Meta-heuristic Solution Methods for Rich Vehicle Routing Problems

Le problème de tournées de véhicules (VRP), introduit par Dantzig and Ramser en 1959, est devenu l'un des problèmes les plus étudiés en recherche opérationnelle, et ce, en raison de son intérêt méthodologique et de ses retombées pratiques dans de nombreux domaines tels que le transport, la logistique, les télécommunications et la production. L'objectif général du VRP est d'optimiser l'utilisation des ressources de transport afin de répondre aux besoins des clients tout en respectant les contraintes découlant des exigences du contexte d’application. Les applications réelles du VRP doivent tenir compte d’une grande variété de contraintes et plus ces contraintes sont nombreuse, plus le problème est difficile à résoudre. Les VRPs qui tiennent compte de l’ensemble de ces contraintes rencontrées en pratique et qui se rapprochent des applications réelles forment la classe des problèmes ‘riches’ de tournées de véhicules. Résoudre ces problèmes de manière efficiente pose des défis considérables pour la communauté de chercheurs qui se penchent sur les VRPs. Cette thèse, composée de deux parties, explore certaines extensions du VRP vers ces problèmes. La première partie de cette thèse porte sur le VRP périodique avec des contraintes de fenêtres de temps (PVRPTW). Celui-ci est une extension du VRP classique avec fenêtres de temps (VRPTW) puisqu’il considère un horizon de planification de plusieurs jours pendant lesquels les clients n'ont généralement pas besoin d’être desservi à tous les jours, mais plutôt peuvent être visités selon un certain nombre de combinaisons possibles de jours de livraison. Cette généralisation étend l'éventail d'applications de ce problème à diverses activités de distributions commerciales, telle la collecte des déchets, le balayage des rues, la distribution de produits alimentaires, la livraison du courrier, etc. La principale contribution scientifique de la première partie de cette thèse est le développement d'une méta-heuristique hybride dans la quelle un ensemble de procédures de recherche locales et de méta-heuristiques basées sur les principes de voisinages coopèrent avec un algorithme génétique afin d’améliorer la qualité des solutions et de promouvoir la diversité de la population. Les résultats obtenus montrent que la méthode proposée est très performante et donne de nouvelles meilleures solutions pour certains grands exemplaires du problème. La deuxième partie de cette étude a pour but de présenter, modéliser et résoudre deux problèmes riches de tournées de véhicules, qui sont des extensions du VRPTW en ce sens qu'ils incluent des demandes dépendantes du temps de ramassage et de livraison avec des restrictions au niveau de la synchronization temporelle. Ces problèmes sont connus respectivement sous le nom de Time-dependent Multi-zone Multi-Trip Vehicle Routing Problem with Time Windows (TMZT-VRPTW) et de Multi-zone Mult-Trip Pickup and Delivery Problem with Time Windows and Synchronization (MZT-PDTWS). Ces deux problèmes proviennent de la planification des opérations de systèmes logistiques urbains à deux niveaux. La difficulté de ces problèmes réside dans la manipulation de deux ensembles entrelacés de décisions: la composante des tournées de véhicules qui vise à déterminer les séquences de clients visités par chaque véhicule, et la composante de planification qui vise à faciliter l'arrivée des véhicules selon des restrictions au niveau de la synchronisation temporelle. Auparavant, ces questions ont été abordées séparément. La combinaison de ces types de décisions dans une seule formulation mathématique et dans une même méthode de résolution devrait donc donner de meilleurs résultats que de considérer ces décisions séparément. Dans cette étude, nous proposons des solutions heuristiques qui tiennent compte de ces deux types de décisions simultanément, et ce, d'une manière complète et efficace. Les résultats de tests expérimentaux confirment la performance de la méthode proposée lorsqu’on la compare aux autres méthodes présentées dans la littérature. En effet, la méthode développée propose des solutions nécessitant moins de véhicules et engendrant de moindres frais de déplacement pour effectuer efficacement la même quantité de travail. Dans le contexte des systèmes logistiques urbains, nos résultats impliquent une réduction de la présence de véhicules dans les rues de la ville et, par conséquent, de leur impact négatif sur la congestion et sur l’environnement.

