Les travaux de cette thèse concernent la conception et l’optimisation de lignes de transfert reconfigurables. L’objectif principal est de concevoir une ligne d’usinage à moindre coût tout en respectant les contraintes techniques, technologiques et économiques du problème. Le problème d’optimisation correspondant est un problème d’équilibrage de lignes d’usinage sujet à des contraintes spécifiques. Il consiste à affecter les opérations aux stations de travail en minimisant les coûts d’installation. En plus des contraintes habituelles de ce type de problème, à savoir, les contraintes de précédence, d’inclusion et d’exclusion, nous avons dû considérer des contraintes d’accessibilité. De plus, la spécificité principale des lignes reconfigurables par rapport aux lignes de transfert dédiées, vient de la réalisation en série des opérations. Celle-ci rend souvent nécessaire la mise en place de stations équipées de plusieurs centres d’usinage travaillant en parallèle pour obtenir les volumes de production souhaités. Enfin, l’utilisation d’une tête d’usinage mono-broche induit la prise en compte de temps inter-opératoire de déplacements et de changement d’outils qui dépendent de la séquence d’opérations. Dans un premier temps, nous avons proposé une modélisation mathématique du problème à l’aide d’un programme linéaire en nombres mixtes. Nous avons aussi développé des méthodes de calcul de bornes inférieures ainsi qu’une procédure de prétraitement. Cependant, les contraintes additionnelles rendent la résolution du problème d’équilibrage plus difficile que dans le cas des lignes dédiées, et l’approche proposée ne permet généralement pas de résoudre des instances de taille industrielle. Pour répondre à ce besoin, nous avons donc développé plusieurs méthodes de résolution approchées du problème en nous inspirant de métaheuristiques efficaces sur des problèmes d’optimisation combinatoire. / This work concerns the design and the optimization of reconfigurable transfer lines. The principle objective is to design a machining line with less cost while respecting the technological and economic constraints of the problem. The corresponding optimization problem is a transfer lines balancing problem subject to specific constraints. It consists to affect operations to workstations minimizing the installations cost. In addition to the habitual constraints of the transfer balancing problem, i.e. precedence, inclusion and exclusion constraints, we consider accessibility constraints. In addition, the principal specificity of reconfigurable lines compared to the dedicated transfer lines, comes from the sequential execution of operations. This often makes it necessary to set up stations with several machining centers working in parallel to achieve desired production volumes. Finally, the utilization of mono-spindle head machining center induces the inclusion of setup times between operations. This setup time is due to the time of displacement and change of tools which it depends of the operational sequence. We proposed firstly a mathematical formalization of the problem using a mixed integer program. We developed also several methods to calculate lower bounds and a pretreatment procedure. However, the additional constraints make the resolution of the considered balancing problem very difficult and the proposed approach generally does not solve instances of industrial size. To meet this need, we have developed several approximate resolution methods of the problem taking inspiration from effective Metaheuristics on combinatorial optimization problems.

La programmation linéaire en nombres entiers est une approche robuste qui permet de résoudre rapidement de grandes instances de problèmes d'optimisation discrète. Toutefois, les problèmes gagnent constamment en complexité et imposent parfois de fortes limites sur le temps de calcul. Il devient alors nécessaire de développer des méthodes spécialisées afin de résoudre approximativement ces problèmes, tout en calculant des bornes sur leurs valeurs optimales afin de prouver la qualité des solutions obtenues. Nous proposons d'explorer une approche de reformulation en nombres entiers guidée par la relaxation lagrangienne. Après l'identification d'une forte relaxation lagrangienne, un processus systématique permet d'obtenir une seconde formulation en nombres entiers. Cette reformulation, plus compacte que celle de Dantzig et Wolfe, comporte exactement les mêmes solutions entières que la formulation initiale, mais en améliore la borne linéaire: elle devient égale à la borne lagrangienne. L'approche de reformulation permet d'unifier et de généraliser des formulations et des méthodes de borne connues. De plus, elle offre une manière simple d'obtenir des reformulations de moins grandes tailles en contrepartie de bornes plus faibles. Ces reformulations demeurent de grandes tailles. C'est pourquoi nous décrivons aussi des méthodes spécialisées pour en résoudre les relaxations linéaires. Finalement, nous appliquons l'approche de reformulation à deux problèmes de localisation. Cela nous mène à de nouvelles formulations pour ces problèmes; certaines sont de très grandes tailles, mais nos méthodes de résolution spécialisées les rendent pratiques. / Integer linear programming is a robust and efficient approach to solve large-scale instances of combinatorial problems. However, problems constantly gain in complexity and sometimes impose strong constraints on computation times. We must then develop specialised methods to compute heuristic primal solutions to the problem and derive lower bounds on the optimal value, and thus prove the quality of our primal solutions. We propose to guide a reformulation approach for mixed integer programs with Lagrangian relaxations. After the identification of a strong relaxation, a mechanical process leads to a second integer formulation. This reformulation is equivalent to the initial one, but its linear relaxation is equivalent to the strong Lagrangian dual. We will show that the reformulation approach unifies and generalises prior formulations and lower bounding approaches, and that it exposes a simple mechanism to reduce the size of reformulations in return for weaker bounds. Nevertheless, our reformulations are large. We address this issue by solving their linear relaxations with specialised methods. Finally, we apply the reformulation approach to two location problems. This yields novel formulations for both problems; some are very large but, thanks to the aforementioned specialised methods, still practical.

