Time-dependent routing : models, algorithms, and the value of information

Le problème de tournées de véhicules (Vehicle routing problem - VRP), introduit il y a plus de 60 ans, demeure au cœur des systèmes de transport. Après des décennies de développement, le VRP, par son ensemble très riche de variantes, représente l'un des problèmes les plus étudiés dans la littérature. Pourtant, en raison du manque de données, deux hypothèses importantes font que le VRP ne s'adapte pas efficacement au trafic et à la congestion, deux éléments importants pour modéliser de façon réelle des problèmes pratiques. Une première hypothèse considère que la vitesse de déplacement est constante dans le temps. La seconde, considère que chaque paire de nœuds (clients) n'est reliée que par un arc, ignorant le réseau routier implicite (sous-jacent). La congestion de la circulation est l'un des plus grands défis des systèmes de transport. Ces systèmes étant directement affectés par la congestion, l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement doit s'adapter à ce facteur, ce qui n'est pas simple. La croissance continue du fret au cours des dernières années aggrave encore la situation et une attention renouvelée à la mobilité, à l'environnement et à la logistique urbaine a mis en lumière ces questions. Récemment, les avancées technologiques en communication et en acquisition de données en temps réel ont permis de collecter plusieurs informations sur les véhicules telles que leur localisation, leur accélération, leur vitesse, leur décélération, etc. Ainsi, nous pouvons remettre en question la façon dont nous définissons, modélisons et résolvons les problèmes de transport. Ceci nous permet de surmonter les deux hypothèses mentionnées en intégrant non seulement les informations relatives à la congestion, mais aussi en considérant l'ensemble du réseau routier. Dans cette thèse nous considérons l'ensemble du réseau routier sous-jacent, ce qui signifie que nous avons les nœuds clients mais également tous les nœuds intermédiaires qui constituent ce réseau. Ensuite, nous modélisons le temps de trajet de chaque route individuellement au cours de la journée. En divisant une journée en petits intervalles, jusqu'à une précision de l'ordre de la seconde, nous prenons en considération des informations précises sur le trafic. Il en résulte un nouveau problème appelé le problème de tournées de véhicules à plus court chemin avec dépendance du temps (Time-dependant shortest path vehicle routing problem - TD-SPVRP), dans lequel nous combinons le problème du plus court chemin avec dépendance du temps et le VRP avec dépendance du temps, créant ainsi un problème plus général et très complexe. Le TD-SPVRP est plus proche des conditions réelles et il constitue le sujet du chapitre 2 où nous le formulons comme un modèle de programmation linéaire en nombres entiers mixtes et concevons une heuristique rapide et efficace pour le résoudre. Nous testons le modèle ainsi que l'heuristique sur des instances générées à partir de données réelles de circulation sur le réseau routier de la ville de Québec, Canada. Les résultats montrent que l'heuristique fournit des solutions de haute qualité avec un écart moyen de 5,66% par rapport aux bornes inférieures déterminées par le modèle. Cependant, le modèle mathématique ne parvient pas à trouver aucune solution pour les instances de données réelles. Pour pouvoir résoudre ce problème complexe, une grande attention a été portée à la performance de l'implantation des algorithmes proposés afin d'améliorer leur rapidité en termes de temps d'exécution. Le problème reste très compliqué, surtout lorsque nous considérons une grande partie du réseau routier sous-jacent avec des données de trafic très précises. Pour cela, nous avons utilisé différentes techniques pour optimiser l'effort de calcul afin de résoudre le problème en évaluant l'impact engendré sur la précision tout en évitant la perte de précieuses informations. Nous avons développé deux types d'agrégation de données couvrant deux niveaux d'information différents. Premièrement, nous avons manipulé la structure du réseau en réduisant sa taille, et deuxièmement en contrôlant le niveau d'agrégation temporel pour générer les données de trafic et pour déterminer la vitesse d'un véhicule à tout moment. Pour la structure du réseau, nous avons utilisé différentes techniques de réduction de graphe pour en réduire la taille. Nous avons étudié la valeur et le compromis de l'information spatiale. Les solutions générées en utilisant le graphe réduit sont analysées dans le Chapitre 3 pour évaluer la qualité et la perte d'information dû à la réduction. Cette analyse démontre également que la transformation classique du TD-SPVRP en un problème de tournées dépendant du temps (Time-dependant VRP - TD-VRP) équivalent résulte en un graphe plus grand qui nécessite un temps de traitement important ce qui a un impact sur la qualité de la solution. Notre développement montre que la résolution du TD-SPVRP nécessite en moyenne 1445 secondes tandis que la résolution du TD-VRP associé nécessite 41 181 secondes. Garder un haut niveau de précision et réussir à réduire la taille du graphe est possible. En particulier, deux procédures de réduction ont été développées, la réduction des nœuds et la réduction des arcs parallèles. Les deux techniques réduisent la taille du graphe. La réduction des nœuds conduit à une amélioration de 1,11%, la réduction des arcs parallèles donne un écart de 2,57% signifiant la présence d'une distorsion dans le graphe réduit. En ce qui concerne les informations sur le trafic, nous avons analysé les compromis entre une grande quantité de données très précises et un plus petit volume de données agrégées avec une perte potentielle d'information. Ceci est fait en analysant la précision des données agrégées sous différents modèles de détermination des temps de parcours. Ces approches sont présentées dans le Chapitre 4. Au niveau de la prévision des temps de parcours, il est important que chaque segment routier ait des observations de vitesse pour chaque intervalle de temps considéré, ce que nous appelons le niveau de couverture du réseau. Notre analyse indique qu'une couverture complète du réseau routier à tout moment de la journée est nécessaire pour atteindre un niveau de précision élevé. Le recours à une agrégation élevée (de grands intervalles de temps) permet de réduire la taille du problème et d'obtenir une meilleure couverture des données, mais au prix d'une perte d'information. Les modèles analysés, LTM (link travel mode) et FSM (flow speed model), partagent les mêmes performances lorsqu'on utilise un grand intervalle de temps (120, 300 et 600 secondes), donc un niveau d'agrégation plus élevé, avec un écart moyen absolu de 5,5% par rapport aux temps de parcours observés. Cependant, avec une courte période (1, 10, 30 et 60 secondes), FSM fonctionne mieux que LTM. Pour un intervalle d'une seconde, FSM donne un écart absolu moyen de 6,70%, tandis que LTM fournit un écart de 11,17%. Ce chapitre détermine ainsi sous quelles conditions les modèles d'estimation de temps de parcours fonctionnent bien et procurent des estimations fidèles des temps de parcours réalisés. Cette thèse est structurée