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Cours de recherche operationnelle I

Nadia Brauner

Nadia.Brauner@imag.fr

Grenoble, 2015-20161

2Auteurs

Ont participe a la redaction de ce cours (par ordre d'arrivee)

Nadia Brauner

Christophe Rapine

Julien Moncel

Laurent Beaudou

Ont aide, corrige, relu et donne des ideesGerd Finke

Yann Kieer

Van Dat Cung

Ont donne les TD et propose des exercicesAyse Akbalik

Sergei LengletAline Parreau

Guillaume Massonnet

3Formations a Grenoble

Formation initiale

RO a l'UJF (M1 Info, L3 Miage, Polytech'RICM4)

Gestion de la production a l'UJF (M1 Miage)

Optimisation pour l'energie (M2 Miage)

Outils Formels et Graphes (Polytech'RICM2)

RO a l'ENSIMAG (1A, 2A)

RO a l'ENSGI (1A, 2A)

Master Informatique, parcoursRecherche Operationnelle,

Combinatoire et Optimisation

Formation continueRecherche operationnelle (tous les ans, 4 jours)

Graphes et optimisation (tous les ans, 3 jours)

4Recherche Operationnelle : faisons connaissance

Nadia Brauner

Nadia Brauner@imag.fr

Professeur Grenoble ILaboratoire

equipe Recherche Operationnelle equipe Opti-Com Presidente 12-13 de laSociete Francaise de RO-ADResponsableMaster 2 R ROCO

Recherche Operationnelle,

Combinatoire et Optimisation

5Recherche Operationnelle : faisons connaissance

Problemes theoriques

Ordonnancement high-multiplicity (2NP?)Ordonnancement dans ateliers robotisees

OC appliquee a la micro-electronique

Contrats industrielsILOG : Problemes complexes de transport

IFP : Planication d'experiences chimiques

de Facto : Optimisation du test des circuits Participation a lacreation d'une startupOASIC : optimisation de la conception de cellules logiques

La recherche operationnelle

6 N. Brauner 7La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences Plan

1La Recherche Operationnelle

2Applications

3Outils

4La RO en France

5References

N. Brauner 8La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences Plan

1La Recherche Operationnelle

2Applications

3Outils

4La RO en France

5References

N. Brauner 9La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences Recherche Operationnelle ou Science de la Decision

Denitions

Cambridge Dictionary

Operational research UK (US operations research)

The systematic study of how best to

solve p roblems i n business and industryWikipedia Operations research, operational research, or simply OR, is the use of mathematical mo dels ,statistics and a lgorithms to aid in decision-makingRoadef Recherche Operationnelle:app rochescientique p ourla r esolution de problemes de gestion de syst emescomplexes N. Brauner 10La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Science du

comment mieux faire avec moins

Desoutilspourrationaliser

simuler optimiser planier l'architecture et le fonctionnement des systemes industriels et economiques.

Desmodelespour analyser des situations complexes

Permet aux decideurs de faire deschoix ecaces et robustes N. Brauner 11La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Approche quantitative pour produire les meilleures decisions Une discipline a la croisee des mathematiques et de l'informatiqueprolongement de l'algorithmique manipulant des structures plus elaborees : graphes, polyedres... domaine d'application de la theorie de la complexite algorithmiqueUne boite a outils de methodes, tant positives que negatives, pour aborder sainement et sereinement les problemes d'optimisation N. Brauner 12La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Les outils de RO-AD

aident a trouver une solution ou l'homme n'en trouvait pas une solution sur des problemes nouveaux ou l'homme n'a aucune experienceplusieurs solutions la ou l'homme n'en envisageait qu'une aident a juger de la qualite d'une solution aident a conrmer / justier des decisions N. Brauner 13La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences Plan

1La Recherche Operationnelle

2Applications

3Outils

4La RO en France

5References

N. Brauner 14La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Voyageur de commerce (TSP)

Un voyageur de commerce, base a Toulon, doit visiter ses clients a travers la France.Il souhaite eectuer latourn eela plus courte p ossible. N. Brauner 15La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Voyageur de commerce

Instance :nvilles avec une matrice de distancesSolution : tournee visitant chaque ville et revenant a Toulon

N. Brauner 16La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Algorithme Glouton pour le TSP

N. Brauner 17La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Transport

de marchandises des entrep^ots vers les clients co^uts de transport, distance sur les arcs trouver le meilleur plan de distribution aaa a a aP

PPPPPq

A Bc iji ja i b jmin

Pcijxij

X j2Bx ijai X i2Ax ijbj x ij0 N. Brauner 18La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Applications

Plus court chemin

Quel est le trajet le plus court

entre Grenoble et Nice en voiture? N. Brauner 19La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

24h de RO

8h : optimisation de la recolte et du dep^ot des dechets

recyclables...

