Les problèmes d'optimisation issus du monde réel sont souvent complexes et NP-difficiles. Leur modélisation est en constante évolution en termes de contraintes et d'objectifs, et leur résolution est coûteuse en temps de calcul. Bien que des algorithmes approchés telles que les métaheuristiques (heuristiques génériques) permettent de réduire la complexité de leur résolution, ces méthodes restent insuffisantes pour traiter des problèmes de grande taille. Au cours des dernières décennies, le calcul parallèle s'est révélé comme un moyen incontournable pour faire face à de grandes instances de problèmes difficiles d'optimisation. La conception et l'implémentation de métaheuristiques parallèles sont ainsi fortement influencées par l'architecture parallèle considérée. De nos jours, le calcul sur GPU s'est récemment révélé efficace pour traiter des problèmes coûteux en temps de calcul. Cette nouvelle technologie émergente est considérée comme extrêmement utile pour accélérer de nombreux algorithmes complexes. Un des enjeux majeurs pour les métaheuristiques est de repenser les modèles existants et les paradigmes de programmation parallèle pour permettre leurdéploiement sur les accélérateurs GPU. De manière générale, les problèmes qui se posent sont la répartition des tâches entre le CPU et le GPU, la synchronisation des threads, l'optimisation des transferts de données entre les différentes mémoires, les contraintes de capacité mémoire, etc. La contribution de cette thèse est de faire face à ces problèmes pour la reconception des modèles parallèles des métaheuristiques pour permettre la résolution des problèmes d'optimisation à large échelle sur les architectures GPU. Notre objectif est de repenser les modèles parallèles existants et de permettre leur déploiement sur GPU. Ainsi, nous proposons dans ce document une nouvelle ligne directrice pour la construction de métaheuristiques parallèles efficaces sur GPU. Le défi de cette thèse porte sur la conception de toute la hiérarchie des modèles parallèles sur GPU. Pour cela, des approches très efficaces ont été proposées pour l'optimisation des transferts de données entre le CPU et le GPU, le contrôle de threads, l'association entre les solutions et les threads, ou encore la gestion de la mémoire. Les approches proposées ont été expérimentées de façon exhaustive en utilisant cinq problèmes d'optimisation et quatre configurations GPU. En comparaison avec une exécution sur CPU, les accélérations obtenues vont jusqu'à 80 fois plus vite pour des grands problèmes d'optimisation combinatoire et jusqu'à 2000 fois plus vite pour un problème d'optimisation continue. Les différents travaux liés à cette thèse ont fait l'objet d'une douzaine publications comprenant la revue IEEE Transactions on Computers. / Real-world optimization problems are often complex and NP-hard. Their modeling is continuously evolving in terms of constraints and objectives, and their resolution is CPU time-consuming. Although near-optimal algorithms such as metaheuristics (generic heuristics) make it possible to reduce the temporal complexity of their resolution, they fail to tackle large problems satisfactorily. Over the last decades, parallel computing has been revealed as an unavoidable way to deal with large problem instances of difficult optimization problems. The design and implementation of parallel metaheuristics are strongly influenced by the computing platform. Nowadays, GPU computing has recently been revealed effective to deal with time-intensive problems. This new emerging technology is believed to be extremely useful to speed up many complex algorithms. One of the major issues for metaheuristics is to rethink existing parallel models and programming paradigms to allow their deployment on GPU accelerators. Generally speaking, the major issues we have to deal with are: the distribution of data processing between CPU and GPU, the thread synchronization, the optimization of data transfer between the different memories, the memory capacity constraints, etc. The contribution of this thesis is to deal with such issues for the redesign of parallel models of metaheuristics to allow solving of large scale optimization problems on GPU architectures. Our objective is to rethink the existing parallel models and to enable their deployment on GPUs. Thereby, we propose in this document a new generic guideline for building efficient parallel metaheuristics on GPU. Our challenge is to come out with the GPU-based design of the whole hierarchy of parallel models.In this purpose, very efficient approaches are proposed for CPU-GPU data transfer optimization, thread control, mapping of solutions to GPU threadsor memory management. These approaches have been exhaustively experimented using five optimization problems and four GPU configurations. Compared to a CPU-based execution, experiments report up to 80-fold acceleration for large combinatorial problems and up to 2000-fold speed-up for a continuous problem. The different works related to this thesis have been accepted in a dozen of publications, including the IEEE Transactions on Computers journal.

