Méthodes de modélisation et d'optimisation par recherche à voisinages variables pour le problème de collecte et de livraison avec transbordement

The thesis is conducted under the ANR project PRODIGE and it is focused on seeking strategies allowing the optimization of transport in general and road freight transport in particular. The transportation problem support for this study is the pickup and delivery problem with transshipment.This problem generalizes several classical transportation problems.Transshipment is used as optimization and flexibility leverage. To study and solve this problem, analyzes are performed along three axes :the first objective concerns the development of an analytical model, more accurately a mathematical model with mixed variables. This model allows providing optimal solution to the decision maker, but has the disadvantage of requiring a time resolution that grows exponentially with the size of the problem. This limitation is overcome by the second line of the study that solves the transportation problem studied by an approximate optimization method while ensuring satisfactory solutions. The method used is a mataheuristic broadly followed the variables neighborhoods research principles. In the third objective, the overall results obtained in the thesis are tested in real transport situation via the PRODIGE project.La présente thèse se déroule dans le cadre du projet ANR PRODIGE et est axée sur la recherche de stratégies permettant l’optimisation du transport en général et du transport routier de marchandises en particulier. Le problème de transport support de cette étude est le problème de collecte et livraison avec transbordement. Ce problème généralise plusieurs problèmes de transports classiques. Le transbordement y est utilisé comme levier de flexibilité et d’optimisation. Pour analyser et résoudre ce problème, les analyses sont effectuées suivant trois axes : le premier axe concerne l’élaboration d’un modèle analytique plus précisément d’un modèle mathématique en variables mixtes. Ce modèle permet de fournir dessolutions optimales au décisionnaire du transport mais présente l’inconvénient de nécessiter un temps de résolution qui croit exponentiellement avec la taille du problème. Cette limitation est levée par le deuxième axe d’étude qui permet de résoudre le problème de transport étudié par une méthode d’optimisation approchée tout en garantissant des solutions satisfaisantes.La méthode utilisée est une métaheuristique inspirée de la recherche à voisinages variables (VNS). Dans le troisième axe, l’ensemble des résultats obtenus dans la thèse sont testés en situation de transports réels via le projet PRODIGE

Stratégie de gestion des retours des conteneurs maritimes de l’Internet physique

RÉSUMÉ : Le repositionnement des conteneurs vides est un sujet important dans le commerce de conteneurisation maritime. Même s’il est une opération sans revenu et coûteuse, il est une partie importante d’un système global de transport efficace qui équilibre la demande et l’offre de conteneurs vides entre les régions. En principe, les contenants vides sont repositionnés à deux niveaux : niveau global et niveau régional. De plus, une nouvelle proposition d’organisation dans les domaines de la manutention et du transport est l’Internet Physique (IP). Dans ce nouveau concept, des objets physiques sont encapsulés dans des conteneurs appelés π-conteneurs. Un des aspects importants qui devraient être considérés dans le réseau logistique de l’IP est la gestion des retours de ces conteneurs réutilisables. L’objectif de cette recherche est de proposer une organisation de la gestion des retours des conteneurs maritimes et d’examiner comment elle peut être appliquée à des π-conteneurs. Pour accomplir cet objectif, la littérature est analysée pour déterminer l’impact de la recherche, les conditions de décision, les avantages et les inconvénients de chaque stratégie et identifier les meilleures pratiques dans le réseau de logistique inverse. Ensuite, différents scénarios sont présentés et simulés. Enfin, les résultats et la discussion sont présentés pour proposer une organisation de retour. La recherche finit par une recommandation pour des travaux futurs. Mots Clés : Internet Physique, Logistique inverse, Conteneurs maritimes, Gestion, Retours----------ABSTRACT : Empty container repositioning is one of the longstanding and ongoing issues in the containerized maritime trade. Although it is a non-revenue and costly operation, it is an important part of an overall efficient global transportation system, which balances demand and supply of empty containers between regions. Normally empty containers are repositioned at two levels: global level and regional level. In addition, the Physical Internet (IP) is a new proposal of organization in the handling and transportation areas. In this new concept, physical objects are encapsulated in containers called π-containers. An important aspect that should be considered in the IP network logistics is the management of return of these reusable containers. The objective of this research is to propose an organization of container returns management and examine how it can be applied to π-containers. To accomplish this object, the literature is studied to determine the impact of the research, the conditions of decision, the advantages and disadvantages of each strategy and to identify the list of successes and best practices in reverse logistics network. Then, different scenarios are presented and simulated. Finally, the results and discussions are presented to provide a return organization. The research finishes with the recommendation for the future researches. Keywords: Physical Internet, Reverse Logistics, Maritime containers, Management, Return

