Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

An approximation to the QoS aware throughput region of a tree network under IEEE 802.15.4 CSMA/CA with application to wireless sensor network design

In the context of wireless sensor networks, we are motivated by the design of a tree network spanning a set of source nodes that generate packets, a set of additional relay nodes that only forward packets from the sources, and a data sink. We assume that the paths from the sources to the sink have bounded hop count, that the nodes use the IEEE 802.15.4 CSMA/CA for medium access control, and that there are no hidden terminals. In this setting, starting with a set of simple fixed point equations, we derive explicit conditions on the packet generation rates at the sources, so that the tree network approximately provides certain quality of service (QoS) such as end-to-end delivery probability and mean delay. The structures of our conditions provide insight on the dependence of the network performance on the arrival rate vector, and the topological properties of the tree network. Our numerical experiments suggest that our approximations are able to capture a significant part of the QoS aware throughput region (of a tree network), that is adequate for many sensor network applications. Furthermore, for the special case of equal arrival rates, default backoff parameters, and for a range of values of target QoS, we show that among all path-length-bounded trees (spanning a given set of sources and the data sink) that meet the conditions derived in the paper, a shortest path tree achieves the maximum throughput. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Defining product-service network configurations and location roles: A current and future state analysis framework for international engineering operations

Many manufacturing firms have developed a service dimension to their product portfolio. In response to this growing trend of servitisation, organisations, often involved in complex, long-lifecycle product-service system (PSS) provision, need to reconfigure their global engineering networks to support integrated PSS offerings. Drawing on parallel concepts in 'production' networks, the idea of 'location role' now becomes increasingly complex, in terms of service delivery. As new markets develop, locations in a specific region may need to grow/adapt engineering service 'competencies' along the value chain, from design and build to support and service, in order to serve future location-specific requirements and, potentially, those requirements of the overall network. The purpose of this paper is to advance understanding of how best to design complex multi-organisational engineering service networks, through extension of the 'production' network location role concept to a PSS context, capturing both traditional engineering 'design and build' and engineering 'service' requirements. Copyright © 2012 Inderscience Enterprises Ltd.

Logistics Network Design with Differentiated Delivery Lead-Time: Benefits and Insights

Most logistics network design models assume exogenous customer demand that is independent of the service time or level. This paper examines the benefits of segmenting demand according to lead-time sensitivity of customers. To capture lead-time sensitivity in the network design model, we use a facility grouping method to ensure that the different demand classes are satisfied on time. In addition, we perform a series of computational experiments to develop a set of managerial insights for the network design decision making process.

Algorithms for network design and routing problems

In this thesis we study three combinatorial optimization problems belonging to the classes of Network Design and Vehicle Routing problems that are strongly linked in the context of the design and management of transportation networks: the Non-Bifurcated Capacitated Network Design Problem (NBP), the Period Vehicle Routing Problem (PVRP) and the Pickup and Delivery Problem with Time Windows (PDPTW). These problems are NP-hard and contain as special cases some well known difficult problems such as the Traveling Salesman Problem and the Steiner Tree Problem. Moreover, they model the core structure of many practical problems arising in logistics and telecommunications. The NBP is the problem of designing the optimum network to satisfy a given set of traffic demands. Given a set of nodes, a set of potential links and a set of point-to-point demands called commodities, the objective is to select the links to install and dimension their capacities so that all the demands can be routed between their respective endpoints, and the sum of link fixed costs and commodity routing costs is minimized. The problem is called non- bifurcated because the solution network must allow each demand to follow a single path, i.e., the flow of each demand cannot be splitted. Although this is the case in many real applications, the NBP has received significantly less attention in the literature than other capacitated network design problems that allow bifurcation. We describe an exact algorithm for the NBP that is based on solving by an integer programming solver a formulation of the problem strengthened by simple valid inequalities and four new heuristic algorithms. One of these heuristics is an adaptive memory metaheuristic, based on partial enumeration, that could be applied to a wider class of structured combinatorial optimization problems. In the PVRP a fleet of vehicles of identical capacity must be used to service a set of customers over a planning period of several days. Each customer specifies a service frequency, a set of allowable day-combinations and a quantity of product that the customer must receive every time he is visited. For example, a customer may require to be visited twice during a 5-day period imposing that these visits take place on Monday-Thursday or Monday-Friday or Tuesday-Friday. The problem consists in simultaneously assigning a day- combination to each customer and in designing the vehicle routes for each day so that each customer is visited the required number of times, the number of routes on each day does not exceed the number of vehicles available, and the total cost of the routes over the period is minimized. We also consider a tactical variant of this problem, called Tactical Planning Vehicle Routing Problem, where customers require to be visited on a specific day of the period but a penalty cost, called service cost, can be paid to postpone the visit to a later day than that required. At our knowledge all the algorithms proposed in the literature for the PVRP are heuristics. In this thesis we present for the first time an exact algorithm for the PVRP that is based on different relaxations of a set partitioning-like formulation. The effectiveness of the proposed algorithm is tested on a set of instances from the literature and on a new set of instances. Finally, the PDPTW is to service a set of transportation requests using a fleet of identical vehicles of limited capacity located at a central depot. Each request specifies a pickup location and a delivery location and requires that a given quantity of load is transported from the pickup location to the delivery location. Moreover, each location can be visited only within an associated time window. Each vehicle can perform at most one route and the problem is to satisfy all the requests using the available vehicles so that each request is serviced by a single vehicle, the load on each vehicle does not exceed the capacity, and all locations are visited according to their time window. We formulate the PDPTW as a set partitioning-like problem with additional cuts and we propose an exact algorithm based on different relaxations of the mathematical formulation and a branch-and-cut-and-price algorithm. The new algorithm is tested on two classes of problems from the literature and compared with a recent branch-and-cut-and-price algorithm from the literature.

