L’interconnexion croissante dans les systèmes de transports a conduit à la modélisation de nouvelles contraintes, dites contraintes de synchronisation, dans les problèmes de tournées de véhicules. Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux cas dans lesquels ce type de problématiques apparaît. Dans un premier temps, nous proposons une méthode heuristique pour un problème à deux échelons rencontré pour la distribution de marchandises en ville. Dans un second temps, nous étudions l’intégration d’un cross-dock dans des tournées de collectes et livraisons. Une première contribution à ce sujet concerne le problème de tournées de véhicules avec cross-docking, et une seconde contribution intègre, en plus, des contraintes de ressources au cross-dock dans le problème de routage. Une méthode pour un problème de chargement 3D, étudié lors d’un stage doctoral en entreprise, est également présentée. / Transportation systems are more and more interconnected, this has lead to a new kind of constraints, called synchronization constraints, in vehicle routing problems. In this thesis, we study two cases in which this type of constraints arises. First, we propose a heuristic method for a two-echelon problem arising in City Logistics. Second, we study the integration of a cross-dockin pickup and delivery vehicle routing problems. To that end we propose a matheuristic for the vehicule routing problem with cross-docking, and we propose an extension of this problem that integrates specific resource synchonization constraints arising at the cross-dock. A method for a 3D loading problem is also presented.

Dans ce mémoire, nous présentons une méthode de résolution du problème de tournées de véhicules grâce à une approche polyèdrale. Un état de l'art est fait sur la connaissance du polyèdre correspondant aux solutions de ce probleme et de nouvelles inégalités valides (et induisant des facettes) sont présentées pour ce polyèdre. Nous décrivons ensuite des heuristiques pour la séparation des contraintes les plus importantes ainsi qu'un algorithme de "Branchement et Coupe" qui nous permet d'améliorer les résultats connus pour la résolution exacte du problème de tournées.

De nombreux problèmes d'optimisation issus du monde réel, notamment dans le domaine de la logistique, doivent faire face à beaucoup de difficultés. En effet, ils sont souvent caractérisés par des espaces de recherche vastes et complexes, de multiples fonctions objectif contradictoires, et une foule d'incertitudes qui doivent être prises en compte. Les métaheuristiques sont des candidates naturelles pour résoudre ces problèmes, ce qui les rend préférables aux méthodes d'optimisation classiques. Toutefois, le développement de métaheuristiques efficaces découle d'un processus de recherche complexe. Le cœur de ce travail réside en la conception, l'implémentation et l'analyse expérimentale de métaheuristiques pour l'optimisation multiobjectif, ainsi que leurs applications à des problèmes logistiques de tournées et d'ordonnancement. Tout d'abord, une vue unifiée de ces approches est présentée, puis intégrée dans une plateforme logicielle dédiée à leur implémentation, ParadisEO-MOEO. Ensuite, plusieurs approches de coopération, combinant des métaheuristiques pour l'optimisation multiobjectif, sont proposées. Enfin, la question de la prise en compte l'incertitude est abordée dans le contexte de l'optimisation multiobjectif.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la résolution approchée de problèmes de tournées de véhicules. Nous avons exploité des travaux menés sur les graphes d'intervalles et des propriétés de dominance relatives aux tournées saturées pour traiter les problèmes de tournées sélectives plus efficacement. Des approches basées sur un algorithme d'optimisation par essaim particulaire et un algorithme mémétique ont été proposées. Les métaheuristiques développées font appel à un ensemble de techniques particulièrement efficaces telles que le découpage optimal, les opérateurs de croisement génétiques ainsi que des méthodes de recherches locales. Nous nous sommes intéressés également aux problèmes de tournées classiques avec fenêtres de temps. Différents prétraitements ont été introduits pour obtenir des bornes inférieures sur le nombre de véhicules. Ces prétraitements s'inspirent de méthodes issues de modèles de graphes, de problème d'ordonnancement et de problèmes de bin packing avec conflits. Nous avons montré également l'utilité des méthodes développées dans un contexte industriel à travers la réalisation d'un portail de services mobilité.

