Autonomous coordination among multiple aerial vehicles to ensure a collision free airspace is a critical aspect of today’s airspace. With the rise of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in the military and commercial sectors, obstacle avoidance in a densely populated airspace is necessary. This thesis investigates finding optimal or near-optimal trajectories in real-time for aircraft in complex airspaces containing a large number of obstacles. The solution for the trajectories is described as a linear program subject to mixed integer constraints, known as a Mixed Integer Linear Program (MILP). The resulting MILP problem is solved in real time using a well-known, public domain MILP solver. In addition, an Exhaustive, Breadth-First Search algorithm was implemented and is used for comparison in terms of execution time and flight path optimality. The Exhaustive Search algorithm is comprised of a multi-branch tree structure that iterates through all possible flight paths from source to target. The MILP solution was implemented in both PC based and embedded system environments. The embedded system environment was implemented on an onboard processor to develop trajectories for each individual aircraft in real time.

The thesis focuses on a mixed integer linear programming (MILP) formulation for a bi-level mathematical program with equilibrium constraints (MPEC) considering chance constraints. The particular MPEC problem relates to a power producer’s bidding strategy: maximize its total benefit through determining bidding price and bidding power output while considering an electricity pool’s operation and guessing the rival producer’s bidding price. The entire decision-making process can be described by a bi-level optimization problem. The contribution of our thesis is the MILP formulation of this problem considering the use of chance constrained mathematical program for handling the uncertainties. First, the lower-level poor operation problem is replaced by Karush-Kuhn-Tucker (KKT) optimality condition, which is further converted to an MILP formulation except a bilinear item in the objective function. Secondly, duality theory is implemented to replace the bilinear item by linear items. Finally, two types of chance constraints are examined and modeled in MILP formulation. With the MILP formulation, the entire MPEC problem considering randomness in price guessing can be solved using off-shelf MIP solvers, e.g., Gurobi. A few examples and a case study are given to illustrate the formulation and show the case study results.

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Portfolio optimization is a crucial practice in finance aimed at maximizing the return while minimizing the risk through strategic asset allocation. This paper explores two distinct approaches to modeling robust portfolio optimization, comparing their efficacy in balancing the return and the risk. The first approach focuses on diversifying the portfolio by varying the number of stocks and sector allocation, while the second approach emphasizes minimizing risk by selecting stocks with low correlation. Theoretical foundations and mathematical formulations underpinning these approaches are discussed, incorporating concepts from Modern Portfolio Theory and Mixed Integer Linear Programming. Practical implementation involves data collection from Yahoo Finance API and computational analysis using Python and the optimization tool Gurobi. The results of these methodologies are evaluated, considering factors such as budget constraints, maximum and minimum investment limits, binary constraints, and correlation thresholds. The study concludes by discussing the implications of these findings and their relevance in contemporary financial decision-making processes.

Χωροθέτηση μονάδας επεξεργασίας ΑΣΑ σε συνδιασμό με τον απαραίτητο ΧΥΤΥ, με μικτό ακέραιο γραμμικό προγραμματισμό, για τη βελτιστοποίηση των ακολουθούμενων διαδρομών των απορριμματοφόρων προς την μονάδα επεξεργασίας και απο την μονάδα προς τον ΧΥΤΥ.Εγινε με εφαρμογή GIS στη Μεσσηνία. / The current thesis is about optimum siting of a MSW treatment plant combined with a landfill for residues based on mixed integer linear programming (MILP) and GIS methodology.