Le dimensionnement des lots de production est une des nombreuses activités survenant dans le cadre de la planification de production. Il a pour objet de déterminer quand et combien produire de façon à réaliser le meilleur compromis possible entre la minimisation des coûts liés à la production (coûts fixes de reconfiguration de la ressource, coûts de stockage...) et la satisfaction de la demande des clients Nous nous intéressons ici un problème de planification de production par lots connu sous le nom de "Discrete Lot-sizing and Scheduling Problem" ou "DLSP". Plus précisément, nous étudions plusieurs variantes de ce problème dans lesquelles les coûts et/ou les temps de changement de produits sur la ressource sont dépendant de la séquence et nous proposons diverses extensions d'une méthode disponible dans la littérature pour la résolution exacte du problème mono-niveau, mono-ressource. Nos contributions portent à la fois sur la modélisation du problème et sur l'implémentation de méthodes efficaces de résolution. En ce qui concerne la modélisation, nous étudions l'intégration de divers aspects opérationnels dans le modèle de base afin d'en améliorer la pertinence industrielle. Ainsi nous considérons les extensions suivantes : la prise en compte d'une structure de produits "multi-attributs" qui permet de diminuer la taille du problème d'optimisation à résoudre, l'intégration de temps de changement positifs afin de mieux modéliser la perte de production causée par une reconfiguration de la ressource et la présence de plusieurs ressources parallèles dont la production doit être planifiée simultanément. En ce qui concerne la résolution du problème, nous présentons pour chacune des extensions du modèle de base une approche de résolution visant à fournir des solutions optimales exactes. En général, les résultats de nos expériences numériques montrent l'utilité pratique de ces algorithmes pour la résolution d'instances de moyenne et grande taille en des temps de calcul compatibles avec une application industrielle

Aujourd'hui, le fait que la mémoire constitue un goulot d'étranglement pour les performances des programmes est un truisme. Les compilateurs doivent donc optimiser les programmes afin d'éviter de recourir à la mémoire, et ceci en utilisant au mieux les registres disponibles dans le processeur à parallélisme d'instructions (ILP).<br /><br />Cette thèse réexamine le concept de la pression des registres en lui donnant une plus forte priorité par rapport à l'ordonnancement d'instructions, sans ôter à ce dernier ses possibilités d'extraction de parallélisme. Nous proposons de traiter le problème des registres avant la phase d'ordonnancement. Deux grandes stratégies sont étudiées en détail. La première consiste à analyser et manipuler un graphe de dépendance de données (GDD) pour garantir les contraintes de registres sans allonger son chemin critique (si possible). Nous introduisons la notion de saturation en registres qui est la borne exacte maximale du besoin en registres de tout ordonnancement valide, indépendamment des contraintes architecturales. Son but est d'ajouter des arcs au GDD pour que la saturation soit en dessous du nombre de registres disponibles. Réciproquement, la suffisance est le nombre minimal de registres dont il faut disposer pour produire au moins un ordonnancement valide pour le GDD. Si cette suffisance est au dessus du nombre effectif de registres, alors les accès à la mémoire sont inévitables.<br />Notre deuxième stratégie construit une allocation de registres directement dans le GDD en optimisant la perte du parallélisme intrinsèque.<br /><br />Cette thèse considère des blocs de base, des graphes acycliques de flots de contrôles et des boucles internes destinées au pipeline logiciel. Nos expériences montrent que nos heuristiques sont presque optimales. L'étude prouve que nous pouvons et devons traiter les contraintes de registres avant la phase d'ordonnancement tout en garantissant une liberté pour l'extraction et l'exploitation de l'ILP.

