Optimisation intégrée des rotations et des blocs mensuels personnalisés des équipages en transport aérien

Le problème de la construction des horaires d'équipage pour les compagnies aériennes consiste à assigner un groupe d'équipage à un ensemble planifié de segments de vols. Ce problème doit également respecter des règles de travail définies par la convention collective et les autorités du transport aérien. Le problème de la construction des horaires d'équipage a reçu une attention particulière en recherche opérationnelle car après le carburant, le coût des équipages constitue la plus grande dépense des compagnies aériennes. En raison de la grande taille du problème et de la complexité des règles de travail, ce problème est traditionnellement traité en deux étapes qui sont résolues séquentiellement : la construction de rotations et la construction de blocs mensuels. La première construit un ensemble de rotations réalisables à coût minimum afin que chaque vol prévu puisse être réalisé par un équipage. Les rotations réalisables sont celles juxtaposant des vols conformément aux règles de la convention collective entres les employés et la compagnie aérienne. La deuxième étape construit des blocs mensuels pour les membres d'équipage en combinant les rotations trouvées précédemment avec les repos, et d'autres activités. Chaque bloc mensuel doit satisfaire certaines règles définies par le contrat de travail. Les membres de l'équipage sont divisés en deux groupes selon leurs rôles et leurs responsabilités : les personnels du poste de pilotage et les personnels de la cabine des passagers. Les pilotes, les copilotes et les mécaniciens de bord font partie du personnel du poste de pilotage. Le personnel du poste de pilotage est qualifié pour piloter un avion ou une famille d'avions. Le capitaine de cabine et les agents de bord font partie des membres de la cabine des passagers. Par le passé, les chercheurs se sont concentrés sur la réduction des coûts associés au personnel du poste de pilotage car leurs salaires sont plus élevés que ceux des membres de la cabine des passagers. Dans cette thèse, nous nous concentrons uniquement sur le personnel du poste de pilotage. La construction des blocs mensuels varie pour chaque compagnie aérienne. Toutefois, on peut classer les méthodes en deux catégories : la construction des blocs anonymes (bidline) et la construction des blocs personnalisés. Pour les blocs anonymes, les horaires sont construits de manière à couvrir toutes les rotations sans connaître les préférences des employés. Les blocs sont ensuite présentés aux membres d'équipage qui sélectionnent les blocs qu'ils veulent faire. Contrairement aux blocs anonymes, les blocs personnalisés tiennent compte des préférences des membres de l'équipage. La construction de ces blocs se fait selon deux objectifs : le rostering et les blocs personnalisés avec séniorité (preferrential bidding). Le premier maximise la satisfaction globale des membres d'équipage sans considérer la séniorité. Le second priorise la satisfaction des membres ayant le plus d'ancienneté. D'un point de vue historique, la construction des blocs anonymes a été l'approche la plus utilisée par les compagnies aériennes nord-américaines alors que la construction des blocs personnalisés a été plus fréquente en Europe. Cependant, les blocs personnalisés sont aujourd'hui une approche de planification utilisée par de plus de compagnies aériennes nord-américaines car ils sont plus avantageux à la fois pour les membres de l'équipage et les compagnies aériennes. Par le passé, le problème de construction des rotations et le problème de construction des blocs mensuels ont été modélisés indépendamment. Bien que cette approche réduise la complexité du problème, elle ne considère pas les contraintes de construction de blocs mensuels lors de la construction des rotations. Ce faisant, il n'est pas possible de garantir une solution optimale pour tous les membres de l'équipage. Plus récemment, des chercheurs ont commencé à intégrer ces problèmes. Le problème de construction intégrée de rotations et de blocs mensuels anonymes pour les pilotes a été étudié par Saddoune et al. Cependant, au meilleur de nos connaissances, il n'existe pas de littérature sur le problème d'intégration de construction des rotations et des blocs mensuels personnalisés. Le premier objectif de cette thèse est de présenter une revue de la littérature sur le problème de construction des horaires d'équipage en transport aérien. De plus, nous présentons un modèle mathématique et une approche de résolution pour le problème séquentiel de construction des blocs mensuels personnalisés. Au meilleur de notre connaissance, aucun modèle permettant de prendre en compte les préférences des pilotes n'a été introduit dans la littérature. Nous avons également observé que peu de chercheurs comparent leurs méthodes sur les mêmes données. Nous proposons donc un ensemble d'instances ainsi qu'un générateur de préférences qui est disponible en ligne pour des fins de comparaison. Dans le deuxième objectif de cette thèse, nous considérons le problème intégré de construction des rotations et des blocs mensuels personnalisés. Nous proposons un algorithme heuristique qui construit simultanément des horaires mensuels pour les pilotes et copilotes, tout en respectant les préférences personnelles et les contraintes de sécurité. L'algorithme proposé alterne entre les problèmes de construction des horaires des pilotes et des copilotes afin d'obtenir des rotations similaires, même lorsque les blocs mensuels sont différents. De plus, en raison des perturbations qui arrivent souvent durant l'opération, nous nous sommes intéressés à développer un algorithme permettant d'obtenir une solution robuste ; c'est-à-dire que nous minimisons la propagation de la perturbation d'un premier vol aux autres vols et aux autres membres d'équipage. La troisième contribution de cette thèse vise à satisfaire cet aspect. Pour ce faire, nous résolvons le problème de mise à jour des blocs mensuels simultanément pour les pilotes et les copilotes. Nous visons à maintenir les services de vols et les rotations en commun pour les pilotes et les copilotes dans les solutions de mise à jour. Nous proposons ainsi un algorithme heuristique qui alterne entre le problème de mise à jour des horaires mensuels des pilotes et des copilotes. Pour résumer, cette thèse étudie le problème de construction intégrée des blocs mensuels personnalisés pour les membres de l'équipage. Nous nous concentrons à la fois sur la planification et sur la mise à jour des blocs mensuels.

