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Contributions to digital supply chain : design of short and local supply chains and decentralized planning
No full textLe concept de chaîne logistique numérique regroupe l'ensemble des modèles, méthodes et outils qui permettent de planifier les décisions sur des prototypes numériques de chaîne logistique. Dans ce travail de thèse, nous proposons deux contributions à la chaîne logistique numérique. Nos résultats se destinent en particulier aux réseaux de Petites et Moyennes Entreprises/Industries. D'une part, nous étudions deux nouveaux problèmes liés à la conception de réseaux logistiques en circuits courts et de proximité pour les produits agricoles frais. Pour chacun d'eux nous proposons une formulation en Programme Linéaire à Variables Mixtes. De plus des méthodes de résolution fondées sur des décompositions du modèle nous permettent de résoudre des instances de grande taille. Pour chaque problème, cette approche est mise en œuvre sur une étude de cas menée avec plusieurs collectivités territoriales. D'autre part, nous étudions le problème de planification tactique des activités de production, de transport et de stockage. Contrairement aux approches classiques centralisées, nous considérons que les décisions des différents acteurs sont prises de manière décentralisée. Nous étudions la manière de décomposer les décisions entre les acteurs ainsi que leurs comportements individuels. Nous analysons aussi des protocoles de concertation basés sur un échange limité d'informations. Afin de répondre à la double complexité du problème, nous proposons un outil innovant qui couple une simulation à base de multi-agents à des approches d'optimisation par programmation mathématique.The concept of digital supply chain gathers models, methods and tools to plan decisions on digital prototypes of supply chains. This doctoral dissertation proposes two contributions to digital supply chain. Mainly, our results address small and medium enterprises/industries. Firstly, we study two new problems related to service network design for short and local fresh food supply chains. For each of them we propose a Mixed Integer Linear Programming formulation. Decomposition-based methods are implemented in order to solve large scale instances. For each problem this approach is applied on a case study conducted with several local institutions. Secondly, we address the tactical supply chain planning problem: how to plan production, transportation and storage activities. As opposed to the classic centralized version, the decision making process is considered decentralized. We study how to decompose the decisions between actors as well as their individual behaviour. We also analyze negotiation processes based on limited information sharing. In order to address the double complexity of the problem, we propose an innovative tool coupling a multi-agent based simulation approach with optimization approaches based on mathematical programming
The Long-Haul Parcel Transportation Problem : Path-based Models and Divide-and-Conquer Algorithms
No full textAvec l’essor du e-commerce, de nombreuses études ont été menées sur la logistique urbaine et la livraison du dernier kilomètre. Nous optimisons ici une autre étape de la livraison des colis : le transport long-courrier. Il a lieu entre les centres de tri de collecte et les dépôts de livraison. Ni la manière dont les colis sont acheminés de leur bureau de poste de départ à leur centre de tri de collecte, ni comment ils sont transportés vers les bureaux de poste puis aux particuliers ne sont pris en considération. Le problème du transport long-courrier de colis (PTLCC), défini formellement, est un problème de conception de réseau de services avec gestion des actifs. Il intègre l'opération de tri permettant une meilleure mutualisation des colis dans les conteneurs. C’est un problème tactique d'optimisation qui consiste à définir un plan de transport annuel composé de liaisons fixes, basé sur des prévisions de volumes à moyen terme, dont on minimise le coût total. Ce coût est composé du coût logistique et du coût de transport. Le transport de colis se fait avec deux types de véhicules (camions à un ou deux conteneurs) qui sont équilibrés chaque jour sur le réseau grâce à la gestion des conteneurs vides. Le transport est optimisé sur un réseau hybride hub-and-spoke biniveau à l'échelle d'un pays. En effet, ce problème industriel provient d'une entreprise postale et leurs ensembles de données sont de taille réaliste (environ 225 sites avec 2500 demandes). Une même demande (origine, destination, nombre de colis) peut être acheminée sur plusieurs chemins simultanément ce qui augmente la complexité du problème. Ainsi, le nombre de plans de transport possibles explose.Nous proposons un programme linéaire mixte (PLM) orienté chemin pour le PTLCC etdeux algorithmes diviser-pour-régner exploitant ce modèle pour