Optimization Models and Algorithms for the Design of Global Transportation Networks

par Fábio Francisco Da Costa Fontes

Thèse de doctorat en Génie Informatique et Automatique

Sous la direction de Gilles Goncalves.

Soutenue le 27-10-2017

à l'Artois , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) .

Le président du jury était Clarisse Dhaenens.

Le jury était composé de Gilles Goncalves, Clarisse Dhaenens, Andréa Cynthia Duhamel, Olivier Péton, Hamid Allaoui, Mhand Hifi.

Les rapporteurs étaient Andréa Cynthia Duhamel, Olivier Péton.

  • Titre traduit

    Modèles et algorithmes pour la conception de réseaux de transport mondiaux


  • Résumé

    Le développement de structures de réseau efficaces pour le transport de marchandises est fondamental sur le marché mondial actuel. Les demandes doivent être traitées rapidement, répondre aux besoins des clients dans les meilleurs délais, les congestions et les retards doivent être minimisés, les émissions de CO2 doivent être contrôlés et des coûts de transport moins élevés doivent être proposés aux clients. La structure hub-and-spoke est un modèle de réseau courant utilisé à la fois dans le transport régional comme dans le transport intercontinental, permettant une économie d'échelle grâce aux consolidations opérées au niveau des noeuds hub. Mais, les retards, les congestions et les longs délais de livraison sont des inconvénients de ce type de réseau. Dans cette thèse, un nouveau concept, "sub-hub", est ajouté à la structure du réseau classique hub-and-spoke. Dans les modèles de réseau proposés, une économie d'échelle et des chemins alternatifs plus courts sont mis en oeuvre, en minimisant ainsi le coût de transport et le délai de livraison. Le sub-hub est vu comme un point de connexion entre deux routes distinctes de régions voisines. Des transbordements sans passer par les noeuds hub sont possibles au niveau des sub-hubs. Des congestions peuvent ainsi être évitées et, par conséquent, les retards associés sont ainsi minimisés. Quatre modèles de programmation linéaire en nombres entiers binaires du problème de la localisation de hubs et de routage sont développés dans cette thèse. Des réseaux avec sub-hub et des réseaux sans sub-hub prenant en compte des routes circulaires entre hubs ou des connexions directes entre hubs sont ainsi comparées. Ces modèles sont composés de quatre sous-problèmes (localisation, allocation, conception de service et routage) qui rendent complexe la recherche de solutions. Une approche cutting plane est testée pour résoudre de petites instances de problème tandis qu'une recherche à voisinage variable avec décomposition (VNDS) composée de méthodes exactes (matheuristic) a été développée pour résoudre de grandes instances. Le VNDS mis en oeuvre, explore chaque sous-problème avec différents opérateurs. Des gains importants dans la fonction objective sont observés par les modèles avec sub-hub confirmant ainsi le développement de réseaux plus compétitifs.


  • Résumé

    The development of efficient network structures for freight transport is a major concern for the current global market. Demands need to be quickly transported and should also meet the customer needs in a short period of time. Traffic congestions and delays must be minimized, since CO2 emissions must be controlled and affordable transport costs have to be offered to customers. Hub-and-spoke structure is a current network model used by both regional and intercontinental transportation, which offers an economy of scale for aggregated demands inside hub nodes. However, delays, traffic congestions and long delivery time are drawbacks from this kind of network. In this thesis, a new concept, which is called "sub-hub", is proposed to the classic hub-and-spoke network structure. In the proposed network models, economy of scale and shorter alternative paths are implemented, thus minimizing the transport cost and delivery time. The sub-hub proposal can be viewed as a connection point between two routes from distinct and close regions. Transshipments without the need to pass through hub nodes are possible inside sub-hubs. This way, congestions can be avoided and, consequently, delays are minimized. Four binary integer linear programming models for hub location and routing problem were developed in this thesis. Networks with sub-hub and networks without sub-hub taking into account circular hub routes or direct connections between hubs are compared. These models are composed of four sub-problems (location, allocation, service design and routing), which hinders the solution. A cutting plane approach was used to solve small instances of problem, while a Variable Neighborhood Decomposition Search (VNDS) composed of exact methods (matheuristic) was developed to solve large instances. The VNDS was used to explore each sub-problem by different operators. Major benefits are provided by models with sub-hub, thus promoting the development of more competitive networks.


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