In this thesis, we address three main subjects. Wefirst introducethe relation between linear inequality systems and linear programmingproblems, and continue by introducing the analyticcenter of a polyhedron and its calculation. Secondly, we study themultiple analytic center cutting plane method ACCPM and its proximalvariant. Finally, since ACCPM and proximal ACCPM are well knowntechniques for convexprogramming problems, we propose a sequential convex programming methodbased on ACCPM and convexification techniques to tackle unconstrainedproblems with a non-convex objective function in the last chapter. Wealso report a comparison of ourmethod with some existing algorithms: the steepest descent method andnonlinear conjugate gradient algorithms / Dans cette thèse, nous abordons trois thèmes principaux. Nous commençons par présenter la relation entre les systèmes d'inégalités linéaires et les problèmes de programmation linéaire. Nous poursuivons avec l'introduction de la notion de centre analytique d'un polyèdre et son calcul. Deuxièmement, nous étudions la méthode des coupes analytiques multiples ACCPM et sa variante proximale. En-fin, puisque ACCPM et sa variante proximale sont des techniques bien connues pour les problèmes de programmation convexe, nous proposons une méthode de programmation séquentielle convexe fondée sur ACCPM ainsi que des techniques de convexification destinées à traiter les problèmes dont la fonction objectif est non convexe dans le dernier chapitre. Nous présentons aussi une comparaison de nos méthode avec certains algorithmes existants tels que la méthode la plus forte pente et la méthode du gradient conjugué non linéaire.

We consider the problem of sequential decision making in non-stationary environments. In order to avoid solutions that are too conservative, we capture the degree of non-stationarity in real-world problems through different mathematical models for the environment. In the first model, we add to the environment a state that follows Markovian dynamics subject to limited levels of non-stationary uncertainty. In the second model, we add non-stationary constraints to the environment. In the third model, we limit the frequency of non-stationary changes. In each of these models, we provide efficient learning algorithms and prove corresponding performance guarantees that depend critically on the degree of non-stationarity. / Nous étudions le problème de décisions séquentielles dans des environnements non-stationnaires. Pour éviter des solutions trop conservatrices, nous modélisons le degré de non-stationnarité à travers differents modèles mathématiques de l'environnement. Dans le premier modèle, nous ajoutons à l'environnement un état qui suit une dynamique Markovienne, sujet à des niveaux limités d'incertitude non-stationnaire. Dans le second modèle, nous ajoutons des contraintes non-stationnaires à l'environnement. Dans le troisième modèle, nous limitons la fréquence des changements non-stationnaires. Pour chaque modèle, nous présentons des algorithmes d'apprentissage efficients et prouvons des guaranties de performance qui dépendent du degré de non-stationnarité.

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Dans le contexte de l’augmentation de la part de la production énergétique provenant de sources renouvelables imprévisibles, les prix de l’électricité sont plus volatiles que jamais. Cette volatilité rend la prévision des prix plus difficile mais en même temps de plus grande valeur. Dans cette recherche, une analyse comparative de 8 modèles de prévision est effectuée sur la tâche de prédire les prix de gros de l’électricité du lendemain en France, en Allemagne, en Belgique et aux Pays-Bas. La méthodologie utilisée pour produire les prévisions est expliquée en détail. Les différences de précision des prévisions entre les modèles sont testées pour leur signification statistique. La méthode de gradient boosting a produit les prévisions les plus précises, suivi de près par une méthode d’ensemble. / In the context of the increase in the fraction of power generation coming from unpredictable renewable sources, electricity prices are as volatile as ever. This volatility makes forecasting future prices more difficult yet more valuable. In this research, a benchmark of 8 forecasting models is conducted on the task of predicting day-ahead wholesale electricity prices in France, Germany, Belgium and the Netherlands. The methodology used to produce the forecasts is explained in detail. The differences in forecast accuracy between the models are tested for statistical significance. Gradient boosting produced the most accurate forecasts, closely followed by an ensemble method.