Les problèmes de tournées de véhicules sont des problèmes d’optimisation combinatoire épineux avec des enjeux économiques et environnementaux importants au sein de la chaîne logistique. Le problème fondamental est de desservir des clients avec un ensemble de véhicules de façon à minimiser la distance totale parcourue. En pratique, il y a une grande variété d’objectifs et de contraintes additionnelles, liées à la législation et à la diversité des domaines d’applications. Ces problèmes de tournées sont très fréquents pour de nombreuses industries et la conception d’approches de résolution génériques est devenue une question de recherche importante.Cette thèse porte sur la conception et le développement d’un nouveau moteur de résolution pour les logiciels de tournées de véhicules proposés par l’entreprise GEOCONCEPT. Le solveur mis au point s’appuie sur la programmation par contraintes (PPC) pour améliorer la flexibilité (prise en compte de contraintes additionnelles), la déclarativité et la maintenance qui sont les limites des solveurs actuels de GEOCONCEPT fondés sur la recherche locale.Dans un premier temps, un modèle de graphe est établi pour la représentation unifiée des données et de nombreuses contraintes métiers. La résolution s’effectue par des approches à base de voisinage large disponibles dans les solveurs de PPC modernes. On peut ainsi traiter des instances de très grandes tailles efficacement tout en conservant une approche déclarative pour exprimer une classe très large de problèmes de tournées de véhicules. Dans un second temps, des modèles PPC s’appuyant sur des représentations redondantes du problème sont proposés afin de renforcer le filtrage. Nous nous intéressons en détails aux mécanismes de filtrage c’est-à-dire aux processus d’élimination des valeurs infaisables ou sous-optimales dans les domaines des variables. Ces algorithmes permettent de simplifier rapidement le problème et de fournir des bornes inférieures afin d’évaluer la qualité des solutions obtenues. Les bornes inférieures sont obtenues en résolvant des relaxations du plus célèbre des problèmes de la Recherche Opérationnelle : le problème du voyageur de commerce (TSP). Ce problème est le cœur de la contrainte globale weightedcircuit permettant de modéliser les problèmes de tournées en PPC. Nous proposons de nouveaux mécanismes de filtrage pour cette contrainte s’appuyant sur trois relaxations du TSP. Ces relaxations sont comparées sur les plans théorique et expérimental. L’originalité de ce travail est de proposer un nouvel algorithme de filtrage permettant de raisonner à la fois sur les successeurs directs d’un client et sur sa position dans la tournée. Ces raisonnements sont particulièrement utiles en présence de contraintes de fenêtres de temps, très communes dans les problèmes industriels.Le nouveau moteur de résolution offre d’excellentes performances sur des problèmes académiques et industriels tout en proposant des bornes inférieures informatives à des problèmes industriels réels. / Vehicle routing problems are very hard combinatorial optimization problems with significant economic and environmental challenges. The fundamental problem is to visit a set of customers with a given fleet of vehicles in order to minimize the total distance travelled. Moreover, these problems arise with a wide variety of objectives and additional constraints, related to the legislation and the diversity of industrial sectors. They are very common for many industries and the design of generic solvers has become an important research issue.This thesis focuses on the design and implementation of a new solver for the vehicle routing services offered by the company GEOCONCEPT. The proposed solver is based on constraint programming (CP) to improve flexibility (ability to take additional constraints into account), declarative modelling and maintenance, which are the limits of current GEOCONCEPT solvers based on local search.Firstly, a graph model is established to provide a common representation of the input-data and the numerous business constraints. The resolution is performed using large neighbourhood search methods available in modern CP solvers. It is thus possible to deal with large instances efficiently with a declarative approach where a broad class of vehicle routing problems can be modelled. Secondly, several CP models based on redundant views of the problem are proposed to strengthen the filtering. We focus on the filtering mechanisms for removing infeasible or suboptimal values in the domains of the variables. These algorithms can quickly simplify the problem and derive lower bounds to assert the quality of the solutions found. The lower bounds are obtained by solving relaxations of the most famous problem in Operations Research: the Traveling Salesman Problem (TSP). This problem is the core of the global constraint WEIGTEHDCIRCUIT for modelling routing problems in CP. We propose new filtering algorithms for this constraint based on three relaxations of the TSP. These relaxations are compared theoretically and experimentally. The originality of this work is to propose a new filtering algorithm for reasoning on the direct successors of a customer as well as his position in the tour. It is particularly useful in the presence of time window constraints, which are very common in industrial problems.The new solver shows excellent performance on academic and industrial problems and can compute informative lower bounds for real-life problems.