Action de groupe, formes normales et systèmes quadratiques à foyer faible d'ordre trois

Dans ce mémoire, on s'intéresse à l'action du groupe des transformations affines et des homothéties sur l'axe du temps des systèmes différentiels quadratiques à foyer faible d'ordre trois, dans le plan. Ces systèmes sont importants dans le cadre du seizième problème d'Hilbert. Le diagramme de bifurcation a été produit à l'aide de la forme normale de Li dans des travaux de Andronova [2] et Artès et Llibre [4], sans utiliser le plan projectif comme espace des paramètres ni de méthodes globales. Dans [7], Llibre et Schlomiuk ont utilisé le plan projectif comme espace des paramètres et des notions à caractère géométrique global (invariants affines et topologiques). Ce diagramme contient 18 portraits de phase et certains de ces portraits sont répétés dans des parties distinctes du diagramme. Ceci nous mène à poser la question suivante : existe-t-il des systèmes distincts, correspondant à des valeurs distinctes de paramètres, se trouvant sur la même orbite par rapport à l'action du groupe? Dans ce mémoire, on prouve un résultat original : l'action du groupe n'est pas triviale sur la forme de Li (théorème 3.1), ni sur la forme normale de Bautin (théorème 4.1). En utilisant le deuxième résultat, on construit l'espace topologique quotient des systèmes quadratiques à foyer faible d'ordre trois par rapport à l'action de ce groupe.

A heuristic algorithm for the Capacitated Vehicle Routing Problem with Synchronized Pick-ups and Drop-offs : a case study for medications delivery and supervision in DR Congo

Dans des contextes de post-urgence tels que le vit la partie occidentale de la République Démocratique du Congo (RDC), l’un des défis cruciaux auxquels font face les hôpitaux ruraux est de maintenir un niveau de médicaments essentiels dans la pharmacie. Sans ces médicaments pour traiter les maladies graves, l’impact sur la santé de la population est significatif. Les hôpitaux encourent également des pertes financières dues à la péremption lorsque trop de médicaments sont commandés. De plus, les coûts du transport des médicaments ainsi que du superviseur sont très élevés pour les hôpitaux isolés ; les coûts du transport peuvent à eux seuls dépasser ceux des médicaments. En utilisant la province du Bandundu, RDC pour une étude de cas, notre recherche tente de déterminer la faisabilité (en termes et de la complexité du problème et des économies potentielles) d’un problème de routage synchronisé pour la livraison de médicaments et pour les visites de supervision. Nous proposons une formulation du problème de tournées de véhicules avec capacité limitée qui gère plusieurs exigences nouvelles, soit la synchronisation des activités, la préséance et deux fréquences d’activités. Nous mettons en œuvre une heuristique « cluster first, route second » avec une base de données géospatiales qui permet de résoudre le problème. Nous présentons également un outil Internet qui permet de visualiser les solutions sur des cartes. Les résultats préliminaires de notre étude suggèrent qu’une solution synchronisée pourrait offrir la possibilité aux hôpitaux ruraux d’augmenter l’accessibilité des services médicaux aux populations rurales avec une augmentation modique du coût de transport actuel.

Fuzzy Absolutes and Related Topics

The study on the fuzzy absolutes and related topics. The different kinds of extensions especially compactification formed a major area of study in topology. Perfect continuous mappings always preserve certain topological properties. The concept of Fuzzy sets introduced by the American Cyberneticist L. A Zadeh started a revolution in every branch of knowledge and in particular in every branch of mathematics. Fuzziness is a kind of uncertainty and uncertainty of a symbol lies in the lack of well-defined boundaries of the set of objects to which this symbol belongs. Introduce an s-continuous mapping from a topological space to a fuzzy topological space and prove that the image of an H-closed space under an s-continuous mapping is f-H closed. Here also proved that the arbitrary product fi and sum of  fi of the s-continuous maps fi are also s-continuous. The original motivation behind the study of absolutes was the problem of characterizing the projective objects in the category of compact spaces and continuous functions.

