Cette thèse aborde les facettes dynamiques des principes fondamentaux du problème de l'appariement stable plusieurs-à-un. Nous menons notre étude dans le contexte du choix de l'école et de l'appariement entre les hôpitaux et les résidents. Dans la première étude, en utilisant le modèle résident-hôpital, nous étudions la complexité de calcul de l'optimisation des variations de capacité des hôpitaux afin de maximiser les résultats pour les résidents, tout en respectant les contraintes de stabilité et de budget. Nos résultats révèlent que le problème de décision est NP-complet et que le problème d'optimisation est inapproximable, même dans le cas de préférences strictes et d'allocations de capacités disjointes. Ces résultats posent des défis importants aux décideurs qui cherchent des solutions efficaces aux problèmes urgents du monde réel. Dans la seconde étude, en utilisant le modèle du choix de l'école, nous explorons l'optimisation conjointe de l'augmentation des capacités scolaires et de la réalisation d'appariements stables optimaux pour les étudiants au sein d'un marché élargi. Nous concevons une formulation innovante de programmation mathématique qui modélise la stabilité et l'expansion des capacités, et nous développons une méthode efficace de plan de coupe pour la résoudre. Des données réelles issues du système chilien de choix d'école valident l'impact potentiel de la planification de la capacité dans des conditions de stabilité. Dans la troisième étude, nous nous penchons sur la stabilité de l'appariement dans le cadre de priorités dynamiques, en nous concentrant principalement sur le choix de l'école. Nous introduisons un modèle qui tient compte des priorités des frères et sœurs, ce qui nécessite de nouveaux concepts de stabilité. Notre recherche identifie des scénarios où des appariements stables existent, accompagnés de mécanismes en temps polynomial pour leur découverte. Cependant, dans certains cas, nous prouvons également que la recherche d'un appariement stable de cardinalité maximale est NP-difficile sous des priorités dynamiques, ce qui met en lumière les défis liés à ces problèmes d'appariement. Collectivement, cette recherche contribue à une meilleure compréhension des capacités et des priorités dynamiques dans les scénarios d'appariement stable et ouvre de nouvelles questions et de nouvelles voies pour relever les défis d'allocation complexes dans le monde réel. / This research addresses the dynamic facets in the fundamentals of the many-to-one stable matching problem. We conduct our study in the context of school choice and hospital-resident matching. In the first study, using the resident-hospital model, we investigate the computational complexity of optimizing hospital capacity variations to maximize resident outcomes, while respecting stability and budget constraints. Our findings reveal the NP-completeness of the decision problem and the inapproximability of the optimization problem, even under strict preferences and disjoint capacity allocations. These results pose significant challenges for policymakers seeking efficient solutions to pressing real-world issues. In the second study, using the school choice model, we explore the joint optimization of increasing school capacities and achieving student-optimal stable matchings within an expanded market. We devise an innovative mathematical programming formulation that models stability and capacity expansion, and we develop an effective cutting-plane method to solve it. Real-world data from the Chilean school choice system validates the potential impact of capacity planning under stability conditions. In the third study, we delve into stable matching under dynamic priorities, primarily focusing on school choice. We introduce a model that accounts for sibling priorities, necessitating novel stability concepts. Our research identifies scenarios where stable matchings exist, accompanied by polynomial-time mechanisms for their discovery. However, in some cases, we also prove the NP-hardness of finding a maximum cardinality stable matching under dynamic priorities, shedding light on challenges related to these matching problems. Collectively, this research contributes to a deeper understanding of dynamic capacities and priorities within stable matching scenarios and opens new questions and new avenues for tackling complex allocation challenges in real-world settings.

