À l'ère de la mondialisation, l'environnement industriel et économique a subi plusieurs changements majeurs. Les chaînes logistiques sont en train de devenir de plus en plus de complexes réseaux composés de nombreux acteurs qui sont tantôt en concurrence et tantôt coopèrent pour répondre aux incessantes exigences des consommateurs. Dans un tel contexte, les entreprises se sont rapidement rendu compte de la limite du modèle complètement décentralisé où chacune d'entre elles optimise sa propre chaîne logistique indépendamment des autres acteurs. Afin de trouver de nouvelles sources de compétitivité et de faire face à la perpétuelle complexité de l'environnement économique, les entreprises tentent de dépasser la frontière des actions individuelles favorisant les actions coordonnées et centralisées. Désormais, la coopération entre les diverses chaînes logistiques et la formation d'alliances se trouvent au coeur des préoccupations des entreprises. En effet, en mutualisant les moyens logistiques, la coopération permet une meilleure exploitation des ressources et par le biais des actions collectives, elle permet de mieux bénéficier des économies d'échelles conduisant à réduire significativement les coûts et à générer des bénéfices considérables. Toutefois, dans de tels systèmes coopératifs, les acteurs sont indépendants et par ailleurs toujours intéressés en priorité par leurs profits individuels. De ce fait, la coopération soulève deux enjeux essentiels : (1) Quelles sont les alliances qui sont susceptibles de se former ? Et (2), comment partager les bénéfices réalisés sur les différents acteurs coopérants ? Dans cette thèse, nous nous intéressons au phénomène de la coopération dans les chaînes logistiques. Particulièrement, nous posons les précédentes questions dans des chaînes logistiques ou plusieurs firmes peuvent réduire leurs coûts logistiques en optant pour une gestion collective des stocks. Les principaux résultats de cette thèse portent sur l'utilisation des principes de la théorie des jeux coopératifs pour déterminer les alliances les plus profitables ainsi que la portion de profit que chaque firme doit recevoir afin de garder la stabilité des alliances formées.

À l'ère de la mondialisation, l’environnement industriel et économique a subi plusieurs changements majeurs. Les chaînes logistiques sont en train de devenir de plus en plus de complexes réseaux composés de nombreux acteurs qui sont tantôt en concurrence et tantôt coopèrent pour répondre aux incessantes exigences des consommateurs. Dans un tel contexte, les entreprises se sont rapidement rendu compte de la limite du modèle complètement décentralisé où chacune d’entre elles optimise sa propre chaîne logistique indépendamment des autres acteurs. Afin de trouver de nouvelles sources de compétitivité et de faire face à la perpétuelle complexité de l’environnement économique, les entreprises tentent de dépasser la frontière des actions individuelles favorisant les actions coordonnées et centralisées. Désormais, la coopération entre les diverses chaînes logistiques et la formation d’alliances se trouvent au coeur des préoccupations des entreprises. En effet, en mutualisant les moyens logistiques, la coopération permet une meilleure exploitation des ressources et par le biais des actions collectives, elle permet de mieux bénéficier des économies d’échelles conduisant à réduire significativement les coûts et à générer des bénéfices considérables. Toutefois, dans de tels systèmes coopératifs, les acteurs sont indépendants et par ailleurs toujours intéressés en priorité par leurs profits individuels. De ce fait, la coopération soulève deux enjeux essentiels : (1) Quelles sont les alliances qui sont susceptibles de se former ? Et (2), comment partager les bénéfices réalisés sur les différents acteurs coopérants ? Dans cette thèse, nous nous intéressons au phénomène de la coopération dans les chaînes logistiques. Particulièrement, nous posons les précédentes questions dans des chaînes logistiques ou plusieurs firmes peuvent réduire leurs coûts logistiques en optant pour une gestion collective des stocks. Les principaux résultats de cette thèse portent sur l’utilisation des principes de la théorie des jeux coopératifs pour déterminer les alliances les plus profitables ainsi que la portion de profit que chaque firme doit recevoir afin de garder la stabilité des alliances formées. / In the age of outsourcing and globalization, the economic and industrial landscape has seen many radical changes. In such context, supply chains are becoming complex networks of a large number of entities that sometimes compete and sometimes cooperate to fulfill customers’ needs. Standalone supply chains, where each entity makes its decisions so as to maximize its own profits according to its own objectives, often lead to a loss of efficiency and fail to face the complexity of the economic environment they are facing with. Cooperative structures, however, where resources/service facilities are shared and decisions are made to maximize the global profit, prove to be more beneficial and efficient. Consequentially, many companies are fundamentally changing their way of doing business by exceeding the border of standalone and individual actions toward collective actions and cooperative strategies. Therefore, building alliances appears as a successful strategy in modern supply chain networks. In general, cooperation enables a better exploitation of the system’s resources and offers the opportunity to get benefit from large economies of scope, which in turn reduces the total cost/increases the total savings. However, it raises two natural questions that need to be addressed: (1) Which coalitions can be expected to be formed? And, (2) How will the cooperating actors share their total profit? In this Ph.D. dissertation, we tempt to address these questions in retail supply chains where independent retailers coordinate their replenishment from a supplier in order to save on delivery costs. Considering various joint replenishment environments, our principal contribution is to use principles from cooperative game theory to identify the most profitable alliances and to determine the portion of profit that would be allocated to each actor in order to guarantee the stability of the formed alliances.

