Titre: Arc Routing Problems for Road Network Maintenance Title: Auteur: Ingrid Marcela Monroy Licht Author: Date: 2015 Type: Mémoire ou thèse / Dissertation or Thesis Monroy Licht, I. M. (2015). Arc Routing Problems for Road Network Maintenance Référence: [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. Citation: https://publications.polymtl.ca/1856/ Document en libre accès dans PolyPublie Open Access document in PolyPublie URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/1856/ PolyPublie URL: Directeurs de recherche: André Langevin, Ciro Alberto Amayo Guio, & Louis-Martin Rousseau Advisors: Programme: Génie industriel Program: Ce fichier a été téléchargé à partir de PolyPublie, le dépôt institutionnel de Polytechnique Montréal This file has been downloaded from PolyPublie, the institutional repository of Polytechnique Montréal https://publications.polymtl.ca UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ARC ROUTING PROBLEMS FOR ROAD NETWORK MAINTENANCE INGRID MARCELA MONROY LICHT DÉPARTEMENT DE MATHÉMATIQUES ET DE GÉNIE INDUSTRIEL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL THÈSE PRÉSENTÉE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE PHILOSOPHIÆ DOCTOR (GÉNIE INDUSTRIEL) AOÛT 2015 © Ingrid Marcela Monroy Licht, 2015. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Cette thèse intitulée : ARC ROUTING PROBLEMS FOR ROAD NETWORK MAINTENANCE présentée par : MONROY LICHT Ingrid Marcela en vue de l’obtention du diplôme de : Philosophiæ Doctor a été dûment acceptée par le jury d’examen constitué de : M. GENDREAU Michel, Ph. D., président M. LANGEVIN André, Ph. D., membre et directeur de recherche M. AMAYA GUIO, Ciro Alberto, Ph. D., membre et codirecteur de recherche M. ROUSSEAU Louis-Martin, Ph. D., membre et codirecteur de recherche M. GAMACHE Michel, Ph. D., membre M. EGLESE Richard, Ph. D., membre externe iii DEDICATION To my Parents Astrid and Fernando, To my Grandmother Cecilia iv ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my deepest gratitude to my supervisor Dr. André Langevin for his valuable guidance and support. He was always available and patient for my questions. I owe him my gratitude for supporting me in difficult moments. I would also like to thank my supervisor Dr. Ciro Alberto Amaya for sharing expertise, valuable guidance and encouragement extended to me. I am also extremely grateful to my supervisor Dr. Louis-Martin Rousseau for his help, valuable guidelines and suggestions. I wish to thank the jury members of my dissertation for taking the time to read this work. I owe my thanks to the staff at Department of Mathematics and Industrial Engineering and at Interuniversity Research Centre on Enterprise Networks, Logistics and Transportation (CIRRELT). Finally, I would like to thank my family for their support and for being there for me through ups and downs. v RÉSUMÉ Cette thèse présente deux problèmes rencontrés dans l’entretien des réseaux routiers, soit la surveillance des réseaux routiers pour la détection de verglas sur la chaussée et la reprogrammation des itinéraires pour les activités de déneigement et d’épandage de sel. Nous représentons ces problèmes par des modèles de tournées sur les arcs. La dépendance aux moments et la nature dynamique sont des caractéristiques propres de ces problèmes, par conséquence le cas de surveillance des réseaux routiers est modélisé comme un problème de postier rural avec fenêtres-horaires (RPPTW), tandis que le cas de la reprogrammation utilise des modèles obtenus à partir des formulations de problèmes de tournées sur les arcs avec capacité. Dans le cas du problème de surveillance, une patrouille vérifie l’état des chemins et des autoroutes, elle doit principalement détecter le verglas sur la chaussée dans le but d’assurer de bonnes conditions aux chauffeurs et aux piétons. Étant donné un réseau routier et des prévisions météo, le problème consiste à créer une tournée qui permette de détecter opportunément le verglas sur les rues et les routes. L’objectif poursuivi consiste à minimiser le coût de cette opération. En premier, on présente trois formulations basées sur la programmation linéaire en nombres entiers pour le problème de surveillance des réseaux qui dépend du moment et deux méthodes de résolution: un algorithme de coupes et un algorithme heuristique appelé adaptive large neighborhood search (ALNS). La méthode exacte inclut des inéquations valides tirées du problème du voyageur de commerce avec fenêtres-horaires et aussi du problème de voyageur du commerce avec contraintes de précédence. La méthode heuristique considère deux phases: en premier, on trouve une solution initiale et après dans la deuxième phase, l’algorithme essaie d’améliorer la solution initiale en utilisant sept heuristiques de destruction et deux heuristiques de réparation choisies au hasard. La performance des heuristiques est évaluée pendant les itérations. Une meilleure performance correspond à une plus grande probabilité de choisir une heuristique. Plusieurs tests ont été faits sur deux ensembles d’exemplaires de problèmes. Les résultats obtenus montrent que l’algorithme de coupes est capable de résoudre des réseaux avec 104 arêtes requises et des fenêtres-horaires structurées par tranches horaires ; l’algorithme peut aussi vi résoudre des réseaux avec 45 arêtes requises et des fenêtres-horaires structurées pour chaque arête requise. Pour l’algorithme ALNS, différentes versions de l’algorithme sont comparées. Les résultats montrent que cette méthode est efficace parce qu’elle est capable de résoudre à l’optimalité 224 des 232 exemplaires et de réduire le temps de calcul significativement pour les exemplaires les plus difficiles. La dernière partie de la thèse introduit le problème de la reprogrammation de tournées sur les arcs avec capacité (RCARP), lequel permet de modéliser la reprogrammation des itinéraires après une panne d’un véhicule lors de la phase d’exécution d’un plan initial des activités de déneigement ou d’épandage de sel. Le planificateur doit alors modifier le plan initial rapidement et reprogrammer les véhicules qui