Les problèmes d'optimisation à grande échelle sont généralement difficiles à résoudre de façon optimale.Des algorithmes d'approximation tels que les métaheuristiques, capables de trouver rapidement des solutions sous-optimales, sont souvent préférés. Cette thèse porte sur les algorithmes de recherche locale multi-objectif (MOLS), des métaheuristiques capables de traiter l'optimisation simultanée de plusieurs critères. Comme de nombreux algorithmes, les MOLS exposent de nombreux paramètres qui ont un impact important sur leurs performances. Ces paramètres peuvent être soit prédits et définis avant l'exécution de l'algorithme, soit ensuite modifiés dynamiquement. Alors que de nombreux progrès ont récemment été réalisés pour la conception automatique d'algorithmes, la grande majorité d'entre eux ne traitent que d'algorithmes mono-objectif et l'optimisation d'un unique indicateur de performance. Dans cette thèse, nous étudions les relations entre la conception automatique d'algorithmes et l'optimisation multi-objective. Nous passons d'abord en revue les stratégies MOLS possibles et présentons un framework MOLS général et hautement configurable. Nous proposons également MO-ParamILS, un configurateur automatique spécialement conçu pour gérer plusieurs indicateurs de performance. Nous menons ensuite plusieurs études sur la conception automatique de MOLS sur de multiples problèmes combinatoires bi-objectifs. Enfin, nous discutons deux extensions de la configuration d'algorithme classique : d'abord l'intégration des mécanismes de contrôle de paramètres, pour bénéficier de multiples prédictions de configuration; puis l'utilisation séquentielle de plusieurs configurations. / Large-scale optimisation problems are usually hard to solve optimally.Approximation algorithms such as metaheuristics, able to quickly find sub-optimal solutions, are often preferred.This thesis focuses on multi-objective local search (MOLS) algorithms, metaheuristics able to deal with the simultaneous optimisation of multiple criteria. As many algorithms, metaheuristics expose many parameters that significantly impact their performance. These parameters can be either predicted and set before the execution of the algorithm, or dynamically modified during the execution itself. While in the last decade many advances have been made on the automatic design of algorithms, the great majority of them only deal with single-objective algorithms and the optimisation of a single performance indicator such as the algorithm running time or the final solution quality. In this thesis, we investigate the relations between automatic algorithm design and multi-objective optimisation, with an application on MOLS algorithms. We first review possible MOLS strategies ans parameters and present a general, highly configurable, MOLS framework. We also propose MO-ParamILS, an automatic configurator specifically designed to deal with multiple performance indicators. Then, we conduct several studies on the automatic offline design of MOLS algorithms on multiple combinatorial bi-objective problems. Finally, we discuss two online extensions of classical algorithm configuration: first the integration of parameter control mechanisms, to benefit from having multiple configuration predictions; then the use of configuration schedules, to sequentially use multiple configurations.

Les algorithmes permettant la création de stratégies efficaces pour la résolution d’ensemble de problèmeshétéroclites ont toujours été un des piliers de la recherche en Intelligence Artificielle. Dans cette optique,la planification de tâches a pour objectif de fournir à un système la capacité de raisonner pour interagiravec son environnement de façon autonome afin d’atteindre les buts qui lui ont été assignés. À partir d’unedescription de l’état initial du monde, des actions que le système peut exécuter, et des buts qu’il doit atteindre,un planificateur calcule une séquence d’actions dont l’exécution permet de faire passer l’état du monde danslequel évolue le système vers un état qui satisfait les buts qu’on lui a fixés. Le problème de planification esten général difficile à résoudre (PSPACE-difficile), cependant certaines propriétés des problèmes peuvent êtreautomatiquement extraites permettant ainsi une résolution efficace.Dans un premier temps, nous avons développé l’algorithme LMBFS (Landmark-based Meta Best-First Search).À contre-courant des planificateurs state-of-the-art, basés sur la recherche heuristique dans l’espace d’états,LMBFS est un algorithme qui réactualise la technique de décomposition des problèmes de planification baséssur les landmarks. Un landmark est un fluent qui doit être vrai à un certain moment durant l’exécutionde n’importe quel plan solution. L’algorithme LMBFS découpe le problème principal en un ensemble desous-problèmes et essaie de trouver une solution globale grâce aux solutions trouvées pour ces sous-problèmes.Dans un second temps, nous avons adapté un ensemble de techniques pour améliorer les performances del’algorithme. Enfin, nous avons testé et comparé chacune de ces méthodes permettant ainsi la création d’unplanificateur efficace. / The algorithms allowing on-the-fly computation of efficient strategies solving aheterogeneous set of problems has always been one of the greatest challengesfaced by research in Artificial Intelligence. To this end, classical planningprovides to a system reasoning capacities, in order to help it to interact with itsenvironment autonomously. Given a description of the world current state, theactions the system is able to perform, and the goal it is supposed to reach, a plannercan compute an action sequence yielding a state satisfying the predefined goal. Theplanning problem is usually intractable (PSPACE-hard), however some propertiesof the problems can be automatically extracted allowing the design of efficientsolvers.Firstly, we have developed the Landmark-based Meta Best-First Search (LMBFS)algorithm. Unlike state-of-the-art planners, usually based on state-space heuristicsearch, LMBFS reenacts landmark-based planning problem decomposition. Alandmark is a fluent appearing in each and every solution plan. The LMBFSalgorithm splits the global problem in a set of subproblems and tries to find aglobal solution using the solutions found for these subproblems. Secondly, wehave adapted classical planning techniques to enhance the performance of ourbase algorithm, making LMBFS a competitive planner. Finally, we have tested andcompared these methods.

