Optimization of the car relocation operations in one-way carsharing systems

par Rabih Zakaria

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Alexandre Caminada.

Soutenue le 14-12-2015

à Belfort-Montbéliard , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec Equipe de Recherche OPERA (Optimisation et Réseaux) (Belfort) (équipe de recherche) et de OPERA (OPtimisation Et RéseAux) (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Basset.

Le jury était composé de Alexandre Caminada, Michel Basset, Fabien Leurent, Laeticia Jourdan, Mohammad Dib, Raed Kouta, Mohamad Khalil, Laurent Moalic.

Les rapporteurs étaient Fabien Leurent, Laeticia Jourdan.

  • Titre traduit

    Optimisation des opérations du redéploiement de véhicules dans un système d'autopartage à sens unique


  • Résumé

    L'autopartage est un service de mobilité qui offre les mêmes avantages que les voitures particulières mais sansnotion de propriété. Les clients du système peuvent accéder aux véhicules sans ou avec réservation préalable. Laflotte de voitures est distribuée entre les stations et les clients peuvent prendre une voiture d'une station et ladéposer dans n'importe quelle autre station (one-way), chaque station disposant d'un nombre maximum de placesde stationnement. La demande pour la prise ou le retour des voitures dans chaque station est souvent asymétriqueentre les stations et varie au cours de la journée. Par conséquent, certaines stations accumulent des voitures etatteignent leur capacité maximale prévenant alors de nouvelles voitures de trouver une place de stationnement.Dans le même temps, des stations se vident et conduisent au rejet de la demande de retrait de clients. Notre travailporte sur l'optimisation des opérations de redéploiement de voitures afin de redistribuer efficacement les voitures surles stations suivant la demande qui varie en fonction du temps et de l'espace. Dans les systèmes d'autopartage àsens unique, le problème du redéploiement de voitures sur les stations est techniquement plus difficile que leproblème de la redistribution des vélos dans les systèmes de vélopartage. Dans ce dernier, on peut utiliser uncamion pour déplacer plusieurs vélos en même temps, alors que nous ne pouvons pas le faire dans le systèmeautopartage en raison de la taille des voitures et de la difficulté de chargement et de déchargement. Ces opérationsaugmentent le coût de fonctionnement du système d'autopartage sur l'opérateur. De ce fait, l'optimisation de cesopérations est essentielle afin de réduire leur coût. Dans cette thèse, nous développons un modèle deprogrammation linéaire en nombre entier pour ce problème. Ensuite, nous présentons trois politiques différentes deredéploiement de voitures que nous mettons en oeuvre dans des algorithmes de recherche gloutonne et nousmontrons que les opérations de redéploiement qui ne considèrent pas les futures demandes ne sont pas efficacesdans la réduction du nombre de demandes rejetées. Les solutions fournies par notre algorithme glouton sontperformantes en temps d'exécution (moins d'une seconde) et en qualité en comparaison avec les solutions fourniespar CPLEX. L'évaluation de la robustesse des deux approches présentées par l'ajout d'un bruit stochastique sur lesdonnées d'entrée montre qu'elles sont très dépendantes des données même avec l'adoption de valeur de seuil deredéploiement. En parallèle à ce travail algorithmique, l'analyse de variance (ANOVA) et des méthodes derégression multilinéaires ont été appliqués sur l'ensemble de données utilisées pour construire un modèle global afind'estimer le nombre de demandes rejetées. Enfin, nous avons développé et comparé deux algorithmesévolutionnaires multicritères pour prendre en compte l'indécision sur les objectifs de l'optimisation, NSGA-II et unalgorithme mémétique qui a montré une bonne performance pour résoudre ce problème.


  • Résumé

    To buy it. Users can have access to vehicles on the go with or without reservation. Each station has a maximumnumber of parking places. In one-way carsharing system, users can pick up a car from a station and drop it in anyother station. The number of available cars in each station will vary based on the departure and the arrival of cars oneach station at each time of the day. The demand for taking or returning cars in each station is often asymmetric andis fluctuating during the day. Therefore, some stations will accumulate cars and will reach their maximum capacitypreventing new arriving cars from finding a parking place, while other stations will become empty which lead to therejection of new users demand to take a car. Users expect that cars are always available in stations when they needit, and they expect to find a free parking place at the destination station when they want to return the rented car aswell. However, maintaining this level of service is not an easy task. For this sake, carsharing operators recruitemployees to relocate cars between the stations in order to satisfy the users' demands.Our work concerns the optimization of the car relocation operations in order to efficiently redistribute the cars overthe stations with regard to user demands, which are time and space dependent. In one-way carsharing systems, therelocation problem is technically more difficult than the relocation problem in bikesharing systems. In the latter, wecan use trucks to move several bikes at the same time, while we cannot do this in carsharing system because of thesize of cars and the difficulty of loading and unloading cars. These operations increase the cost of operating thecarsharing system.As a result, optimizing these operations is crucial in order to reduce the cost of the operator. In this thesis, we modelthis problem as an Integer Linear Programming model. Then we present three different car relocation policies thatwe implement in a greedy search algorithm. The comparison between the three policies shows that car relocationoperations that do not consider future demands are not effective in reducing the number of rejected demands.Results prove that solutions provided by our greedy algorithm when using a good policy, are competitive withCPLEX solutions. Furthermore, adding stochastic modification on the input data proves that the robustness of thetwo presented approaches to solve the relocation problem is highly dependent on the input demand even afteradding threshold values constraints. After that, the analysis of variance (ANOVA) and the multi-linear regressionmethods were applied on the used dataset in order to build a global model to estimate the number of rejecteddemands. Finally, we developed and compared two multi-objectives evolutionary algorithms to deal with thedecisional aspect of the car relocation problem using NSGA-II and memetic algorithms.


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