À cause des stratégies de production et de marketing de plus en plus ambitieuses tellesque le Juste-À-Temps et la production adaptée au client, les approches de collaboration logistique verticale qui sont courantes atteignent une limite d'efficacité notamment en transport. La collaboration logistique horizontale (CLH) et plus particulièrement la mutualisation, dont l'efficacité a été prouvée dans la littérature et dans les cas réels, a attiré l'attention des chercheurs ainsi que des praticiens. Cependatn, un des obstacles principaux à la mise en œuvre des CLHs est l'absence d'un mécanisme de collaboration raisonné, en particulier un mécanisme de partage des gains. Nous identifions deux formes d'organisation des CLHs : centralisée limité en pratique à de petites coalitions et décentralisée pouvant comprendre de nombreux participants. Pour des CLHs centralisées, nous proposons un modèle de collaboration qui est un processus de conduite qui intègre les outils d'aide à la décision. Nous développons également un mécanisme de partage par la théorie des jeux. Ce mécanisme est applicable aux différentes catégories des CLHs centralisées, qui peuvent être modélisées par des jeux coopératifs super-additif et non-super-additifs. Afin de proposer un plan de partage crédible aux collaborateurs, ce mécanisme de partage prend en compte la contribution de chacun des collaborateurs, la stabilité de la coalition et leur pouvoir de négociation. Ce cadre est illustré par des exemples numériques issus de cas logistiques. Pour la mise en œuvre des CLHs décentralisées, nous proposons un cadre de travail de logistique collaborative qui est ouvert aux participants potentiels, et avons conçu des protocoles fondés sur le mécanisme d'enchère combinatoire, qui spécifient l'allocation de demande de livraison et la détermination de paiement pour faciliter les collaborations. Cette dernière partie s'appuie sur la théorie dite de Mechanism design.

À cause des stratégies de production et de marketing de plus en plus ambitieuses tellesque le Juste-À-Temps et la production adaptée au client, les approches de collaboration logistique verticale qui sont courantes atteignent une limite d'efficacité notamment en transport. La collaboration logistique horizontale (CLH) et plus particulièrement la mutualisation, dont l'efficacité a été prouvée dans la littérature et dans les cas réels, a attiré l'attention des chercheurs ainsi que des praticiens. Cependatn, un des obstacles principaux à la mise en œuvre des CLHs est l'absence d'un mécanisme de collaboration raisonné, en particulier un mécanisme de partage des gains. Nous identifions deux formes d'organisation des CLHs : centralisée limité en pratique à de petites coalitions et décentralisée pouvant comprendre de nombreux participants. Pour des CLHs centralisées, nous proposons un modèle de collaboration qui est un processus de conduite qui intègre les outils d'aide à la décision. Nous développons également un mécanisme de partage par la théorie des jeux. Ce mécanisme est applicable aux différentes catégories des CLHs centralisées, qui peuvent être modélisées par des jeux coopératifs super-additif et non-super-additifs. Afin de proposer un plan de partage crédible aux collaborateurs, ce mécanisme de partage prend en compte la contribution de chacun des collaborateurs, la stabilité de la coalition et leur pouvoir de négociation. Ce cadre est illustré par des exemples numériques issus de cas logistiques. Pour la mise en œuvre des CLHs décentralisées, nous proposons un cadre de travail de logistique collaborative qui est ouvert aux participants potentiels, et avons conçu des protocoles fondés sur le mécanisme d'enchère combinatoire, qui spécifient l'allocation de demande de livraison et la détermination de paiement pour faciliter les collaborations. Cette dernière partie s'appuie sur la théorie dite de Mechanism design. / As the result of the more and more ambitious production and marketing strategies,such as Just-In-Time and increasing customization of products, the current vertical logistics collaboration approaches based on single supply chain seems insufficient to achieve further improvements in transportation efficiency. The horizontal logistics collaboration (HLC), which has been proved an effective approach to efficiency improvement, has attracted both academics and practitioners. One of the main barriers to the implementation of HLCs is the lack of feasible collaboration mechanism, in particular the gain sharing mechanism. We identify two organizational forms of HLCs: the centralized and decentralized ones. For centralized HLCs, we propose a collaboration model that is a collaboration conducting process integrating decision-aiding tools to guide the implementation of the collaboration. We also develop a generally applicable game-theoretic sharing mechanism for different categories of centralized HLCs modeled as super-additive and non-super-additive cooperative games. This sharing mechanism takes into account the collaborators' contribution, the coalition stability, and the bargaining power to propose a credible sharing scheme for collaborators. The approach is illustrated by numerical example taken from logistics cases. For the implementation of the decentralized HLCs, we propose an open collaborative logistics framework, and design the system protocols as the collaboration mechanism that specifies the combinatorial-auction-based request allocation and payment determination to foster the collaborations.