Dans le cadre industriel et académique, les méthodologies de développement logiciel exploitent de plus en plus le concept de “modèle” afin d’appréhender la complexité des systèmes temps réel critiques. En particulier, celles-ci définissent une étape dans laquelle un modèle fonctionnel, conçu comme un graphe de blocs fonctionnels communiquant via des échanges de signaux de données, est déployé sur un modèle de plateforme d’exécution matérielle et un modèle de plateforme d’exécution logicielle composé de tâches et de messages. Cette étape appelée étape de déploiement, permet d’établir une architecture opérationnelle du système nécessitant une validation des propriétés temporelles du système. Dans le contexte des systèmes temps réel dirigés par les évènements, la vérification des propriétés temporelles est réalisée à l’aide de l’analyse d’ordonnançabilité basée sur l’analyse des temps de réponse. Chaque choix de déploiement effectué a un impact essentiel sur la validité et la qualité du système. Néanmoins, les méthodologies existantes n’offrent pas de support permettant de guider le concepteur d’applications durant l’exploration de l’espace des architectures possibles. L’objectif de ces travaux de thèse consiste à mettre en place des techniques d’analyse et de synthèse automatiques permettant de guider le concepteur vers une architecture opérationnelle valide et optimisée par rapport aux performances du système. Notre proposition est dédiée à l’exploration de l’espace des architectures en tenant compte à la fois des quatre degrés de liberté déterminés durant la phase de déploiement, à savoir (j) le placement des éléments fonctionnels sur les éléments de calcul et de communication de la plateforme d’exécution, (ii) le partitionnement des éléments fonctionnels en tâches temps réel et des signaux de données en messages, (iii) l’affectation de priorités d’exécution aux tâches et aux messages du système et (iv) l’attribution du mécanisme de protection des données partagées pour les systèmes temps réel périodiques. Nous nous intéressons principalement à la satisfaction des contraintes temporelles et celles liées aux capacités des ressources de la plateforme cible. De plus, nous considérons l’optimisation des latences de bout-en-bout et la consommation mémoire. Les approches d’exploration architecturale présentées dans cette thèse sont basées sur la technique d’optimisation PLNE (programmation linéaire en nombres entiers) et concernent à la fois les applications activées périodiquement et celles dont l’activation est pilotée par les données. Contrairement à de nombreuses approches antérieures fournissant une solution partielle au problème de déploiement, les méthodes proposées considèrent l’ensemble du problème de déploiement. Les approches proposées dans cette thèse sont évaluées à l’aide d’applications génériques et industrielles. / Modern development methodologies from the industry and the academia exploit more and more the ”model” concept to address the complexity of critical real-time systems. These methodologies define a key stage in which the functional model, designed as a network of function blocks communicating through exchanged data signals, is deployed onto a hardware execution platform model and implemented in a software model consisting of a set of tasks and messages. This stage so-called deployment stage allows establishment of an operational architecture of the system, thus it requires evaluation and validation of the temporal properties of the system. In the context of event-driven real-time systems, the verification of temporal properties is performed using the schedulability analysis based on the response time analysis. Each deployment choice has an essential impact on the validity and the quality of the system. However, the existing methodologies do not provide supportto guide the designer of applications in the exploration of the operational architectures space. The objective of this thesis is to develop techniques for analysis and automatic synthesis of a valid operational architecture optimized with respect to the system performances. Our proposition is dedicated to the exploration of architectures space considering at the same time the four degrees of freedom determined during the deployment phase, (i) the placement of functional elements on the computing and communication resources of the execution platform, (ii) the partitioning of function elements into real time tasks and data signals into messages, (iii) the priority assignment to system tasks and messages and (iv) the assignment of shared data protection mechanism for periodic real-time systems. We are mainly interested in meeting temporal constraints and memory capacity of the target platform. In addition, we are focusing on the optimization of end-to-end latency and memory consumption. The design space exploration approaches presented in this thesis are based on the MILP (Mixed Integer Linear programming) optimization technique and concern at the same time time-driven and data-driven applications. Unlike many earlier approaches providing a partial solution to the deployment problem, our methods consider the whole deployment problem. The proposed approaches in this thesis are evaluated using both synthetic and industrial applications.

