Le problème de tournées de véhicules (VRP) implique de planifier les itinéraires d'une flotte de véhicules afin de desservir un ensemble de clients à moindre coût. Ce problème d'optimisation combinatoire NP-difficile apparait dans de nombreux domaines d'application, notamment en logistique, télécommunications, robotique ou gestion de crise dans des contextes militaires et humanitaires. Ces applications amènent différents contraintes, objectifs et décisions supplémentaires ; des "attributs" qui viennent compléter les formulations classiques du problème. Les nombreux VRP Multi-Attributs (MAVRP) qui s'ensuivent sont le support d'une littérature considérable, mais qui manque de méthodes généralistes capables de traiter efficacement un éventail significatif de variantes. Par ailleurs, la résolution de problèmes "riches", combinant de nombreux attributs, pose d'importantes difficultés méthodologiques. Cette thèse contribue à relever ces défis par le biais d'analyses structurelles des problèmes, de développements de stratégies métaheuristiques, et de méthodes unifiées. Nous présentons tout d'abord une étude transversale des concepts à succès de 64 méta-heuristiques pour 15 MAVRP afin d'en cerner les "stratégies gagnantes". Puis, nous analysons les problèmes et algorithmes d'ajustement d'horaires en présence d'une séquence de tâches fixée, appelés problèmes de "timing". Ces méthodes, développées indépendamment dans différents domaines de recherche liés au transport, ordonnancement, allocation de ressource et même régression isotonique, sont unifiés dans une revue multidisciplinaire. Un algorithme génétique hybride efficace est ensuite proposé, combinant l'exploration large des méthodes évolutionnaires, les capacités d'amélioration agressive des métaheuristiques à voisinage, et une évaluation bi-critère des solutions considérant coût et contribution à la diversité de la population. Les meilleures solutions connues de la littérature sont retrouvées ou améliorées pour le VRP classique ainsi que des variantes avec multiples dépôts et périodes. La méthode est étendue aux VRP avec contraintes de fenêtres de temps, durée de route, et horaires de conducteurs. Ces applications mettent en jeu de nouvelles méthodes d'évaluation efficaces de contraintes temporelles relaxées, des phases de décomposition, et des recherches arborescentes pour l'insertion des pauses des conducteurs. Un algorithme de gestion implicite du placement des dépôts au cours de recherches locales, par programmation dynamique, est aussi proposé. Des études expérimentales approfondies démontrent la contribution notable des nouvelles stratégies au sein de plusieurs cadres méta-heuristiques. Afin de traiter la variété des attributs, un cadre de résolution heuristique modulaire est présenté ainsi qu'un algorithme génétique hybride unifié (UHGS). Les attributs sont gérés par des composants élémentaires adaptatifs. Des expérimentations sur 26 variantes du VRP et 39 groupes d'instances démontrent la performance remarquable de UHGS qui, avec une unique implémentation et paramétrage, égalise ou surpasse les nombreux algorithmes dédiés, issus de plus de 180 articles, révélant ainsi que la généralité ne s'obtient pas forcément aux dépends de l'efficacité pour cette classe de problèmes. Enfin, pour traiter les problèmes riches, UHGS est étendu au sein d'un cadre de résolution parallèle coopératif à base de décomposition, d'intégration de solutions partielles, et de recherche guidée. L'ensemble de ces travaux permet de jeter un nouveau regard sur les MAVRP et les problèmes de timing, leur résolution par des méthodes méta-heuristiques, ainsi que les méthodes généralistes pour l'optimisation combinatoire. / The Vehicle Routing Problem (VRP) involves designing least cost delivery routes to service a geographically-dispersed set of customers while taking into account vehicle-capacity constraints. This NP-hard combinatorial optimization problem is linked with multiple applications in logistics, telecommunications, robotics, crisis management in military and humanitarian frameworks, among others. Practical routing applications are usually quite distinct from the academic cases, encompassing additional sets of specific constraints, objectives and decisions which breed further new problem variants. The resulting "Multi-Attribute" Vehicle Routing Problems (MAVRP) are the support of a vast literature which, however, lacks unified methods capable of addressing multiple MAVRP. In addition, some "rich" VRPs, i.e. those that involve several attributes, may be difficult