STUDIES ON THE STRESS FLUCTUATIONS IN SHEARED STOKESIAN SUSPENSIONS USING CHAOS THEORY AND NONLINEAR DYNAMICS

The thesis report results obtained from a detailed analysis of the fluctuations of the rheological parameters viz. shear and normal stresses, simulated by means of the Stokesian Dynamics method, of a macroscopically homogeneous sheared suspension of neutrally buoyant non-Brownian suspension of identical spheres in the Couette gap between two parallel walls in the limit of vanishingly small Reynolds numbers using the tools of non-linear dynamics and chaos theory for a range of particle concentration and Couette gaps. The thesis used the tools of nonlinear dynamics and chaos theory viz. average mutual information, space-time separation plots, visual recurrence analysis, principal component analysis, false nearest-neighbor technique, correlation integrals, computation of Lyapunov exponents for a range of area fraction of particles and for different Couette gaps. The thesis observed that one stress component can be predicted using another stress component at the same area fraction. This implies a type of synchronization of one stress component with another stress component. This finding suggests us to further analysis of the synchronization of stress components with another stress component at the same or different area fraction of particles. The different model equations of stress components for different area fraction of particles hints at the possible existence a general formula for stress fluctuations with area fraction of particle as a parameter

Nonlinear Dynamics of Multiple Quantum Well Lasers: Chaos and Multistability

This thesis presents analytical and numerical results from studies based on the multiple quantum well laser rate equation model. We address the problem of controlling chaos produced by direct modulation of laser diodes. We consider the delay feedback control methods for this purpose and study their performance using numerical simulation. Besides the control of chaos, control of other nonlinear effects such as quasiperiodicity and bistability using delay feedback methods are also investigated.A number of secure communication schemes based on synchronization of chaos semiconductor lasers have been successfully demonstrated theoretically and experimentally. The current investigations in these field include the study of practical issues on the implementations of such encryption schemes. We theoretically study the issues such as channel delay, phase mismatch and frequency detuning on the synchronization of chaos in directly modulated laser diodes. It would be helpful for designing and implementing chaotic encryption schemes using synchronization of chaos in modulated semiconductor lasers.

Bidirectional communication using delay coupled chaotic directly modulated semiconductor lasers

Chaotic synchronization of two directly modulated semiconductor lasers with negative delayed optoelectronic feedback is investigated and this scheme is found to be useful for e±cient bidirectional communication between the lasers. A symmetric bidirec- tional coupling is identified as a suitable method for isochronal synchronization of such lasers. The optimum values of coupling and feedback strength that can provide maxi- mum quality of synchronization are identified. This method is successfully employed for encoding/decoding both analog and digital messages. The importance of a symmetric coupling is demonstrated by studying the variation of decoding efficiency with respect to asymmetric coupling.

Effect of a fluctuating parameter mismatch and the associated time-scales on coupled Rossler oscillators

We study the effect of parameter fluctuations and the resultant multiplicative noise on the synchronization of coupled chaotic systems. We introduce a new quantity, the fluctuation rate Ф as the number of perturbations occurring to the parameter in unit time. It is shown that ϕ is the most significant quantity that determines the quality of synchronization. It is found that parameter fluctuations with high fluctuation rates do not destroy synchronization, irrespective of the statistical features of the fluctuations. We also present a quasi-analytic explanation to the relation between ϕ and the error in synchrony.

Dynamical aspects of coupled Rossler systems: effects of noise

Nonlinear time series analysis is employed to study the complex behaviour exhibited by a coupled pair of Rossler systems. Dimensional analysis with emphasis on the topological correlation dimension and the Kolmogorov entropy of the system is carried out in the coupling parameter space. The regime of phase synchronization is identified and the extent of synchronization between the systems constituting the coupled system is quantified by the phase synchronization index. The effect of noise on the coupling between the systems is also investigated. An exhaustive study of the topological, dynamical and synchronization properties of the nonlinear system under consideration in its characteristic parameter space is attempted.