de la manière suivante. À la suite d'une introduction générale dans laquelle nous présentons le cadre conceptuel de la thèse et son organisation, le Chapitre 1 présente une revue de la littérature pour les deux problèmes fondamentaux étudiés, le problème de plus court chemin (Shortest path problem - SPP) et le VRP et leurs variantes développées au cours des années. Le Chapitre 2 introduit une nouvelle variante du VRP, le TD-SPVRP. Le Chapitre 3 présente les différentes techniques développées pour réduire la taille du réseau en manipulant les informations spatiales du réseau routier. L'impact de ces réductions est évalué et analysé sur des instances réelles en utilisant plusieurs heuristiques. Le Chapitre 4 traite l'impact de l'agrégation des données temporelle et des modèles d'évaluation des temps de parcours. Le dernier chapitre constitue une conclusion et ouvre des perspectives de recherche relatives à nos travaux.The vehicle routing problem (VRP), introduced more than 60 years ago, is at the core of transportation systems. With decades of development, the VRP is one of the most studied problems in the literature, with a very rich set of variants. Yet, primarily due to the lack of data, two critical assumptions make the VRP fail to adapt effectively to traffic and congestion. The first assumption considers that the travel speed is constant over time ; the second, that each pair of customers is connected by an arc, ignoring the underlying street network. Traffic congestion is one of the biggest challenges in transportation systems. As traffic directly affects transportation activities, the whole supply chain needs to adjust to this factor. The continuous growth of freight in recent years worsens the situation, and a renewed focus on mobility, environment, and city logistics has shed light on these issues. Recently, advances in communications and real-time data acquisition technologies have made it possible to collect vehicle data such as their location, acceleration, driving speed, deceleration, etc. With the availability of this data, one can question the way we define, model, and solve transportation problems. This allows us to overcome the two issues indicated before and integrate congestion information and the whole underlying street network. We start by considering the whole underlying street network, which means we have customer nodes and intermediate nodes that constitute the street network. Then, we model the travel time of each street during the day. By dividing the day into small intervals, up to a precision of a second, we consider precise traffic information. This results in a new problem called the time-dependent shortest path vehicle routing problem (TD-SPVRP), in which we combine the time-dependent shortest path problem (TD-SPP) and the time-dependent VRP (TD-VRP), creating a more general and very challenging problem. The TD-SPVRP is closer to what can be found in real-world conditions, and it constitutes the topic of Chapter 2, where we formulate it as a mixed-integer linear programming model and design a fast and efficient heuristic algorithm to solve this problem. We test it on instances generated from actual traffic data from the road network in Québec City, Canada. Results show that the heuristic provides high-quality solutions with an average gap of only 5.66%, while the mathematical model fails to find a solution for any real instance. To solve the challenging problem, we emphasize the importance of a high-performance implementation to improve the speed and the execution time of the algorithms. Still, the problem is huge especially when we work on a large area of the underlying street network alongside very precise traffic data. To this end, we use different techniques to optimize the computational effort to solve the problem while assessing the impact on the precision to avoid the loss of valuable information. Two types of data aggregation are developed, covering two different levels of information. First, we manipulated the structure of the network by reducing its size, and second by controlling the time aggregation level to generate the traffic data, thus the data used to determine the speed of a vehicle at any time. For the network structure, we used different reduction techniques of the road graph to reduce its size. We studied the value and the trade-off of spatial information. Solutions generated using the reduced graph are analyzed in Chapter 3 to evaluate the quality and the loss of information from the reduction. We show that the transformation of the TD-SPVRP into an equivalent TD-VRP results in a large graph that requires significant preprocessing time, which impacts the solution quality. Our development shows that solving the TD-SPVRP is about 40 times faster than solving the related TD-VRP. Keeping a high level of precision and successfully reducing the size of the graph is possible. In particular, we develop two reduction procedures, node reduction and parallel arc reduction. Both techniques reduce the size of the graph, with different results. While the node reduction leads to improved reduction in the gap of 1.11%, the parallel arc reduction gives a gap of 2.57% indicating a distortion in the reduced graph. We analyzed the compromises regarding the traffic information, between a massive amount of very precise data or a smaller volume of aggregated data with some potential information loss. This is done while analyzing the precision of the aggregated data under different travel time models, and these developments appear in Chapter 4. Our analysis indicates that a full coverage of the street network at any time of the day is required to achieve a high level of coverage. Using high aggregation will result in a smaller problem with better data coverage but at the cost of a loss of information. We analyzed two travel time estimation models, the link travel model (LTM) and the flow speed model (FSM). They both shared the same performance when working with large intervals of time (120, 300, and 600 seconds), thus a higher level of aggregation, with an absolute average gap of 5.5% to the observed route travel time. With short periods (1, 10, 30, and 60 seconds), FSM performs better than LTM. For 1 second interval, FSM gives an average absolute gap of 6.70%, while LTM provides a gap of 11.17%. This thesis is structured as follows. After a general introduction in which we present the conceptual framework of the thesis and its organization, Chapter 1 presents the literature review for the two main problems of our development, the shortest path problem (SPP) and the VRP, and their time-dependent variants developed over the years. Chapter 2 introduces a new VRP variant, the TD-SPVRP. Chapter 3 presents the different techniques developed to reduce the size of the network by manipulating spatial information of the road network. The impact of these reductions is evaluated and analyzed on real data instances using multiple heuristics. Chapter 4 covers the impact of time aggregation data and travel time models when computing travel times on the precision of their estimations against observed travel times. The conclusion follows in the last chapter and presents some research perspectives for our works