Le problème de localisation-routage avec capacités (PLRC) apparaît comme un problème clé dans la conception de réseaux de distribution de marchandises. Il généralisele problème de localisation avec capacités (PLC) ainsi que le problème de tournées de véhicules à multiples dépôts (PTVMD), le premier en ajoutant des décisions liées au routage et le deuxième en ajoutant des décisions liées à la localisation des dépôts. Dans cette thèse on dévelope des outils pour résoudre le PLRC à l’aide de la programmation mathématique. Dans le chapitre 3, on introduit trois nouveaux modèles pour le PLRC basés sur des flots de véhicules et des flots de commodités, et on montre comment ceux-ci dominent, en termes de la qualité de la borne inférieure, la formulation originale à deux indices [19]. Des nouvelles inégalités valides ont été dévelopées et ajoutées aux modèles, de même que des inégalités connues. De nouveaux algorithmes de séparation ont aussi été dévelopés qui dans la plupart de cas généralisent ceux trouvés dans la litterature. Les résultats numériques montrent que ces modèles de flot sont en fait utiles pour résoudre des instances de petite à moyenne taille. Dans le chapitre 4, on présente une nouvelle méthode de génération de colonnes basée sur une formulation de partition d’ensemble. Le sous-problème consiste en un problème de plus court chemin avec capacités (PCCC). En particulier, on utilise une relaxation de ce problème dans laquelle il est possible de produire des routes avec des cycles de longueur trois ou plus. Ceci est complété par des nouvelles coupes qui permettent de réduire encore davantage le saut d’intégralité en même temps que de défavoriser l’apparition de cycles dans les routes. Ces résultats suggèrent que cette méthode fournit la meilleure méthode exacte pour le PLRC. Dans le chapitre 5, on introduit une nouvelle méthode heuristique pour le PLRC. Premièrement, on démarre une méthode randomisée de type GRASP pour trouver un premier ensemble de solutions de bonne qualité. Les solutions de cet ensemble sont alors combinées de façon à les améliorer. Finalement, on démarre une méthode de type détruir et réparer basée sur la résolution d’un nouveau modèle de localisation et réaffectation qui généralise le problème de réaffectaction [48]. / The capacitated location-routing problem (CLRP) arises as a key problem in the design of distribution networks. It generalizes both the capacitated facility location problem (CFLP) and the multiple depot vehicle routing problem (MDVRP), the first by considering additional routing decisions and the second by adding the location decision variables. In this thesis we use different mathematical programming tools to develop and specialize new models and algorithms for solving the CLRP. In Chapter 3, three new models are presented for the CLRP based on vehicle-flow and commodity-flow formulations, all of which are shown to dominate, in terms of the linear relaxation lower bound, the original two-index vehicle-flow formulation [19]. Known valid inequalities are complemented with some new ones and included using separation algorithms that in many cases generalize extisting ones found in the literature. Computational experiments suggest that flow models can be efficient for dealing with small or medium size instances of the CLRP (50 customers or less). In Chapter 4, a new branch-and-cut-and-price exact algorithm is introduced for the CLRP based on a set-partitioning formulation. The pricing problem is a shortest path problem with resource constraints (SPPRC). In particular, we consider a relaxation of such problem in which routes are allowed to contain cycles of length three or more. This is complemented with the development of new valid inequalities that are shown to be effective for closing the optimality gap as well as to restrict the appearance of cycles. Computational experience supports the fact that this method is now the best exact method for the CLRP. In Chapter 5, we introduce a new metaheuristic with the aim of finding good quality solutions in short or moderate computing times. First, a bundle of good solutions is generated with the help of a greedy randomized adaptive search procedure (GRASP). Following this, a blending procedure is applied with the aim of producing a better upper bound as a combination of all the others in the bundle. An iterative destroy-and-repair method is then applied using a location-reallocation model that generalizes the reallocation model due to de Franceschi et al. [48].

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème. / Network survivability is a very interesting area of technical study and a critical concern in network design. As more and more data are carried over communication networks, a single outage can disrupt millions of users and result in millions of dollars of lost revenue. Survivability techniques involve providing some redundant capacity within the network and automatically rerouting traffic around the failure using this redundant capacity. This thesis concerns the design of survivable optical networks using p-cycle based schemes, more particularly, path-protecting p-cycles, in link failure scenarios. Our study focuses on the placement of p-cycle protection structures assuming that the working routes for the set of connection requests are defined a priori. Most existing work carried out on p-cycles concerns heuristic algorithms or methods suffering from critical lack of scalability. Thus, the objective of this thesis is twofold: on the one hand, to propose scalable models and solution methods enabling to approach larger problem instances and on the other hand, to produce optimal or near optimal solutions with mathematically proven optimality gaps. For this, we rely on the column generation technique which is suitable to solve large scale linear programming problems. Here, column generation is used as an intelligent way of implicitly enumerating promising cycles to be part of p-cycle designs. At first, we propose mathematical formulations for the master and the pricing problems as well as the first column generation algorithm for the design of survivable networks based on path-protecting p-cycles. The resulting algorithm obtains better solutions within reasonable running time in comparison with existing methods. Then, a much more compact formulation of the pricing problem is obtained. In addition, we also propose a new hierarchical decomposition method which greatly improves the efficiency of the whole algorithm and allows us to solve larger problem instances. As for integer solutions, two heuristic approaches are proposed to obtain good solutions. Next, we dedicate our attention to a systematic comparison of p-cycles and classical shared protection schemes. We perform an accurate comparison by using a unified column generation framework to find provably good results. Afterwards, our study concerns an empirical evaluation of directed and undirected link- and path-protecting p-cycles under asymmetric traffic scenarios. We show how much additional protection cost results from employing bidirectional systems in such scenarios. Finally, we investigate a column generation formulation for the design of p-cycle networks under availability requirements and obtain the first lower bounds for the problem.