Optimisation des mouvements des conteneurs dans un terminal maritime

RÉSUMÉ De nombruses recherches ont montré l’importance et la valeur des problèmes de planification et d’optimisation dans un terminal maritime. Dans ce mémoire, on s’intéresse au problème d’optimisation des mouvements des conteneurs dans le cas d’exportation. Les séquences de fonctionnement des portiques de cour et des camions sont prises en considération en même temps. En outre, on prend en compte les interférences qui peuvent exister entre les portiques de cour. En fouillant dans les travaux de littérature sur les problèmes de planification des portiques de cour, on ne trouve pas un travail qui examine les mouvements non productifs et les interférences possibles entre ce type de portique simultanément, ce qui sera un point d’innovation dans notre travail. Le problème de planification des opérations de chargement des conteneurs est d’abord formulé en programme linéaire mixte. La fonction objectif minimise le temps de complétion des opérations de manutention par les portiques de cour. Le modèle mathématique est basé sur plusieurs hypothèses, tenant compte des deux phénomènes d’interférence et des mouvements non productifs. Pour résoudre le problème, une approche heuristique de type Recherche Adaptative à Large Voisinage (ALNS) est développée. Cette méthode a la capacité de résoudre les problèmes d’optimisation dans un terminal à conteneurs. En effet, la méthode ALNS est jugée efficace quelque soit la taille du problème : 10, 20 et 100 conteneurs. Les données utilisées pour tester l’approche sont fictives et on a généré plusieurs instances en variant le nombre de conteneurs et/ou le nombre d’équipements de manutention disponibles. Les tests ont permis d’évaluer l’efficacité de l’algorithme ALNS. Plusieurs scénarios ont été utilisés où on a combiné des heuristiques de retrait et d’insertion. Les résultats des tests nous ont montré la qualité des solutions générées par la méthode ALNS. Mots clés : terminal à conteneurs, optimisation, planification des opérations, recherche adaptative à large voisinage, programme linéaire mixte;----=-=-----ABSTRACT Most of the researchers have shown the importance and the value of scheduling and optimization problems in a maritime terminal. In this work, we focus on the optimization problem for loading operations of outbound containers. Thus, the sequencing of each yard crane and of each yard truck is studied at the same time. Furthermore, we consider the possibility of potential interferences between yard cranes and rehandles which significantly influence the performance of yard cranes. In the literature about yard crane scheduling problems, there is no work that combines interference between yard cranes and rehandles at the same time which is the innovation point of our work. The scheduling problem for loading operations is formulated as a mixed linear program model. The objective function is to minimize the makespan of loading operations by yard cranes. The mathematical model is based on various assumptions and it includes the potential interferences and the rehandle. A heuristic method is developed for solving this problem, namely Adaptive Large Neighborhood Search (ALNS). This method has the potential to handle with optimization problems in a container terminal. In fact, the ALNS method is deemed to be efficient with different scale problems: 10, 20 and 100 containers. The data are fictitious and many instances are built by varying the number of containers or/and the number of equipments (yard crane and yard truck) in each time. Computational tests are made to evaluate the efficiency of the developed algorithm (ALNS) for that we used multiple strategies where we made different combinations of removal and insertion heuristics. These numerical results show the quality of solutions produced by ALNS method. Keywords: container terminal, optimization, scheduling operations, adaptive large neighborhood search, mixed linear program