restent pour finir les activités. Dans ce cas, l’objectif poursuivi consiste à minimiser le coût d’opération et le coût de perturbation. La distance couverte par les véhicules correspond au coût d’opération, cependant une nouvelle métrique est développée pour mesurer le coût de perturbation. Les coûts considérés sont des objectifs en conflit. On analyse quatre politiques à la phase de re-routage en utilisant des formulations de programmation linéaire en nombres entiers. On propose une solution heuristique comme méthode pour résoudre le RCARP quand les coûts d’opération et de perturbation sont minimisés en même temps et quand une réponse rapide est nécessaire. La méthode consiste à fixer une partie de l’itinéraire initial et après à modifier seulement les itinéraires des véhicules les plus proches de la zone de l’interruption de la tournée du véhicule défaillant. La méthode a été testée sur des exemplaires obtenus d’un réseau réel. Nos tests indiquent que la méthode peut résoudre rapidement des exemplaires avec 88 arêtes requises et 10 véhicules actifs après la panne d’un véhicule. En conclusion, la principale contribution de cette thèse est de présenter des modèles de tournées sur les arcs et de proposer des méthodes de résolution d’optimisation qui incluent la dépendance aux temps et l’aspect dynamique. On propose des modèles et des méthodes pour résoudre le RPPTW, et on présente des résultats pour ce problème. On introduit pour la première fois le RCARP. Trois articles correspondant aux trois principaux chapitres ont été acceptés ou soumis à des revues avec comité de lecture: “The rural postman problem with time windows” accepté dans Networks, “ALNS for the rural postman problem with time windows” soumis à Networks, and vii “The rescheduling capacitated arc routing problem” soumis à International Transactions in Operational Research. viii ABSTRACT This dissertation addresses two problems related to road network maintenance: the road network monitoring of black-ice and the rescheduling of itineraries for snow plowing and salt spreading operations. These problems can naturally be represented using arc routing models. Timing-sensitive and dynamic nature are inherent characteristics of these problems, therefore the road network monitoring is modeled as a rural postman problem with time windows (RPPTW) and in the rescheduling case, models based on capacitated arc routing formulations are suggested for the rerouting phase. The detection of black-ice on the roads is carried out by a patrol to ensure safety conditions for drivers and pedestrians. Specific meteorological conditions cause black-ice on the roads; therefore the patrol must design a route covering part of the network in order to timely detect the black-ice according to weather forecasts. We look for minimum-cost solutions that satisfy the timing constraints. At first, three formulations based on mixed integer linear programming are presented for the timing-sensitive road network monitoring and two solution approaches are proposed: a cutting plane algorithm and an adaptive large neighborhood search (ALNS) algorithm. The exact method includes valid inequalities from the traveling salesman problem (TSP) with time windows and from the precedence constrained TSP. The heuristic method consists of two phases: an initial solution is obtained, and then in the second phase the ALNS method tries to improve the initial solution using seven removal and two insertion heuristics. The performance of the heuristics is evaluated during the iterations, and therefore the heuristics are selected depending on their performance (with higher probability for the better ones). Several tests are done on two sets of instances. The computational experiments performed show that the cutting plane algorithm is able to solve instances with up to 104 required edges and with time windows structured by time slots, and problems with up to 45 required edges and time windows structured by each required edge. For the ALNS algorithm, several versions of the algorithm are compared. The results show that this approach is efficient, solving to optimality 224 of 232 instances and significantly reducing the computational time on the hardest instances. ix The last part of the dissertation introduces the rescheduling capacitated arc routing problem (RCARP), which models the rescheduling of itineraries after a vehicle failure happens in the execution of an initial plan of snow plowing or salt spreading operations. A dispatcher must quickly adjust the remaining vehicles and modify the initial plan in order to complete the operations. In this case we look for solutions that minimize operational and disruption costs. The traveled distance represents the operational cost, and a new metric is discussed as disruption cost. The concerned objectives are in conflict. Four policies are analyzed in the rerouting phase using mixed integer linear programming formulations. A heuristic solution is developed to solve the RCARP when operational and disruption costs are minimized simultaneously and a quick response is needed. The idea is to fix part of the initial itinerary and only modify the itinerary of vehicles closer to the failure zone. The method is tested on a set of instances generated from a real network. Our tests indicate that the method can solve instances with up to 88 required edges and 10 active vehicles after the vehicle breakdown. In short the main contribution of this dissertation is to present arc routing models and optimization solution techniques that consider timing-sensitive and dynamic aspects. Formulations and solution methods with computational results are given for the RPPTW, and the RCARP is studied for the first time here. Three articles corresponding to the main three chapters have been accepted or submitted to peer review journals: “The rural postman problem with time windows” accepted in Networks, “ALNS for the rural postman problem with time windows” submitted to Networks, and “The rescheduling capacitated arc routing problem” submitted to International Transactions in Operational Research.