Fluid flow queue models for fixed-mobile network evaluation

A methodology for fast and accurate end-to-end KPI, like throughput and delay, estimation is proposed based on the service-centric traffic flow analysis and the fluid flow queuing model named CURSA-SQ. Mobile network features, like shared medium and mobility, are considered defining the models to be taken into account such as the propagation models and the fluid flow scheduling model. The developed methodology provides accurate computation of these KPIs, while performing orders of magnitude faster than discrete event simulators like ns-3. Finally, this methodology combined to its capacity for performance estimation in MPLS networks enables its application for near real-time converged fixed-mobile networks operation as it is proven in three use case scenarios

Extended network and algorithm finding maximal flows

Graph is a powerful mathematical tool applied in many fields as transportation, communication, informatics, economy, In ordinary graph the weights of edges and vertexes are considered independently where the length of a path is the sum of weights of the edges and the vertexes on this path. However, in many practical problems, weights at a vertex are not the same for all paths passing this vertex, but depend on coming and leaving edges. The paper develops a model of extended network that can be applied to modelling many practical problems more exactly and effectively. The main contribution of this paper is algorithm finding maximal flows on extended networks

Bounding residence times for atomic dynamic routings

In this paper, we are concerned with bounding agents’ residence times in the network for a broad class of atomic dynamic routings. We explore novel token techniques to circumvent direct analysis on complicated chain effects of dynamic routing choices. Even though agents may enter the network over time for an infinite number of periods, we prove that under a mild condition, the residence time of every agent is upper bounded (by a network-dependent constant plus the total number of agents inside the network at the entry time of the agent). Applying this result to three game models of atomic dynamic routing in the recent literature, we establish that the residence times of selfish agents in a series-parallel network with a single origin-destination pair are upper bounded at equilibrium, provided the number of incoming agents at each time point does not exceed the network capacity (i.e., the smallest total capacity of edges in the network whose removal separates the origin from the destination)

