Étude de l'impact du chevauchement sur les performances de projets complexes d'ingénierie

Le chevauchement d'activités au sein d'un projet est une des techniques les plus répandues pour accélérer l'exécution d'un projet. Le chevauchement d'activités consiste à autoriser des activités qui traditionnellement s'exécutent de façon séquentielle à se chevaucher de sorte que les activités en aval débutent avant la fin des activités en amont en se basant sur des informations partielles. Plusieurs stratégies d'exécution de projets appliquées dans la pratique, telles que l'ingénierie simultanée dans les projets de développement de produits et la construction en « fast-tracking », reposent sur ce principe. Cette technique a montré ses preuves dans sa capacité à réduire la durée de projets, avec cependant plusieurs inconvénients. Le chevauchement peut causer des retouches du travail exécuté à partir d'information préliminaire et mener à des itérations. Ces retouches sont difficilement quantifiables et représentent une charge de travail et des coûts supplémentaires qui peuvent réduire ou annuler les bénéfices du chevauchement. Cela soulève la question de quand et de combien les activités devraient être chevauchées dans les projets industriels. Dans la pratique, les gestionnaires de projets ne possèdent pas d'outils d'aide à la décision pour répondre à cette question. Cette thèse s'intéresse ainsi au problème d'ordonnancement de projet avec chevauchement d'activités dans un contexte déterministe. Ce problème cherche à déterminer conjointement le meilleur calendrier en termes de coût ou de durée de projet et les décisions de chevauchement, c'est-à-dire quelles activités chevaucher et dans quelle mesure. Nous nous intéressons aux projets complexes caractérisés par des contraintes de disponibilité de ressources, des réseaux complexes d'activités, un nombre important d'activités et de couples d'activités qui peuvent se chevaucher. Les objectifs de cette thèse sont de modéliser, quantifier et analyser, dans le cas de projets complexes d'ingénierie, l'impact des décisions de chevauchement activités sur les performances de projet (durée et coût), en considérant un modèle réaliste de chevauchement. Cette thèse vise aussi à apporter une meilleure compréhension de ces choix dans les projets complexes et proposer des stratégies générales applicables en pratique. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse sont articulés autour de trois articles publiés ou soumis à des revues scientifiques. Le premier article intitulé « Time-cost trade-offs in resource-constrained project scheduling problems with overlapping modes » (publié en 2014 dans International Journal of Project Organisation and Management) introduit un modèle de chevauchement d'activités basé sur des modes de chevauchement reliés aux jalons internes des activités et permet de modéliser de façon réaliste et flexible la relation entre durée de chevauchement et durée de retouche. Ce modèle est inséré dans une modélisation du problème de compromis durée-coût de l'ordonnancement de projets complexes avec contraintes de ressource et chevauchement d'activités sous la forme d'un programme linéaire en nombres entiers. Les durées de communication/coordination et de retouches sont considérées. Le problème est résolu avec une méthode exacte pour un exemple virtuel de projet. Les résultats illustrent les interactions entre le coût de projet, la durée du projet et les contraintes de ressource ainsi que leur influence sur le temps de résolution. Le second article intitulé « A Path Relinking-based Scatter Search for the Resource-Constrained Project Scheduling Problem » (soumis dans European Journal of Operational Research) introduit une métaheuristique dans la famille des recherches dispersées (« scatter search ») pour résoudre le problème standard RCPSP (« Resource-Constrained Project Scheduling Problem ») sans chevauchement. Cet algorithme utilise la méthode FBI (« Forward-Backward Improvement »), inverse la direction d'ordonnancement à chaque itération et est basé sur deux mécanismes novateurs. Premièrement, un PR (« Path Relinking ») bidirectionnel avec un nouveau mouvement opérant sur les distances entre activités est utilisé comme méthode de combinaison des solutions. Deuxièmement, une méthode d'amélioration est utilisée pour améliorer la qualité et la diversité des solutions de l'ensemble de référence. Une méthode avancée de paramétrage de l'algorithme utilisant une méthode de recherche locale a été développée pour déterminer les meilleures valeurs de ses paramètres. L'article montre que cette métaheuristique est capable de fournir des solutions de grande qualité avec des temps de calcul acceptables et appartient aux meilleures méthodes approchées existantes dans la littérature pour la résolution des instances virtuelles de projet de PSPLIB. Enfin, le troisième article intitulé « Influence of the project characteristics on the efficiency of activity overlapping » (soumis dans Computers & Operations Research) a pour principales contributions de quantifier et d'analyser l'influence de huit caractéristiques de projets sur l'efficacité du chevauchement pour diminuer la durée de projet. La réduction de la durée de projet est obtenue en résolvant le problème RCPSP avec et sans chevauchement. Deux méthodes de résolution sont développées pour résoudre le problème avec chevauchement. Une nouvelle méthode exacte basée sur un programme linéaire en nombres entiers avec modes de chevauchement et des techniques de propagation de contraintes est développée. La seconde méthode est une métaheuristique dérivée de la métaheuristique proposée dans le second article. Ces méthodes sont appliquées à un bassin de 3888 instances virtuelles de projets de 30 à 120 activités avec chevauchement. La première observation est que le chevauchement n'apporte aucune réduction dans près de 25% des cas. Une analyse statistique permet de distinguer l'influence de caractéristiques de projets sur l'efficacité du chevauchement et de montrer que la proportion de couples d'activités chevauchables qui sont sur le chemin critique et la sévérité des contraintes de ressources ont le plus d'influence sur la réduction de la durée de projet. Également, les résultats indiquent que certains principes généraux se dégagent pour les décisions de chevauchement. La meilleure stratégie devrait consister à chevaucher peu de couples d'activités chevauchables et de les chevaucher beaucoup. De plus, même si les activités sur le chemin critique sont plus susceptibles d'être chevauchées, les décisions de chevauchement dans un contexte de contraintes de ressource ne doivent pas uniquement être basées sur la criticalité des activités. Enfin, ces observations sont confrontées aux stratégies pratiques de chevauchement proposées dans la littérature. Ces travaux visent à contribuer au développement d'outils pour assister les gestionnaires de projet dans leurs décisions relatives au chevauchement d'activités. Les principales contributions scientifiques de ces travaux sont les suivantes. Premièrement, nous proposons une modélisation plus réaliste du problème d'ordonnancement de projet avec chevauchement d'activités. Deuxièmement, une nouvelle métaheuristique de type recherche dispersée (« scatter search ») performante pour le problème classique RCPSP est développée. Troisièmement, nous introduisons des méthodes de résolution exacte et approchée performantes pour le problème d'ordonnancement de projet avec chevauchement d'activités. La capacité des méthodes exactes à résoudre des problèmes d'ordonnancement pour des projets de grande taille avec contraintes de ressource étant limitée, cette thèse présente en effet à notre connaissance la première méthode approchée de type métaheuristique pour ce problème. Quatrièmement, ces travaux quantifient et analysent l'effet de huit caractéristiques de projet sur l'efficacité du chevauchement d'activités pour diminuer la durée d'un projet. Enfin, nous proposons des principes généraux pour aide les praticiens à prendre les meilleures décisions de chevauchement d'activités.

