Algorithms for optimizing shared mobility systems

par Daniel Chemla

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Frédéric Meunier.

Le président du jury était Frédéric Semet.

Le jury était composé de Frédéric Meunier, Roberto Wolfler Calvo, Pierre Carpentier, Jean-Philippe Chancelier, Dominique Feillet.

Les rapporteurs étaient Tal Raviv, Louis-Martin Rousseau.

  • Titre traduit

    Outil d'aide à la décision pour l'exploitation des systèmes de transport en libre-service


  • Résumé

    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 mars 2013. 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. Durant ma thèse, j'ai pu participer à deux challenges EURO/ROADEF, celui de 2010 proposé par EDF et celui de 2012 proposé par Google. Dans les deux cas, mon équipe a atteint les phases finales. Lors de l'édition de 2010, notre méthode est arrivée quatrième et a donné lieu à une publication. En 2012, notre méthode est arrivée dix-huitième sur tous les participants. Les travaux menés dans ces cadres sont ajoutés en annexe


  • Résumé

    Bikes sharing systems have known a growing success all over the world. Several attempts have been made since the 1960s. The latest developments in ICT have enabled the system to become efficient. People can obtain real-time information about the position of the vehicles. More than 200 cities have already introduced the system and this trend keeps on with the launching of the NYC system in spring 2013. A new avatar of these means of transportation has arrived with the introduction of Autolib in Paris end of 2011.The objective of this thesis is to propose algorithms that may help to improve this system efficiency. Indeed, operating these systems induces several issues, one of which is the regulation problem. Regulation should ensures users that a right number of vehicles are present at any station anytime in order to fulfill the demand for both vehicles and parking racks. This regulation is often executed thanks to trucks that are travelling the city. This regulation issue is crucial since empty and full stations increase users' dissatisfaction. Finding the optimal strategy for regulating a network appears to be a difficult question. This thesis is divided into two parts. The first one deals with the “static” case. In this part, users' impact on the network is neglected. This is the case at night or when the system is closed. The operator faces a given repartition of the vehicles. He wants the repartition to match a target one that is known a priori. The one-truck and multiple-truck balancing problems are addressed in this thesis. For each one, an algorithm is proposed and tested on several instances. To deal with the “dynamic” case in which users interact with the system, a simulator has been developed. It is used to compare several strategies and to monitor redistribution by using trucks. Strategies not using trucks, but incentive policies are also tested: regularly updated prices are attached to stations to deter users from parking their vehicle at specified stations. At last, the question to find the best initial inventory is also addressed. It corresponds to the case when no truck are used within the day. Two local searches are presented and both aim at minimizing the total time lost by users in the system. The results obtained can be used as inputs for the target repartitions used in the first part. During my thesis, I participated to two EURO-ROADEF challenges, the 2010 edition proposed by EDF and the 2012 one by Google. In both case, my team reached the final phase. In 2010, our method was ranked fourth over all the participants and led to the publication of an article. In 2012, we ranked eighteenth over all the participants. Both works are added in the appendix


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