A concise guide to existing and emerging vehicle routing problem variants

Vehicle routing problems have been the focus of extensive research over the past sixty years, driven by their economic importance and their theoretical interest. The diversity of applications has motivated the study of a myriad of problem variants with different attributes. In this article, we provide a concise overview of existing and emerging problem variants. Models are typically refined along three lines: considering more relevant objectives and performance metrics, integrating vehicle routing evaluations with other tactical decisions, and capturing fine-grained yet essential aspects of modern supply chains. We organize the main problem attributes within this structured framework. We discuss recent research directions and pinpoint current shortcomings, recent successes, and emerging challenges

A Logically Centralized Approach for Control and Management of Large Computer Networks

Management of large enterprise and Internet Service Provider networks is a complex, error-prone, and costly challenge. It is widely accepted that the key contributors to this complexity are the bundling of control and data forwarding in traditional routers and the use of fully distributed protocols for network control. To address these limitations, the networking research community has been pursuing the vision of simplifying the functional role of a router to its primary task of packet forwarding. This enables centralizing network control at a decision plane where network-wide state can be maintained, and network control can be centrally and consistently enforced. However, scalability and fault-tolerance concerns with physical centralization motivate the need for a more flexible and customizable approach. This dissertation is an attempt at bridging the gap between the extremes of distribution and centralization of network control. We present a logically centralized approach for the design of network decision plane that can be realized by using a set of physically distributed controllers in a network. This approach is aimed at giving network designers the ability to customize the level of control and management centralization according to the scalability, fault-tolerance, and responsiveness requirements of their networks. Our thesis is that logical centralization provides a robust, reliable, and efficient paradigm for management of large networks and we present several contributions to prove this thesis. For network planning, we describe techniques for optimizing the placement of network controllers and provide guidance on the physical design of logically centralized networks. For network operation, algorithms for maintaining dynamic associations between the decision plane and network devices are presented, along with a protocol that allows a set of network controllers to coordinate their decisions, and present a unified interface to the managed network devices. Furthermore, we study the trade-offs in decision plane application design and provide guidance on application state and logic distribution. Finally, we present results of extensive numerical and simulative analysis of the feasibility and performance of our approach. The results show that logical centralization can provide better scalability and fault-tolerance while maintaining performance similarity with traditional distributed approach

New approaches for determining greenest paths and efficient vehicle routes on transportation networks

Road transportation has hazardous and threatening impacts on the environment. However, the traditional logistics models and approaches used in transportation planning have mainly focused on minimizing the internal costs and lack the environmental aspect. Therefore, new planning techniques and approaches are needed in road transport by explicitly accounting for these negative impacts. In this thesis, we address these issues by first concentrating on solution methods for the Greenest Path Problem (GPP) where fuel consumption and GHG emission objectives are incorporated to find the least GHG generating path, namely the greenest path, and propose a fast and effective heuristic. Taking the strong relation between the speed and the GHG emission into account, we also address the speed embedded minimum cost path problem in the most general case where the speed is also a decision variable as well as the departure time Within this context, we develop a new networkconsistent (which implies spatially and temporally consistent speeds) time-dependent speed and travel time layer generation scheme since real data is difficult to acquire. In the second part, we mainly focus on Vehicle Routing Problems (VRP). First, we propose an Ant Colony Optimization (ACO) approach for solving the Vehicle Routing Problem with Time Windows (VRPTW). Then, we adapt this method to solve the environment friendly VRP, namely the Green VRP, where the greenest paths between all customer pairs are used as input. Finally, we extend the ACO algorithm to a parallel matheuristic approach for solving a class of VRP variants

Atomic dynamic flow games : adaptive versus nonadaptive agents

We propose a game model for selfish routing of atomic agents, who compete for use of a network to travel from their origins to a common destination as fast as possible. We follow a frequently used rule that the latency an agent experiences on each edge is a constant transit time plus a variable waiting time in a queue. A key feature that differentiates our model from related ones is an edge-based tie-breaking rule for prioritizing agents in queueing when they reach an edge at the same time. We study both nonadaptive agents (each choosing a one-off origin-destination path simultaneously at the very beginning) and adaptive ones (each making an online decision at every nonterminal vertex they reach as to which next edge to take). On the one hand, we constructively prove that a (pure) Nash equilibrium (NE) always exists for nonadaptive agents, and show that every NE is weakly Pareto optimal and globally first-in-first-out. We present efficient algorithms for finding an NE and best responses of nonadaptive agents. On the other hand, we are among the first to consider adaptive atomic agents, for which we show that a subgame perfect equilibrium (SPE) always exists, and that each NE outcome for nonadaptive agents is an SPE outcome for adaptive agents, but not vice versa