Studies in Fuzzy Commutative Algebra

The main objective of this thesis was to extend some basic concepts and results in module theory in algebra to the fuzzy setting.The concepts like simple module, semisimple module and exact sequences of R-modules form an important area of study in crisp module theory. In this thesis generalising these concepts to the fuzzy setting we have introduced concepts of ‘simple and semisimple L-modules’ and proved some results which include results analogous to those in crisp case. Also we have defined and studied the concept of ‘exact sequences of L-modules’.Further extending the concepts in crisp theory, we have introduced the fuzzy analogues ‘projective and injective L-modules’. We have proved many results in this context. Further we have defined and explored notion of ‘essential L-submodules of an L-module’. Still there are results in crisp theory related to the topics covered in this thesis which are to be investigated in the fuzzy setting. There are a lot of ideas still left in algebra, related to the theory of modules, such as the ‘injective hull of a module’, ‘tensor product of modules’ etc. for which the fuzzy analogues are not defined and explored.

Dynamics of coupled Josephson junctions under the influence of applied fields

We investigate the effect of the phase difference of appliedfields on the dynamics of mutually coupledJosephsonjunctions. A phase difference between the appliedfields desynchronizes the system. It is found that though the amplitudes of the output voltage values are uncorrelated, a phase correlation is found to exist for small values of applied phase difference. The dynamics of the system is found to change from chaotic to periodic for certain values of phase difference. We report that by keeping the value of phase difference as π, the system continues to be in periodic motion for a wide range of values of system parameters. This result may find applications in devices like voltage standards, detectors, SQUIDS, etc., where chaos is least desired.

RRNS-convolutional encoded concatenated code for OFDM based wireless communication

The modern telecommunication industry demands higher capacity networks with high data rate. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising technique for high data rate wireless communications at reasonable complexity in wireless channels. OFDM has been adopted for many types of wireless systems like wireless local area networks such as IEEE 802.11a, and digital audio/video broadcasting (DAB/DVB). The proposed research focuses on a concatenated coding scheme that improve the performance of OFDM based wireless communications. It uses a Redundant Residue Number System (RRNS) code as the outer code and a convolutional code as the inner code. The bit error rate (BER) performances of the proposed system under different channel conditions are investigated. These include the effect of additive white Gaussian noise (AWGN), multipath delay spread, peak power clipping and frame start synchronization error. The simulation results show that the proposed RRNS-Convolutional concatenated coding (RCCC) scheme provides significant improvement in the system performance by exploiting the inherent properties of RRNS.

Ethernet Telemetry for Towed Arrays

The towed array electronics is essentially a multichannel real time data acquisition system. The major challenges involved in it are the simultaneous acquisition of data from multiple channels, telemetry of the data over tow cable (several kilometres in some systems) and synchronization with the onboard receiver for accurate reconstruction. A serial protocol is best suited to transmit the data to onboard electronics since number of wires inside the tow cable is limited. The best transmission medium for data over large distances is the optical fibre. In this a two step approach towards the realization of a reliable telemetry scheme for the sensor data using standard protocols is described. The two schemes are discussed in this paper. The first scheme is for conversion of parallel, time-multiplexed multi-sensor data to Ethernet. Existing towed arrays can be upgraded to ethernet using this scheme. Here the last lap of the transmission is by Ethernet over Fibre. For the next generation of towed arrays it is required to digitize and convert the data to ethernet close to the sensor. This is the second scheme. At the heart of this design is the Analog-to-Ethernet node. In addition to a more reliable interface, this helps in easier fault detection and firmware updates in the field for the towed arrays. The design challenges and considerations for incorporating a network of embedded devices within the array are highlighted

Ein XML-basiertes Modell für synchrone Gruppenarbeit auf gemeinsamen Informationsräumen