Nous considérons dans ce travail, des problèmes d’optimisation dans des graphes de flot multi-agent. Trois types d’agents sont considérés : les agents producteurs, transporteurs et usagers et différentes variétés de topologies de réseaux sont abordées. Chaque agent transporteur contrôle la capacité d’un ensemble de routes élémentaires (arcs), ayant chacun une capacité qui peut être augmenté jusqu’à une valeur maximale moyennant un coût fixe. Les autres agents (i.e., usagers/producteurs) sont intéressés par la maximisation du flot qu’ils reçoivent. Dans ce but, ces derniers offrent une récompense aux agents transporteurs, cette récompense est proportionnelle à la valeur du flot reçu. Ce contexte multi-agent particulier est appelé jeu expansion de réseau multi-agent. La stratégie d’un agent transporteur consiste à décider de la capacité de ses arcs sachant qu’un coût supplémentaire est encouru pour toute expansion unitaire de capacité. Il reçoit en contrepartie une part de la récompense. Il est intéressé par la maximisation de son profit et se comporte en conséquence. En outre, la stratégie d’un agent producteur/usager consiste à décider de la politique de partage de sa récompense afin de maximiser le flot qu’il reçoit. Le flot total réalisé dépend finalement des stratégies de tous les agents. Dans ces jeux d’expansion de réseau multi-agent, nous nous intéressons à caractériser des stratégies stables (i.e., Equilibre de Nash) selon diverses hypothèses. En se basant sur cette caractérisation, différents cas sont définis et étudiés. L’analyse de la complexité de quelques problèmes de décision est présentée dans ce manuscrit. Nous nous intéressons particulièrement au problème de recherche d’un équilibre de Nash qui maximise la valeur du flot total circulant dans le réseau. Nous montrons que ce problème est NP-difficile au sens fort et nous montrons comment une telle stratégie peut être caractérisée par des chemins spécifiques dans des graphes résiduels. Nous proposons également un programme linéaire à variables mixtes (PLM) qui résout le problème dans le cas d’un seul agent producteur/usager et un ensemble d’agents transporteurs. Des résultats expérimentaux sont fournis pour prouver l’efficacité de notre approche. / In this work, multi-agent network flow problems are addressed. Three types of agentsare considered, namely the producer, transportation and customer agents and various network topologies are tackled. Every transportation agent controls the capacities of a set of elementary routes (arcs), each one having a capacity that can be increased up to a certain point at a given cost. The other agents (i.e., customers/producers) are interesting in maximizing their flow of products. For that aim, we assume that they offer to the transportation agents a reward that is proportional to the realized flow value. This particular multi-agent framework is referred to as a multi-agent network expansion game. The transportation agent’s strategy consists in deciding upon the capacity of its arcs, an extra-cost being incurred for any capacity expansion. It receives in return a part of the total reward. It is interested in the maximization of its profit and behaves accordingly. Beside that, the producers/customers’ strategies consist in deciding the sharing policy for their reward for maximizing their own flow of products. The total network flow value eventually depends on all agents’ strategies. We take interest in characterizing and finding particular stable strategies (i.e., Nash Equilibria) that are of interest for this game under various assumptions. Based on this characterization, several cases are defined and studied. The analysis of the complexity of some decision problems is made. We particularly focus on the problem of finding a Nash Equilibrium that maximizes the value of the total flow. We prove that this problem is NP-hard in the strong sense and show how such a strategy can be characterized considering paths in specific reduced agent-networks. We also provide a mixed integer linear programming (MILP) formulation that solves the problem in the case of a single producer/customer agent and a set of transportation agents. Computational experiments are provided to prove the effectiveness of our approach

[EN] Since its birth in the fifties, the maritime container has revolutionised freight international transport providing support to a global production system, marked by the industry offshoring looking for competitive advantages and the configuration of increasingly complex and global supply chains. Within this context, the container has gained a great importance becoming a basic logistic element in supply chains where it plays the role of a transport, production and distribution unit. The success of container is evident if we analyse the evolution of container port traffic, which has been growing at a pace of over 10 % surpassing 600 million TEU of traffic since 2012. The container is, therefore, a key element in global supply chains and container logistics is a field of work and study of enormous interest due to its impact in the efficiency of these supply chains, due to the cost incurred for the operating account of shipping companies and operators (cost which is transferred to the final user and has an impact in the price of the goods being transported), and due to the social and environmental cost associated to the externalities of transport derived from the management of the container fleet. Container logistics has to do with the efficient management of the container fleet, minimising the transport, warehousing and maintenance costs, and maximising the use of the equipment. In container logistics it is possible to categorise, generally, two different categories or levels depending on the geographical scope and the transport modes involved: The international level and the local or regional