to address because of the wide array of combined and possibly antagonistic decisions they require. This thesis contributes to address these challenges by means of problem structure analysis, new metaheuristics and unified method developments. The "winning strategies" of 64 state-of-the-art algorithms for 15 different MAVRP are scrutinized in a unifying review. Another analysis is targeted on "timing" problems and algorithms for adjusting the execution dates of a given sequence of tasks. Such methods, independently studied in different research domains related to routing, scheduling, resource allocation, and even isotonic regression are here surveyed in a multidisciplinary review. A Hybrid Genetic Search with Advanced Diversity Control (HGSADC) is then introduced, which combines the exploration breadth of population-based evolutionary search, the aggressive-improvement capabilities of neighborhood-based metaheuristics, and a bi-criteria evaluation of solutions based on cost and diversity measures. Results of remarkable quality are achieved on classic benchmark instances of the capacitated VRP, the multi-depot VRP, and the periodic VRP. Further extensions of the method to VRP variants with constraints on time windows, limited route duration, and truck drivers' statutory pauses are also proposed. New route and neighborhood evaluation procedures are introduced to manage penalized infeasible solutions w.r.t. to time-window and duration constraints. Tree-search procedures are used for drivers' rest scheduling, as well as advanced search limitation strategies, memories and decomposition phases. A dynamic programming-based neighborhood search is introduced to optimally select the depot, vehicle type, and first customer visited in the route during local searches. The notable contribution of these new methodological elements is assessed within two different metaheuristic frameworks. To further advance general-purpose MAVRP methods, we introduce a new component-based heuristic resolution framework and a Unified Hybrid Genetic Search (UHGS), which relies on modular self-adaptive components for addressing problem specifics. Computational experiments demonstrate the groundbreaking performance of UHGS. With a single implementation, unique parameter setting and termination criterion, this algorithm matches or outperforms all current problem-tailored methods from more than 180 articles, on 26 vehicle routing variants and 39 benchmark sets. To address rich problems, UHGS was included in a new parallel cooperative solution framework called "Integrative Cooperative Search (ICS)", based on problem decompositions, partial solutions integration, and global search guidance. This compendium of results provides a novel view on a wide range of MAVRP and timing problems, on efficient heuristic searches, and on general-purpose solution methods for combinatorial optimization problems. / Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université de Technologie de Troyes

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Les entreprises de transport et de distribution sont confrontées à des difficultés d’exploitation liées à la taille et à la complexité de leur processus de livraison. Dans cette problématique, nous proposons une approche globale du Problème Général de Livraison (PGL).Au niveau méthodologique, c’est une approche hiérarchique (stratégique, tactique, opérationnelle) et structurée. Il s’agit de concevoir et d’exploiter un PGL en le décomposant en problèmes de livraisons élémentaires identifiés et le plus possible indépendants les uns des autres (problèmes de transport, de hubs, d’agences, de tournées...).Au niveau algorithmique, des modèles et algorithmes de résolution ont été proposés pour résoudre ces problèmes élémentaires de livraison dans la phase opérationnelle en tenant compte, en particulier, du nombre et de la capacité limités des moyens de transport.Au niveau applicatif, deux exemples réels sont traités : le système de livraison d’une entreprise de Vente à Distance et le système de livraison des casernes de pompiers du Nord de la France à partir de la pharmacie centrale de Lille / Transport and delivery companies are confronted by difficulties in their transportation process due to the scale and the complexity of their distribution process. In this context, we propose a comprehensive approach to General Delivery Problem (GDP). In terms of methodology, it is a hierarchical (strategic, tactical and operational) and structured approach. It consists of designing and decomposing the GDP into well identified basic delivery problems as independent as possible. These basic transport problems involve the problems about transportation, intermediate facility, agencies, routings, etc. At the algorithm level, models and solution algorithms have been proposed to solve these basic delivery problems in the operational phase, taking account in particular transportation restriction about the number and capacity of vehicles.At the application level, two real examples are discussed: one is the delivery system of a delivery company; the other one is the delivery system of the Regional Fire and Emergency Center in the north of France