Abstract

The airline crew scheduling problem assigns a group of crew members to a set of scheduled flights. This scheduling problem should respect also a set of safety regulations and collective conventions. The airline crew scheduling has received special attention in Operations Research because after fuel, the cost of crew members is the second largest cost for airlines. Due to complexity, traditionally researchers divided this problem into two steps which are solved sequentially: crew pairing and crew assignment. The former constructs a set of minimum cost anonymous feasible pairings for covering the scheduled flights while pairing régulations are taken into account. The latter combines the anonymous pairings with vacations, preassigned activities, and rest periods over a planning horizon (usually a month) to form new schedules for crew members while satisfying safety regulations. Crew members are divided into two groups based on their roles and responsibilities: the cockpit crew members and the cabin crew members. Cockpit crew members are composed of the pilot (captain), copilot (first officer), and flight engineer (for large fleets). The cockpit crew members are qualified to fly one or a family of aircraft types. The cabin crew members are the cabin captain and the flight attendants. Because cockpit crew members are paid substantially higher than cabin crew members, most of the literature has focused on cockpit crew members. In this thesis, we also focus on cockpit crew members composed of pilots and copilots. Despite crew pairings problem which always aims at constructing anonymous pairings, there are two general approaches that airlines consider when solving the crew assignment problem: constructing bidline schedules or personalized schedules. Bidline schedules are anonymous schedules for which the crew preferences and needs are not taken into account. After constructing bidline schedules for crew members, the airlines announce them to the crew members and crew members select the bidlines according to seniority order. In contrast to bidline schedules, personalized schedules consider crew member's preferences and needs for constructing and allocating the schedules. There are two general ways for constructing personalized schedules: rostering and seniority-based. The former favors providing a maximum global satisfaction for crew members and does not take crew members seniority into account. The latter prioritizes satisfaction of more senior crew members to the junior ones. From a historical point of view, bidline scheduling has been the most common approach at North American airlines whereas personalized scheduling has been more common in Europe. However, personalized schedules are now becoming a common scheduling approach at american airlines by offering advantages for both crew members and airlines. Each of the crew pairing problem and crew assignment problem were modeled independently. This traditional sequential approach reduces the complexity of crew scheduling problem but does not guarantee a global optimum solution for crew members because the constraints of monthly schedules are not taken into account when the pairings are being constructed. More recently, researchers have started to study the integration of the crew pairing and crew assignment problems. The problem of integrated bidline scheduling for pilots has been studied by Saddoune et al. However, integrated personalized crew scheduling for pilots and copilots simultaneously has not been the subject of study so far. The first objective of this thesis is to present an extensive review of literature about airline crew scheduling problem. In addition, in the context of sequential scheduling approach, we present a mathematical model and solution approach for personalized pilot assignment problem. To the best of our knowledge, this personalized assignment model that takes into account the pilots preferences has not yet been introduced in the literature. Furthermore, we observed that researchers frequently do not compare their methods on the same data due to the lack of access to common data sets. Therefore, we made all the data sets and crew preference generators available online which will allow other researchers to do so. As the second objective in this thesis, we consider the integrated personalized crew scheduling problem that simultaneously constructs monthly schedules for pilots and copilots while respecting the personal preferences and safety constraints. In addition, we are interested to maintain the robustness of the crew schedules due to the real-life perturbations that arrive while the planned schedules are being operated. At the operational level, the pilots and copilots must have similar pairings when possible to prevent the propagation of delays throughout the schedules. We present a heuristic algorithm that alternates between the pilot and copilot scheduling problems in order to obtain similar pairings even when the monthly schedules are different. In real life, various disruption sources such as weather conditions may result in delaying or canceling the scheduled flights. These delayed or canceled flights will affect the crew schedules. Due to delay propagation, robust crew recovery problem is very significant. As the third contribution of this thesis, we solve the recovery problem simultaneously for pilots and copilots where the planned schedules are constructed using personalized scheduling approach. We aim at keeping the duties and pairings in common during the recovery solution process. This aim is satisfied by considering heuristic algorithm that alternates between pilots and copilots recovery problems. The re-scheduled flights are considered to be given as an input data.To summarize, this thesis studies integrated personalized crew scheduling problem, in both planning and operational level, which simultaneously constructs/recovers monthly schedules for both pilots and copilots.