level. This thesis addresses container logistics at a local or regional level, insofar as in relation to the management of stock, transport and internal movements, trying to react and identify solutions to some of the problems currently facing the port-logistics sector. The research result allows, firstly, knowing in an integral and structured manner the complexity of maritime container logistics. Secondly, specific real problems are identified and addressed for its modelling and analysis that allows for contributing to the improvement of the current logistics system. The following specific problems are addressed: -Modal choice problems for the configuration of internal logistics corridors or chains for maritime container transport. -Problems locating networks of nodal infrastructures facilitating the logistics needs of maritime containers. -Problems related to the movements and management of empty maritime containers. The interest and the academic contribution of this thesis lies as much in the definition and modelling of the specific problems with a significant theoretical discussion, as the empirical application to a real environment and real situations. This has been possible due to the direct contact of the author with the port-logistics sector and the participation in many consultancy and research projects in the cluster of the port of Valencia and also at European and international level. The thesis is outlined as a collection of six scientific articles. The articles have been presented in the thesis in such a way as to follow a logical sequence and not in relation with the chronological order of their publication. / [ES] Desde su aparición en los años 50, el contenedor marítimo ha revoluciona-do el transporte internacional de mercancías dando soporte a un sistema global de producción, marcado por la multilocalización de las industrias en busca de ventajas competitivas y la configuración de cadenas de suministro cada vez más complejas y globales. En este contexto, el contenedor ha adquirido un gran protagonismo convirtiéndose en un elemento logístico básico en las cadenas de suministro en las que actúa como unidad de transporte, producción y distribución. El éxito del contenedor queda puesto de manifiesto al analizar la evolución del tráfico portuario de contenedores, que ha estado creciendo a ritmos superiores al 10 %, superando los 600 millones TEU desde 2012. El contenedor es, por tanto, un elemento clave de las cadenas de suministro globales y la logística del contenedor es un área de estudio y trabajo de enorme interés por el impacto que tiene en la eficiencia de dichas cadenas, por el coste que supone a navieras y operadores en sus cuentas de explotación (coste que se traslada al usuario final y repercute en el precio de las mercancías transportadas) y por el coste social y ambiental asociado a las externalidades del transporte derivadas de esta gestión de la flota de contenedores. La logística del contenedor tiene que ver con la gestión eficiente del parque de contenedores, minimizando los costes de transporte, almacenamiento y mantenimiento, y maximizando la utilización del equipo. En la logística del contenedor se pueden identificar, por lo general, dos categorías o niveles diferenciados en función del ámbito geográfico y de los modos de transporte implicados: El nivel internacional y el nivel local o regional. Este trabajo aborda la logística del contenedor a nivel regional o local, es decir, en lo relativo a la gestión del stock, transporte y movimientos interiores, tratando de dar respuesta y plantear soluciones a algunos de los problemas con los que se encuentra el sector logístico-portuario en la actualidad. El resultado de la investigación permite, en primer lugar, conocer de una forma integral y estructurada la complejidad de la logística del contenedor marítimo. En segundo lugar, se identifican y abordan problemas específicos reales para su modelización y análisis, que permiten contribuir a la mejora del sistema logístico actual. En concreto se abordan los siguientes problemas: -Problemas de elección modal en la configuración de las cadenas o corredores logísticos interiores en el transporte de contenedores marítimos. -Problemas de localización o vertebración de una red de infraestructuras nodales para atender las necesidades logísticas de los contenedores marítimos. -Problemas asociados a los movimientos en vacío y gestión de contenedores marítimos. El interés y contribución académica de este trabajo reside tanto en la definición y modelización de los problemas específicos con una profunda discusión teórica, como en la aplicación empírica a situaciones y entornos reales, cosa que ha sido posible gracias al contacto directo del autor con el sector logístico-portuario y su participación en numerosos proyectos de consulto-ría e investigación tanto en el clúster del Puerto de Valencia como a nivel europeo e internacional. El trabajo se plantea como una colección de seis artículos científicos. El orden en que están situados los artículos en la tesis permite mantener una secuencia lógica construida a posteriori y no según el orden cronológico en el que fueron publicados. / [CAT] Des del seu naixement als anys 50, el contenidor marítim ha revolucionat el transport internacional de mercaderies donant suport a un sistema global de producció, marcat per la multilocalització de les indústries en busca d'avantatges competitives i la configuració de cadenes de subministrament cada vegada més complexes i globals. En aquest context, el contenidor ha adquirit un gran protagonisme convertintse en un element logístic bàsic en les cadenes de subministrament en les quals actua com a unitat de transport, producció i distribució. L'èxit del contenidor s'evidencia en analitzar l'evolució del tràfic portuari de contenidors, que ha estat creixent a ritmes superiors al 10 % superant