15h : placement automatique des vehicules pour une

association de partage de voitures16h : gestion des retards dans les transports publics pour minimiser l'impact sur les passagers... http://www.24hor.org/ N. Brauner 20La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

le 15 octobre 2012 :

N. Brauner 21La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferencesThe Sveriges Riksbank Prize in Economic Sciences in Memory of Alfred Nobel 2012

Alvin E. Roth, Lloyd S. Shapley

English

English (pdf)

Swedish

Swedish (pdf)

Press Release

15 October 2012

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award The Sveriges Riksbank Prize in Economic Sciences in Memory

of Alfred Nobel for 2012 to

Alvin E. Roth

Harvard University, Cambridge, MA, USA, and Harvard Business School, Boston, MA, USA and

Lloyd S. Shapley

University of California, Los Angeles, CA, USA

"for the theory of stable allocations and the practice of market design".

Stable allocations - from theory to practice

This year's Prize concerns a central economic problem: how to match different agents as well as possible.

For example, students have to be matched with schools, and donors of human organs with patients in need

of a transplant. How can such matching be accomplished as efficiently as possible? What methods are

beneficial to what groups? The prize rewards two scholars who have answered these questions on a journey

from abstract theory on stable allocations to practical design of market institutions.

Lloyd Shapley used so-called cooperative game theory to study and compare different matching methods. A key issue is to

ensure that a matching is stable in the sense that two agents cannot be found who would prefer each other over their current

counterparts. Shapley and his colleagues derived specific methods - in particular, the so-called Gale-Shapley algorithm - that

always ensure a stable matching. These methods also limit agents' motives for manipulating the matching process. Shapley

was able to show how the specific design of a method may systematically benefit one or the other side of the market.

Alvin Roth recognized that Shapley's theoretical results could clarify the functioning of important markets in practice. In a

series of empirical studies, Roth and his colleagues demonstrated that stability is the key to understanding the success of

particular market institutions. Roth was later able to substantiate this conclusion in systematic laboratory experiments. He also

helped redesign existing institutions for matching new doctors with hospitals, students with schools, and organ donors with

patients. These reforms are all based on the Gale-Shapley algorithm, along with modifications that take into account specific

circumstances and ethical restrictions, such as the preclusion of side payments.

Even though these two researchers worked independently of one another, the combination of Shapley's basic theory and Roth's

empirical investigations, experiments and practical design has generated a flourishing field of research and improved the

performance of many markets. This year's prize is awarded for an outstanding example of economic engineering.

N. Brauner 22La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Mariages stables

Mariages stables

Des femmes :Alice, Benedicte, Camille

Des hommes :Elie, Francois, GondranPreferences des femmes

A : G E F

B : F E G

C : G E FPreferences des hommes

E : A B C

F : B C A

G : A C B

Comment faire les couples?

N. Brauner 23La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Mariages stables

Un couplage estinstables'il contient deux personnesAetBnon mariees ensemble qui se preferent mutuellement a leurs conjoints :

F est mariee avec g

G est marie avec f

F prefere G a g

G prefere F a fQuestions

Comment verier qu'un couplage est stable?

Est-ce qu'il existe toujours un couplage stable?

Est-ce qu'on sait trouver un couplage stable quand il existe? N. Brauner 24La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Mariages stables

Applications

Situations ou les mecanismes de marches traditionnels ne fonctionnent pas Repartition de biens rares, heterogenes, indivisiblesAectations de candidats sur des places eleves - ecoles d'ingenieur travailleurs - postes internes - h^opitaux etudiants - universites

Dons d'organes (reins)

N. Brauner 25La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Les challenges ROADEF

http://challenge.roadef.org/ 2010

Gestion d' energie

(EDF) 2009
Gestion des p erturbationsdans le transp orta erien (Amadeus) 2007
Planication des techniciens et des interventions p ourles telecommunications (F ranceT elecom) 2005
Ordonnancement de v ehiculesp ourune cha ^nede montage automobile (Renault) 2003
Gestion des p risesde vue r ealiseespa run satellite d'observation de la Terre (ONERA et CNES) 2001

Allo cationde fr equencesavec p olarisation

(CELA R,a rmee) 1999

Gestion de sto ckde mat eriels

(Bouygues) N. Brauner 26La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Le challenges ROADEF/EURO 2012

Reaectation de machines

Propose par Google

82 equipes enregistrees dans 33 pays

30 equipes qualiees

Vainqueur Junior : equipe polonaise

Vainqueur Open Source et Senior : equipe bosniaques N. Brauner 27La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Le challenges ROADEF/EURO 2014

Trains don't vanish!