Détecter des similarités et des homologies entre protéines est une étape cruciale du processus d'annotation des génomes. Afin de détecter des homologies, les alignements de séquences, globaux ou locaux, sont couramment utilisés. Néanmoins, dans la "zone d'ombre", nous devons utiliser les méthodes de reconnaissance de repliements. Dans ce domaine, le problème du "Protein Threading" (PTP) utilise des paramètres pairés pour aligner globalement une séquence de protéine avec une structure de protéine. À notre connaissance, il n'existe pas de méthode d'alignement local utilisant des paramètres pairés. À partir du PTP, nous proposons cinq modélisations mathématiques de ces alignements locaux qui ont été implémentées et testées grâce au logiciel CPLEX 10.0. Nous avons ensuite développé un algorithme dédié permettant de résoudre un de ces modèles. Cet algorithme utilise des techniques connues en recherche opérationnelle : la séparation-évaluation, la descente de sous-gradient et la relaxation lagrangienne. Bien que les alignements locaux soient d'une plus grande complexité, nous montrons qu'ils sont réalisables et qu'ils améliorent la qualité des alignements.

Cette these presente les techniques d'optimisation combinatoire et de programmation entiere transversales a nos differents projets de recherche.

L'optimisation multi-objectif concerne la résolution de problèmes pour lesquels plusieurs objectifs (ou critères) contradictoires sont pris en compte. Contrairement aux problèmes d'optimisation ayant un seul objectif, un problème multi-objectif ne possède pas une valeur optimale unique mais plutôt un ensemble de points appelés "ensemble non dominé". Les bornes inférieures et supérieures d'un problème multi-objectif peuvent être également décrites par des ensembles. Dans la pratique, les variables utilisées en optimisation multiobjectif représentent souvent des objets non fractionnables et on parle alors de problèmes multi-objectif en nombres entiers. Afin d'obtenir de meilleures bornes qui peuvent être utilisées dans la conception de méthodes exactes, certains problèmes sont formulés avec un nombre exponentiel de variables de décision et ces problèmes sont résolus par la méthode de génération de colonnes. Les travaux de cette thèse visent à contribuer à l'étude de l'utilisation de la génération de colonnes en programmation linéaires en nombres entiers multi-objectif. Pour cela nous étudions un problème de tournées de véhicules bi-objectif qui peut être considéré comme une généralisation de plusieurs autres problèmes de tournées de véhicules. Nous proposons des formulations mathématiques pour ce problème et des techniques pour accélérer le calcul des bornes inférieures par génération de colonnes. Les sous-problèmes qui doivent être résolus pour le calcul des bornes inférieures ont une structure similaire. Nous exploitons cette caractéristique pour traiter simultanément certains sous-problèmes plutôt qu'indépendamment.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception simultanée du produit et de sa chaîne logistique, dans le cas où la demande présente une diversité élevée. Situés entre conception de produit et dimensionnement de chaîne logistique, ces travaux se placent fondamentalement dans le domaine de l'Ingénierie Intégrée ou du Concurrent Engineering. Avec la diversité croissante des produits, cette démarche est rendue nécessaire pour pouvoir concevoir le plus rapidement possible une famille de produits et leur chaîne logistique dans le but de minimiser le coût total de fonctionnement de la chaîne logistique. La première partie de la thèse porte sur l'aide à la conception de produits. Elle présente une démarche multi-phases de préconception et de personnalisation des produits à forte diversité et des outils d'assistance à cette démarche de conception exploitant des modèles génériques à base de connaissances de type propagation et satisfaction des contraintes (modèles CSP). Le résultat de cette démarche est un ensemble de solutions de conception. La seconde partie de la thèse porte sur la conception de réseaux logistiques. Elle présente une approche permettant de sélectionner les solutions produits et de dimensionner la chaîne logistique en s'appuyant sur un modèle de recherche opérationnelle de type programmation linéaire mixte en nombres entiers et dont l'objectif est de minimiser le coût de fonctionnement global de la chaîne logistique. L'application industrielle visée, concernant la conception de systèmes de câblage pour l'industrie automobile est présentée, permettant d'illustrer la démarche proposée.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié deux types de problèmes d'ordonnancement. La majeure partie concerne le problème d'ordonnancement de projet à moyens limités (RCPSP). Le problème d'ordonnancement des opérations de manutention dans un entrepôt de transbordement ("crossdocking") est également traité avec une moindre importance. Dans une première partie (la plus étendue), nous abordons le RCPSP. À partir de modélisations utilisant la programmation linéaire en nombres entiers, nous avons proposé deux nouvelles formulations de ce problème, utilisant des variables indicées par des événements. Dans l'une d'entre elles, on utilise une variable binaire pour marquer le début de l'exécution de chaque activité et une autre variable pour marquer sa fin. Dans la seconde proposition, une seule variable est utilisée. Elle identifie les événements après lesquels l'activité reste en cours ou débute son exécution. De façon générale, comparées à d'autres modèles de la littérature sur divers types d'instances, nos propositions affichent des résultats plus intéressants sur les instances contenant des activités aux durées disparates et associées à de longs horizons d'ordonnancement. En particulier, sur ces mêmes types d'instances mais hautement cumulatives (caractéristiques de base du RCPSP), elles sont également les plus performantes. Nous avons également abordé la résolution d'une extension du RCPSP consistant à prendre en compte des ressources particulières, qui peuvent être consommées en début d'exécution de chaque activité, mais aussi produites à leur fin : il s'agit du RCPSP avec consommation et production de ressources. Afin d'effectuer une comparaison expérimentale entre différents modèles, nous avons proposé une adaptation de nos formulations basées événements, des formulations à temps discret de Pritsker et de Christofides, et de la formulation à temps continu basée sur les flots (proposé par Artigues sur la base des travaux de Balas). Globalement, les résultats mon trent que nos formulations basées événements obtiennent les meilleurs résultats sur bon nombre de types d'instances. Dans la seconde partie (plus réduite), nous avons également proposé un branch-and-bound utilisant des coupes basées sur la frontière de Pareto, pour la résolution du problème d'ordonnancement des opérations de manutention au sein d'un entrepôt de transbordement ("crossdocking"). Les excellents résultats obtenus ont renforcé nos interrogations sur la complexité non-prouvée de ce problème, et ont permis d'établir par la suite que le problème est de complexité polynomiale.