La thèse propose quatre contributions sur la méthode axiomatique. Les trois premiers chapitres utilisent le formalisme des jeux coopératifs à utilité transférable. Dans les deux premiers chapitres, une étude systématique de l'opération de nullification est menée. Les axiomes de retraits sont transformés en axiomes de nullification. Des caractérisations existantes de règles d’allocation sont revisitées, et des résultats totalement neufs sont présentés. Le troisième chapitre introduit et caractérise une valeur de Shapley proportionnelle, où les dividendes d’Harsanyi sont partagés en proportion des capacités des singletons concernés. Le quatrième chapitre propose une variante multi-dimensionnelle de l’indice de Hirsch. Une caractérisation axiomatique et une application aux classements sportifs sont fournies. / The dissertation provides four contributions on the axiomatic method. The first three chapters deal with cooperative games with transferable utility. In the first two chapters, a systematic study of the nullification operation is done. The removal axioms are translated into their nullified counterparts. Some existing characterizations are revisited, and completely new results are presented. The third chapter introduces and characterizes a proportional Shapley value in which the Harsanyi dividends are shared in proportion to the stand-alone worths of the concerned players. The fourth chapter proposes a multi-dimensional variant of the Hirsch index. An axiomatic characterization and an application to sports rankings are provided.

Cette thèse traite de l’analyse théorique et l’application d’une nouvelle famille de jeux coopératifs, où la valeur de chaque coalition peut être calculée à partir des contributions des joueurs par un opérateur additif qui décrit comme les capacités individuelles interagissent au sein de groupes. Précisément, on introduit une grande classe de jeux, les Generalized Additive Games, qui embrasse plusieurs classes de jeux coopératifs dans la littérature, et en particulier de graph games, où un réseau décrit les restrictions des possibilités d’interaction entre les joueurs. Des propriétés et solutions pour cette classe de jeux sont étudiées, avec l’objectif de fournir des outils pour l’analyse de classes de jeux connues, ainsi que pour la construction de nouvelles classes de jeux avec des propriétés intéressantes d’un point de vue théorique. De plus, on introduit une classe de solutions pour les communication situations, où la formation d’un réseau est décrite par un mécanisme additif, et dans la dernière partie de cette thèse on présente des approches avec notre modèle à des problèmes réels modélisés par des graph games, dans les domaines de la théorie de l’argumentation et de la biomédecine. / This thesis deals with the theoretical analysis and the application of a new family of cooperative games, where the worth of each coalition can be computed from the contributions of single players via an additive operator describing how the individual abilities interact within groups. Specifically, we introduce a large class of games, namely the Generalized Additive Games, which encompasses several classes of cooperative games from the literature, and in particular of graph games, where a network describes the restriction of the interaction possibilities among players. Some properties and solutions of such class of games are studied, with the objective of providing useful tools for the analysis of known classes of games, as well as for the construction of new classes of games with interesting properties from a theoretic point of view. Moreover, we introduce a class of solution concepts for communication situations, where the formation of a network is described by means of an additive pattern, and in the last part of the thesis we present two approaches using our model to real-world problems described by graph games, in the fields of Argumentation Theory and Biomedicine.

