Trois essais sur des problèmes de localisation et de tournées de véhicules pour des systèmes de transport innovants et de livraison robotisée.

Three essays on facility location and vehicle routing for modern transportation networks including robotic last-mile delivery

• Auteur / Autrice : Yerlan Kuzbakov
• Direction : Laurent Alfandari, Ivana Ljubić
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de gestion
• Date : Soutenance le 02/06/2025
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise, Ecole supérieure des sciences économiques et commerciales
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Économie, Management, Mathématiques, Physique et Sciences Informatiques (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivana Ljubić

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation combinatoire

Recherche Opérationnelle

Conception de réseau

Transport

Combinatorial optimization

Operations Research

Network Design

Transportation

Résumé

Cette thèse traite de trois problèmes de localisation d’installations, de tournées de véhicules et de conception de réseau, unifiés par le thème central de l’optimisation de systèmes logistiques complexes à l’aide de modélisations mathématiques avancées et de méthodes exactes de résolution. Chaque essai explore une variante de problèmes de localisation-tournées de véhicules ou de localisation-affectation, caractérisés par des contraintes structurelles et opérationnelles. Le premier essai (Chapitre 2) étudie deux variantes du problème de localisation d’installations (Facility Location) où toutes les installations sélectionnées doivent former un réseau interconnecté. Ces problèmes intègrent les modèles classiques de localisation d’installations avec contraintes de conception de réseau, et sont formulés sous forme de modèles de programmation en nombres entiers mixtes. Nous proposons et comparons plusieurs méthodes exactes, notamment les approches branch-and-cut, la décomposition de Benders, ainsi que des formulations compactes, afin d’évaluer leurs performances computationnelles. Le deuxième essai (Chapitre 3) examine un problème de planification de tournées et ordonnancement dans un système de livraison multimodal, combinant des tournées de camions et des robots de livraison autonomes pour le dernier kilomètre. Le problème est contraint par des limites de capacité aux stations de robots ainsi que par des fenêtres temporelles de livraison aux clients. Pour le résoudre, nous développons une formulation étendue et un algorithme de type branch-and-price, qui surpasse les formulations compactes directes. Une analyse de sensibilité est réalisée pour étudier l’impact des paramètres du système sur la performance des solutions mesurée en termes de retard de livraison. Le troisième essai (Chapitre 4) introduit un problème de localisation hiérarchique (à deux niveaux) de hubs globaux et locaux regroupés en clusters. Une application potentielle est liée au transport maritime entre continents. Une formulation de type programmation linéaire en nombres entiers est proposée, et nous appliquons une approche de branchement et séparation (branch-and-cut) avec décomposition de Benders, ainsi que des méthodes heuristiques et de génération de colonnes pour traiter des instances de grande taille. À travers ces trois essais, le fil conducteur est l’intégration de décisions de localisation avec des contraintes structurelles ou temporelles additionnelles, nécessitant des formulations mathématiques dédiées et l’application de méthodes exactes avancées d’optimisation. Les résultats de la thèse contribuent à la fois à l’avancement théorique et à l’implémentation pratique de l’optimisation de réseaux et de systèmes logistiques modernes.

This thesis addresses three problems in facility location, routing, and network design, unified by the overarching theme of optimizing complex logistical systems through advanced mathematical modeling and exact solution techniques. Each essay investigates a variant of location-routing or location-assignment problems characterized by structural constraints and operational considerations. The first essay (Chapter 2) studies two variants of the facility location problem where all open facilities must form an interconnected network. These problems integrate classical facility location models with network design constraints and are formulated as mixed-integer programming models. We propose and compare several exact methods, including branch-and-cut, Benders decomposition, and compact formulations, to assess their computational performance. The second essay (Chapter 3) examines the Capacitated Routing-Scheduling Problem (CRSP) in a multimodal delivery system, involving truck tours and autonomous delivery robots. The problem is constrained by capacity limits at robot stations and customer-specific time windows. To address this, we develop an extended formulation and a branch-and-price algorithm that outperform direct compact formulations. A sensitivity analysis is conducted to investigate the effect of system parameters on delivery performance. The third essay (Chapter 4) introduces the Clustered Hierarchical Hub Location Problem (CHHLP), which seeks to locate local and global hubs under a hierarchical structure with clustered connectivity. A mixed-integer linear programming formulation is proposed, and we apply branch-and-cut with Benders decomposition as well as heuristic and Column Generation techniques to deal with large instances. Across all three essays, the common thread is the integration of location decisions with additional structural or temporal constraints, requiring customized mathematical formulations and the application of advanced exact optimization methods. The findings contribute to both the theoretical understanding and practical implementation of network optimization in modern logistics systems.