective of minimizing the fixed costs of the selected arcs plus the variable costs of the flows on each arc. The proposed algorithm evolves a pool of solutions using principles of scatter search, interlinked with an iterated local search as an improvement method. New cycle-based neighborhood operators are presented which enable complete or partial re-routing of multiple commodities. An efficient perturbation strategy, inspired by ejection chains, is introduced to perform local compound cycle-based moves to explore different parts of the solution space. The algorithm also allows infeasible solutions violating arc capacities while performing the "ejection cycles", and subsequently restores feasibility by systematically applying correction moves. Computational experiments on benchmark MCNDP instances show that the proposed solution method consistently produces high-quality solutions in reasonable computational times

Hybrid Statistical Data Mining Framework for Multi-Commodity Fixed Charge Network Flow Problem

This paper presents a new approach to analyze the network structure in multi-commodity fixed charge network flow problems (MCFCNF). This methodology uses historical data produced from repeatedly solving the traditional MCFCNF mathematical model as input for the machine-learning framework. Further, we reshape the problem as a binary classification problem and employ machine-learning algorithms to predict network structure. This predicted network structure is further used as an initial solution for our mathematical model. The quality of the initial solution generated is judged on the basis of predictive accuracy, feasibility and reduction in solving time

TS2PACK: A Two-Level Tabu Search for the Three-dimensional Bin Packing Problem

Three-dimensional orthogonal bin packing is a problem NP-hard in the strong sense where a set of boxes must be orthogonally packed into the minimum number of three-dimensional bins. We present a two-level tabu search for this problem. The first-level aims to reduce the number of bins. The second optimizes the packing of the bins. This latter procedure is based on the Interval Graph representation of the packing, proposed by Fekete and Schepers, which reduces the size of the search space. We also introduce a general method to increase the size of the associated neighborhoods, and thus the quality of the search, without increasing the overall complexity of the algorithm. Extensive computational results on benchmark problem instances show the effectiveness of the proposed approach, obtaining better results compared to the existing one

Optimisation of transportation service network using κ-node large neighbourhood search

The Service Network Design Problem (SNDP) is generally considered as a fundamental problem in transportation logistics and involves the determination of an efficient transportation network and corresponding schedules. The problem is extremely challenging due to the complexity of the constraints and the scale of real-world applications. Therefore, efficient solution methods for this problem are one of the most important research issues in this field. However, current research has mainly focused on various sophisticated high-level search strategies in the form of different local search metaheuristics and their hybrids. Little attention has been paid to novel neighbourhood structures which also play a crucial role in the performance of the algorithm. In this research, we propose a new efficient neighbourhood structure that uses the SNDP constraints to its advantage and more importantly appears to have better reachability than the current ones. The effectiveness of this new neighbourhood is evaluated in a basic Tabu Search (TS) metaheuristic and a basic Guided Local Search (GLS) method. Experimental results based on a set of well-known benchmark instances show that the new neighbourhood performs better than the previous arc-flipping neighbourhood. The performance of the TS metaheuristic based on the proposed neighbourhood is further enhanced through fast neighbourhood search heuristics and hybridisation with other approaches

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.Resource management in freight transportation service network design is an important issue that has been studied extensively in recent years. Resources such as vehicles, crews, etc. are factors that can not be ignored when designing a feasible plan for any service network design problem. However, contributions related to resource management issues and service network design are still limited. The goal of the thesis is to fill this gap by taking into account service network design problems with resource management issues. In this thesis, we propose and address three service network design problems that consider resource management. In the first study, we consider the capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints which is a basic sub-problem for many service design problems because of the capacitated multi-commodity structure as well as its design-balance property. We propose a three-phase matheuristic that combines tabu-search, path-relinking and an exactbased intensification procedure to find high quality solutions. Tabu-search identifies feasible solutions while path-relinking extends the set of feasible solutions. The solutions found by these two meta-heuristics are used to fix arcs as open or close. An exact solver intensifies the search on a restricted problem derived from fixing arcs. The experiments on benchmark instances show that the solution approach finds good solutions to large-scale problems in a reasonable amount of time. The contribution with regard to this study has been accepted in the Journal of Heuristics. In the second study, together with the consideration of the design of routes to transport a set of commodities by vehicles, we extend resources management by explicitly taking account of the number of available vehicles at each terminal. We introduce a matheuristic solution framework based on a cycle-based formulation that includes column generation, slope-scaling, heuristic and exact optimization techniques. As far as we know, this is the first matheuristic procedure developed for a cycle-based formulation. The column generation solves the linear relaxation model and provides a set of cycles to define the approximation model used in slopescaling loop. A heuristic is used to convert each solution to the approximation problem into a feasible solution. Memory-based perturbation procedure is used to enhance the performance of the algorithm. Experiments show that the proposed algorithm is able to find good feasible solutions for the problem. The contribution with regard to this study has been accepted for publication in Transportation Science. In the third study, we examine resources allocation issues in service network design. We aim to address a number of fleet utilization issues which usually appear at the beginning of the season because of the change of demand patterns: 1) reposition resources among terminals to account for shifts in demand patterns; 2) acquire (buy or long-term rent) new resources and as sign them to terminals; 3) outsource particular services. We present an integrated formulation combining these selection-location and scheduled service design decisions. The mixed-integer formulation is defined over a time-space network, the initial period modeling the location de cisions on resource acquisition and positioning, while the decisions on service selection and scheduling, resource assignment and cycling routing, and demand satisfaction being modeled on the rest of the network. We also present a matheuristic solution method combining slope scaling and column generation, discuss its algorithmic performance, and explore the impact of combining the location and design decisions in the context of consolidation carrier service design. This study will be presented at XII International Symposium On Locational Deci sion, in conjunction with the XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. In summary, three studies are considered in this thesis. The first one considers the capaciated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints, a basic problem in many service network design problems with design-balance constraints. We propose an ef ficient three-phase matheuristic solution method that includes tabu search, path relinking and exact optimization. In the second study, we propose a new service network design model that takes into account resources limitations at each terminal. We also propose an advanced matheuristic framework solution method based on a cycle-based formulation which includes slope-scaling, column generation, heuristics and exact optimization for this problem. The last study addresses resources allocation issues in service network design. We introduce formula tions that model the reposition, acquisition/renting of resources and outsourcing of services. A solution framework based on the slope-scaling approach on cycle-based formulations is pro posed. Tests indicate that these proposed algorithms are able to find good feasible solutions for each of threse problems

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

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

The congested multicommodity network design problem

This paper studies a version of the fixed-charge multicommodity network design problem where in addition to the traditional costs of flow and design, congestion at nodes is explicitly considered. The problem is initially modeled as a nonlinear integer programming formulation and two solution approaches are proposed: (i) a reformulation of the problem as a mixed integer second order cone program to optimally solve the problem for small to medium scale problem instances, and (ii) an evolutionary algorithm using elements of iterated local search and scatter search to provide upper bounds. Extensive computational results on new benchmark problem instances and on real case data are presented

Parallel metaheuristics for stochastic capacitated multicommodity network design

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Learning-Based Matheuristic Solution Methods for Stochastic Network Design

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