Le souhait d’augmenter la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique entraine une augmentation des parts des énergies volatiles et non pilotables, et rend donc l’équilibre offre-demande difficile à satisfaire. Une façon d’intégrer ces énergies dans le réseau électrique actuel est d’utiliser de petits moyens de production, de consommation et de stockage répartis sur tout le territoire pour compenser les sous ou sur productions. Afin que ces procédés puissent être intégrés dans le processus d’équilibre offre-demande, ils sont regroupés au sein d’une centrale virtuelle d’agrégation de flexibilité, qui est vue alors comme une centrale virtuelle. Comme pour tout autre moyen de production du réseau, il est nécessaire de déterminer son plan de production. Nous proposons dans un premier temps dans cette thèse une architecture et un mode de gestion pour une centrale d’agrégation composée de n’importe quel type de procédés. Dans un second temps, nous présentons des algorithmes permettant de calculer le plan de production des différents types de procédés respectant toutes leurs contraintes de fonctionnement. Et enfin, nous proposons des approches pour calculer le plan de production de la centrale d’agrégation dans le but de maximiser son gain financier en respectant les contraintes réseau. / The desire to increase the share of renewable energies in the energy mix leads to an increase inshare of volatile and non-controllable energy and makes it difficult to meet the supply-demand balance. A solution to manage anyway theses energies in the current electrical grid is to deploy new energy storage and demand response systems across the country to counter balance under or over production. In order to integrate all these energies systems to the supply and demand balance process, there are gathered together within a virtual flexibility aggregation power plant which is then seen as a virtual power plant. As for any other power plant, it is necessary to compute its production plan. Firstly, we propose in this PhD thesis an architecture and management method for an aggregation power plant composed of any type of energies systems. Then, we propose algorithms to compute the production plan of any types of energy systems satisfying all theirs constraints. Finally, we propose an approach to compute the production plan of the aggregation power plant in order to maximize its financial profit while complying with all the constraints of the grid.

Selon le rapport annuel de la croix rouge et du croissant rouge pour l’année 2006, le nombre de catastrophes, d’origine naturelle et humaine, a augmenté ces dernières décennies dans des proportions importantes. Ces catastrophes engendrent souvent un nombre de victimes important nécessitant des interventions urgentes. Face à une telle situation, les moyens sanitaires classiques et de routines se trouvent souvent dépassés, et par conséquent inefficaces pour absorber cet afflux massif de victimes. Ainsi, la mise en œuvre d’un système de gestion hospitalier conditionné par une optimisation des différentes ressources médicales est indispensable pour sauver le maximum de vies humaines. Dans ce contexte, nous proposons dans cette thèse, d’étudier le problème d’optimisation des ressources humaines et matérielles critiques à savoir, les chirurgiens et les salles opératoires en situation de crise. L’objectif est de traiter le maximum de victimes, autrement dit sauver le maximum de vies humaines. Notre étude comprend deux niveaux : (1) un niveau préparatoire qui consiste à dimensionner les ressources dans le cadre des exercices de simulation du plan blanc, et (2) un niveau opérationnel permettant d’optimiser l’ordonnancement des interventions dans les salles opératoires. Aussi, nous étudions l’impact de la mutualisation des ressources sur le nombre de victimes traitées. L’un des défis posés à la programmation opératoire en situation d’exception est l’aptitude à faire face aux perturbations. Dans ce cadre, nous abordons le problème réactif d’optimisation de l’ordonnancement des interventions dans les salles opératoires. Nous considérons diverses perturbations possibles telles : une durée opératoire qui dépasse la durée estimée, l’insertion d’une nouvelle victime dans le programme opératoire, et l’évolution du degré d’urgence d’une victime. Cette thèse est menée avec la collaboration de plusieurs structures sanitaires publiques en France et en Tunisie. Les résultats expérimentaux mettent en exergue l’apport de ces approches pour l’aide à la décision. / Disaster like terrorist attack, earthquake, and hurricane, often cause a high degree of damage. Thousands of people might be affected. The 2006’s annual report of the International Federation of Red Cross and Red Crescent Societies proves that the number of disasters increased during these last decades. In such situations, hospitals must be able to receive injured persons for medical and surgical treatments. For these reasons medical resources optimization of different is fundamental in human life save.In this context, we propose in this thesis, to study the optimization of human and material resources in relation with hospital management. We focus more precisely on critical resources: operating rooms and surgeons. The goal is to handle the maximum of victims and then to save the maximum of human lives. Our research consists of two phases: (1) Sizing critical resources during the preparedness phase of disaster management plan so called white plan. (2) Operational phase that provides the optimization of surgical acts scheduling in the operating rooms. Also, we study the impact of sharing resources on the number of treated victims. A disaster situation is characterized by different disruptions. In this setting, we approach a reactive problem for optimization of surgical acts scheduling in the operating rooms. We consider various possible disruptions: the overflow of assessed surgical care duration, the insertion of a new victim in the scheduling program, and the evolution of victim’s emergency level.This work is achieved with the collaboration of several public health institutions (hospitals, ministry, etc.) both in France and Tunisia. Empirical study shows that a substantial aid is proposed by using the proposed approaches.