Propose par SNCF

35 equipes enregistrees

Vainqueur Sprint : etudiants du Master

N. Brauner 28La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Introduction et historique de la RO

Mesure de performance de la RO

Ingredients d'une bonne approche RO

L'enseignement de la RO

Le serious game, un outil pour convaincre

Faut-il un modele simple ou haute delite? Solutions robustes

RO, SI et capacites de calcul

N. Brauner 29La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Emmanuel Guyot

,Directeur Marketing et Revenue Management

TF1 PUBLICITEYves Caseau,Executive Vice-PresidentBOUYGUES TELECOMAnimation :Denis Montaut ,President d'EurodecisionNadia Brauner,Presidente de la Roadef, G-SCOPYvon Querou,Directeur InformatiqueAIR FRANCEJean-Charles Billaut,Professeur a l'Universite de ToursJean-Paul Hamon,ex Executive Vice-President Developpement

AMADEUS

N. Brauner 30La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Domaines d'application

Conception, conguration et exploitation

de systemes techniques complexes (reseaux de communication, systemes d'information)Gestion de lacha ^nelogistique (transports, production, stocks...)Gestion strategique d'investissements et aussi sante, instruction publique, voirie, ramassage et distribution de courrier, production et transport d'energie, telecommunications, banques, assurances... N. Brauner 31La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Domaines d'application

Production :maximiser le prot selon disponibilite de la main d'uvre, demande du marche, capacite de production, prix de revient du materiau brut...Transport :minimiser distance totale parcourue selon quantites de materiaux a transporter, capacite des transporteurs, points de ravitaillement en carburant...Igrande importance dans le milieu industriel : production, transport, emploi du temps, nance... N. Brauner 32La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Face a un probleme pratique de decision

Aspects mathematiques

contraintes, objectifs, simplications

Modelisation

graphes, programmation lineaire, PPC...

Analyse des modeles et resolution

etude de complexite : que peut-on esperer pour le temps de resolution imparti?mise au point d'algorithmes

Implementation et analyse des resultats

valider par rapport a la demande iterer avec le demandeur si necessaire

Deploiement des solutions

Integration logicielle

N. Brauner 33La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences Plan

1La Recherche Operationnelle

2Applications

3Outils

4La RO en France

5References

N. Brauner 34La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Programmation lineaire

min le co^ut / max le prot min=maxc1x1+c2x2:::cnxn satisfaire la demandea1x1+a2x2:::anxnb1 avec des ressources limiteesa01x1+a02x2:::a0nxnb01 quantites produitesx1;x2:::xn0 N. Brauner 35La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Optimisation Combinatoire

Trouver la meilleure solution parmi un nombre ni mais tres grand de choixUn probleme d'OC se caracterise par : La presence de choix, a faire parmi un ensemble ni d'alternativesUne notion de co^ut, ou de gain, ou de perte La necessite de faire globalement les bons choix, de maniere a optimiser la valeur objectifexemples : emplois du temps...

Combinatoireechiquier tronque

N. Brauner 36La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Graphes

sommet ar^ete 1 aa a a aa P PPPPP H HHHA A AA 5 a b Valuation des ar^etes = co^uts, temps, distance, capacites...meilleur chemin deiajmeilleurs parcours passant par chaque ville passant par chaque ar^ete Representation de reseaux, de precedences en ordonnancement, de compatibilite de produits... N. Brauner 37La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle

Autre outils

Files d'attente

Stochastique

Simulation

dessin de Lionel Lagarde

A l'interface deInformatique : algorithmique

Mathematiques : modelisation

Economie : gestion, strategie

N. Brauner 38La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences Plan

1La Recherche Operationnelle

2Applications

3Outils

4La RO en France

5References

N. Brauner 39La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle : entreprises en France

Grands groupes avec un p^ole R&Den ROAirfrance

La SNCF

EDF

France Telecom

Bouygues

GDF Suez

La poste

Renault

Air Liquide

SFR

Google

N. Brauner 40La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle : entreprises en France

Pour les autres entreprises

Societes de conseil specialisees

Logiciels sur etagere

Laboratoires academiques

N. Brauner 41La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle : entreprises en France

Societes de conseil

accompagnent les industriels pour mettre en place des systemes d'aide a la decisionEURODECISION Conseil en optimisation des ressources et planication de la production, outils d'aide a la decisionARTELYS

Solutions en optimisation...

N. Brauner 42La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle : entreprises en France

Editeurs de logiciels

librairies dediees a des problemes mathematiquesILOG (IBM) Optimization tools and engines, Visualization software components, Supply chain applicationsCOSYTEC orir des solutions logicielles, a base de technologie de programmation par contraintes, pour resoudre des problemes d'optimisation des ressourcesFICO et ARTELYS Fico XPress : logiciels de modelisation de problemes lineaires ou quadratiques avec variables reelles ou entieres

Knitro : optimiseur non lineaire

Artelys Kalis : Programmation par contraintes...

N. Brauner 43La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle : entreprises en France

Editeurs de logiciels

librairies dediees a des problemes metiersALMA: Pla cementet d ecoupe ex : petit bateau (habits), chantiers navalsAMADEUS: V oyage plateforme de reservation centralisee pour l'industrie du voyage et outils de gestion des compagnies aeriennesOptilogistics: transp ortet logistique progiciels d'optimisation de tournees et de planication du transportOrdecsys, Oracle... N. Brauner 44La Recherche OperationnelleApplications Outils La RO en F ranceR eferences

Recherche Operationnelle : entreprises en France

Alma : Decoupe

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