Les enjeux du développement durable, le réchauffement climatique, la pollution dans les grandes villes, la congestion et les nuisances sonores, l'augmentation des prix de carburants, sont parmi des nombreux facteurs qui incitent les pays développés à l'innovation dans les transports publics. Dans ce contexte, l'introduction des systèmes de vélos en libre-service, au cours de ces dernières années, est une des solutions adoptées par de nombreuses grandes villes. Malgré leur succès fulgurant dans le monde entier, il existe peu d'études fondamentales sur ce type transport urbain. Pourtant, leur exploitation et leur management par des opérateurs soulèvent de nombreuses questions notamment d'ordre opérationnel. Dans ce contexte, cette thèse s'adresse aux problèmes d'ordonnancement et de rééquilibrage des stations de vélos en libre-service. Ce sont des problèmes cruciaux pour la qualité de service et la viabilité économique de tels systèmes. Le rééquilibrage consiste à redistribuer le nombre de vélos entre les différentes stations afin de satisfaire au mieux les demandes des usagers. Cette régulation se fait souvent par le biais de véhicules spécifiques qui font des tournées autour des différentes stations. Ainsi, deux problèmes d'optimisation difficiles se posent : la recherche de la meilleure tournée du véhicule de régulation (ordonnancement de la tournée) et la détermination des nombres de véhicules à utiliser (rééquilibrage des stations). Dans cette optique, les travaux de cette thèse constituent une contribution à la modélisation et à l'optimisation de performances des systèmes de vélos en libre-service en vue de leur rééquilibrage et leur ordonnancement. Plusieurs méthodes d'optimisation et ont été développées et testées. De telles méthodes incorporent différentes approches de simulation ou d'optimisation comme les réseaux de Petri, les algorithmes génétiques, les algorithmes gloutons, les algorithmes de recherche par voisinage, la méthode arborescente de branch-and-bound, l'élaboration des bornes supérieures et inférieures, etc. Différentes facettes du problème ont été étudiées : le cas statique, le cas dynamique, l'ordonnancement et le rééquilibrage avec un seul (ou multiple) véhicule(s). Afin de montrer la pertinence de nos approches, la thèse comporte également plusieurs applications réelles et expérimentations / In our days, developed countries have to face many public transport problems, including traffic congestion, air pollution, global oil prices and global warming. In this context, Public Bike sharing systems are one of the solutions that have been recently implemented in many big cities around the world. Despite their apparent success, the exploitation and management of such transportation systems imply crucial operational challenges that confronting the operators while few scientific works are available to support such complex dynamical systems. In this context, this thesis addresses the scheduling and balancing in public bicycle-sharing systems. These problems are the most crucial questions for their operational efficiency and economic viability. Bike sharing systems are balanced by distributing bicycles from one station to another. This procedure is generally ensured by using specific redistribution vehicles. Therefore, two hard optimization problems can be considered: finding a best tour for the redistribution vehicles (scheduling) and the determination of the numbers of bicycles to be assigned and of the vehicles to be used (balancing of the stations). In this context, this thesis constitutes a contribution to modelling and optimizing the bicycle sharing systems' performances in order to ensure a coherent scheduling and balancing strategies. Several optimization methods have been proposed and tested. Such methods incorporate different approaches of simulation or optimization like the Petri nets, the genetic algorithms, the greedy search algorithms, the local search algorithms, the arborescent branch-and-bound algorithms, the elaboration of upper and lower bounds, ... Different variants of the problem have been studied: the static mode, the dynamic mode, the scheduling and the balancing by using a single or multiple vehicle(s). In order to demonstrate the coherence and the suitability of our approaches, the thesis contains several real applications and experimentations