In contexts involving multiple agents (players), determining how they can cooperate through the formation of coalitions and how they can share surplus benefits coming from the collaboration is crucial. This can provide decision-aid to players and analysis tools for policy makers regulating economic markets. Such settings belong to the field of cooperative game theory. A critical element in this area has been the size of the representation of these games: for each possible partition of players, the value of each coalition on it must be provided. Symmetric partition function form games (SPFGs) belong to a class of cooperative games with two important characteristics. First, they account for externalities provoked by any group of players joining forces or splitting into subsets on the remaining coalitions of players. Second, they consider that players are indistinct, meaning that only the number of players in each coalition is relevant for the SPFG. Using mixed-integer programming, we present the first representation of SPFGs that is polynomial on the number of players in the game. We also characterize the family of SPFGs that we can represent. In particular, the representation is able to encode exactly all SPFGs with five players or less. Furthermore, we provide a compact representation approximating SPFGs when there are six players or more and the SPFG cannot be represented exactly. We also introduce a flexible framework that uses stability methods inspired from the literature to identify a stable social-welfare maximizing game outcome using our representation. We showcase the value of our compact (approximated) representation and approach to determine a stable partition and payoff allocation to a competitive market from the literature. / Dans tout contexte impliquant plusieurs agents (joueurs), il est impératif de déterminer comment les agents coopéreront par la formation de coalitions et comment ils partageront les bénéfices supplémentaires issus de la collaboration. Ceci peut fournir une aide à la décision aux joueurs, ou encore des outils d'analyse pour les responsables en charge de réguler les marchés économiques. De telles situations relèvent de la théorie des jeux coopérative. Un élément crucial de ce domaine est la taille de la représentation de ces jeux : pour chaque partition de joueurs possible, la valeur de chaque coalition qu'on y retrouve doit être donnée. Les jeux symétriques à fonction de partition (SPFG) appartiennent à une classe de jeux coopératifs possédant deux caractéristiques principales. Premièrement, ils sont sensibles aux externalités, provoquées par n'importe quel groupe de joueurs qui s'allient ou défont leurs alliances, qui sont ressenties par les autres coalitions de joueurs. Deuxièmement, ils considèrent que les joueurs sont indistincts, et donc que seul le nombre de joueurs dans chaque coalition est à retenir pour représenter un SPFG. Par l'utilisation d'outils de programmation mixte en nombres entiers, nous présentons la première représentation de SPFG qui est polynomiale en nombre de joueurs dans le jeu. De surcroît, nous caractérisons la famille des SPFG qu'il est possible de représenter, qui inclut notamment tous les SPFG de cinq joueurs ou moins. De plus, elle dispose d'une approximation compacte pour le cas où, dans un jeu à six joueurs ou plus, le SPFG ne peut pas être représenté de façon exacte. Également, nous introduisons un cadre flexible qui utilise des méthodes visant la stabilité inspirées par la littérature pour identifier, à l'aide de notre représentation, une issue stable qui maximise le bien-être social des joueurs. Nous démontrons la valeur de notre représentation (approximée) compacte et de notre approche pour sélectionner une partition stable et une allocation des profits dans une application de marché compétitif provenant de la littérature.

Plusieurs pays possèdent des programmes de don croisé de rein (PDCR). Le but de ces programmes est d’aider les patients ayant un donneur incompatible à obtenir une greffe, en échangeant les donneurs incompatibles entre les patients. Pour pouvoir obtenir des bassins de paires incompatibles de plus grande taille, il est possible d’élargir les PDCR pour y inclure plusieurs pays ou hôpitaux. Par contre, on doit s’attendre à ce que ces derniers agissent de façon stratégique pour maximiser le nombre de leurs patients obtenant une greffe. Avec ce cadre, on peut définir le problème de don croisé de rein à plusieurs agents. Dans ce mémoire, nous modélisons ce problème comme un jeu coopératif à utilité non- transférable et nous présentons le noyau faible comme solution à ce jeu. Nous étudions empiriquement notre solution sur des exemples basés sur des données réelles et montrons qu’elle est atteignable en pratique. Nous comparons aussi le noyau faible à une autre solution présente dans la littérature: les couplages résistants aux rejets. / In various countries, kidney paired donation programs (KPDs) are implemented. These programs aim to help patients with an incompatible donor to obtain a transplant by swapping the donors between the patients. In order to increase the size of the pool of incompatible patient-donor pairs and potentially enhance patient benefits, KPDs can be extended to include multiple countries or hospitals. However, unlike existing nationwide KPDs, strategic behaviour from these entities (agents) is to be expected. This gives rise to the multi-agent kidney exchange problem. In this work, we model for the first time this problem as a non-transferable utility game. We also propose and argue in favour of the use of the weak core as a solution concept for the game. Using integer programming tools, we empirically study our solution concept on instances from the literature, which are derived from real-world data, and show that it is attainable in practice. We also compare the weak core to another recently presented solution concept from the literature, the rejection-proof matching.