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Cette thèse s’intéresse au problème classique de tournées de véhicules avec contraintes de capacité (CVRP pour Capacitated Vehicle Routing Problem) ainsi qu’une variante beaucoup plus complexe, soit le problème de tournées de véhicules dépendant du temps avec fenêtres de temps et points de transfert défini sur un réseau routier (TDVRPTWTP-RN pour Time-Dependent Vehicle Routing Problem with Time Windows and Transfer Points on a Road Network). Dans le premier article, le TDVRPTWTP-RN est résolu en adaptant une métaheuristique qui représente l’état de l’art pour le CVRP, appelé Slack Induction for String Removals (SISR). Cette métaheuristique fait appel au principe “détruire et reconstruire” en retirant des séquences de clients consécutifs dans les routes de la solution courante et en réinsérant ensuite ces clients de façon à créer une nouvelle solution. Le problème est défini sur un réseau routier où différents chemins alternatifs peuvent être utilisés pour se déplacer d’un client à l’autre. De plus, le temps de parcours sur chacun des arcs du réseau n’est pas fixe, mais dépend du moment où le véhicule quitte le sommet origine. S’inspirant de problèmes rencontrés en logistique urbaine, nous considérons également deux types de véhicules, de petite et grande capacité, où les grands véhicules sont interdits de passage au centre-ville. Ainsi, les clients du centre-ville ne peuvent être servis que suite au transfert de leur demande d’un grand à un petit véhicule à un point de transfert. Comme un point de transfert n’a pas de capacité, une problématique de synchronisation apparaît quand un grand véhicule doit y rencontrer un ou plusieurs petits véhicules pour leur transférer une partie de son contenu. Contrairement aux problèmes stricts de tournées de véhicules à deux échelons, les grands véhicules peuvent aussi servir des clients localisés à l’extérieur du centre-ville. Comme le problème abordé est beaucoup plus complexe que le CVRP, des modifications importantes ont dû être apportées à la métaheuristique SISR originale. Pour évaluer la performance de notre algorithme, un ensemble d’instances tests a été généré à partir d’instances existantes pour le TDVRPTW-RN. Les réseaux omt été divisés en trois régions : centre-ville, frontière et extérieur. Le centre-ville et l’extérieur sont respectivemnt les royaumes des petits et grands véhicules, tandis que la frontière (où l’on retrouve les points de transfert) peut être visité par les deux types de véhicules. Les résultats numériques montrent que la métaheuristique proposée exploite les opportunités d’optimiser une solution en déplaçant autant que possible les clients neutres, soit ceux qui peuvent être servis indifféremment par un petit ou un grand véhicule, des routes des petits véhicules vers les routes des grands véhicules, réduisant ainsi les coûteuses visites aux points de transfert. Les deuxième et troisième article s’intéressent à des concepts plus fondamentaux et font appel au problème plus simple du CVRP pour les évaluer. Dans le second article, un étude expérimentale est conçue afin d’examiner l’impact de données (distances) imprécises sur la performance de différents types d’heuristiques, ainsi qu’une méthode exacte, pour le CVRP. À cette fin, différents niveaux d’imprécision ont été introduits dans des instances tests classiques pour le CVRP avec 100 à 1 000 clients. Nous avons observé que les meilleures métaheuristiques demeurent les meilleures, même en présence de hauts niveaux d’imprécision, et qu’elles ne sont pas affectées autant par les imprécisions qu’une heuristique simple. Des expériences avec des instances réelles ont mené aux mêmes conclusions. Le troisième article s’intéresse à l’intégration de l’apprentissage automatique dans la métaheuristique SISR qui représente l’état de l’art pour le CVRP. Dans ce travail, le principe “détruire et reconstruire” au