Hierarchical Approach for Survivable Network Design

A central design challenge facing network planners is how to select a cost-effective network configuration that can provide uninterrupted service despite edge failures. In this paper, we study the Survivable Network Design (SND) problem, a core model underlying the design of such resilient networks that incorporates complex cost and connectivity trade-offs. Given an undirected graph with specified edge costs and (integer) connectivity requirements between pairs of nodes, the SND problem seeks the minimum cost set of edges that interconnects each node pair with at least as many edge-disjoint paths as the connectivity requirement of the nodes. We develop a hierarchical approach for solving the problem that integrates ideas from decomposition, tabu search, randomization, and optimization. The approach decomposes the SND problem into two subproblems, Backbone design and Access design, and uses an iterative multi-stage method for solving the SND problem in a hierarchical fashion. Since both subproblems are NP-hard, we develop effective optimization-based tabu search strategies that balance intensification and diversification to identify near-optimal solutions. To initiate this method, we develop two heuristic procedures that can yield good starting points. We test the combined approach on large-scale SND instances, and empirically assess the quality of the solutions vis-à-vis optimal values or lower bounds. On average, our hierarchical solution approach generates solutions within 2.7% of optimality even for very large problems (that cannot be solved using exact methods), and our results demonstrate that the performance of the method is robust for a variety of problems with different size and connectivity characteristics.

Dual-band Decoupling and Matching Network Design for very Closely Spaced Antennas

A practical method for the design of dual-band decoupling and matching networks (DMN) for two closely spaced antennas using discrete components is presented. The DMN reduces the port-to-port coupling and enhances the diversity of the antennas. By applying the DMN, the radiation efficiency can also be improved when one port is fed and the other port is match terminated. The proposed DMN works at two frequencies simultaneously without the need for any switch. As a proof of concept, a dual-band DMN for a pair of monopoles spaced 0.05λ apart is designed. The measured return loss and port isolation exceed 10 dB from 1.71 GHz to 1.76 GHz and from 2.27 GHz to 2.32 GHz.

Where and how to conserve: Extending the scope of spatial reserve network design

Ongoing habitat loss and fragmentation threaten much of the biodiversity that we know today. As such, conservation efforts are required if we want to protect biodiversity. Conservation budgets are typically tight, making the cost-effective selection of protected areas difficult. Therefore, reserve design methods have been developed to identify sets of sites, that together represent the species of conservation interest in a cost-effective manner. To be able to select reserve networks, data on species distributions is needed. Such data is often incomplete, but species habitat distribution models (SHDMs) can be used to link the occurrence of the species at the surveyed sites to the environmental conditions at these locations (e.g. climatic, vegetation and soil conditions). The probability of the species occurring at unvisited location is next predicted by the model, based on the environmental conditions of those sites. The spatial configuration of reserve networks is important, because habitat loss around reserves can influence the persistence of species inside the network. Since species differ in their requirements for network configuration, the spatial cohesion of networks needs to be species-specific. A way to account for species-specific requirements is to use spatial variables in SHDMs. Spatial SHDMs allow the evaluation of the effect of reserve network configuration on the probability of occurrence of the species inside the network. Even though reserves are important for conservation, they are not the only option available to conservation planners. To enhance or maintain habitat quality, restoration or maintenance measures are sometimes required. As a result, the number of conservation options per site increases. Currently available reserve selection tools do however not offer the ability to handle multiple, alternative options per site. This thesis extends the existing methodology for reserve design, by offering methods to identify cost-effective conservation planning solutions when multiple, alternative conservation options are available per site. Although restoration and maintenance measures are beneficial to certain species, they can be harmful to other species with different requirements. This introduces trade-offs between species when identifying which conservation action is best applied to which site. The thesis describes how the strength of such trade-offs can be identified, which is useful for assessing consequences of conservation decisions regarding species priorities and budget. Furthermore, the results of the thesis indicate that spatial SHDMs can be successfully used to account for species-specific requirements for spatial cohesion - in the reserve selection (single-option) context as well as in the multi-option context. Accounting for the spatial requirements of multiple species and allowing for several conservation options is however complicated, due to trade-offs in species requirements. It is also shown that spatial SHDMs can be successfully used for gaining information on factors that drive a species spatial distribution. Such information is valuable to conservation planning, as better knowledge on species requirements facilitates the design of networks for species persistence. This methods and results described in this thesis aim to improve species probabilities of persistence, by taking better account of species habitat and spatial requirements. Many real-world conservation planning problems are characterised by a variety of conservation options related to protection, restoration and maintenance of habitat. Planning tools therefore need to be able to incorporate multiple conservation options per site, in order to continue the search for cost-effective conservation planning solutions. Simultaneously, the spatial requirements of species need to be considered. The methods described in this thesis offer a starting point for combining these two relevant aspects of conservation planning.

A novel neural network design for long range prediction of rainfall pattern

The importance of long-range prediction of rainfall pattern for devising and planning agricultural strategies cannot be overemphasized. However, the prediction of rainfall pattern remains a difficult problem and the desired level of accuracy has not been reached. The conventional methods for prediction of rainfall use either dynamical or statistical modelling. In this article we report the results of a new modelling technique using artificial neural networks. Artificial neural networks are especially useful where the dynamical processes and their interrelations for a given phenomenon are not known with sufficient accuracy. Since conventional neural networks were found to be unsuitable for simulating and predicting rainfall patterns, a generalized structure of a neural network was then explored and found to provide consistent prediction (hindcast) of all-India annual mean rainfall with good accuracy. Performance and consistency of this network are evaluated and compared with those of other (conventional) neural networks. It is shown that the generalized network can make consistently good prediction of annual mean rainfall. Immediate application and potential of such a prediction system are discussed.