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université d'Avignon. / Les problèmes d’optimisation discrète sont pour beaucoup difficiles à résoudre, de par leur nature combinatoire. Citons par exemple les problèmes de programmation linéaire en nombres entiers. Une approche couramment employée pour les résoudre exactement est l’approche de Séparation et Évaluation Progressive. Une approche différente appelée « Resolution Search » a été proposée par Chvátal en 1997 pour résoudre exactement des problèmes d’optimisation à variables 0-1, mais elle reste mal connue et n’a été que peu appliquée depuis. Cette thèse tente de remédier à cela, avec un succès partiel. Une première contribution consiste en la généralisation de Resolution Search à tout problème d’optimisation discrète, tout en introduisant de nouveaux concepts et définitions. Ensuite, afin de confirmer l’intérêt de cette approche, nous avons essayé de l’appliquer en pratique pour résoudre efficacement des problèmes bien connus. Bien que notre recherche n’ait pas abouti sur ce point, elle nous a amené à de nouvelles méthodes pour résoudre exactement les problèmes d’affectation généralisée et de localisation simple. Après avoir présenté ces méthodes, la thèse conclut avec un bilan et des perspectives sur l’application pratique de Resolution Search. / The combinatorial nature of discrete optimization problems often makes them diffi- cult to solve. Consider for instance integer linear programming problems, which are commonly solved using a Branch-and-Bound approach. An alternative approach, Resolution Search, was proposed by Chvátal in 1997 for solving 0-1 optimization problems, but remains little known to this day and as such has seen few practical applications. This thesis attempts to remedy this state of affairs, with partial success. Its first contribution consists in the generalization of Resolution Search to any discrete optimization problem, while introducing new definitions and concepts. Next, we tried to validate this approach by attempting to solve well-known problems efficiently with it. Although our research did not succeed in this respect, it lead us to new methods for solving the generalized assignment and uncapacitated facility location problems. After presenting these methods, this thesis concludes with a summary of our attempts at practical application of Resolution Search, along with further perspectives on this matter.

Dans des contextes de post-urgence tels que le vit la partie occidentale de la République Démocratique du Congo (RDC), l’un des défis cruciaux auxquels font face les hôpitaux ruraux est de maintenir un niveau de médicaments essentiels dans la pharmacie. Sans ces médicaments pour traiter les maladies graves, l’impact sur la santé de la population est significatif. Les hôpitaux encourent également des pertes financières dues à la péremption lorsque trop de médicaments sont commandés. De plus, les coûts du transport des médicaments ainsi que du superviseur sont très élevés pour les hôpitaux isolés ; les coûts du transport peuvent à eux seuls dépasser ceux des médicaments. En utilisant la province du Bandundu, RDC pour une étude de cas, notre recherche tente de déterminer la faisabilité (en termes et de la complexité du problème et des économies potentielles) d’un problème de routage synchronisé pour la livraison de médicaments et pour les visites de supervision. Nous proposons une formulation du problème de tournées de véhicules avec capacité limitée qui gère plusieurs exigences nouvelles, soit la synchronisation des activités, la préséance et deux fréquences d’activités. Nous mettons en œuvre une heuristique « cluster first, route second » avec une base de données géospatiales qui permet de résoudre le problème. Nous présentons également un outil Internet qui permet de visualiser les solutions sur des cartes. Les résultats préliminaires de notre étude suggèrent qu’une solution synchronisée pourrait offrir la possibilité aux hôpitaux ruraux d’augmenter l’accessibilité des services médicaux aux populations rurales avec une augmentation modique du coût de transport actuel. / In post-emergency contexts such as in Western Democratic Republic of the Congo, also known as DR Congo, one of the crucial challenges that rural hospitals face is maintaining a pharmacy with essential medications and supplies. There is significant negative humanitarian impact when hospitals do not have essential medications for treatable life-threatening diseases; hospitals also incur financial losses when too much medication is ordered and it expires. Moreover, the cost of transporting medications and providing onsite supervision to remote hospitals is an extremely expensive endeavour. In some cases the transportation costs alone can surpass the cost of the medications. Using the province of Bandundu, DR Congo as a case study, we attempt to determine the feasibility (in terms of both problem complexity and potential savings) of a synchronized routing problem for medication delivery and on-site supervision visits. We propose a Capacitated Vehicle Routing Problem formulation that handles several novel requirements including activity-wise synchronization, precedence, and two activity frequencies. We implement a novel cluster-first, route-second heuristic with a geospatially-enabled database to solve the problem. We also present a Web-based tool to visualize the solutions in a map. The preliminary results of the research suggest that a synchronized solution could allow rural hospitals to increase the accessibility of medical services to rural populations with only a modest increase in transportation costs.