créer de meilleurs plans de transport. Le premier algorithme, l'algorithme k-Clusters, optimise le PTLCC après avoir regroupé les sites du réseau en clusters. Nous testons des techniques classiques de clustering (clustering spectral, clustering hiérarchique, k-means et aléatoire) en utilisant des fonctions de similarité appropriées (basées sur les demandes et sur les distances) pour étudier l’impact sur les résultats.Le problème d'origine est divisé en sous-problèmes intercluster et intracluster résolus avec le PLM. Les solutions des sous-problèmes sont ensuite fusionnées. Les résultats obtenus sont comparés à ceux obtenus avec une utilisation directe du PLM sans clustering. Ces tests montrent que le respect de la hiérarchisation des sites du réseau postal est la propriété qui a le plus d'impact sur les résultats.Ainsi, nous concevons un deuxième algorithme, l'algorithme hiérarchique avec agrégation de demandes qui exploite la structure à deux niveaux du réseau. Ses performances sont liées à un seuil du taux de remplissage des camions. Les demandes au-dessus de ce seuil peuvent être acheminées directement. Celles en dessous de ce seuil doivent suivre la structure hiérarchique du réseau. L’acheminement des deux types de demandes est optimisé, d'abord séparément puis conjointement via plusieurs étapes dans lesquelles les sous-problèmes sont résolus avec le PLM. Différents seuils sont testés pour déterminer lequel donne les meilleurs solutions et temps de calcul. Ces tests montrent qu’un meilleur taux de remplissage n’aboutit pas à un plan de transport moins cher dans notre cas.De plus, l'algorithme hiérarchique permet d'avoir des plans de transport nettement meilleurs que ceux appliqués sur le terrain, ceux obtenus via une utilisation directe du PLM et même ceux obtenus avec l'algorithme k-Clusters. Enfin, nous implémentons ces algorithmes et présentons les résultats numériques. Cela montre que le paradigme diviser-pour-régner est efficace pour la conception de réseau de services lorsqu'il s'applique à un problème industriel de grande taille.With the advent of e-commerce, many studies have been carried out on urban logistics and last-mile delivery.In this work, we optimize another stage of parcel delivery, the long-haul parcel transportation.The long-haul transportation is from the collection sorting centers to delivery depots. We do not consider how the parcels are brought from their departure post office to their collection sorting center, neither how they are transported to the post offices and then to individuals.The Long-Haul Parcel Transportation Problem (LHPTP), which we formally define, is a Service Network Design with Asset Management problem which integrates the sorting operation allowing a better consolidation of parcels in containers.The LHPTP is a tactical design optimization problem which consists in defining an annual transportation plan composed of fixed links, based on mid-term volume forecasts, while minimizing the total cost. This cost is composed of the logistics cost and the transportation cost. The parcel transportation is made with two types of vehicles (trucks with one or two containers) which are balanced over the network on a daily basis with the management of empty containers.The transportation is optimized over a two-level hybrid hub-and-spoke network at the scale of a country. Indeed, this industrial problem originates from a postal company and their datasets permit to address realistic size data (around 225 sites with 2500 demands).The complexity is increased by the fact that a single demand (origin, destination, number of parcels) can be routed over multiple paths simultaneously. Thus the number of possible transportation plans explodes.We propose a path-based Mixed Integer Linear Program (MILP) for the LHPTP and two divide-and-conquer algorithms exploiting this model to create better transportation plans.The first algorithm, the k-Clusters Algorithm, optimizes the LHPTP over a set of sites which are clustered beforehand. We test classical clustering techniques (spectral clustering, hierarchical clustering, k-means and random) using appropriate similarity functions (demand-based and distance-based) in order to see if it impacts the results. The original problem is divided into intercluster and intracluster subproblems which are solved with the MILP. Then the solutions of the subproblems are merged. The results obtained are compared to those obtained with a direct use of the MILP without clustering. It shows that certain properties of the clustering, such as obeying the hierarchy of the sites in the current postal network, have the most impact on the results.Thus we design a second algorithm, the Hierarchical Algorithm with Aggregation of Demands which exploits the two-level structure of the network. Its performance is related to the value of a truck filling rate threshold. The demands above this threshold can be routed directly