Un problème d'ordonnancement cyclique consiste à ordonner dans le temps l'exécution répétitive d'un ensemble d'opérations liées par des contraintes de précédence, en utilisant un nombre limité de ressources. Ces problèmes ont des applications immédiates dans les systèmes de production ou en informatique parallèle. Particulièrement, ils permettent de modéliser l'ensemble des contraintes de précédence et de ressource à prendre en compte pour l'ordonnancement d'instructions dans les processeurs de type VLIW (Very Long Instruction Word). Dans ce cas, une opération représente une instance d'une instruction dans un programme. L'ordonnancement d'instructions de boucles internes est connu sous le nom de pipeline logiciel. Le pipeline logiciel désigne une méthode efficace pour l'optimisation de boucles qui permet la réalisation en parallèle des opérations des différentes itérations de la boucle. Dans cette thèse, nous nous intéressons principalement au problème d'ordonnancement périodique qui est un cas particulier de l'ordonnancement cyclique et qui est également la base du pipeline logiciel. Le terme ordonnancement modulo désigne un ordonnancement périodique tel que l'allocation de ressources pour une opération donnée n'est pas modifiée d'une itération sur l'autre. Pour résoudre le problème, nous nous intéressons aux formulations de programmation linéaire en nombres entiers, et notamment à la résolution du problème par des techniques de séparation, évaluation, génération de colonnes, relaxation lagrangienne et des méthodes hybrides. En particulier, nous proposons des nouvelles formulations basées sur des variables binaires représentant l'exécution d'ensembles d'instructions en parallèle. Enfin, les méthodes développées ont été validées sur des jeux d'instances industrielles pour des processeurs de type VLIW. Un problème d'ordonnancement cyclique consiste à ordonner dans le temps l'exécution répétitive d'un ensemble d'opérations liées par des contraintes de précédence, en utilisant un nombre limité de ressources. Ces problèmes ont des applications immédiates dans les systèmes de production ou en informatique parallèle. Particulièrement, ils permettent de modéliser l'ensemble des contraintes de précédence et de ressource à prendre en compte pour l'ordonnancement d'instructions dans les processeurs de type VLIW (Very Long Instruction Word). Dans ce cas, une opération représente une instance d'une instruction dans un programme. L'ordonnancement d'instructions de boucles internes est connu sous le nom de pipeline logiciel. Le pipeline logiciel désigne une méthode efficace pour l'optimisation de boucles qui permet la réalisation en parallèle des opérations des différentes itérations de la boucle. Dans cette thèse, nous nous intéressons principalement au problème d'ordonnancement périodique qui est un cas particulier de l'ordonnancement cyclique et qui est également la base du pipeline logiciel. Le terme ordonnancement modulo désigne un ordonnancement périodique tel que l'allocation de ressources pour une opération donnée n'est pas modifiée d'une itération sur l'autre. Pour résoudre le problème, nous nous intéressons aux formulations de programmation linéaire en nombres entiers, et notamment à la résolution du problème par des techniques de séparation, évaluation, génération de colonnes, relaxation lagrangienne et des méthodes hybrides. En particulier, nous proposons des nouvelles formulations basées sur des variables binaires représentant l'exécution d'ensembles d'instructions en parallèle. Enfin, les méthodes développées ont été validées sur des jeux d'instances industrielles pour des processeurs de type VLIW.