Conception d’un réseau de transport en commun pour le transport des patients sur l’Île-de-Montréal

RÉSUMÉ : La loi 10 a souhaité une nouvelle organisation du système de soins de santé québécois. Elle a engendré en avril 2015 la création de Centres Intégrés (Universitaires) de Santé et de Services Sociaux (CI(U)SSS). Dans ce contexte de centralisation des établissements de santé québécois, nous avons conduit une étude de terrain de l’organisation du transport non urgent des patients entre les établissements de quatre CIUSSSs sur l’Ile-de-Montréal. Cette étude a révélé que ce type de transport, qui représente un enjeu financier et organisationnel important pour les CIUSSSs, peut être optimisé. En effet, ces établissements de santé ont longtemps fonctionné individuellement. Malgré la centralisation administrative effective, la prise de décision concernant l’organisation du transport externe non urgent des patients est encore visualisée à l’échelle de chaque établissement, voire au niveau de chaque unité. Les processus suivis peuvent ainsi varier d’une unité à l’autre d’un même établissement, même si la plupart des problématiques et moyens de transport utilisés sont partagés. Les déplacements actuellement réalisés par les patients de ces CIUSSSs peuvent présenter une certaine régularité, parce qu’ils concernent des traitements réguliers ou des activités mis en place dans l’objectif d’aider les personnes à vivre chez elles autonomes le plus longtemps possible. De plus, l’existence de corridors de service entre certains établissements peut augmenter la fréquence de certains trajets. Homogénéiser l’organisation actuelle du transport externe non urgent des patients pour la centraliser pourrait donc permettre de réduire la part importante du budget qui lui est accordée et d’augmenter la qualité du service proposé aux patients. Suite à ces observations et connaissant les perspectives d’évolution de la population traitée par le système de soins de santé, nous nous sommes demandé si organiser le transport non urgent des patients de ces CIUSSSs à l’aide d’un réseau de transport en commun serait possible et rentable. Un tel réseau devrait être adapté à la condition physique des patients. Majoritairement à mobilité réduite, ils se déplacent en fauteuils roulants et ne peuvent ni circuler pour rejoindre un arrêt du réseau ni subir un transfert de ligne sur leur trajet. La configuration actuelle des véhicules est telle que les routes dessinées devront aussi permettre de servir la demande en respectant la contrainte de Last-In-First-Out (LIFO), que nous introduisons en conception de réseau. La demande actuelle étant très peu dense, nous avons défini un réseau de transport adapté construit zone par zone. Dans chaque zone géographique construite à l’aide d’un double partitionnement des demandes de transport basé sur la densité, nous avons construit des réseaux à deux niveaux. Nous avons d’abord tracé des routes permettant de servir la partie la plus régulière de la demande. Nous avons ensuite autorisé une certaine déviation des routes dessinées pour affecter les patients aux routes du réseau. Au cours des observations terrain qui ont permis de statuer les hypothèses du problème, nous avons constitué et analysé une base de données qui représente les demandes de transports apparues sur une période de vingt-cinq semaines entre avril et septembre 2016. Les tests réalisés à partir de ces demandes ont permis d’apprécier l’influence des paramètres choisis pour le partitionnement de la demande sur les réseaux obtenus et leur réponse quotidienne à la demande. Les résultats montrent que, dans l’organisation actuelle de la demande, l’association de la contrainte de LIFO et de l’interdiction du transfert de ligne est trop forte pour construire un réseau de transport en commun réaliste et financièrement rentable. Les réseaux construits offrent néanmoins une bonne qualité de transport aux patients. Les routes dessinées par la méthode que nous avons choisie permettent aussi de conclure que considérer l’organisation du transport externe non urgent des patients à l’échelle de l’Ile-de-Montréal sous la forme d’un transport à la demande est prometteuse.----------ABSTRACT : In 2015, the 10th law caused a overhaul of the health care system of Quebec. As an example, the health care facilities were consolidated into regional centers called Centres Intégrés (Universitaires) de Santé et de Services Sociaux (CI(U)SSS). In this context, we have led a field study regarding the organization of the external non-emergency patient transport services between the facilities of four CIUSSSs in Montreal. This survey raised that the organization of external non-emergency patient transport services, which is a major issue at both Financial and organizational points of view, can be improved. As a matter of fact, the facilities have been operating on their own for long. Then, despite the consolidation of administrative service is effective, the decision-making concerning the transportation of patients is still processed at the level of each facility, or even separately in the the care units of one place. Those process can then vary from one place to another, even though the means of transport used and the problems faced are common. The demands of transport from the patients of these CIUSSSs can currently occur on a regular basis, since they are raised by regular treatments or activities aimed at making them be able to live at home independently as long as they can. Furthermore, service corridors exist between several health care centers that can increase some trips frequency. In view of this, standardizing the existing organization of the external non-emergency transportation of patients could help reducing the major part of the budget currently dedicated to this field, and to improve the quality of the service offered to the patients. Considering this and the expected evolution of the patient population, we wondered if a transit network could profitably and suitably be designed to answer the demand of transportation in these CIUSSSs. Such a network should be adapted to the physical and psychological conditions of the patients. Most of them are persons with reduced mobility, then move in wheelchairs and can neither join a stop of the network nor accept any transfer between lines during their travel. Presently, the configuration of the vehicles enforce a Last-In-First-Out (LIFO) constraint, which we introduce in network design. Presently, the demand of transport is really sparse. We then decided to build our network per zone. In each geographical zone defined by a two-level density clustering of the demands, we designed two-level networks. First, we drew routes aimed at answering the most regular demands. Second, we allowed a certain deviation of these routes for the network to serve more demands. Throughout the field study aimed at defining the problem, we gathered a data basis which reflects the transportation demands that occurred over a period of twenty-five weeks between April and September 2016. The experiments allowed us to assess how the parameters chosen influence the network designed and their ability to respond to the daily demand for transports. The results show that under the current organization of the demands of transport, adding the LIFO constraint and avoiding every transfer between lines makes difficult, if not impossible, the design of a realistic and profitable network. Nevertheless, the networks designed offer a very good quality service to the patients. From the routes drawn by the method we have chosen, we can also conclude that considering the organization of the external non-emergency transportation of patients at the level of a whole region as a demand-responsive transport problem could show promise

