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Approches de résolution multiobjective séquentielle et parallèle pour les réseaux de transports multimodaux
Hedi Ayed
To cite this version:
Hedi Ayed. Approches de résolution multiobjective séquentielle et parallèle pour les réseaux de transports multimodaux. Autre [cs.OH]. Université Paul Verlaine - Metz, 2011. Français. �NNT : 2011METZ029S�. �tel-01749070�
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UNIVERSIT´E PAUL VERLAINE- METZ Ecole doctorale IAEM Lorraine´ UFR MIM
Approches de r´ esolution multiobjective s´ equentielle et parall` ele pour les
r´ eseaux de transports multimodaux
TH` ESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 10 Novembre 2011 pour l’obtention du
Doctorat de l’universit´e-Paul-Verlaine, Metz
(sp´ecialit´e informatique)
par
Hedi Ayed
Composition du jury
Rapporteurs : Pr. Pierre Borne Ecole centrale de Lille Pr. Juan Carlos Burguillo-Rial Universit´e de Vigo, Espagne Examinateurs : Pr. Marie-Claude Portmann LORIA-Nancy
Pr. Jacques Carlier Universit´e de Compi`egne Pr. Fr´ed´eric Guinand LITIS Le Havre
Pr. Imed Kacem LITA-UPV Metz
Enadrants: Pr. Zineb Habbas LITA-Universit´e Paul-Verlaine-Metz Dr. Djamel Khadraoui Chercheur au CRPHT, Luxembourg
Laboratoire d’Informatique Th´eorique et Appliqu´ee — EA 3097
Je tiensásalueriiles personnesqui,deprèsoude loin,ont ontribué álaonrétisation de
e travail de thèse de dotorat. Ces remeriements sont rédigés dans un moment de doux relâ-
hementintelletuel,sansvéritablerigueurnisouitaxinomique.Dansunautreétatd'esprit,es
remeriements auraient ertainement ététout autres, et j'aurais peut-être oublier un des noms
quisuivent.Mais j'aihoisie moment préispourles érire.
Toutd'abord,mesremeriementss'adressentàZinebHabbas,ProfesseuràL'universitédeMetz,
maDiretrie de thèse et à Monsieur DjamelKhadraoui, Doteur-Cherheur au Centre de Re-
herhe Henri Tudor mon Co-Direteur de thèse, pour m'avoir proposé lesujet de thèse et qui
m'ontenadrétoutaulongdeesannéesd'étude.Autraversdenosdisussions,ilsm'ontapporté
une ompréhension plus approfondie des divers aspets du sujet. Je salue aussi lasouplesse et
l'ouverture d'esprit de mesenadrantsde thèse quiont su melaisserune large marge deliberté
pour mener ábien e travail de reherhe.
JesuistrèsreonnaissantauprofesseurPierreBorneetauprofesseurJuanCarlosBurguillo-
Riald'avoiraeptélerlederapporteurs.Lesommentairesetlesquestionsdeespersonnalités
sientiques,tantsurlaformedumémoirequesursonfond,ontontribuéáaméliorerdemanière
signiative ledoument.
Je tiens à remerier aussi l'ensemble des examinateurs : le professeur émerite Marie Claude
Portmann, le professeur Jaques Carlier, le professeur Fréderique Guinand, et leprofes-
seur Imed Kaem, pour leur présene au jury ainsi que pour leurs nombreuses questions et
remarquespertinentes.
Magratitude s'adresse aussiá mes ollègues de bureau du CRPHenri Tudor,Carlos Galvez et
Gerald Arnould. Tout d'abord pour leur aueil, maissurtout pour les nombreuses disussions
quenousavonseu danslesdomaines de l'optimisation,programmation etdéveloppement, pour
leursonseils,etpourleur aideinestimableen ndethèse.Demême,je remeriemes ollègues,
Wided Guedria, Brahim Batouhe, Mehdi Mouad et Moussa Ouedraogo, qui m'ont aidé á ré-
pondre á unertain nombre de questionspratiques, tehniques, ou sientiques,que je me suis
posées.
Je remerie tous eux qui ont ontribué á faire du CRP un endroit sympathique où je me suis
renduave plaisir pendant un peumoinsde quatreans,ainsique leFNR(FondsNational dela
Reherhe Luxembourg) pour avoirnaner e travail.
Enn, je tiens á remerier ma famille et mes amis, qui m'ont aompagné etsoutenu au ours
deesannées.
Tu esl'exemplede dévouementquin'apas esséde m'enourageretde prierpourmoi.PuisseDieu,
le tout puissant,te préserveret t'aordersanté, longuevieet bonheur.
Amon pèreAyoub,
Rienau mondene vaut les eortsfournisjour et nuitpour monéduation et monbienêtre. Ce
travailest le fruitde tessaries quetu asonsentispourmon éduation etmaformation.
Amon onéreuse épouseWissal,
Cetravailte doit beauoup...Qu'ilsoit pour toile témoignagede moninnie reonnaissane pour
esannées de ompréhension,de privationset d'eortsommuns.
A Aziz,
notre petit,tout étonné quesonpapa aitenn terminésa thèse.
A mesfrèresNour et Amine,amasoeurZeineb,
aetueuses reonnaissanes.