coeur de SISR est hybridé avec une méthode d’apprentissage par renforcement qui s’inspire des systèmes de colonies de fourmis. L’ap- prentissage automatique a pour but d’identifier les arêtes les plus intéressantes, soit celles qui se retrouvent le plus fréquemment dans les solutions de grande qualité précédemment rencontrées au cours de la recherche. L’inclusion de telles arêtes est alors favorisé lors de la réinsertion des clients ayant été retirés de la solution par le mécanisme de destruction. Les instances utilisées pour tester notre approche hybride sont les mêmes que celles du second article. Nous avons observé que notre algorithme ne peut produire que des solutions lé- gèrement meilleures que la métaheuristique SISR originale, celle-ci étant déjà quasi-optimale. / This thesis is concerned both with the classical Capacitated Vehicle Routing Problem (CVRP) and a much more complex variant called the Time-Dependent Vehicle Routing Problem with Time Windows and Transfer Points on a Road Network (TDVRPTWTP-RN ). In the first paper, the TDVRPTWTP RN is solved by adapting a state-of-the-art metaheuris- tic for the CVRP, called Slack Induction for String Removals (SISR). This metaheuristic is based on the ruin and recreate principle and removes strings of consecutive customers in the routes of the current solution and then reinserts the removed customers to create a new solution. The problem is formulated in a full road network where different alternative paths can be used to go from one customer to the next. Also, the travel time on each arc of the road network is not fixed, but depends on the departure time from the origin node. Motivated from city logistics applications, we also consider two types of vehicles, large and small, with large vehicles being forbidden from the downtown area. Thus, downtown customers can only be served through a transfer of their goods from large to small vehicles at designated transfer points. Since transfer points have no capacity, synchronization issues arise when a large vehicle must meet one or more small vehicles to transfer goods. As opposed to strict two-echelon VRPs, large vehicles can also directly serve customers that are outside of the downtown area. Given that the TDVRPTWTP-RN is much more complex than the CVRP, important modifications to the original SISR metaheuristic were required. To evaluate the performance of our algorithm, we generated a set of test instances by extending existing instances of the TDVRPTW-RN . The road networks are divided into three regions: downtown, boundary and outside. The downtown and outside areas are the realm of small and large vehicles, respectively, while the boundary area that contains the transfer points can be visited by both small and large vehicles. The results show that the proposed metaheuristic exploits optimization opportunities by moving as much as possible neutral customers (which can be served by either small or large vehicles) from the routes of small vehicles to those of large vehicles, thus avoiding costly visits to transfer points. The second and third papers examine more fundamental issues, using the classical CVRP as a testbed. In the second paper, an experimental study is designed to examine the impact of inaccurate data (distances) on the performance of different types of heuristics, as well as one exact method, for the CVRP. For this purpose, different levels of distance inaccuracies were introduced into well-known benchmark instances for the CVRP with 100 to 1,000 customers. We observed that the best state-of-the-art metaheuristics remain the best, even in the presence of high inaccuracy levels, and that they are not as much affected by inaccuracies when compared to a simple heuristic. Some experiments performed on real-world instances led to the same conclusions. The third paper focuses on the integration of learning into the state-of-the-art SISR for the CVRP. In this work, the ruin and recreate mechanism at the core of SISR is enhanced by a reinforcement learning technique inspired from ant colony systems. The learning component is aimed at identifying promising edges, namely those that are often found in previously encountered high-quality solutions. The inclusion of these promising edges is then favored during the reinsertion of removed customers. The benchmark instances of the second paper were also used here to test the new hybrid algorithm. We observed that the latter can produce only slightly better solutions than the original SISR, due to the quasi-optimality of the original solutions.