Dans le cadre de cette thèse, nous traitons le problème de flow-shop à deux machines avec temps de transport où l’objectif consiste à minimiser le temps de complétion maximal. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la modélisation de ce problème. Nous avons proposé plusieurs programmes linéaires en nombres entiers. En particulier, nous avons introduit une formulation linéaire basée sur une généralisation non triviale du modèle d’affectation pour le cas où les durées des opérations sur une même machine sont identiques. Dans un deuxième temps, nous avons élargi la portée de ces formulations mathématiques pour développer plusieurs bornes inférieures et un algorithme exact basé sur la méthode de coupe et branchement (Branch-and-Cut). En effet, un ensemble d’inégalités valides a été considéré afin d’améliorer la relaxation linéaire de ces programmes et d’accélérer leur convergence. Ces inégalités sont basées sur la proposition de nouvelles règles de dominance et l’identification de sous-instances faciles à résoudre. L’identification de ces sous-instances revient à déterminer les cliques maximales dans un graphe d’intervalles. En plus des inégalités valides, la méthode exacte proposée inclut la considération d’une méthode heuristique et d’une procédure visant à élaguer les nœuds. Enfin, nous avons proposé un algorithme par séparation et évaluation (Branch-and-Bound) pour lequel, nous avons introduit des règles de dominance et une méthode heuristique basée sur la recherche locale. Nos expérimentations montrent l’efficacité de nos approches qui dominent celles de la littérature. Ces expérimentations ont été conduites sur plusieurs classes d’instances qui incluent celles de la littérature, ainsi que des nouvelles classes d’instances où les algorithmes de la littérature se sont montrés peu efficaces. / In this thesis, we study the two-machine flow-shop problem with time delays in order to minimize the makespan. First, we propose a set of Mixed Integer Programming (MIP) formulations for the problem. In particular, we introduce a new compact mathematical formulation for the case where operations are identical per machine. The proposed mathematical formulations are then used to develop lower bounds and a branch-and-cut method. A set of valid inequalities is proposed in order to improve the linear relaxation of the MIPs. These inequalities are based on proposing new dominance rules and computing optimal solutions of polynomial-time-solvable sub-instances. These sub-instances are extracted by computing all maximal cliques on a particular Interval graph. In addition to the valid inequalities, the branch-and-cut method includes the consideration of a heuristic method and a node pruning procedure. Finally, we propose a branch-and-bound method. For which, we introduce a local search-based heuristic and dominance rules. Experiments were conducted on a variety of classes of instances including both literature and new proposed ones. These experiments show the efficiency of our approaches that outperform the leading methods published in the research literature.

