Optimisation du développement de nouveaux produits dans l'industrie pharmaceutique par algorithme génétique multicritère

Multiobjective optimization of New Product Development in the pharmaceutical industry

• Auteur / Autrice : José Luis Perez Escobedo
• Direction : Catherine Azzaro-Pantel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 03/06/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés libres

Gestion du portefeuille de produits

Développement de nouveaux produits

Simulation par événements discrets

Optimisation

Algorithmes génétiques multicritères

Portfolio management

New Product Development

Discrete Event Simulation

Multiobjective optimization

Multicriteria Genetic Algorithms

Résumé

Le développement de nouveaux produits constitue une priorité stratégique de l'industrie pharmaceutique, en raison de la présence d'incertitudes, de la lourdeur des investissements mis en jeu, de l'interdépendance entre projets, de la disponibilité limitée des ressources, du nombre très élevé de décisions impliquées dû à la longueur des processus (de l'ordre d'une dizaine d'années) et de la nature combinatoire du problème. Formellement, le problème se pose ainsi : sélectionner des projets de Ret D parmi des projets candidats pour satisfaire plusieurs critères (rentabilité économique, temps de mise sur le marché) tout en considérant leur nature incertaine. Plus précisément, les points clés récurrents sont relatifs à la détermination des projets à développer une fois que les molécules cibles sont identifiées, leur ordre de traitement et le niveau de ressources à affecter. Dans ce contexte, une approche basée sur le couplage entre un simulateur à événements discrets stochastique (approche Monte Carlo) pour représenter la dynamique du système et un algorithme d'optimisation multicritère (de type NSGA II) pour choisir les produits est proposée. Un modèle par objets développé précédemment pour la conception et l'ordonnancement d'ateliers discontinus, de réutilisation aisée tant par les aspects de structure que de logique de fonctionnement, a été étendu pour intégrer le cas de la gestion de nouveaux produits. Deux cas d'étude illustrent et valident l'approche. Les résultats de simulation ont mis en évidence l'intérêt de trois critères d'évaluation de performance pour l'aide à la décision : le bénéfice actualisé d'une séquence, le risque associé et le temps de mise sur le marché. Ils ont été utilisés dans la formulation multiobjectif du problème d'optimisation. Dans ce contexte, des algorithmes génétiques sont particulièrement intéressants en raison de leur capacité à conduire directement au front de Pareto et à traiter l'aspect combinatoire. La variante NSGA II a été adaptée au problème pour prendre en compte à la fois le nombre et l'ordre de lancement des produits dans une séquence. A partir d'une analyse bicritère réalisée pour un cas d'étude représentatif sur différentes paires de critères pour l'optimisation bi- et tri-critère, la stratégie d'optimisation s'avère efficace et particulièrement élitiste pour détecter les séquences à considérer par le décideur. Seules quelques séquences sont détectées. Parmi elles, les portefeuilles à nombre élevé de produits provoquent des attentes et des retards au lancement ; ils sont éliminés par la stratégie d'optimistaion bicritère. Les petits portefeuilles qui réduisent les files d'attente et le temps de lancement sont ainsi préférés. Le temps se révèle un critère important à optimiser simultanément, mettant en évidence tout l'intérêt d'une optimisation tricritère. Enfin, l'ordre de lancement des produits est une variable majeure comme pour les problèmes d'ordonnancement d'atelier.

New Product Development (NPD) constitutes a challenging problem in the pharmaceutical industry, due to the characteristics of the development pipeline, namely, the presence of uncertainty, the high level of the involved capital costs, the interdependency between projects, the limited availability of resources, the overwhelming number of decisions due to the length of the time horizon (about 10 years) and the combinatorial nature of a portfolio. Formally, the NPD problem can be stated as follows: select a set of R and D projects from a pool of candidate projects in order to satisfy several criteria (economic profitability, time to market) while copying with the uncertain nature of the projects. More precisely, the recurrent key issues are to determine the projects to develop once target molecules have been identified, their order and the level of resources to assign. In this context, the proposed approach combines discrete event stochastic simulation (Monte Carlo approach) with multiobjective genetic algorithms (NSGA II type, Non-Sorted Genetic Algorithm II) to optimize the highly combinatorial portfolio management problem. An object-oriented model previously developed for batch plant scheduling and design is then extended to embed the case of new product management, which is particularly adequate for reuse of both structure and logic. Two case studies illustrate and validate the approach. From this simulation study, three performance evaluation criteria must be considered for decision making: the Net Present Value (NPV) of a sequence, its associated risk defined as the number of positive occurrences of NPV among the samples and the time to market. Theyv have been used in the multiobjective optimization formulation of the problem. In that context, Genetic Algorithms (GAs) are particularly attractive for treating this kind of problem, due to their ability to directly lead to the so-called Pareto front and to account for the combinatorial aspect. NSGA II has been adapted to the treated case for taking into account both the number of products in a sequence and the drug release order. From an analysis performed for a representative case study on the different pairs of criteria both for the bi- and tricriteria optimization, the optimization strategy turns out to be efficient and particularly elitist to detect the sequences which can be considered by the decision makers. Only a few sequences are detected. Among theses sequences, large portfolios cause resource queues and delays time to launch and are eliminated by the bicriteria optimization strategy. Small portfolio reduces queuing and time to launch appear as good candidates. The optimization strategy is interesting to detect the sequence candidates. Time is an important criterion to consider simultaneously with NPV and risk criteria. The order in which drugs are released in the pipeline is of great importance as with scheduling problems.