while the ones below this threshold have to follow the hierarchical structure of the network.The routing of the two types of demands is optimized, first separately and then together in a multi-step process in which the subproblems are solved with the MILP.Various threshold values are tested to find out which one is the best, in terms of solution quality obtained and computational time.These tests show that the better filling rate do not result in the cheaper transportation plan in our case study. Moreover, the Hierarchical Algorithm allows to have clearly better transportation plans than the ones applied on the ground, the ones obtained via a direct use of the MILP and even the ones obtained with the k-Clusters Algorithm.Finally we implement these algorithms and present computational results.This shows that the divide-and-conquer paradigm is effective on service network design when addressing a large-scale industrial problem
A Modular Approach to Compare Optimization Methods for Bike Sharing Systems
No full textLes systèmes de vélos en libre-service (VLS) sont aujourd'hui installés dans de nombreuses villes. Dans un tel système, un utilisateur peut prendre n'importe quel vélo disponible et le rendre là où il y a une place de parking libre. La littérature de recherche opérationnelle contient de nombreux articles qui étudient les questions d'optimisation liées aux SBS, et en particulier maximiser la disponibilité des vélos où et quand les utilisateurs en ont besoin. Cependant, les méthodes d'optimisation proposées par ces articles sont difficiles à comparer car la plupart des articles utilisent leurs propres instances de problèmes et définissent leurs propres métriques. Cette thèse vise à combler cette lacune en construisant une méthodologie de recherche reproductible pour les VLS. Dans ce travail, nous divisons cette méthodologie en quatre modules : utilisation de données historiques, estimation de la demande, méthodes d'optimisation et évaluation des performances. Nous étudions chaque module séparément. Dans chaque cas, nous proposons un prototype d'implémentation et comparons les solutions existantes lorsqu'elles sont disponibles.Le premier module traite de l'utilisation de données provenant de systèmes réels. Pour de nombreux systèmes, deux types de données sont en général disponibles : les trajets effectués par les utilisateurs, et les enregistrements du nombre de vélos disponibles dans chaque station. En général ces données sont incohérentes, nous proposons une méthode pour corriger cela et détecter les opérations de relocalisation. Le deuxième module est l'estimation de la demande. Pour optimiser un VLS, il est essentiel d'estimer la demande des utilisateurs pour lesquels le système est conçu. La plupart des travaux d'optimisation de la littérature utilisent la demande historique pour estimer la demande du système. Nous expérimentons les quelques méthodes de la littérature existantes ainsi qu'une méthode nouvellement introduite pour détecter la demande censurée. Le troisième module est l'optimisation de la disponibilité des vélos.A titre d'exemple, nous re-implémentons un algorithme d'optimisation publié. Nous illustrons les défis de la recherche reproductible en essayant de reproduire les résultats. Ce chapitre montre que, même si les auteurs originaux ont mis à disposition un grand nombre de données sur leurs expériences, nous n'avons pas obtenu les mêmes résultats quantitatifs que la publication originale. Cette différence souligne la nécessité d'améliorer les normes de publication afin de produire des résultats plus reproductibles. Enfin, notre quatrième et dernier module est utilisé pour valider les méthodes d'optimisation implémentées dans le 3ème module. Nous considérons qu'un simulateur ayant toutes les exigences (modèles de comportement des utilisateurs, scénarios de demande, stratégies de gestion, etc.) peut être un modèle de validation. Nous utilisons un simulateur tiers pour illustrer ce module.Nous avons observé tout au long de cette thèse que la reproductibilité des recherches n'est pas toujours traitée avec la diligence requise alors qu'elle est fondamentale pour produire des connaissances. Dans ce travail, nous nous efforçons de spécifier et de fournir des outils reproductibles afin de garantir que des chercheurs puissent obtenir les mêmes résultats avec les mêmes données. Nous fournissons des liens vers les données, les codes, les environnements et les analyses nécessaires à la reproduction des expériences.Bike Sharing Systems (BSSs) are nowadays installed in many cities. In such a system, a user can take any available bike and return it to wherever there is an available parking spot. The Operations Research literature contains many papers that study optimization questions related to BSS, and in particular how to maximize the availability of bikes where and when the users need them. Yet, the optimization methods proposed by these papers