Cette thèse présente une méthodologie d’ordonnancement cyclique robuste appliquée à la gestion des conteneurs dans les ports maritimes de taille moyenne. Ces derniers sont sujet constamment à des variations des conditions des terminaux, la visibilité réduite sur des évènements futurs ne permet pas de proposer une planification précise des tâches à accomplir. L’ordonnancement cyclique robuste peut jouer un rôle primordial. Il permettra non seulement de proposer un ordonnancement prédictif pour le transport des conteneurs, mais aussi, il proposera également une planification robuste permettant d’éliminer les perturbations éventuelles en temps réel. Dans ce travail nous utilisons les Véhicules Intelligents Automatisés (AIV) pour transporter les conteneurs et nous modélisons les procédures de transit de ces derniers par des graphes d’évènements P-temporels fortement connexes (PTSCEG). Avant l’arrivée d’un porte conteneur au port, un plan (planning) de transport des conteneurs est proposé en un temps court par la programmation linéaire mixte (MIP). Des algorithmes polynomiaux de calcul de robustesse permettent de calculer sur les différents nœuds du système les marges de robustesse. Une fois le navire à quai, l’ordonnancement cyclique robuste est appliqué. Lorsqu’une perturbation est observée (localisée) dans le système, une comparaison avec la marge de robustesse connue est effectuée. Si cette perturbation est incluse dans la marge de robustesse, l’algorithme robuste est utilisé pour éliminer ces perturbations en quelques cycles. Dans le cas où la perturbation est trop importante, la méthode MIP est utilisée pour calculer un nouvel ordonnancement cyclique en un temps réduit / This PhD thesis is dedicated to propose a robust cyclic scheduling methodology applied to container management of medium sized seaport which faces ever changing terminal conditions and the limited predictability of future events and their timing. The robust cyclic scheduling can be seen not just a predictable scheduling to compute a container transportation schedule, but also a reactive scheduling to eliminate the disturbances in real time. In this work, the automated intelligent vehicles (AIV) are used to transport the containers, and the P-time strongly connected event graph (PTSCEG) is used as a graphical tool to model the container transit procedures. Before the arrival of the container vessel, a cyclic container transit schedule can be given by the mixed integer programming (MIP) method in short time. The robustness margins on the nodes of the system can be computed by robustness algorithms in polynomial computing time. After the stevedoring begins, this robust cyclic schedule is used. When a disturbance is observed in system, it should be compared with the known robustness margin. If the disturbance belongs to the robustness margin, the robustness algorithm is used to eliminate the disturbance in a few cycle times. If not, the MIP method is used to compute a new cyclic schedule in short time

Le transport fluvial de conteneurs constitue une activité économique importante qui suscite un intérêt grandissant de la part de scientifiques. Considéré comme durable et économique, le transport par barge a été identifié comme étant une alternative compétitive pour le transport de marchandises, en complément des modes traditionnels de transport, routier et ferroviaire. Néanmoins, les travaux de recherche en rapport avec la planification et le management du transport par barge, en particulier dans le contexte du transport intermodal, sont encore peu abondants. Le but de cette thèse est d’apporter une contribution dans ce domaine, par la proposition de modèles et de méthodes de planification et gestion avancées, dans le cadre d’un système d’aide à la décision pour le transport de conteneurs par barge développé pour accompagner les opérateurs de transport. La méthodologie proposée fait appel à des concepts et principes de gestion du revenu, des ressources et des services de transport pour la conception de plans de services réguliers avec horaires, au niveau tactique. Les opérateurs de transport peuvent ainsi offrir des plans de transport avec des services plus flexibles pour leurs clients, tout en assurant un meilleur niveau de fiabilité. Plus de demandes de transport pourront ainsi être satisfaites, avec globalement une plus grande satisfaction des chargeurs. Une originalité importante proposée par notre approche est l’utilisation de principes et techniques de gestion du revenu (segmentation du marché, classes tarifaires...) aussi bien au niveau opérationnel de la modélisation qu’au niveau tactique. Les problèmes d’optimisation sont formalisés sous forme de modèles de programmation linéaire mixte en nombres entiers (PLNE), implémentés et testés sous différentes configurations de réseaux de transport et différents scénarios de demandes, et ce pour chaque niveau de décision. Au niveau tactique, une nouvelle approche de résolution, combinant la recherche adaptative à voisinage large (ALNS) et la recherche taboue, est proposée pour résoudre des problèmes PLNE de grande taille. Une plateforme de simulation, qui intègre les niveaux tactique et opérationnel de prise de décision, est proposée pour la validation du système d’aide à la décision sous différentes configurations : différentes topologies du réseau physique, différents paramètres pour la gestion du revenu, différents degrés de précision caractérisant les prévisions de demande. Pour l’analyse des résultats numériques ainsi obtenus, plusieurs types d’indicateurs de performance sont proposés et utilisés. / Barge transportation is an important research topic that started to draw increasing scientific attention in the recent decade. Considered as sustainable, environment-friendly and economical, barge transportation has been identified as a competitive alternative for freight transportation, complementing the traditional road and rail modes. However, contributions related to barge transportation, especially in the context of intermodal transportation, are still scarce. The objective of this thesis is to contribute to fill this gap by proposing a reactive decision support system for freight intermodal barge transportation from the perspective of the carriers. The proposed system incorporates resource and revenue management concepts and principles to build the optimal set of scheduled services plans at the tactical level. Carriers may thus benefit from transportation plans offering increased flexibility and reliability. They could thus serve more demands and better satisfy customers. One novelty of the approach is the application of revenue management considerations (e.g., market segmentation and price differentiation) at both operational and tactical planning levels. The optimization problems are mathematically formalized and mixed integer linear programming (MILP) models are proposed, implemented and tested against various network settings and demand scenarios, for each decision level. At the tactical level, a new solution approach, combining adaptive large neighborhood search (ALNS) and Tabu search is designed to solve large scale MILP problems. An integrated simulation framework, including the tactical and the operational levels jointly, is proposed to validate the decision support system in different settings, in terms of physical network topology, revenue management parameters and accuracy degree of demand forecasts. To analyze the numerical results corresponding to the solutions of the optimization problems, several categories of performance indicators are proposed and used.

