Optimization models and methods for real-time transportation planning in forestry

Lors du transport du bois de la forêt vers les usines, de nombreux événements imprévus peuvent se produire, événements qui perturbent les trajets prévus (par exemple, en raison des conditions météo, des feux de forêt, de la présence de nouveaux chargements, etc.). Lorsque de tels événements ne sont connus que durant un trajet, le camion qui accomplit ce trajet doit être détourné vers un chemin alternatif. En l’absence d’informations sur un tel chemin, le chauffeur du camion est susceptible de choisir un chemin alternatif inutilement long ou pire, qui est lui-même "fermé" suite à un événement imprévu. Il est donc essentiel de fournir aux chauffeurs des informations en temps réel, en particulier des suggestions de chemins alternatifs lorsqu’une route prévue s’avère impraticable. Les possibilités de recours en cas d’imprévus dépendent des caractéristiques de la chaîne logistique étudiée comme la présence de camions auto-chargeurs et la politique de gestion du transport. Nous présentons trois articles traitant de contextes d’application différents ainsi que des modèles et des méthodes de résolution adaptés à chacun des contextes. Dans le premier article, les chauffeurs de camion disposent de l’ensemble du plan hebdomadaire de la semaine en cours. Dans ce contexte, tous les efforts doivent être faits pour minimiser les changements apportés au plan initial. Bien que la flotte de camions soit homogène, il y a un ordre de priorité des chauffeurs. Les plus prioritaires obtiennent les volumes de travail les plus importants. Minimiser les changements dans leurs plans est également une priorité. Étant donné que les conséquences des événements imprévus sur le plan de transport sont essentiellement des annulations et/ou des retards de certains voyages, l’approche proposée traite d’abord l’annulation et le retard d’un seul voyage, puis elle est généralisée pour traiter des événements plus complexes. Dans cette ap- proche, nous essayons de re-planifier les voyages impactés durant la même semaine de telle sorte qu’une chargeuse soit libre au moment de l’arrivée du camion à la fois au site forestier et à l’usine. De cette façon, les voyages des autres camions ne seront pas mo- difiés. Cette approche fournit aux répartiteurs des plans alternatifs en quelques secondes. De meilleures solutions pourraient être obtenues si le répartiteur était autorisé à apporter plus de modifications au plan initial. Dans le second article, nous considérons un contexte où un seul voyage à la fois est communiqué aux chauffeurs. Le répartiteur attend jusqu’à ce que le chauffeur termine son voyage avant de lui révéler le prochain voyage. Ce contexte est plus souple et offre plus de possibilités de recours en cas d’imprévus. En plus, le problème hebdomadaire peut être divisé en des problèmes quotidiens, puisque la demande est quotidienne et les usines sont ouvertes pendant des périodes limitées durant la journée. Nous utilisons un modèle de programmation mathématique basé sur un réseau espace-temps pour réagir aux perturbations. Bien que ces dernières puissent avoir des effets différents sur le plan de transport initial, une caractéristique clé du modèle proposé est qu’il reste valable pour traiter tous les imprévus, quelle que soit leur nature. En effet, l’impact de ces événements est capturé dans le réseau espace-temps et dans les paramètres d’entrée plutôt que dans le modèle lui-même. Le modèle est résolu pour la journée en cours chaque fois qu’un événement imprévu est révélé. Dans le dernier article, la flotte de camions est hétérogène, comprenant des camions avec des chargeuses à bord. La configuration des routes de ces camions est différente de celle des camions réguliers, car ils ne doivent pas être synchronisés avec les chargeuses. Nous utilisons un modèle mathématique où les colonnes peuvent être facilement et naturellement interprétées comme des itinéraires de camions. Nous résolvons ce modèle en utilisant la génération de colonnes. Dans un premier temps, nous relaxons l’intégralité des variables de décision et nous considérons seulement un sous-ensemble des itinéraires réalisables. Les itinéraires avec un potentiel d’amélioration de la solution courante sont ajoutés au modèle de manière itérative. Un réseau espace-temps est utilisé à la fois pour représenter les impacts des événements imprévus et pour générer ces itinéraires. La solution obtenue est généralement fractionnaire et un algorithme de branch-and-price est utilisé pour trouver des solutions entières. Plusieurs scénarios de perturbation ont été développés pour tester l’approche proposée sur des études de cas provenant de l’industrie forestière canadienne et les résultats numériques sont présentés pour les trois contextes. When wood is transported from forest sites to mills, several unforeseen events may occur, events which perturb planned trips (e.g., because of weather conditions, forest fires, or the occurrence of new loads). When such events take place while the trip is under way, the truck involved must be rerouted to an alternative itinerary. Without relevant information on such alternative itineraries, the truck driver may choose a needlessly long one or, even worse, an itinerary that may itself be "closed" by an unforeseen event (the same event as for the original itinerary or another one). It is thus critical to provide drivers with real-time information, in particular, suggestions of alternative itineraries, when the planned one cannot be performed. Recourse strategies to deal with unforeseen events depend on the characteristics of the studied supply chain, such as the presence of auto-loaders and the management policy of forestry transportation companies. We present three papers dealing with three differ- ent application contexts, as well as models and solution methods adapted to each context. In the first paper, we assume a context where truck drivers are provided a priori with the whole weekly plan. In this context, every effort must be made to minimize the changes in the initial plan. Although the fleet of trucks is homogeneous, there is a priority ranking of the truck drivers. The priority drivers are ensured the highest work- loads. Minimizing the changes in their plans is also a priority. Since the consequences of unforeseen events on transportation are cancellations and/or delaying of some trips, the proposed approach deals first with single cancellations and single delayed trips and builds on these simple events to deal with more complex ones. In this approach, we try to reschedule the impacted trips within the same week in such a way that a loader is free at the truck arrival time both at the forest site and at the mill. In this way, none of the other trips will be impacted or changed. This approach provides the dispatchers with alternative plans in a few seconds. Better solutions could be found if the dispatcher is allowed to make more changes to the original plan. In the second paper, we assume a context where only one trip at a time is communicated to the drivers. The dispatcher waits until the truck finishes its trip before revealing the next trip. This context is more flexible and provides more recourse possibilities. Also, the weekly problem can be divided into daily problems since the demand is daily and the mills are open only for limited periods in the day. We use a mathematical programming model based on a time-space network representation to react to disruptions. Although the latter can have different impacts on the initial transportation plan, one key characteristic of the proposed model is that it remains valid for dealing with all the unforeseen events, regardless of their nature. Indeed, the impacts of such events are reflected in the time-space network and in the input parameters rather than in the model itself. The model is solved for the current day each time an unforeseen event is revealed. In the last paper, the fleet of trucks is heterogeneous, including trucks with onboard loaders. The route configuration of the latter is different than the regular truck routes, since they do not have to be synchronized with the loaders. We use a mathematical model where the columns can be easily and naturally interpreted as truck routes. We solve this model using column generation. As a first step, we relax the integrality of the decision variables and consider only a subset of feasible routes. The feasible routes with a potential to improve the solution are added iteratively to the model. A time-space network is used both to represent the impacts of unforeseen events and to generate these routes. The solution obtained is generally fractional and a heuristic branch-and-price algorithm is used to find integer solutions. Several disruption scenarios were developed to test the proposed approach on case studies from the Canadian forest industry and numerical results are presented for the three contexts.

Keyphrases: Temps réel, Transport, Foresterie, Recherche opérationnelle, Génération de colonnes, Transport, Real-time, Transportation, Forestry, Operational research, Column generation