Avec la forte croissance du e-commerce et l'augmentation continue de la population des villes impliquant des niveaux de congestion plus élevés, les réseaux de distribution doivent déployer des échelons supplémentaires pour offrir un ajustement dynamique aux besoins des entreprises au cours du temps et faire face aux aléas affectant l’activité de distribution. Dans ce contexte, les praticiens s'intéressent aux réseaux de distribution à deux échelons. Dans cette thèse, nous commençons par présenter une revue complète des problèmes de design des réseaux de distribution et souligner des caractéristiques essentielles de modélisation. Ces aspects impliquent la structure à deux échelons, l’aspect multi-période, l’incertitude et les méthodes de résolution. Notre objectif est donc, d’élaborer un cadre complet pour le design d’un réseau de distribution efficace à deux échelons, sous incertitude et multi-périodicité, dans lequel les produits sont acheminés depuis les plateformes de stockage (WP) vers les plateformes de distribution (DP) avant d'être transportés vers les clients. Ce cadre est caractérisé par une hiérarchie temporelle entre le niveau de design impliquant des décisions relatives à la localisation des plateformes et à la capacité allouée aux DPs sur une échelle de temps annuelle, et le niveau opérationnel concernant des décisions journalières de transport. % sur une base journalière.Dans une première étude, nous introduisons le cadre complet pour le problème de design de réseaux de distribution à deux échelons avec une demande incertaine, une demande et un coût variables dans le temps. Le problème est formulé comme un programme stochastique à plusieurs étapes. Il implique au niveau stratégique des décisions de localisation des DPs ainsi que des décisions d'affectation des capacités aux DPs sur plusieurs périodes de design, et au niveau opérationnel des décisions de transport sous forme d'arcs origine-destination. Ensuite, nous proposons deux modèles alternatifs basés sur la programmation stochastique à deux étapes avec recours, et les résolvons par une approche de décomposition de Benders intégrée à une technique d’approximation moyenne d’échantillon (SAA). Par la suite, nous nous intéressons à la livraison du dernier kilomètre dans un contexte urbain où les décisions de transport dans le deuxième échelon sont caractérisées par des tournées de véhicules. Un problème multi-période stochastique de localisation-routage à deux échelons avec capacité (2E-SM-CLRP) est défini, dans lequel les décisions de localisation concernent les WPs et les DPs. Le modèle est un programme stochastique à deux étapes avec recours en nombre entier. Nous développons un algorithme de décomposition de Benders. Les décisions de localisation et de capacité sont déterminées par la solution du problème maître de Benders. Le sous-problème résultant est un problème multi-dépôt de tournées de véhicule avec des dépôts et véhicules capacitaires qui est résolu par un algorithme de branch-cut-and-price.Enfin, nous étudions le cadre à plusieurs étapes proposé pour le problème stochastique multi-période de design de réseaux de distribution à deux échelons et évaluons sa tractabilité. Pour ceci, nous développons une heuristique à horizon glissant qui permet d’obtenir des bornes de bonne qualité et des solutions de design pour le modèle à plusieurs étapes. / With the high growth of e-commerce and the continuous increase in cities population contrasted with the rising levels of congestion, distribution schemes need to deploy additional echelons to offer more dynamic adjustment to the requirement of the business over time and to cope with all the random factors. In this context, a two-echelon distribution network is nowadays investigated by the practitioners.In this thesis, we first present a global survey on distribution network design problems and point out many critical modeling features, namely the two-echelon structure, the multi-period setting, the uncertainty and solution approaches. The aim, here, is to propose a comprehensive framework for the design of an efficient two-echelon distribution network under multi-period and stochastic settings in which products are directed from warehouse platforms (WPs) to distribution platforms (DPs) before being transported to customers. A temporal hierarchy characterizes the design level dealing with facility-location and capacity decisions over a set of design periods, while the operational level involves transportation decisions on a daily basis.Then, we introduce the comprehensive framework for the two-echelon distribution network design problem under uncertain demand, and time-varying demand and cost, formulated as a multi-stage stochastic program. This work looks at a generic case for the deployment of a retailer's distribution network. Thus, the problem involves, at the strategic level, decisions on the number and location of DPs along the set of design periods as well as decisions on the capacity assignment to calibrate DP throughput capacity. The operational decisions related to transportation are modeled as origin-destination arcs. Subsequently, we propose alternative modeling approaches based on two-stage stochastic programming with recourse, and solve the resulting models using a Benders decomposition approach integrated with a sample average approximation (SAA) technique.Next, we are interested in the last-mile delivery in an urban context where transportation decisions involved in the second echelon are addressed through multi-drop routes. A two-echelon stochastic multi-period capacitated location-routing problem (2E-SM-CLRP) is defined in which facility-location decisions concern both WPs and DPs. We model the problem using a two-stage stochastic program with integer recourse. To solve the 2E-SM-CLRP, we develop a Benders decomposition algorithm. The location and capacity decisions are fixed from the solution of the Benders master problem. The resulting subproblem is a capacitated vehicle-routing problem with capacitated multi-depot (CVRP-CMD) and is solved using a branch-cut-and-price algorithm.Finally, we focus on the multi-stage framework proposed for the stochastic multi-period two-echelon distribution network design problem and evaluate its tractability. A scenario tree is built to handle the set of scenarios representing demand uncertainty. We present a compact formulation and develop a rolling horizon heuristic to produce design solutions for the multi-stage model. It provides good quality bounds in a reasonable computational times.