Approche évolutionnaire pour la planification d'itinéraires dans un environnement dynamique

Le problème de planification d'itinéraires dans un environnement dynamique est un problème complexe. Ce problème est d'autant plus difficile que les décisions doivent se prendre dans un temps limité, en se basant sur des informations incertaines et qui évoluent dans le temps. Nous nous sommes intéressés aux méthodes métaheuristiques, et plus particulièrement aux algorithmes génétiques pour résoudre ce problème. Plusieurs approches habituellement proposées pour ce problème sont purement prescriptives et ne garantissent que la convergence vers une solution réalisable au détriment de l'optimalité. De plus, les approches basées sur les algorithmes génétiques souffrent toutes du problème de calibrage des paramètres, une étape importante quand quelqu'un décide de les utiliser. Notre thèse s'inscrit dans le cadre de cette nouvelle direction de recherche et puise sa motivation plus particulièrement dans la volonté de répondre à quelques-unes des problématiques rencontrées dans des applications temps-réel. Nous proposons une approche générique utilisant un processus évolutionnaire à deux niveaux pour régler le problème de calibrage de combinaisons d'opérateurs dans les algorithmes génétiques. Nous avons développé une stratégie d'attente qui exploite des connaissances probabilistes sur les événements futurs afin de produire des solutions robustes et de meilleure qualité en temps réel. De plus, dans le cas des problèmes de transport utilisant des flottes de véhicules (pour la distribution des biens et services), l'approche proposée reflète la réalité de façon plus adéquate en considérant différentes situations observées en pratique comme des temps de voyage variables, et en intégrant des stratégies et mécanismes appropriés pour chacune des situations identifiées. Nous avons présenté une vision plus large du concept de diversion et nous avons introduit une condition d'acceptation d'une diversion dans la planification d'itinéraires en temps réel. Afin de faire face aux pressions temporelles inhérentes à un contexte dynamique, nous avons opté pour des implantations parallèles afin d'accélérer les temps de réponse. Enfin, des tests numériques ont été réalisés à l'aide de simulations utilisant une adaptation des instances de problèmes de Solomon pour le problème de tournées de véhicules avec fenêtres de temps (VRPTW). Dans ce problème, il s'agit d'affecter des requêtes de clients qui arrivent en temps réel à une flotte de véhicules en mouvement. Ce processus implique aussi la construction simultanée d'un ensemble d'itinéraires planifiés qui satisfont la demande, tout en respectant diverses contraintes. Afin de minimiser les biais, le même jeu de données utilisé dans la littérature pour le VRPTW dynamique a été employé pour réaliser notre étude. Les résultats numériques confirment la pertinence des différentes stratégies que nous avons développées et la supériorité de notre approche de planification d'itinéraires en temps réel comparativement à d'autres méthodes proposées dans la littérature