are difficult to compare because most papers use their own problem instances and define their own metrics. This thesis aims to fill this gap by building a reproducible research methodology for BSSs. In this work, we divide this methodology in four modules: use of historical data, demand estimation, optimization methods, and performance evaluation. We study each module separately. In each case, we propose a prototype implementation and compare existing solutions when they are available.The first module handles the use of data from real systems. For many systems, two types of data are usually available: trips made by users, and records of the number of bikes available in each station. We observe that in general these data are inconsistent and we propose a method to correct this and detect relocation operations. The second module is the demand estimation one. In optimizing a BSS, it is essential to estimate the demand of the users for whom the system is designed. Most of the optimization works in the literature use historical demand to estimate the demand of the system. We experiment with the few existing methods of the literature along with a newly introduced method to detect censored demand. The third module is bike availability optimization. We implement a published optimization algorithm for this module as an example. We illustrate the challenges of reproducible research by trying to replicate the results. This chapter shows that, although the original authors made the data about their experiments available, we did not get the same quantitative results as the original publication. This difference highlights the need for better publication standards to produce more reproducible results. Finally, our fourth and last module is used to validate the optimization methods implemented in the 3rd module. We advocate that a simulator having all the requirements (user behavior models, demand scenarios, management strategies, etc.) can be a validation model. We use a third-party simulator to illustrate this module.We observe throughout this thesis that making research reproducible is not always handled with due diligence while being fundamental to produce valuable knowledge. In this work, we try our best efforts to specify and provide reproducible tools to ensure that researchers could obtain the same results with the same data. We give links to the data, codes, environments and analyses needed to reproduce the experiments
Models and Tools for the Design, Assessment, and Evolution of Circular Supply Chains
No full textL’économie circulaire vise à minimiser la consommation des ressources et la production des déchets ainsi que la pollution en maintenant le plus long temps possible les produits, les composants et les matériaux dans la phase d’utilisation. Cela pourrait être obtenu avec des stratégies de conception de produits ou des activités d’économie circulaire liées à la fin de vie des objets telles que la réutilisation, la remise à neuf, la repurposing, le recyclage, etc. Les chaînes logistiques circulaires, qui intègrent l’approche de l’économie circulaire dans la chaîne logistique, soutiennent ces activités et jouent un rôle important dans l’application des principes de l’économie circulaire. Divers concepts dans la littérature tels que les chaînes logistiques en boucle fermée, la logistique inverse, les chaînes logistiques vertes, etc., ont déjà exploré l’intégration des activités de l’économie circulaire dans les chaînes d’approvisionnement. Cependant, le concept d’économie circulaire apporte de nouvelles approches : (1) appliquer plusieurs activités d’économie circulaire en parallèle plutôt que d’appliquer une seule activité, (2) utiliser des matériaux encore et encore, et (3) promouvoir des boucles ouvertes entre des secteurs distincts par "repurposing". De plus, l’activité de "repurposing" n’est pas suffisamment explorée jusqu’à présent. Cependant, cette activité, qui ajoute de la valeur aux produits usagés en les détournant de leur destination initiale et en les utilisant dans des applications moins exigeantes, pourrait être un nouveau moyen potentiel d’accroître la circularité dans les chaînes logistiques circulaires. En outre, le manque de connaissances et de senibilisation sur les chaînes logistiques circulaires constitue un obstacle difficile pour les gestionnaires de chaînes d’approvisionnement. Par conséquent, les implications de l’économie circulaire dans les chaînes logistiques doivent être explorées, structurées et formalisées. De nouveaux outils sont également nécessaires pour promouvoir le concept de chaîne logistique circulaire et soutenir sa conception ainsi que son évolution. L’objectif principal de cette thèse de doctorat est d’explorer et de conceptualiser les structures des chaînes logistiques dans le concept d’économie circulaire. Nous visons à créer des méthodes et des outils pour soutenir la conception et l’évolution de la chaîne logistique