Dans le problème de tournées avec gestion de stock ou "Inventory Routing Problem" (IRP), le fournisseur a pour mission de surveiller les niveaux de stock d'un ensemble de clients et gérer leur approvisionnement en prenant simultanément en compte les coûts de transport et de stockage. Etant données les nouvelles exigences de développement durable et de transport écologique, nous étudions l'IRP sous une perspective énergétique, peu de travaux s'étant intéressés à cet aspect. Plus précisément, la thèse identifie les facteurs principaux influençant la consommation d'énergie et évalue les gains potentiels qu'une meilleure planification des approvisionnements permet de réaliser. Un problème relatif à l'approvisionnement en composants de chaînes d'assemblage d'automobiles est tout d'abord considéré pour lequel la masse transportée, la dynamique du véhicule et la distance parcourue sont identifiés comme les principaux facteurs impactant la consommation énergétique. Ce résultat est étendu à l'IRP classique et les gains potentiels en termes d'énergie sont analysés. Un problème industriel de tournées avec gestion de stock est ensuite étudié et résolu, notamment à l'aide d'une méthode de génération de colonnes. Ce problème met en évidence les limitations du modèle IRP classique, ce qui nous a amené à définir un modèle d'IRP plus réaliste. Finalement, une méthode de décomposition basée sur la relaxation lagrangienne est développée pour la résolution de ce problème dans le but de minimiser la consommation énergétique / The thesis studies the Inventory Routing Problem (IRP) with explicit energy consideration. Under the Vendor Managed Inventory (VMI) model, the IRP is an integration of the inventory management and routing, where both inventory storage and transportation costs are taken into account. Under the new sustainability paradigm, green transport and logistics has become an emerging area of study, but few research focus on the ecological aspect of the classical IRP. Since the classical IRP concentrates solely on the economic benefits, it is worth studying under the energy perspective. The thesis gives an estimation of the energetic gain that a better supplying plan can provide. More specifically, this thesis integrates the energy consumption into the decision of the inventory replenishment and routing. It starts with a part supplying problem in car assembly lines, where the transported mass, the vehicle dynamics and the travelled distance are identified as main energy influencing factors. This result is extended to the classical IRP with energy objective to show the potential energy reduction that can be achieved. Then, an industrial challenge of IRP is presented and solved using a column generation approach. This problem put the limitations of the classical IRP model in evidence, which brings us to define a more realistic IRP model on a multigraph. Finally, a Lagrangian relaxation method is presented for solving this new model with the aim of energy minimization.

Les problèmes de tournées de véhicules (VRPs) ont fait l’objet de plusieurs travaux de recherche depuis maintenant plus de 50 ans. La plupart des approches trouvées dans la littérature s’appuient sur un graphe complet ou un nœud est introduit pour tout point d’intérêt du réseau routier (typiquement les clients et le dépôt). Cette modélisation est, implicitement, basée sur l’hypothèse que le meilleur chemin entre toute paire de points du réseau routier est bien défini. Cependant, cette hypothèse n’est pas toujours valide dans de nombreuses situations. Souvent, plus d’informations sont nécessaires pour modéliser et résoudre correctement le problème. Nous commençons par examiner ces situations et définir les limites de la modélisation basée sur un graphe complet. Nous proposons un état de l’art des travaux qui examinent ces limites et qui traitent des VRPs en considérant plus d’informations issues du réseau routier. Nous décrivons les approches alternatives proposées, à savoir la modélisation utilisant un multi-graphe et celle utilisant la résolution directe sur un graph représentant le réseau routier. Dans une seconde étude, nous nous intéressons à l’approche basée sur la construction d’un multi-graphe. Nous proposons, d’abord, un algorithme qui permet de calculer d’une manière efficace la représentation par multi-graph du réseau routier. Puis, nous présentons une analyse empirique sur l’impact de cette modélisation sur la qualité de la solution. Pour ce faire, nous considérons le problème classique VRPTW comme un problème de pilote. Par la suite, nous développons une méthode heuristique efficace afin de résoudre le VRPTW basée sur une représentation par un multi-graphe.Dans une troisième étape, nous nous concentrons sur l’approche basée sur la résolution directe du problème sur un graphe représentant le réseau routier. Nous développons un algorithme de type branch-and-price pour la résolution de cette variante du problème. Une étude expérimentale est, ensuite, menée afin d’évaluer l’efficacité relative des deux approches. Enfin, nous étudions les problèmes de tournées de véhicules dans lesquels les temps de parcours varient au cours de la journée. Nous proposons un algorithme de type branch-and-price afin de résoudre le problème avec des fenêtres de temps directement sur le graphe représentant le réseau routier. Une analyse empirique sur l’impact de l’approche proposée sur la qualité de la solution est proposée. / Vehicle routing problems (VRPs) have drawn many researchers’ attention for more than fifty years. Most approaches found in the literature are, implicitly, based on the key assumption that the best path between each two points of interest in the road network (customers, depot, etc.) can be easily defined. Thus, the problem is tackled using the so-called customer-based graph, a complete graph representation of the road network. In many situations, such a graph may fail to accurately represent the original road network and more information are needed to address correctly the routing problem.We first examine these situations and point out the limits of the traditional customer-based graph. We propose a survey on works investigating vehicle routing problems by considering more information from the road network. We outline the proposed alternative approaches, namely the multigraph representation and the road network approach.Then, we are interested in the multigraph approach. We propose an algorithm that efficiently compute the multigraph representation for large sized road networks. We present an empirical analysis on the impact of the multigraph representation on the solution quality for the VPR with time windows (VRPTW) when several attributes are defined on road segments. Then, we develop an efficient heuristic method for the multigraph-based VRPTW.Next, we investigate the road network approach. We develop a complete branch-and-price algorithm that can solve the VRPTW directly on the original road network. We evaluate the relative efficiency of the two approaches through an extensive computational study.Finally, we are interested in problems where travel times vary over the time of the day, called time dependent vehicle routing problems (TDVRPs). We develop a branch-and-price algorithm that solves the TDVRP with time windows directly on the road network and we analyze the impact of the proposed approach on the solution quality.