Planification des opérations dans un réseau de transport distribué avec chargements complets et déplacements directs entre les origines et les destinations

De nos jours, le transport de marchandises est devenu un défi majeur puisque les entreprises doivent savoir gérer les flux en minimisant les coûts. Dans ce contexte, ce mémoire traite un problème logistique ayant pour but de satisfaire des ordres de transport qui sont des remorques à déplacer d'un terminal à un autre dans un réseau de terminaux de transport en maximisant le profit. Notons que la littérature scientifique n'offre presque pas de publications qui traitent ce problème de planification des opérations dans un réseau de terminaux de transport ou dans un réseau collaboratif d'entreprises de transport. Nous disposons d'un nombre de terminaux, de chauffeurs situés à différents terminaux et d'un nombre d'ordres à satisfaire. Nous devons choisir les ordres à compléter et les chauffeurs à affecter en respectant certaines contraintes de temps (temps dûs, temps de travail des chauffeurs, heures supplémentaires, temps nécessaire pour satisfaire les ordres et retourner au terminal de résidence...) et en considérant les coûts (salaires des chauffeurs, coût des heures supplémentaires, coût du carburant, pénalités de retard ...) afin de maximiser le profit. Dans ce travail nous allons étudier et analyser ce problème. Deux méthodes pour le résoudre seront développées. La première méthode de résolution est une heuristique de décomposition composée d'une heuristique constructive suivie par la résolution d'un modèle mathématique. La deuxième méthode est constituée d'une heuristique constructive suivie de trois phases d'amélioration. Plusieurs instances numériques seront créées afin de valider les méthodes proposées et pour analyser la qualité des solutions que ces méthodes peuvent produire.Nowadays, the transportation of goods has become a major challenge since companies must know how to manage flows while minimizing costs. In this context, this thesis deals with a logistical problem aimed at satisfying transport orders which are trailers to be moved from one terminal to another in a network of transportation terminals by maximizing profit. Note that the scientific literature offers almost no publications that deal with this problem of planning operations in a network of terminals or in a collaborative network of transportation companies. We have several terminals, several drivers located at different terminals and several orders to fulfill. We must choose the orders to be selected and the drivers to be assigned while respecting certain time constraints (due time, working time of the drivers, overtime, time necessary to fulfill the orders and return to drivers' residence terminal...) and considering costs (driver salaries, overtime cost, fuel cost, late penalties...) in order to maximize profit. In this work we will study and analyze this problem. Two methods to solve it will be developed. The first resolution method is a decomposition heuristic composed of a constructive heuristic followed by solving a mathematical model. The second method consists of a constructive heuristic followed by three improvement methods. Several numerical instances will be created in order to validate the proposed methods and to analyze the quality of the solutions that these methods can produce