circulaire, en considérant la "repurposing" comme une activité d’économie circulaire de premier ordre. Les contributions principales de cette thèse sont : (1) un modèle générique formalisé en utilisant le Langage de Modélisation Unifié (UML) pour conceptualiser les chaînes logistiques circulaires, (2) un outil de classification des indicateurs de chaîne logistique circulaire où les différentes dimensions de la circularité sont décrites, (3) un nouvel indicateur pour évaluer la circularité des chaînes logistiques, et (4) un jeu sérieux pour promouvoir les chaînes logistiques circulaires et accroître la connaissance ainsi que la sensibilisation sur leurs structures et les activités d’économie circulaire impliquées. Enfin, en adoptant le cadre As-IS/As-IF, les contributions susmentionnées sont intégrées dans une première version d’une méthode d’évolution continue. Cette méthode aide à identifier d’éventuelles évolutions pour améliorer la circularité des chaînes logistiques.The Circular Economy aims at minimizing resource inputs, waste, and pollution by keeping as long as possible products, components, and materials in use. This could be reached by product design strategies or E-o-L (End of Life) activities (also called Circular Economy activities), such as reuse, remanufacturing, repurposing, recycling, etc. Circular Supply Chains, which integrate the Circular Economy approach into supply chains, support these activities and play an important role in the application of Circular Economy principles. Various concepts in the literature such as Closed-Loop Supply Chains, Reverse Logistics, Green Supply Chains, etc., have been already explored the integration of Circular Economy activities in supply chains. However, the Circular Economy concept brings some new approaches: (1) applying multiple Circular Economy activities in parallel rather than applying single activities, (2) using materials over and over again, and (3) promoting open-loops between distinct sectors through repurposing. In addition, repurposing activity has not been sufficiently explored so far. However, this activity adds value to used products by diverting them from their initial purpose and using them in less demanding applications. This could be a new potential mean to increasing circularity in Circular Supply Chains. Besides, the lack of knowledge and awareness about Circular Supply Chains constitutes a challenging barrier for Supply Chain managers. Therefore, the implications of Circular Economy in supply chains need to be explored, structured and formalized. New tools are also needed to promote the Circular Supply Chains and support their design and evolution. The main objective of this Ph.D. thesis is to explore and conceptualize supply chains structures in the context of Circular Economy. We aim at creating methods and tools to support Circular Supply Chain design and evolution, considering repurposing activity as a first-class Circular Economy strategy. The main contributions of this thesis are: (1) A generic model formalized by using the Unified Modeling Language (UML) to design Circular Supply Chains. (2) A classification tool for Circular Supply Chain indicators, where different circularity dimensions are described. (3) A new indicator to assess the circularity of Supply Chains. (4) A serious game to promote Circular Supply Chains and increase knowledge and awareness of their structures and the Circular Economy activities involved. Finally, adopting As-IS/As-IF framework, the aforementioned contributions are integrated into a first version of a continual evolution method. This method helps identifying possible evolutions to improve the circularity of supply chains
Decision support models to design urban farming systems optimized for selling fruits and vegetables in short and local supply chains
No full textPour accompagner le développement des fermes urbaines professionnelles et des circuits courts et de proximité dans les grandes métropoles, nous proposons des outils à base de programmes mathématiques d'aide à la conception de fermes maraîchères diversifiées ciblant les demandes de différents types de clients en fruits et légumes frais locaux. Les solutions techniques de culture en ville se développent rapidement, mais compte-tenu des contraintes fortes de la production agricole urbaine (foncier limité, coûts opérationnels élevés), la définition de modèles économiques viables pour des fermes pérennes est un vrai défi pour les maraîchers urbains. Trois modèles en programmation linéaire mixte sont présentés et confrontés aux résultats du terrain : un modèle de dimensionnement stratégique annuel, un modèle de sélection de la meilleure combinaison de clients et un modèle de dimensionnement stratégique pluri-annuel des fermes maraîchères. Des résultats numériques et les performances des modèles sont présentés à partir de cas concrets multi-produits, multi-techniques et multi-périodes. Nos