Guider la recherche arborescente pour la résolution de problèmes industriels : apprentissage par renforcement et méthodes de Monte Carlo

Guiding tree search for industrial problem solving : reinforcement learning and Monte Carlo methods

• Auteur / Autrice : Valentin Antuori
• Direction : Marie-José Huguet, Emmanuel Hebrard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Vincent T'kindt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anastasia Paparrizou, Sylvie Thiebaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Louis-Martin Rousseau, Marc Sevaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Programmation par contraintes

Apprentissage par renforcement (intelligence artificielle)

Optimisation combinatoire

Recherche opérationnelle

Mots clés libres

Recherche opérationnelle

Optimisation combinatoire

Apprentissage par renforcement

Programmation par contraintes

Recherche arborescente de Monte Carlo

Combinatorial Optimization

Operations research

Reinforcement Learning

Constraint Programming

Monte Carlo Tree Search

Résumé

La résolution de nombreux problèmes de recherche opérationnelle et plus spécifiquement de problèmes d'optimisation combinatoire, s'appuie sur des algorithmes de recherche arborescente. Dans un contexte industriel, il est fréquent que les problèmes combinatoires traités soient de très grande taille et/ou qu'on ne dispose seulement que d’un faible budget temporel à consacrer à leurs résolutions. Dès lors l'exploration complète de l’arbre de recherche est impossible, et la qualité d’une méthode arborescente repose alors sur sa capacité à s'orienter rapidement vers les zones de l’espace de recherche les plus prometteuses.Il est fréquent qu'un même problème doive être résolu de manière périodique, tout en intégrant de légères variations. Il apparaît alors que la conception d’une heuristique pour guider la recherche arborescente peut passer par l’apprentissage automatique. Il semble aussi possible d'utiliser un modèle d'apprentissage, entraîné sur un ensemble de données, sur de nouvelles données qui n'auraient que très peu varier.De plus, une telle approche permettrait de spécialiser les heuristiques en entraînant le même modèle sur plusieurs ensembles de données issus de contextes différents pour un même problème. Cet apprentissage qui se fait en amont de la résolution peut également être combiné à un mécanisme d’apprentissage lors de la résolution du problème. Un tel mécanisme permet à l’algorithme une adaptation au problème plus précise encore.Dans ce manuscrit nous nous intéressons à l'apport de méthodes d'apprentissage par renforcement et de méthodes de Monte Carlo pour la résolution de problèmes d’optimisation combinatoire issus de besoins industriels. Plus particulièrement, nous proposons deux approches dont le but est de guider l’exploration d’un arbre de recherche. La première approche consiste à concevoir une heuristique basée sur une combinaison linéaire de critères pertinents pour le problème, critères pouvant provenir de connaissances métier. Les poids de cette combinaison linéaire sont réglés via un algorithme d’apprentissage par renforcement, et l’heuristique obtenue est intégrée dans un algorithme de recherche arborescente. La seconde approche est une recherche arborescente de Monte Carlo combinée avec une recherche en profondeur d’abord. Le but est alors de découvrir, par l'expérience, quelle partie de l’arbre explorer. Ces deux approches peuvent être combinées et sont suffisamment génériques pour être adaptées aux deux problèmes industriels que nous étudions dans ce manuscrit. Le premier problème concerne la planification du déplacement de chariots pour transporter des pièces dans un atelier d’assemblage tout en respectant les cadences de production. Le second est un problème de chargement de camions en logistique amont comportant des contraintes liées à l’ordre de passage chez les fournisseurs et aux réglementations sur l’équilibre de la charge aux essieux. Pour ces deux problèmes les approches proposées surpassent les méthodes utilisées dans l’entreprise.

The resolution of many operations research problems, and more precisely combinatorial optimization problems relies on tree search algorithms. In an industrial context, combinatorial problems are usually very large and/or must be solved in a small amount of time.Consequently, the complete exploration of the search tree is often impossible, and tree-based methods should rely on their capacity to quickly find the most promising areas of the search space.It is frequent that the same problem must be solved periodically, while incorporating slight variations. Thus, machine learning seems well suited to design heuristics to guide tree search in a context where we can expect historical data sets to be highly representative of the current problem.Moreover, such an approach would allow to specialize heuristics by training the same model on several datasets from different contexts for the same problem. This learning phase, which is offline, can also be combined with an online learning mechanism. Such a mechanism allows the algorithm to adapt itself to the problem even more precisely.In this thesis, we are interested in the use of reinforcement learning methods, and Monte Carlo methods for solving industrial combinatorial problems. More precisely, we propose two approaches to guide the exploration of a tree search. The first approach consists in designing a heuristic based on a linear combination of relevant criteria for the problem.The weights of this linear combination are learnt with a reinforcement learning algorithm, and the resulting heuristic is integrated into a tree search algorithm. The second approach is a Monte Carlo tree search combined with a depth-first search, with the objective of discovering which part of the tree to explore. These two approaches are studied in two industrial application cases. The first one is the problem of routing items between machines in an assembly line while respecting the production rates. The second one is a packing problem in inbound logistics, in which we have to fill trucks while respecting constraints related to the order of the suppliers visit and on axle load balance. For these two problems, the proposed approaches outperform the methods used in the company.