els 600 milions TEU des de 2012. El contenidor és, per tant, un element clau de les cadenes subministrament globals i la logística del contenidor és un àrea d'estudi i treball d'enorme interès per l'impacte que té en l'eficiència d'aquestes cadenes, pel cost que suposa a navilieres i operadors en els seus comptes d'explotació (cost que es trasllada a l'usuari final i repercuteix en el preu de les mercaderies transportades) i pel cost social i ambiental associat a les externalitats del transport derivades d'aquesta gestió de la flota de contenidors. La logística del contenidor té a veure amb la gestió eficient del parc de contenidors, minimitzant els costos de transport, emmagatzematge i manteniment, i maximitzant la utilització de l'equip. En la logística del contenidor es poden identificar, en general, dues categories o nivells diferenciats en funció de l'àmbit geogràfic i de les modalitats de transport implicats: el nivell internacional i el nivell local o regional. Aquest treball aborda la logística del contenidor a nivell regional o local, és a dir, quant a la gestió de l'estoc, transport i moviments interiors, tractant de donar resposta i plantejar solucions a alguns dels problemes amb els quals es troba el sector logístic-portuari en l'actualitat. El resultat de la recerca permet, en primer lloc, conèixer d'una forma integral i estructurada la complexitat de la logística del contenidor marítim. En segon lloc, s'identifiquen i aborden problemes específics reals per a la seua modelització i anàlisi, que permeten contribuir a la millora del sistema logístic actual. En concret s'aborden els següents problemes: -Problemes d'elecció modal en la configuració de les cadenes o corredors logístics interiors en el transport de contenidors marítims. -Problemes de localització o vertebració d'una xarxa d'infraestructures nodals per a atendre les necessitats logístiques dels contenidors marítims. -Problemes associats als moviments en buit i gestió de contenidors marítims. L'interès i contribució acadèmica d'aquest treball resideix tant en la definició i modelització dels problemes específics amb una profunda discussió teòrica, com en l'aplicació empírica a situacions i entorns reals, cosa que ha sigut possible gràcies al contacte directe de l'autor amb el sector logístic-portuari i la seua participació en nombrosos projectes de consultoria i recerca tant en el clúster del Port de València com a nivell europeu i internacional. El treball es planteja com una col·lecció de sis articles científics. L'ordre en què estan situats els articles en la tesi permet mantenir una seqüència lògica construïda a posteriori i no segons l'ordre cronològic en el qual van ser publicats. / Furió Pruñonosa, S. (2016). Modelos y métodos avanzados para la logística del contenedor. Aplicación al Puerto de Valencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63248 / TESIS

Ce travail porte sur l’optimisation robuste des lignes de production au stade de la conception. La conception de telles lignes peut être interprétée comme un problème d’optimisation consistant à rechercher une configuration optimisant des objectifs individuels et à respecter les contraintes technologiques et économiques. Nous considérons deux types de lignes de production : l’assemblage et le transfert. Le premier peut être représenté comme un ensemble de stations ordonnées linéairement où les tâches sont exécutées de manière séquentielle. Le second type de ligne est constitué de machines de transfert comprenant plusieurs têtes multibroches. Toutes les tâches d’une même tête sont exécutées simultanément, tandis que les outils d’une machine fonctionnent en mode séquentiel. Nous décrivons différentes approches permettant de modéliser l’incertitude des données dans les problèmes d’équilibrage de ligne. Notre objectif est d’identifier les approches les mieux adaptées au contexte de la conception. En particulier, l’attention se concentre sur l’approche robuste. Nous proposons un nouveau critère d’optimisation basé sur le rayon de stabilité d’une solution réalisable. Ensuite, des formulations robustes sont présentées pour la conception des lignes d’assemblage et de transfert lorsque le temps de traitement des tâches est sujet à des incertitudes. Nous développons également des méthodes heuristiques dont les résultats sont utilisés pour renforcer les modèles mathématiques. Enfin, une nouvelle méthode de résolution hybride est élaborée pour résoudre différentes variantes des problèmes de maximisation du rayon de stabilité. / This work deals with a robust optimisation of production lines at the design stage. The design of such lines can be interpreted as an optimisation problem that consists in finding a configuration optimising individual objectives and respecting technological and economic constraints. We conside rtwo types of production lines: assembly and transfer lines. The first one can be represented as a set of linearly ordered stations where the tasks are executed sequentially. The second one is composed of transfer machines, including several multispindle heads. All tasks within a single head are executed simultaneously, while tools on a machine work in a sequential mode. We describe different approaches for modelling the uncertainty of data in line balancing problems. Our objective is to identify the approaches that best fit the context of the design. In particular, the attention concentrates on the robust approach. We propose a new optimisation criterion based on the stability radius of a feasible solution. Then, robust formulations are presented for the design of the assembly and transfer lines under variations of task processing times. We also develop heuristic methods whose results are used to improve mathematical models. Finally, a new hybrid resolution method is elaborated to solve different variants of the stability radius maximisation.