contributions résident dans la prise en compte de la périssabilité des produits frais dans le dimensionnement stratégique des systèmes de production, incluant le dimensionnement de la main d’œuvre agricole.To support the urban farm emergence trend in large metropolises, we propose decision support tools based on mathematical programs to design market gardening farms targetting the demands of different categories of clients in local fresh fruits and vegetables. Technical solutions develop rapdily, but the strong constraints linked to urban farming, such as limited surface and high operating costs, make difficult to define viable and sustainable business models for urban market gardeners. Three mixed integer linear programming models are presented: An annual strategic sizing model, a client combination selection model and a plurennial strategic sizing model for diversified fruit and vegetable farms. Numerical results and model performances are presented, based on multi-products, multi-techniques and multi-periods real cases. Our main contributions are the consideration of the perishable nature of fruits and vegetables in strategic production systems sizing models, including notably the investments and workforce sizing
Design and management of PV Charging station networkfor electric vehicle
No full textLa mise en place de solutions durables permettant de prendre la relève des produits pétroliers constitue un premier pas vers le développement durable. De ces constatations est né le concept de mobilité solaire consistant à charger un véhicule, muni d’un stockage d’énergie électrique, à partir d’une production photovoltaïque. Ainsi, la ressource pétrolière est remplacée par une énergie renouvelable. L’objectif de ces travaux de thèse est de mettre en place un système de gestion intelligent de recharge d’énergie dont les leviers sont le décalage temporel, l’interruption, la modulation de la puissance de charge et la décharge des batteries. Différentes formulations mathématiques ont permis de résoudre le problème d’optimisation énoncé et d’estimer le gain apporté par la mise en place des différents leviers. Dans l’objectif de valider le concept de mobilité solaire, un démonstrateur a été développé et installé sur le site du CEA à l’INES. Les résultats obtenus y sont également présentés.The implementation of sustainable solutions allowing an independence from petroleum products constitutes a first step towards the sustainable development. From this observation was born the solar mobility concept which consists in charging a vehicle, provided with storage of electrical energy, from a photovoltaic production. So, the oil resource is replaced by a renewable energy. The thesis research objectives is to set up an Energy Management strategies (EMS) to schedule the energy charge of the electrical vehicle using the following levers: the shifting charge, the interruption, the charge power modulation and the discharge of the battery. Various mathematical formulations allowed to solve the expressed problem of optimization and to estimate the gain brought by the implementation of the different levers. In the purpose to validate the solar mobility concept, a demonstrator was developed and installed by the CEA (ATOMIC ENERGY COMMISSION) at Ines. The obtained results are also presented and analyzed
Parcours paralleles de graphes d'etats par des algorithmes de la famille de A* en intelligence artificielle
No full textProjet PARADISDe nombreux algorithmes paralleles pour les parcours de graphes d'etats de la famille de A* en intelligence artificielle, implantes sur des machines allant du type SIMD massivement parallele au reseau de stations de travail en passant par le MIMD a memoire partagee, ont ete proposes cette derniere decennie. Ces algorithmes sont analyses et classifies suivant le type de parallelisme et l'architecture des machines paralleles utilisees. Nous avons degage et repertorie les principales techniques de parallelisation des parcours de graphes d'etats en intelligence artificielle et en recherche operationnelle, ainsi que leurs modes de programmation
Parcours paralleles de graphes d'etats par des algorithmes de la famille de A* en intelligence artificielle
Get PDFProjet PARADISDe nombreux algorithmes paralleles pour les parcours de graphes d'etats de la famille de A* en intelligence artificielle, implantes sur des machines allant du type SIMD massivement parallele au reseau de stations de travail en passant par le MIMD a memoire partagee, ont ete proposes cette derniere decennie. Ces algorithmes sont analyses et classifies suivant le type de parallelisme et l'architecture des machines paralleles utilisees. Nous avons degage et repertorie les principales techniques de parallelisation des parcours de graphes d'etats en intelligence artificielle et en recherche operationnelle, ainsi que leurs modes de programmation
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