In dieser Arbeit wird ein generisches Modell fuer synchrone Gruppenarbeit auf gemeinsamen Informationsraeumen entwickelt. Fuer die Entwicklung dieses Modells muessen die Grundfunktionen fuer Anwendungen der synchronen Gruppenarbeit realisiert werden. Neben der Modellierung des Datenraumes (Datenmodell) und der operationellen Schnittstelle (Interaktionsmodell), muessen Mechanismen fuer die Darstellung der Aktivitaeten der Gruppenmitglieder auf dem Informationsraum (Awareness), sowie fuer die Synchronisierung gleichzeitiger Zugriffe verschiedener Benutzer auf dem Datenraum realisiert werden (Nebenlaeufgkeitskontrolle). Das Grundproblem bei der Loesung der Nebenlaeufigkeit liegt bei der Aufgabe der Isolation aus den klassischen ACID-Transaktionen zu gunsten von Awareness. Die rapide Entwicklung von Techniken der mobilen Kommunikation ermoeglicht den Einsatz dieser Geraete fuer den Zugriff auf Daten im Internet. Durch UMTSund WLAN-Technologien koennen Mobilgeraete fuer Anwendungen ueber die reine Kommunikation hinaus eingesetzt werden. Eine natuerliche Folge dieser Entwicklung sind Anwendungen fuer die Zusammenarbeit mehrerer Benutzer. In der Arbeit wird daher auf die Unterstuetzung mobiler Geraete besonderen Wert gelegt. Die Interaktion der Benutzer auf den gemeinsamen Datenraum wird durch einfache Navigationsoperationen mit einem Cursor (Finger) realisiert, wobei der Datenraum durch XML-Dokumente dargestellt wird. Die Visualisierung basiert auf der Transformierung von XML-Dokumenten in andere XML-basierte Sprachen wie HTML oder SVG durch XSLT-Stylesheets. Awareness-Informationen werden, aehnlich dem Fokus/Nimbus-Modell, von der Interaktion der Benutzer und der Ermittlung der sichtbaren Objekte bei dem Benutzer hergeleitet. Fuer eine geeignete Kontrolle der Nebenlaeufigkeit wurde der Begriff der visuellen Transaktion eingefuehrt, wo die Auswirkungen einer Transaktion von anderen Benutzern (Transaktionen) beobachtet werden koennen. Die Synchronisierung basiert auf einem Sperrverfahren und der Einfuehrung der neuen W-Sperre und der Grundoperationen readV und writeV. Das Modell (Groupware-Server) wird in der Arbeit in einem Prototyp implementiert. Weiterhin wird eine Java-Anwendung sowohl auf einem Desktop PC als auch auf einem Pocket PC (iPAQ 3970) implementiert, welche die Einsetzbarkeit dieses Prototyps demonstriert.

A User-Centric Perspective on Parallel Programming with Focus on OpenMP

The process of developing software that takes advantage of multiple processors is commonly referred to as parallel programming. For various reasons, this process is much harder than the sequential case. For decades, parallel programming has been a problem for a small niche only: engineers working on parallelizing mostly numerical applications in High Performance Computing. This has changed with the advent of multi-core processors in mainstream computer architectures. Parallel programming in our days becomes a problem for a much larger group of developers. The main objective of this thesis was to find ways to make parallel programming easier for them. Different aims were identified in order to reach the objective: research the state of the art of parallel programming today, improve the education of software developers about the topic, and provide programmers with powerful abstractions to make their work easier. To reach these aims, several key steps were taken. To start with, a survey was conducted among parallel programmers to find out about the state of the art. More than 250 people participated, yielding results about the parallel programming systems and languages in use, as well as about common problems with these systems. Furthermore, a study was conducted in university classes on parallel programming. It resulted in a list of frequently made mistakes that were analyzed and used to create a programmers' checklist to avoid them in the future. For programmers' education, an online resource was setup to collect experiences and knowledge in the field of parallel programming - called the Parawiki. Another key step in this direction was the creation of the Thinking Parallel weblog, where more than 50.000 readers to date have read essays on the topic. For the third aim (powerful abstractions), it was decided to concentrate on one parallel programming system: OpenMP. Its ease of use and high level of abstraction were the most important reasons for this decision. Two different research directions were pursued. The first one resulted in a parallel library called AthenaMP. It contains so-called generic components, derived from design patterns for parallel programming. These include functionality to enhance the locks provided by OpenMP, to perform operations on large amounts of data (data-parallel programming), and to enable the implementation of irregular algorithms using task pools. AthenaMP itself serves a triple role: the components are well-documented and can be used directly in programs, it enables developers to study the source code and learn from it, and it is possible for compiler writers to use it as a testing ground for their OpenMP compilers. The second research direction was targeted at changing the OpenMP specification to make the system more powerful. The main contributions here were a proposal to enable thread-cancellation and a proposal to avoid busy waiting. Both were implemented in a research compiler, shown to be useful in example applications, and proposed to the OpenMP Language Committee.