La thèse porte sur l’étude de problèmes réels de transport et de distribution par voie routière. Il s’agit plus précisément de deux problèmes distincts d’optimisation des tournées de véhicules ; la distribution de produits pétroliers et le transfert des conteneurs. La résolution du premier problème, identifié comme le problème de tournées de véhicules avec compartiments multiples et fenêtres de temps ou MCVRP-TW (Multi-Compartment Vehicle Routing Problem with Time Windows), est basée sur une méthode de recherche tabou. Une adaptation de la méthode de résolution a été appliquée à deux autres problématiques annexes, la première intègre des contraintes supplémentaires liées à l’opération de chargement des produits pétroliers dans les compartiments, et la seconde inclut le concept d’ajustement des quantités demandées. Par ailleurs, dans l’optique d’une transition énergétique, nous nous sommes intéressés au problème de transfert des conteneurs par camions électriques dans la zone industrialo-portuaire du Havre. L’optimisation se situe à deux niveaux, un niveau stratégique pour le dimensionnement de l’infrastructure électrique et un niveau opérationnel pour la construction des tournées de véhicules. Seul le niveau stratégique a été abordé dans le cadre d’un projet de recherche grâce à un couplage de l’optimisation et la simulation. / The thesis focuses on the study of real road transportation and distribution pro-blems. The question concerns in particular the optimization of two different vehicle routing problems arising in the distribution of petroleum products and the transfer of containers. The first problem, modelled as an application of the multi-compartment vehicle routing problem with time windows (MCVRPTW), is solved by using a tabu search method. The same method is then applied to two other variants. One introduces additional constraints related to loading operations for petroleum products on the compartments, while the other one includes the ad-justment concept in quantities applied for. Moreover, in the context of an energy transition, we addressed the container transfer problem using a fleet of electric trucks in the industrial port zone of Le Havre. The optimization involves two levels : the strategic level for dimensioning electrical infrastructures and the operational level for constructing the vehicle routes. Only the strategic level is tackled with a research project thanks to a coupling of optimization and simulation.