Cette thèse se situe à l’intersection de deux domaines de recherche scientifique la Reconnaissance d’Objets Structurels (ROS) et la Recherche Opérationnelle (RO). Le premier consiste à rendre la machine plus intelligente et à reconnaître les objets, en particulier ceux basés sur les graphes. Alors que le second se focalise sur la résolution de problèmes d’optimisation combinatoire difficiles. L’idée principale de cette thèse est de combiner les connaissances de ces deux domaines. Parmi les problèmes difficiles existants en ROS, le problème de la distance d’édition entre graphes (DEG) a été sélectionné comme le cœur de ce travail. Les contributions portent sur la conception de méthodes adoptées du domaine RO pour la résolution du problème de DEG. Explicitement, des nouveaux modèles linéaires en nombre entiers et des matheuristiques ont été développé à cet effet et de très bons résultats ont été obtenus par rapport à des approches existantes. / This thesis is focused on Graph Matching (GM) problems and in particular the Graph Edit Distance (GED) problems. There is a growing interest in these problems due to their numerous applications in different research domains, e.g. biology, chemistry, computer vision, etc. However, these problems are known to be complex and hard to solve, as the GED is a NP-hard problem. The main objectives sought in this thesis, are to develop methods for solving GED problems to optimality and/or heuristically. Operations Research (OR) field offers a wide range of exact and heuristic algorithms that have accomplished very good results when solving optimization problems. So, basically all the contributions presented in thesis are methods inspired from OR field. The exact methods are designed based on deep analysis and understanding of the problem, and are presented as Mixed Integer Linear Program (MILP) formulations. The proposed heuristic approaches are adapted versions of existing MILP-based heuristics (also known as matheuristics), by considering problem-dependent information to improve their performances and accuracy.