Hybridation d’algorithme génétique pour les problèmes des véhicules intelligents autonomes : applications aux infrastructures portuaires de moyenne taille

The objective of our work is to develop a container assignment system for intelligent autonomous vehicles (AIVS) in a container terminal. Given the complexity of this problem, it was proposed to decompose it into three problems: The problem of dispatching containers to AIVS, the AIVS routing problem and the problem of scheduling containers to queues of AIVS. To achieve this goal, we developed in the first phase, a static system for multi-objective problem to optimize the total duration of the containers transportation, the waiting time of vehicles at loading points and the equilibrium of working time between vehicles. The approach used was the genetic algorithm (GA). This approach was applied to optimize only the assignment operation without influence on the choice of the path traveled by each AIV. An extension of this work was then made to improve the results found. For this purpose, a comparative study was carried out between three approaches: The first approach is the AG, the second approach is the GA and the Dijkstra algorithm (DIJK) that was used to find the shortest path for each vehicle and the third approach is the AG and DIJK and heuristic (HEUR) which was proposed to choose the nearest vehicle of each container. The numerical study showed the best performance of the AG & DJK & HEUR approach over the other two approaches. In the second phase of our project, the robustness of our system in a dynamic environment has been studied. A delay of the arrival of a ship at the port or malfunction of one of any equipment of the port can cause a delay of one of the operations of loading or unloading process. This will affect the container assignment operation. The idea was to add new containers to vehicles that are already unavailable. The traffic can also cause a delay in arrival of the vehicle at the position of the container or the unavailability of one of the paths crossing point. These cases were investigated experimentally, numerical results showed the robustness of our approach to dynamic case.L’objectif de ce travail est de développer un système d’affectation des conteneurs aux véhicules autonomes intelligents (AIVs) dans un terminal à conteneurs. Dans la première phase, on a développé un système statique pour résoudre le problème multi-objectif optimisant la durée totale des opérations de déplacement des conteneurs, le temps d’attente des véhicules aux niveaux de points de chargement et de déchargement et l’équilibre de temps de travail entre les véhicules. L’approche proposée est l’algorithme génétique(AG). Une extension de cette approche a été ensuite effectuée pour corriger les limites de la précédente. Pour choisir la meilleure approche, une étude comparative a été réalisée entre trois approches : AG, AG & DIJK et AG & DIJK & HEUR. Les résultats numérique ont montré que l’approche AG & DIJK & HEUR est meilleure. Dans la deuxième phase, on a étudié la robustesse de notre système dans un environnement dynamique. Un retard de l’arrivée d’un navire au port ou un dysfonctionnement de l’un des équipements peutperturber le planning des opérations et donc influencer sur les opérations d’affectation des conteneurs. L’idée était d’ajouter les nouveaux conteneurs aux véhicules qui sont déjà non disponibles. D’autres cas de perturbation comme la congestion routière, la non disponibilité de certaines portions de la routes ont été étudiés expérimentalementEt les résultats numériques ont montré la robustesse de notre approche pour le cas dynamique.Mots-clés : Conteneurs, AIV, routage, optimisation, algorithme génetique, environnement dynamique

Multi-objective Optimization For The Dynamic Multi-Pickup and Delivery Problem with Time Windows

The PDPTW is an optimization vehicles routing problem which must meet requests for transport between suppliers and customers satisfying precedence, capacity and time constraints. We present, in this paper, a genetic algorithm for multi-objective optimization of a dynamic multi pickup and delivery problem with time windows (Dynamic m-PDPTW). We propose a brief literature review of the PDPTW, present our approach based on Pareto dominance method and lower bounds, to give a satisfying solution to the Dynamic m-PDPTW minimizing the compromise between total travel cost and total tardiness time. Computational results indicate that the proposed algorithm gives good results with a total tardiness equal to zero with a tolerable cost.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1101.339