Les systèmes de vélos en libre-service ont connu ces dernières années un développement sans précédent. Bien que les premières tentatives de mise en place remontent aux années 60, l'arrivée de technologies permettant un suivi des différents véhicules mis à la disposition du grand public et de l'état des bornes de stationnement en temps réel a rendu ces systèmes plus attractifs. Plus de 200 villes disposent de tels systèmes et cette tendance se poursuit avec l'entrée en fonctionnement du système de New York prévue pour l'été 2012. La fin de l'année 2011 a été marquée par l'arrivée d'un nouvel avatar de ce type de transport avec la mise en place d'Autolib à Paris. L'objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d'aide à la décision pour l'optimisation de réseaux de transport en libre-service. L'exploitation de ces systèmes, qui fleurissent actuellement un peu partout dans le monde, pose en effet de nombreux problèmes, l'un des plus cruciaux étant celui de la régulation. Cette dernière a pour objectif de maintenir dans chaque station un nombre de vélos ni trop faible, ni trop élevé, afin de satisfaire au mieux la demande. Cette régulation se fait souvent par le biais de camions qui effectuent des tournées sur le réseau. Il apparaît rapidement que la question d'une régulation optimale à l'aide d'une flotte fixée de camions est une question difficile. La thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, le cas "statique" est considéré. Les déplacements de véhicules dus aux usagers sont négligés. Cela traduit la situation la nuit ou lorsque le système est fermé à la location. L'opérateur doit redistribuer les véhicules afin que ceux-ci soient disposés selon une répartition définie. Les problèmes de rééquilibrage avec un ou plusieurs camions sont traités. Pour chacun des deux cas, un algorithme est proposé et utilisé pour résoudre des instances de tailles variées. La seconde partie traite du cas "dynamique" dans lequel les utilisateurs interagissent avec le système. Afin d'étudier ce système complexe, un simulateur a été développé. Il est utilisé pour comparer différentes stratégies de redistribution des véhicules. Certaines utilisent des camions se déplaçant dans la ville pendant la journée. D'autres tentent d'organiser une régulation intrinsèque du système par le biais d'une politique d'incitation : des prix mis à jour régulièrement encouragent les usagers à rendre leur véhicule dans certaines stations. Enfin, si on choisit de ne pas utiliser de camion durant la journée, la question de la détermination du nombre optimal de véhicules à disposer à chaque station se pose. Deux méthodes de recherche locale visant à minimiser le temps total perdu par les usagers sont présentées. Les résultats obtenus peuvent servir pour la définition des répartitions cibles de la première partie.