Quelques Algorithmes pour des problèmes de plus court chemin et d'opérations aériennes

par Axel Parmentier

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Frédéric Meunier.

Le président du jury était Marie-Christine Costa.

Le jury était composé de Frédéric Meunier, Dominique Feillet, Frédéric Gardi, Vincent Leclere.

Les rapporteurs étaient Stéphane Gaubert, Patrick Jaillet.


  • Résumé

    Cette thèse développe des algorithmes pour les problèmes de plus court chemin sous cont-rain-tes de ressources, et les applique à l'optimisation des rotations des avions et des équipages d'une compagnie aérienne dans le cadre d'approches par génération de colonnes.Les problèmes de plus court chemin sous contraintes de ressources sont généralement résolus grâce à une énumération intelligente de tous les chemins non dominés. Les approches récentes utilisent des bornes sur les ressources des chemins pour éliminer des solutions partielles. L'efficacité de la méthode est conditionnée par la qualité des bornes utilisées. Notre principale contribution au domaine est l'introduction d'une procédure générique pour calculer des bornes qui s'applique à la plupart des problèmes de chemins sous contraintes, et en particulier les problèmes stochastiques. A cette fin, nous introduisons une généralisation du problème de plus court chemin sous contraintes dans laquelle les ressources des chemins appartiennent à un monoïde ordonné comme un treillis. La ressource d'un chemin est la somme des ressources de ses arcs, le terme somme désignant l'opérateur du monoïde. Le problème consiste à trouver parmi les chemins qui satisfont une contrainte donnée celui dont la ressource minimise une fonction de coût croissante de la ressource des chemins. Nous généralisons les algorithmes d'énumération à ce nouveau problème. La théorie des treillis nous permet de construire une procédure polynomiale pour trouver des bornes de qualité. L'efficacité pratique de la méthode est évaluée au travers d'une étude numérique détaillée sur des problèmes de chemins déterministes et stochastiques. Les procédures de calcul des bornes peuvent être interprétées comme des généralisations aux monoïdes ordonnés comme des treillis d'algorithmes de la littérature définis pour résoudre un problème de chemin pour lequel les ressources des chemins prennent leur valeur dans un semi-anneau.Nos algorithmes de chemins ont été appliqués avec succès au problème de crew pairing. Étant donné un ensemble de vols opérés par une compagnie aérienne, les problèmes d'aircraft routing et de crew pairing construisent respectivement les séquences de vols opérées par les avions et par les équipages de manière à couvrir tous les vols à moindre coût. Comme certaines séquences de vols ne peuvent être réalisées par un équipage que s'il reste dans le même avion, les deux problèmes sont liés. La pratique actuelle dans l'industrie aéronautique est de résoudre tout d'abord le problème d'aircraft routing, puis le problème de crew pairing, ce qui aboutit à une solution non-optimale. Des méthodes de résolution pour le problème intégré ont été développées ces dix dernières années. Nous proposons une méthode de résolution pour le problème intégré reposant sur deux nouveaux ingrédients : un programme linéaire en nombre entier compact pour le problème d'aircraft routing, ainsi que de nouveaux pour le problème esclave de l'approche usuelle par génération de colonnes du problème de crew pairing. Ces algorithmes pour le problème esclave sont une application de nos algorithmes pour le problème de plus court chemin sous contraintes. Nous généralisons ensuite cette approche de manière à prendre en compte des contraintes de probabilités sur la propagation du retard. Ces algorithmes permettent de résoudre quasiment à l'optimum les instances industrielles d'Air France

  • Titre traduit

    Algorithms for shortest path and airline problems


  • Résumé

    This thesis develops algorithms for resource constrained shortest path problems, and uses them to solve the pricing subproblems of column generation approaches to some airline operations problems.Resource constrained shortest path problems are usually solved using a smart enumeration of the non-dominated paths. Recent improvements of these enumeration algorithms rely on the use of bounds on path resources to discard partial solutions. The quality of the bounds determines the performance of the algorithm. Our main contribution to the topic is to introduce a standard procedure to generate bounds on paths resources in a general setting which covers most resource constrained shortest path problems, among which stochastic versions. In that purpose, we introduce a generalization of the resource constrained shortest path problem where the resources are taken in a lattice ordered monoid. The resource of a path is the monoid sum of the resources of its arcs. The problem consists in finding a path whose resource minimizes a non-decreasing cost function of the path resource among the paths that satisfy a given constraint. Enumeration algorithms are generalized to this framework. We use lattice theory to provide polynomial procedures to find good quality bounds. The efficiency of the approach is proved through an extensive numerical study on deterministic and stochastic path problems. Interestingly, the bounding procedures can be seen as generalizations to lattice ordered monoids of some algebraic path problem algorithms which initially work with resources in a semiring.Given a set of flight legs operated by an airline, the aircraft routing and the crew pairing problem build respectively the sequences of flight legs operated by airplanes and crews at minimum cost. As some sequences of flight legs can be operated by crews only if they stay in the same aircraft, the two problems are linked. The current practice in the industry is to solve first the aircraft routing, and then the crew pairing problem, leading to a non-optimal solution. During the last decade, solution schemes for the integrated problem have been developed. We propose a solution scheme for the integrated problem based on two new ingredients: a compact integer program approach to the aircraft routing problem, and a new algorithm for the pricing subproblem of the usual column generation approach to the crew pairing problem, which is based on our resource constrained shortest path framework. We then generalize the algorithm to take into account delay propagation through probabilistic constraints. The algorithms enable to solve to near optimality Air France industrial instances


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