La conception des procédés industriels doit s'adapter à la raréfaction des ressources naturelles à bas prix et au durcissement des réglementations visant à limiter leur impact environnemental. Ainsi, pour améliorer leur rentabilité économique et leur soutenabilité, leurs effluents doivent être considérés comme des ressources potentielles de matière et d'énergie qui peuvent être valorisées localement ou à un plus grande échelle en les partageant avec d'autres industries voisines en formant un écoparc industriel.Cette thèse présente une nouvelle approche systémique et systématique pour concevoir des réseaux de valorisation d'énergie et de matière optimisés simultanément. Trois modèles linéaires de complexité croissante ont été développés pour concevoir ces réseaux à l'échelle locale. Le premier modèle (M1) détermine la consommation minimale nécessaire de ressources fraîches. Le second modèle (M2) introduit une nouvelle superstructure permettant l'optimisation simultanée des besoins énergétiques et matière pour atteindre le minimum de coûts de fonctionnement. Le troisième modèle (M3) conçoit les réseaux optimaux d'allocation de matière et d'échangeurs de chaleur simultanément. Sa fonction objective est le coût total annualisé incluant les coûts d'investissement et de fonctionnement.L'utilisation des unités de régénération est rendu possible dans la structure des trois modèles précédents. Tous les types d'unités peuvent être représentés par un modèle simple avec des paramètres génériques utilisant des objets déjà définis dans la formulation du modèle M3.Finalement, l'application du modèle M3 est étendue à la conception d'écoparcs industriels grâce à de nouvelles notions (sites, clusters, réseaux intermédiaires de matière et de chaleur), obtenant ainsi un nouveau modèle M4. Ce modèle inclut dans sa fonction objective les coûts d'investissements des réseaux liés à leur topologie.Des cas d'études issus de la littérature sont utilisés pour valider la pertinence et les performances des modèles présentés. / The design of industrial processes needs to be adapted as cheap natural resources are scarcer and environmental standards are more stringent to limit their environmental footprints. In order to improve their cost-effectiveness as well as their sustainability, industrial effluents must considered as potential heat and mass resources whether they are recycled locally or at a larger scale by sharing them with other industrial companies; thus forming an eco-industrial park (EIP).This thesis presents a new systemic and systematic approach to design optimal mass allocation and heat exchanger networks simultaneously. Three linear models of incremental complexity have been developed to design optimal recovery networks at a local scale. The first linear model (M1) looks for the necessary minimum fresh resource consumption. The second linear model (M2) presents a new superstructure that allows optimizing mass and heat requirements simultaneously, targeting the minimum annual operating costs. The third linear model (M3) allows designing optimal mass allocation and heat exchanger networks simultaneously. Its objective function is the total annualized cost considering operating and capital costs.The opportunity to use regeneration units is added to the structure of the three previous models. Any type of these units can be represented by a simple model with the generic parameters based on objects already existing in the previous models formulations.Finally, a M3 model applicability is extended to the design of collaborative eco-industrial parks with additional concepts (sites, clusters, indirect heat and mass networks) to obtain a new M4 model. In this model, the capital costs related to the topology of the networks are taken into account in the objective function.The relevance and performances of the proposed models are validated with several case studies taken from the literature.

Demand-Side Management concepts have the potential to positively impact the financial as well as the environmental aspects of energy-intensive industries. More specifically, they allow reducing the energy cost for the industrial plants by dealing with energy-availability fluctuations. In this context, efficient frameworks for scheduling with energy awareness have been studied and showed potential to reduce the overall energy bill for energy-intensive industries, for instance stainless steel and paper plants. Those frameworks usually combine scheduling and energy optimization into one monolithic system. This work investigates the possibility of integrating the two systems by specific exchange of signals, while keeping the scheduling model separated from the energy-cost optimization model. Such integration means that the pre-existent schedulers and energy optimizers could be easily modified and reused without re-implementing the whole new system. Two industrial problems with different scheduling approaches are studied. The first problem is about pulp and paper production which uses the Resource Task Network (RTN) scheduling approach. The second one is about stainless steel production which is based on a bi-level heuristic implementation of an improved energy-aware scheduler. This work presents the decomposition methods that are available in literature and their application to the two industrial problems. Besides an improvement in the RTN approach for handling storages, this thesis describes a prototype implementation of the energy-aware RTN scheduler for paper and pulp production. Furthermore, this work investigates the performance of the application of different decomposition methods on different problem instances. The numerical case studies show that even though the decomposition decreases the solution quality compared to the monolithic system, it still gives good solutions within an acceptable duration with the advantage of having two separate pre-existent systems which are simply exchanging signals.