Dynamic Programming Approaches for Estimating and Applying Large-scale Discrete Choice Models

People go through their life making all kinds of decisions, and some of these decisions affect their demand for transportation, for example, their choices of where to live and where to work, how and when to travel and which route to take. Transport related choices are typically time dependent and characterized by large number of alternatives that can be spatially correlated. This thesis deals with models that can be used to analyze and predict discrete choices in large-scale networks. The proposed models and methods are highly relevant for, but not limited to, transport applications. We model decisions as sequences of choices within the dynamic discrete choice framework, also known as parametric Markov decision processes. Such models are known to be difficult to estimate and to apply to make predictions because dynamic programming problems need to be solved in order to compute choice probabilities. In this thesis we show that it is possible to explore the network structure and the flexibility of dynamic programming so that the dynamic discrete choice modeling approach is not only useful to model time dependent choices, but also makes it easier to model large-scale static choices. The thesis consists of seven articles containing a number of models and methods for estimating, applying and testing large-scale discrete choice models. In the following we group the contributions under three themes: route choice modeling, large-scale multivariate extreme value (MEV) model estimation and nonlinear optimization algorithms. Five articles are related to route choice modeling. We propose different dynamic discrete choice models that allow paths to be correlated based on the MEV and mixed logit models. The resulting route choice models become expensive to estimate and we deal with this challenge by proposing innovative methods that allow to reduce the estimation cost. For example, we propose a decomposition method that not only opens up for possibility of mixing, but also speeds up the estimation for simple logit models, which has implications also for traffic simulation. Moreover, we compare the utility maximization and regret minimization decision rules, and we propose a misspecification test for logit-based route choice models. The second theme is related to the estimation of static discrete choice models with large choice sets. We establish that a class of MEV models can be reformulated as dynamic discrete choice models on the networks of correlation structures. These dynamic models can then be estimated quickly using dynamic programming techniques and an efficient nonlinear optimization algorithm. Finally, the third theme focuses on structured quasi-Newton techniques for estimating discrete choice models by maximum likelihood. We examine and adapt switching methods that can be easily integrated into usual optimization algorithms (line search and trust region) to accelerate the estimation process. The proposed dynamic discrete choice models and estimation methods can be used in various discrete choice applications. In the area of big data analytics, models that can deal with large choice sets and sequential choices are important. Our research can therefore be of interest in various demand analysis applications (predictive analytics) or can be integrated with optimization models (prescriptive analytics). Furthermore, our studies indicate the potential of dynamic programming techniques in this context, even for static models, which opens up a variety of future research directions.

Le principe québécois de l'impartageabilité de la réserve des coopératives non financières: discussion critique autour du maintien ou de la suppression

La réserve générale interdite de partage entre les membres est un avoir obligatoire, impartageable tout au long de l’existence de la coopérative et sujet à la «dévolution désintéressée en cas de liquidation ou de dissolution». Cette réserve fonctionne comme un levier de soutien au développement de la coopérative et du mouvement coopératif dans son ensemble. Le principe de l’impartageabilité de la réserve est l’interdiction faite à toutes les coopératives du Québec de partager la réserve générale entre tous les membres et l’interdiction de la diminuer, notamment par l’attribution d’une ristourne tout au long de l’existence de la coopérative. En effet, l’impartageabilité de la réserve se fonde sur l’idée que la coopérative n’a pas pour but l’accumulation des capitaux afin de les répartir entre les membres, mais il s’agit de la création d’un capital collectif qui bénéficie à tous les adhérents présents et futurs. Si le concept de l’impartageabilité de la réserve interdit donc le partage de la réserve tout au long de l’existence de la coopérative, cette même interdiction prend le nom de la dévolution désintéressée de l’actif net au moment de la disparition de la coopérative. Cette dévolution désintéressée signifie l’interdiction faite à toutes les coopératives non financières de partager le solde de l’actif lors de la disparition (dissolution ou liquidation) de la coopérative à l’exception des coopératives agricoles qui peuvent décider dans ce cas, de distribuer le solde de l’actif aux membres sans qu’on sache les raisons de cette exception. Par ailleurs, l’impartageabilité de la réserve est considérée comme un simple inconvénient juridique pour les membres et a connu quelques réécritures dans les législations sur les coopératives sans qu’on connaisse vraiment les raisons de ces modifications. L’objectif de notre thèse est d’engager une discussion critique autour du questionnement central suivant : au regard du cadre juridique actuel sur les coopératives, le principe de l’impartageabilité de la réserve doit être maintenu comme tel dans la Loi sur les coopératives, ou être tout simplement supprimé, comme dans la société par actions, où il est inexistant sans que cette suppression ne porte atteinte à la notion juridique de la coopérative? Plus précisément, quel est ce cadre juridique et quels sont les motifs qui peuvent plaider en faveur du maintien ou de la suppression du principe de l’impartageabilité de la réserve? Pour répondre à cette question, cette thèse se divise en deux parties. La première partie explore le cadre juridique des coopératives non financières au Québec en comparaison avec certains concepts juridiques issus d’autres législations. Elle étudie les fondements juridiques sous-jacents à l’impartageabilité de la réserve en droit québécois des coopératives non financières. La deuxième partie réalise une discussion critique autour de l’histoire du principe de l’impartageabilité de la réserve (ch. 3), des différents arguments juridiques disponibles (ch. 4) et d’hypothèses articulées autour des effets concrets disponibles (ch. 5). Elle explore ces dimensions au soutien du maintien ou non de l’impartageabilité de la réserve de la législation actuelle sur les coopératives non financières. Bien que la recherche effectuée conduise à une réponse nuancée, l'ensemble des résultats milite plutôt en faveur du maintien du principe de l'impartageabilité de la réserve. Au préalable, l’observation des fondements juridiques des concepts sous-jacents à l’impartageabilité de la réserve en droit québécois des coopératives non financières a permis de comprendre les concepts sous-jacents à ce principe avant de répondre à la question autour de son maintien ou de sa suppression de la législation actuelle sur les coopératives. La discussion réalisée a permis de souligner l’importance d’une réalité de base assez évidente : ce principe permet de préserver la réserve, utile au développement de la coopérative et du mouvement coopératif dans son ensemble. De plus, ce principe de l’impartageabilité de la réserve s’inscrit dans le cadre de la vocation sociale de la coopérative, qui n’a pas pour but la maximisation du profit pécuniaire. L’impartageabilité de la réserve s’inscrit également dans le cadre de la cohérence du droit québécois des coopératives avec la notion de coopérative telle que définie par le mouvement coopératif québécois et l’ACI tout en répondant aux finalités historiques d’équité entre les générations et de solidarité. Enfin, même si la discussion des arguments tirés des illustrations de données comptables et de quelques entretiens réalisés avec certains membres actifs du mouvement coopératif ne permet pas de mener à toute conclusion ferme, il ressort que l’impartageabilité de la réserve ne freinerait pas la tendance à la hausse des investissements et du chiffre d’affaires des coopératives non financières. Cette interdiction constituerait même un mécanisme d’autofinancement de la coopérative et un symbole de solidarité.