Amabelle-famille,mére, pére, fréreset soeures,
Vous quim'admireztant, soyezsûrs que etravail est lerésultatde votre onaneen moi.
Soyez-en rémeriés.
Introdution générale xiii
Introdution
1 Contextede ettethèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
2 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
2.1 Objetif deette thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
2.2 Noshypothèses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
3 Prinipales ontributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
4 Organisation du doument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii
Liste des Algorithmes Liste des tableaux xxv Partie 1 : Etat de l'art 1 Chapitre 1Transport Multimodal : onepts fondamentaux 1.1 Introdution autransportmultimodal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Transportmultimodaldu point de vuesoio-éonomique . . . . . . . 3
1.1.1.1 Modèleen ouhes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1.2 Serviesde transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1.3 Transportmultimodal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Dénition formelle du transportmultimodal . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2.1 Transfertentremodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2.2 Modesetservies detransport . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2.3 Voyagesmultimodauxettournées multimodales . . . . . . . 7
1.1.2.4 Trajetpiéton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Mobilitémultimodale danslapratique. . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3.1 Répartitionmodale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3.2 Distaneparourue lors d'unvoyage . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3.3 Typede destination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3.4 Motifduvoyage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Réseauxdetransportmultimodal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1 Modesde transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1.1 Lavoiture etle vélo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1.2 Transports en ommun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1.3 Vélosen libreservieetCo-voiturage . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Modélisation d'unréseaudu transportmultimodal . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Modélisation par lesgraphes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1.1 Approhe Time-expanded . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1.2 Approhe Time-dependent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2 Modélisation par automatesellulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.3 Modélisation baséesurles ativités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.4 Réseauxde Petri etalgèbre desdioïdes . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Modèle degraphe :uneétude détaillée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1 Problèmedu hemin leplusrapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.1.1 ModèleTime-Expanded. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1.2 ModèleTime-Dependent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.1.3 Comparaison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2 Le modèleréel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.2.1 Letransfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.2.2 Marheà pied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.2.3 Problèmedunombre minimum detransferts . . . . . . . . . 22
Chapitre 2État de l'art surl'optimisation 2.1 Théoriede laomplexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 Complexitéalgorithmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2 Complexitédesproblèmes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Modèles d'optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Modèle d'optimisationlassique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2.1 Optimisation sousinertitude . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Tehniques de résolution desproblèmes d'optimisation . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Méthodes exates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1.1 Programmation dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1.2 La méthode diviseretrégner etlaméthode A∗ . . . . . . . . 31
2.3.1.3 Programmation par ontraintes . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Algorithmes approximatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2.1 Algorithmes d'approximation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2.2 Lesmétaheuristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2.3 Algorithmes de typeGreedy (glouton) . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Optimisation par métaheuristique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Optimisation par oloniede fourmis(ACO) . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 L'algorithme génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Chapitre 3Problème du plus ourt hemin en théorie des graphes 3.1 Plus ourthemin statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1 Algorithme duplus ourthemin deBellman-Ford [13℄ . . . . . . . . 41
3.1.2 L'algorithme de Dijkstra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 Plus ourthemin dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 Que signiedynamique? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2 Problème EA ave intervalle de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2.1 Algorithme àtemps disret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2.2 Algorithme basésurBellman-Ford . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2.3 Algorithme A∗ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.2.4 Algorithme deplus ourthemin àdeux-étapes . . . . . . . 47
3.2.3 Problème EA ave un temps dudépart xe . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.4 Chemin de moindreoût . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Plus ourthemin multi-ritères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 ParetoOptimalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1.1 Dénitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1.2 Indiateurs dequalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Approhesexates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.2.1 Algorithme àxationd'étiquette :Martins . . . . . . . . . . 53
3.3.2.2 Algorithmes à orretiond'étiquette (LC) . . . . . . . . . . 55
3.3.2.3 Algorithme delassement (RK) . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2.4 Méthode deuxphases 2P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.3 Approhesinomplètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Partie 2 : Contributions 59 Chapitre 4Graphe et hypergraphe de transfert 4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Dénitionspréliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 Le graphede transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 Le "Relevant Graph" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 L'hypergraphe de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6 Génération desdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.1 Générateur I:Stohastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.2 Générateur II :Un générateur réaliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6.3 Générateur III:OSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Chapitre 5Calul d'itinéraire mono-objetif : Approhes Séquentielle et Parallèle 5.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 ApproheSéquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.2 Algorithmes baséssur le"Relevant Graph" . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.3 AlgorithmeMTDSPP1 :Calul duplus ourthemin basésurlegraphe detransfert 72 5.2.3.1 Algorithmede Dijkstrapour lepré-alul . . . . . . . . . . . 72
5.2.3.2 UtilisationdeACO pour lepré-alul : . . . . . . . . . . . . 74
5.2.3.3 Comparaisondesdeux approhes depré-alul . . . . . . . . 77
5.2.4 AlgorithmeMTDSPP2 :Approhe hybride . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.4.1 Quelquesdénitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.4.2 Graphe Relevant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.4.3 Desriptionde l'algorithmehybride . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.4.4 Comparaisonthéorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.4.5 Implémentation etanalyse desrésultats . . . . . . . . . . . . 84