Dans les chaînes d’approvisionnement, les producteurs font souvent appel à des entreprises de transport pour livrer leurs marchandises. Cela peut entraîner une concurrence entre les transporteurs qui cherchent à maximiser leurs revenus individuels en desservant un produc- teur. Dans ce travail, nous considérons de telles situations où aucun transporteur ne peut garantir la livraison de la source à la destination en raison de son activité dans une région restreinte (par exemple, une province) ou de la flotte de transport disponible (par exemple, uniquement le transport aérien), pour ne citer que quelques exemples. La concurrence est donc liée à l’expansion de la capacité de transport des transporteurs. Le problème décrit ci-dessus motive l’étude du jeu d’expansion de réseau multi-agent joué sur un réseau appartenant à de multiples transporteurs qui choisissent la capacité de leurs arcs. Simultanément, un client cherche à maximiser le flux qui passe par le réseau en décidant de la politique de partage qui récompense chacun des transporteurs. Le but est de déterminer un équilibre de Nash pour le jeu, en d’autres termes, la strategie d’extension de capacité et de partage la plus rationnelle pour les transporteurs et le client, respectivement. Nous rappelons la formulation basée sur les arcs proposée dans la littérature, dont la solution est l’équilibre de Nash avec le plus grand flux, et nous identifions ses limites. Ensuite, nous formalisons le concept de chemin profitable croissant et nous montrons son utilisation pour établir les conditions nécessaires et suffisantes pour qu’un vecteur de stratégies soit un équilibre de Nash. Ceci nous conduit à la nouvelle formulation basée sur le chemin. Enfin, nous proposons un renforcement du modèle basé sur les arcs et une formulation hybride arc- chemin. Nos résultats expérimentaux soutiennent la valeur des nouvelles inégalités valides obtenues à partir de notre caractérisation des équilibres de Nash avec des chemins croissants rentables. Nous concluons ce travail avec les futures directions de recherche pavées par les contributions de cette thèse. / In supply chains, manufacturers often use transportation companies to deliver their goods. This can lead to competition among carriers seeking to maximize their individual revenues by serving a manufacturer. In this work, we consider such situations where no single carrier can guarantee delivery from source to destination due to its operation in a restricted region (e.g., a province) or the available transportation fleet (e.g., only air transportation), to name a few examples. Therefore, competition is linked to the expansion of transportation capacity by carriers. The problem described above motivates the study of the multi-agent network expansion game played over a network owned by multiple transporters who choose their arcs’ capacity. Simultaneously, a customer seeks to maximize the flow that goes through the network by deciding the sharing policy rewarding each of the transporters. The goal is to determine a Nash equilibrium for the game, in simple words, the most rational capacity expansion and sharing policy for the transporters and the customer, respectively. We recap the arc-based formulation proposed in literature, whose solution is the Nash equilibirum with the largest flow, and we identify its limitations. Then, we formalize the concept of profitable increasing path and we show its use to establish necessary and sufficient conditions for a vector of strategies to be a Nash equilibrium. This lead us to the first path-based formulation. Finally, we propose a strengthening for the arc-based model and a hybrid arc-path formulation. Our experimental results support the value of the new valid inequalities obtained from our characterization of Nash equilibria with profitable increasing paths. We conclude this work with the future research directions paved by the contributions of this thesis.

Le problème d’ordre linéaire (LOP) a reçu beaucoup d’attention dans différents domaines d’application, allant de l’archéologie à l’ordonnancement en passant par l’économie et même de la psychologie mathématique. Ce problème est aussi connu pour être parmi les problèmes NP-difficiles. Nous considérons dans cette thèse une variante de (LOP) sous contrainte de cardinalité. Nous cherchons donc un ordre linéaire d’un sous-ensemble de sommets du graphe de préférences de cardinalité fixée et de poids maximum. Ce problème, appelé (FCLOP) pour ’fixed-cardinality linear ordering problem’, n’a pas été étudié en tant que tel dans la littérature scientifique même si plusieurs applications dans les domaines de macro-économie, de classification dominante ou de transport maritime existent concrètement. On retrouve en fait ses caractéristiques dans les modèles étendus de sous-graphes acycliques. Le problème d’ordre linéaire est déjà connu comme un problème NP-difficile et il a donné lieu à de nombreuses études, tant théoriques sur la structure polyédrale de l’ensemble des solutions réalisables en variables 0-1 que numériques grâce à des techniques de relaxation et de séparation progressive. Cependant on voit qu’il existe de nombreux cas dans la littérature, dans lesquelles des solveurs de Programmation Linéaire en nombres entiers comme CPLEX peuvent en résoudre certaines instances en moins de 10 secondes, mais une fois que la cardinalité est limitée, ces mêmes instances deviennent très difficiles à résoudre. Sur les aspects polyédraux, nous