Etudes sur des problèmes de conception de réseau .Ce travail trouve sa motivation dans le grand nombre d’applications liées aux problèmes deconception de réseau, ainsi que dans leur complexités. En particulier, nous nous focalisonsur deux problèmes de conception de réseau, le Fixed Charge Uncapacitated NetworkDesign Problem with User-optimal Flow (FCNDP-UOF) et le Transmission ExpansionPlanning Problem with Redesign (TEPR). Bien qu’appartenant tout deux à la classe desproblèmes de conception de réseau, ils ont des structures différentes et spécifiques qui lesrendent intéressants.Le FCNDP-UOF est relatif au transport de produits dans les grands centres urbainset peut être modélisé comme un problème de programmation linéaire discret à deuxniveaux. Ce type de problème implique deux agents agissant simultanément plutôt queséquentiellement lors de la prise décisions. Au niveau supérieur, le leader est chargéde choisir un sous-ensemble d’arrêtes qui seront ouvertes afin de minimiser la somme descoûts fixes (d’ouverture d’arrête) et variable (de transport des commodités sur les arrêtes).Au niveau inférieur, le suiveur doit choisir un ensemble de plus courts chemins dans leréseau, par lesquels les produits seront envoyé. L’effet d’un agent sur l’autre est indirect:la décision du suiveur est affectée par le réseau conçu par le niveau supérieur, alors quela décision du leader est affectée par les coûts variables imposés par les chemins établisau niveau inférieur.Le TEPR est un problème permettant d’établir une stratégie d’expansion des réseaux detransport d’électricité en ajoutant ou supprimant des lignes de transmission. Au contrairedes autres problèmes de conception de réseau, tels que les problème des transport public,de transport de marchandises (problème de tournées de véhicules), transport de données(conception de réseau de télécommunication), l’ajout d’une ligne de transmission peutrendre impraticable une configuration qui avant etait réalisable. Cette caractéristique estdue au fait que le gestionnaire du réseau ne peut pas choisir la façon dont les lignes detransmission seront utilisées. Il ne peut agir que sur la répartition de la production etn’affecter qu’indirectement l’acheminement de l?énergie et ne peut que choisir les anglesde voltage. Cette caracteristique rend le problème a la fois très difficile et très intérêssant.L’objectif principal de cette thèse est d’étudier ces deux problèmes et de développer desalgorithmes exacts, des métaheuristiques et des méthodes hybrides. Pour le premièrproblème, on a étudié trois formulations mathemátiques, deux méthodes permettant detrouver des limites inférieures (une génération de colonnes et une heuristique) et on adéveloppé plusieurs méthodes qui ont été combinées pour obtenir une méthode de typeGRASP et une méthode de type Recherche Locale Itérative. Pour le deuxième problèmenous avons généré de nouvelles instances, développé deux nouvelles méthodes et testé cesdeux approches comme des alternatives à la résolution directe du modèle mathématique.La première méthode est une méthode de décomposition de Benders. La seconde est unecombinaison de la formulation mathématique avec un local branching.Toutes les méthodes ont été testées intensivement. Les résultats montrent l’efficacité desméthodes par rapport à l’état de l’art de chaque problème. / This thesis deals with two network design problems by means of exact, metaheuristic and hybrid techniques. The first problem studied here is the Fixed Charge Uncapacitated Network Design Problem with User-optimal Flow (FCNDP-UOF), which concerns routing multiple commodities from its origin to its destination by designing a network through selecting arcs, with an objective of minimizing the sum of the fixed costs of the selected arcs plus the sum of variable costs associated to the flows on each arc. Besides that, since the FCNDP-UOF is a bilevel problem, each commodity has to be transported through a shortest path, concerning the edges length, in the built network. To this problem existent mathematical formulations were studied and had its linear relaxations compared. After that, new heuristics and two new hybrid methods were tested. Computational experiments shows that the proposed algorithms for the FCNDP-UOF worked very well leading to a new state of the art method. The second problem studied is the Transmission Expansion Planning Problem with Redesign (TEPr), which given a new set of loads and an initial network, consists of adding or removing transmission lines in order to satisfy the new imposed loads, while minimizing the operational cost. The developed method is call Ring Partition Search and can be used as both exact and heuristic method. Computational experiments shows the impact of this method in comparison to the straight forward application of the mathematical formulation in a commercial solver. / Esta tese trata de dois problemas de planejamento de redes por meio de técnicas exatas,metaheurísticos e híbridos. O primeiro problema aqui estudado é o Problema de Planejamentode Redes com Rotas Ótimas para o Usuário (FCNDP-UOF), que diz respeitoao roteamento de múltiplos produtos desde sua origem até ao seu destino. Para realizareste roteamento uma rede é construída, minimizando a soma dos custos de adição dosarcos selecionados mais a soma dos custos variáveis associados aos fluxos em cada arco.Além disso, uma vez que o FCNDP-UOF é um problema de dois níveis, cada mercadoriatem que ser transportados por um caminho mais curto, relativo à ao comprimento dosarcos, na rede construída. Para este problema formulações matemáticas existentes foramestudadas e tiveram a força de suas relaxações lineares comparada. Depois disso, umanova heurística e dois novos métodos híbridos foram testados. Os experiências computacionaismostram que os algoritmos propostos para o FCNDP-UOF funcionam muito bemsuperando o estado da arte do problema. O segundo problema estudado é o problema dePlanejamento de Expansão de Redes de Transmissão com Redimensionamento (TEPR),que dado um novo conjunto de demandas e uma rede inicial, consiste na adição ou remoçãode linhas de transmissão, a fim de satisfazer as novas demandas impostas, minimizandoo custo operacional. Dois métodos foram desenvolvidos. O primeiro é uma decomposiçãode benders onde um conjunto de variáveis continuas é permitido no problema mestre,melhorando assim o limite da relaxação inicial. O segundo, chamado Busca Particionadaem Anéis, pode ser usado tanto como método exato e heurística. Experimentos computacionaismostraram o impacto destes métodos em comparação com a aplicação direta daformulação matemática em um solver comercial.