Problèmes intégrés d'approvisionnement forestier avec décisions de tronçonnage

En foresterie, la planification annuelle des approvisionnements en bois est une tâche complexe qui implique un nombre important de décisions. Des décisions qui portent sur une multitude d'activités de la chaîne logistique forestière afin de mieux les synchroniser, à savoir la récolte, le stockage, le transport,...etc. Le degré de complexité des problèmes d'approvisionnement dépend de la diversité des activités intégrées. Cette thèse s'intéresse aux problèmes de planification annuelle des approvisionnements en bois très intégrateurs. Elle vise à développer un système d'aide à la décision pour soutenir les compagnies forestières dans le contexte de l'est canadien. Nous étudions plusieurs variantes du problème annuel d'approvisionnement de bois, de plusieurs sources vers plusieurs destinations et intégrant des décisions de tronçonnage. Dans le premier article de ce travail, nous considérons une variante du modèle portant sur la planification annuelle, mono-périodique des approvisionnements forestiers. Nous présentons alors une approche pratique et détaillée portant sur le problème de tronçonnage des arbres dans une forêt. Le tronçonnage des arbres consiste à couper les arbres abattus en des segments de bois de plus petites longueurs (billes). Il s'agit de l'une des plus importantes opérations dans la chaîne logistique de l'exploitation forestière. Cette approche sera par la suite utilisée dans les variantes multi-périodiques. En outre, nous proposons de nouvelles structures de tronçonnage, que nous comparons à l'approche actuellement en usage. Les nouvelles structures portent sur la désagrégation de certaines activités associées au tronçonnage. Nous montrons que ces structures améliorent les opérations de récolte sans changer les technologies utilisées ou engendrer des dépenses excessives. Nous considérons aussi l'impact de la diminution de la productivité des machines de tronçonnage sur le coût de récolte. Par la suite, nous présentons deux extensions multi-périodiques du modèle dans l'article 2 et 3 respectivement. Nous portons plus d'attention à la variation du stock et la fluctuation des demandes au cours de l'année. Nous considérons des décisions sur le séquencement de la récolte des sites forestiers dans le temps, en plus des activités d'approvisionnement traitées dans la variante mono-périodique. Ces variantes reflètent mieux la réalité parce que nous considérons que les sites forestiers ne peuvent pas être récoltés tous en même temps. Dans le troisième article, nous étudions aussi l'impact de l'intégration d'une certaine forme de flexibilité dans la récolte sur la planification en variant la capacité de récolte utilisée durant le temps. Nous montrons que cette flexibilité améliore l'efficacité des opérations de la récolte. Nous proposons des formulations mathématiques pour modéliser les différentes variantes du problème. Pour ce faire, des approches de modélisation explicites telles que la programmation linéaire en nombres entiers et la programmation par contraintes sont utilisées. Nous faisons appel à des approximations pour linéariser le coût de récolte et nous utilisons certaines heuristiques et approches hybrides pour améliorer les temps de calcul.

Abstract

In Canada, the industry of forest products is among the top five contributors to the nation's net trade according to Natural Resources Canada (2013). Recently, this industry has been refocusing its business model due to new challenges related to environmental issues, economic downturn, decline in newsprint demand and increasing competition. Product and process innovation are the focus of important development to help the sector adapt to recent challenges. The Wood Supply Chain (WSC) has emerged as an important field in developing an efficient wood procurement process. Wood procurement process encompasses a wide range of activities that provide quantities of wood to processing mills. Therefore, researches on the whole WSC, as a key factor of maintaining a sustainable forest industry, are intensified. This dissertation addresses different variants of the wood procurement problem for Eastern Canadian forest context. In the first paper of this thesis, we develop a mixed integer linear model for a practical multi-facility wood procurement planning problem using a cut-to-length (CTL) bucking system. Cut-to-length bucking is the operation of cutting tree stems into smaller pieces (logs), directly at the forest area, using mechanical machinery (harvesters and forwarders). We propose a model that maximizes the products value (i.e., profit maximization) and minimizes the harvesting cost, the transportation cost and the inventory cost. The decisions included in this wood procurement problem deal with the way to harvest different forest sites (according to the bucking priority list used) and the allocation of harvested logs to sawmills. We consider a priority-list approach to generate adequate bucking patterns. In this thesis, the harvesting cost considers the nonlinearity of the harvester productivity function, which is an important aspect of the decision-making process in forest management. To keep the model in the scope of linear models, we propose an approximation of the empirical formulation of its harvesting cost. This approximation is then used to formulate different variants of the problem. Moreover, we introduce two new harvesting scenarios in order to analyse the cost/benefit trade-offs of a more complex decision structure. We conclude that these scenarios are profitable for forest companies, without major shift in the technology in use. Then, we extend the first mono-period procurement model to a more detailed multiple-period planning context. In the second paper, we consider the impact of temporal variations in demands, log availability and inventory holdings on the procurement plan. Also, we introduce new decisions dealing with the harvest scheduling of the forest sites. We develop a mixed integer linear model, and we propose two heuristic approaches that quickly generate an initial feasible schedule of forest sites and solve the problem within reasonable time limits. Finally, in the third paper, we present a new variant of the wood procurement problem in which the planning horizon is larger than the first one, since we consider periods of two weeks. We present also a new form of flexibility which allows changing the harvesting capacity depending on time periods. We study its impact upon the harvesting capacity used and the harvesting cost. We assess its performance by comparing it to the first multi-period variant of the problem. We demonstrate that this flexibility decreases the total costs. To solve the problem, we develop a hybrid approach based on both constraint and mathematical programming. In the first phase, we propose a constraint programming model dealing with forest sites harvesting. The result of this model is then used as an initial partial solution for the whole problem formulated as a mixed integer model.