avons étudié le polytope de FCLOP, défini plusieurs classes d’inégalités valides et identifié la dimension ainsi que certaines inégalités qui définissent des facettes pour le polytope de FCLOP. Nous avons introduit un algorithme Relax-and-Cut basé sur ces résultats pour résoudre les instances du problème. Dans cette étude, nous nous sommes également concentrés sur la relaxation Lagrangienne pour résoudre ces cas difficiles. Nous avons étudié différentes stratégies de relaxation et nous avons comparé les bornes duales par rapport à la consolidation obtenue à partir de chaque stratégie de relâcher les contraintes afin de détecter le sous-ensemble des contraintes le plus approprié. Les résultats numériques montrent que nous pouvons trouver des bornes duales de très haute qualité. Nous avons également mis en place une méthode de décomposition Lagrangienne. Dans ce but, nous avons décomposé le modèle de FCLOP en trois sous-problèmes (au lieu de seulement deux) associés aux contraintes de ’tournoi’, de ’graphes sans circuits’ et de ’cardinalité’. Les résultats numériques montrent une amélioration significative de la qualité des bornes duales pour plusieurs cas. Nous avons aussi mis en oeuvre une méthode de plans sécants (cutting plane algorithm) basée sur la relaxation pure des contraintes de circuits. Dans cette méthode, on a relâché une partie des contraintes et on les a ajoutées au modèle au cas où il y a des de/des violations. Les résultats numériques montrent des performances prometteuses quant à la réduction du temps de calcul et à la résolution d’instances difficiles hors d’atteinte des solveurs classiques en PLNE. / Linear Ordering Problem (LOP) has receive significant attention in different areas of application, ranging from transportation and scheduling to economics and even archeology and mathematical psychology. It is classified as a NP-hard problem. Assume a complete weighted directed graph on V n , |V n |= n. A permutation of the elements of this finite set of vertices is a linear order. Now let p be a given fixed integer number, 0 ≤ p ≤ n. The p-Fixed Cardinality Linear Ordering Problem (FCLOP) is looking for a subset of vertices containing p nodes and a linear order on the nodes in S. Graphically, there exists exactly one directed arc between every pair of vertices in an LOP feasible solution, which is also a complete cycle-free digraph and the objective is to maximize the sum of the weights of all the arcs in a feasible solution. In the FCLOP, we are looking for a subset S ⊆ V n such that |S|= p and an LOP on these S nodes. Hence the objective is to find the best subset of the nodes and an LOP over these p nodes that maximize the sum of the weights of all the arcs in the solution. Graphically, a feasible solution of the FCLOP is a complete cycle-free digraph on S plus a set of n − p vertices that are not connected to any of the other vertices. There are several studies available in the literature focused on polyhedral aspects of the linear ordering problem as well as various exact and heuristic solution methods. The fixed cardinality linear ordering problem is presented for the first time in this PhD study, so as far as we know, there is no other study in the literature that has studied this problem. The linear ordering problem is already known as a NP-hard problem. However one sees that there exist many instances in the literature that can be solved by CPLEX in less than 10 seconds (when p = n), but once the cardinality number is limited to p (p < n), the instance is not anymore solvable due to the memory issue. We have studied the polytope corresponding to the FCLOP for different cardinality values. We have identified dimension of the polytope, proposed several classes of valid inequalities and showed that among these sets of valid inequalities, some of them are defining facets for the FCLOP polytope for different cardinality values. We have then introduced a Relax-and-Cut algorithm based on these results to solve instances of the FCLOP. To solve the instances of the problem, in the beginning, we have applied the Lagrangian relaxation algorithm. We have studied different relaxation strategies and compared the dual bound obtained from each case to detect the most suitable subproblem. Numerical results show that some of the relaxation strategies result better dual bound and some other contribute more in reducing the computational time and provide a relatively good dual bound in a shorter time. We have also implemented a Lagrangian decomposition algorithm, decom-6 posing the FCLOP model to three subproblems (instead of only two subproblems). The interest of decomposing the FCLOP model to three subproblems comes mostly from the nature of the three subproblems, which are relatively quite easier to solve compared to the initial FCLOP model. Numerical results show a significant improvement in the quality of dual bounds for several instances. We could also obtain relatively quite better dual bounds in a shorter time comparing to the other relaxation strategies. We have proposed a cutting plane algorithm based on the pure relaxation strategy. In this algorithm, we firstly relax a subset of constraints that due to the problem structure, a very few number of them are active. Then in the course of the branch-and-bound tree we verify if there exist any violated constraint among the relaxed constraints or. Then the characterized violated constraints will be globally added to the model. (...)