Les métaheuristiques sont des techniques d’optimisation indépendantes des problèmes traités. Elles ne profitent pas d’une spécificité du problème et, par conséquent, peuvent fournir des cadres généraux qui peuvent être appliqués a de nombreuses classes de problèmes. Les métaheuristiques peuvent fournir une stratégie de guidage dans la conception des heuristiques pour résoudre des problèmes d’optimisation spécifiques. Leur utilisation dans de nombreuses applications montre leur efficacité pour résoudre des problèmes importants et complexes. De nos jours, les métaheuristiques appliquées `a la solution des problèmes d’optimisation ont évolué vers l’intégration d’autres techniques d’optimisation, de sorte que les méthodes de résolution peuvent bénéficier des avantages de chacune des composantes. Le travail dans cette thèse vise à contribuer à l’étude des problèmes de tournées de véhicules avec des visites optionnelles en fournissant un opérateur à base de programmation dynamique intégré dans un processus métaheuristique générique. L’opérateur récupère le tour optimal de clients à visiter, répondant aux contraintes du problème, tout en optimisant l’objectif défini. L’opérateur pose le problème de la sélection des meilleurs clients `a visiter comme un problème de plus court chemin avec contraintes de ressources sur un graphe auxiliaire dirigé acyclique représentant les choix de visite possibles. Dans les problèmes de tournées de véhicules avec des visites optionnelles, les clients à servir ne sont pas connus a priori et cela rend plus difficile à résoudre le problème qu’un problème de routage classique qui est lui-même déjà NP-difficile. Les problèmes de tournées avec des visites optionnelles trouvent des applications dans des domaines multiples et variés tels que la conception de la distribution, la logistique humanitaire, la prestation des soins de santé, le tourisme, le recrutement, la collection ou la livraison de marchandises et patrouille en milieu urbain / Metaheuristics are problem independent optimisation techniques. As such, they do not take advantage of any specificity of the problem and, therefore, can provide general frameworks that may be applied to many problem classes. These iterative upper level methodologies can furnish a guiding strategy in designing subordinate heuristics to solve specific optimisation problems. Their use in many applications shows their efficiency and effectiveness to solve large and complex problems. Nowadays, metaheuristics applied to the solution of optimisation problems have shifted towards integrating other optimisation techniques, so that solution methods benefit from the advantages each offers. This thesis seeks to contribute to the study of vehicle routing problems with optional visits by providing a dynamic programming-based operator that works embedded into a generic metaheuristic. The operator retrieves the optimal tour of customers to visit, satisfying the side constraints of the problem, while optimising the defined objective. The operator formulates the problem of selecting the best customers to visit as a Resource Constrained Elementary Shortest Path Problem on an auxiliary directed acyclic graph where the side restrictions of the problem considered act as the constraining resource. In vehicle routing problems with optional visits, the customers to serve are not known a priori and this fact leaves a more difficult to solve problem than a classic routing problem, which per se is already NP-hard. Routing problems with optional visits find application in multiple and diverse areas such as bimodal distribution design, humanitarian logistics, health care delivery, tourism, recruitment, hot rolling production, selected collection or delivery, and urban patrolling among others

L'étude menée dans cette thèse porte sur la logistique multi-objectif des déchets ménagers. Elle s'est déroulée en partenariat avec une collectivité locale, la Communauté d'Agglomération du Muretain (CAM) située près de Toulouse qui nous a fournit les problématiques et les différents paramètres à prendre en compte pour le développement de l'étude. Cette thèse s'est déroulée au sein de deux équipes, dans l'équipe de Production Automatisé (PA) du Laboratoire de Génie de Production (LGP) de Tarbes ainsi que dans l'équipe de Modélisation d'Optimisation et de Gestion Intégrée de Systèmes d'Activités (MOGISA) du Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) de Toulouse. Il y a une trentaine d'année, le traitement des déchets se résumait à une simple mise en décharge. Depuis une conscience collective des problématiques environnementales a placé le traitement des déchets au cœur des préoccupations publiques. La gestion qui est faite des déchets ménagers constitue un enjeu environnemental, économique, social et de citoyennetés majeures, directement lié aux modes de consommation et à la société plus généralement. En France, les municipalités ou les collectivités locales, regroupant plusieurs municipalités, ont en charge de collecter et de convoyer les déchets vers leur lieu de traitement. Dans l'étude proposée, nous allons nous intéresser à la partie logistique, et plus précisément à la collecte et au transport des déchets ménagers et assimilés jusqu’à leur point de décharge (déchetteries, centre de transfert ou centre de traitement directement). Le but étant d’optimiser le transport de déchets tout en gardant une bonne qualité de service. Les enjeux mis en relief pour cette problématique sont les enjeux classiques imposés par toute étude visant à améliorer un service publique : un enjeu économique classique (minimiser les coûts de collecte et de transport), un enjeu environnemental évident (diminuer l'impact environnemental), un enjeu de qualité (satisfaire au mieux les usagers) et enfin un enjeu social (satisfaire les conditions de travail des employés). On va donc ici se concentrer sur l’aspect opérationnel journalier de la gestion. Lorsque celui-ci concerne une planification de trajet pour plusieurs véhicules en même temps qui doivent chacun faire leur circuit en livrant une certaine quantité de produit à chaque client cela se nomme le problème de tournées de véhicules (Vehicle Routing Problem). Ce problème pratique est souvent étudié pour des cas réels et se complexifie avec l’ajout de nombreux paramètres et contraintes, comme par exemple des contraintes d'horaire de passage sur certaines parties du réseau ; ou encore par l'ajout de plusieurs critères à optimiser en mêmes temps, comme par exemple les critères représentant les coûts et ceux représentant l'équilibrage de tournées, etc. / The study in this thesis focuses on the multipurpose logistics of household waste.