Contributions to static and adjustable robust linear optimization

par Marcio Costa Santos

Thèse de doctorat en Technologies de l'Information et des Systèmes : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)

Sous la direction de Dritan Nace et de Michael Poss.

Soutenue le 25-11-2016

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Contributions à l’optimisation linéaire robuste statique et ajustable


  • Résumé

    L'incertitude a été toujours présente dans les problèmes d'optimisation. Dans ce travail, nous nous intéressons aux problèmes d'optimisation multi-niveaux où l'incertitude apparaît très naturellement. Les problèmes d'optimisation multi-niveaux avec incertitude ont suscité un intérêt à la fois théorique et pratique. L'optimisation robuste fait partie des méthodes les plus étudiées pour traiter ces problèmes. En optimisation robuste, nous cherchons une solution qui optimise la fonction objective pour le pire scénario appartenant à un ensemble d'incertitude donné. Les problèmes d'optimisation robuste multi-niveaux sont difficiles à résoudre, même de façon heuristique. Dans cette thèse, nous abordons les problèmes d'optimisation robuste à travers le prisme des méthodes de décomposition. Ces méthodes décomposent le problème en un problème maître (MP) et plusieurs problèmes satellites de séparation (AP). Dans ce contexte, les solutions et les relaxations heuristiques ont une importance particulière. Même pour les problèmes d'optimisation combinatoires, les relaxations sont importantes pour analyser l'écart de l'optimalité des solutions heuristiques. Un autre aspect important est l'utilisation des heuristiques comme integrés dans une méthode exacte. Les principales contributions de ce travail sont les suivantes. Premièrement, nous proposons une nouvelle relaxation pour les problèmes multi-niveaux basée sur l’approche dite d’information parfaite dans le domaine de l’optimisation stochastique. L'idée principale derrière cette méthode est d'éliminer les contraintes de non anticipativité du modèle pour obtenir un problème plus simple. Nous pouvons ensuite fournir des algorithmes combinatoires ad-hoc et des formulations de programmation mixte en nombres entiers compactes pour ce problème. Deuxièmement, nous proposons de nouveaux algorithmes de programmation dynamique pour résoudre les problèmes satellites apparaissant dans une classe spécifique de problèmes robustes pour un ensemble d'incertitude de type budget. Ce type d'incertitude est basé sur le nombre maximum d'écarts autorisés et leur taille. Ces algorithmes peuvent être appliqués à des problèmes de lot-sizing et à des problèmes de tournées de véhicules. Enfin, nous proposons un modèle robuste pour un problème lié à l’installation équitable de capteurs. Ce modèle fait le lien entre l'optimisation robuste et l'optimisation stochastique avec contraintes probabilistes ambigües.


  • Résumé

    Uncertainty has always been present in optimization problems, and it arises even more severely in multistage optimization problems. Multistage optimization problems underuncertainty have attracted interest from both the theoretical and the practical level.Robust optimization stands among the most established methodologies for dealing with such problems. In robust optimization, we look for a solution that optimizes the objective function for the worst possible scenario, in a given uncertainty set. Robust multi-stage optimization problems are hard to solve even heuristically. In this thesis, we address robust optimization problems through the lens of decompositions methods. These methods are based on the decomposition of the robust problem into a master problem (MP) and several adversarial separation problems (APs). The master problem contains the original robust constraints, however, written only for finite numbers of scenarios. Additional scenarios are generated on the y by solving the APs. In this context, heuristic solutions and relaxations have a particular importance. Similarly to combinatorial optimization problems, relaxations are important to analyze the optimality gap of heuristic solutions. Heuristic solutions represent a substantial gain from the computational viewpoint, especially when used to solve the separation problem. Because the adversarial problems must be solved several times, good heuristic solution may avoid the exact solution of the APs. The main contributions of this work are three-fold. First, we propose a new relaxation for multi-stage problems based on the approach named perfect information in the field of stochastic optimization. The main idea behind this method is to remove nonanticipativity constraints from the model to obtain a simpler problem for which we can provide ad-hoc combinatorial algorithms and compact mixed integer programming formulations. Second, we propose new dynamic programming algorithms to solve the APs for robust problems involving budgeted uncertainty, which are based on the maximum number of deviations allowed and on the size of the deviations. These algorithms can be applied to lot-sizing problems and vehicle routing problems among others. Finally, we study the robust equitable sensor location problem. We make the connection between the robust optimization and the stochastic programming with ambiguous probabilistic constraints. We propose linear models for several variants of the problem together withnumerical results.


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