Abstract

Activity overlapping is one of the most employed strategies used to accelerate project execution. It consists in relaxing the sequential execution of dependent activities by allowing downstream activities to begin before receiving all the final information required from upstream activities. Several practical strategies, such as concurrent engineering and fast-tracking construction, are based on the concept of overlapping. Overlapping has been demonstrated to be powerful for reducing project makespan, but it has some drawbacks. Overlapping often causes additional reworks in downstream activities, as well as iterations of interdependent activities, that are difficult to quantify and represent additional workloads and costs. Such reworks may outweigh the benefices of overlapping in terms of cost and time. This raises the question of when and to which extent overlapping should be applied. In practice, project teams determine overlapping strategies on an ad hoc basis without always considering rework and interaction between activities. This thesis considers the project scheduling problem with activity overlapping in a deterministic context. This problem aims to jointly determine the best schedule in terms of cost and duration and the best overlapping decisions, namely which activities should be overlapped and to which extent. We focus on the complex projects characterized by constraints on resource availability, a complex network of activities, a large number of activities and a large number of couples of overlappable activities. The main objectives of this thesis are to model, quantify and analyze the impact of overlapping decisions on the project performances (cost and duration) in the case of complex industrial projects, by considering a realistic model of the overlapping process. This thesis also aims at providing a better understanding of these decisions in complex projects and at guiding planners in improving existing practices. The research undertaken in this thesis is divided into three papers published or submitted to international peer-reviewed scientific journals. The first paper titled « Time-cost trade-offs in resource-constrained project scheduling problems with overlapping modes » (published in 2014 in International Journal of Project Organisation and Management) proposes an overlapping process model based on overlapping modes related to activities' internal milestones that is a realistic and flexible model of the relation between the amount of overlap and the amount of rework. This overlapping model is then enclosed in a model for the time-cost trade-offs in resource-constrained project scheduling problem with activity overlapping. The model is formulated as a linear integer programming model. The times and costs for communication/coordination and reworks are considered. The problem is solved with an exact method for an illustrative project instance. The results highlight the interactions between the project total cost, its makespan and the severity of the resource constraints and also show their influence on the computational time. The second paper titled « A Path Relinking-based Scatter Search for the Resource-Constrained Project Scheduling Problem » (submitted to European Journal of Operational Research) introduces a metaheuristic based on scatter search for solving the standard RCPSP (Resource-Constrained Project Scheduling Problem) without overlapping. This algorithm involves FBI (Forward-Backward Improvement), reversing the project network at each iteration and two new mechanisms. First, a bidirectional PR (path relinking method) with a new move is used as method for combining solutions. Second, a new improvement procedure is proposed in the reference set update method for enhancing the quality and the diversity of the reference set. An advanced parameter tuning method based on local search is employed. The paper shows that the proposed scatter search produces high-quality solutions in reasonable computational time and is among the best performing heuristic procedures in the literature for solving the instance of the PSPLIB benchmark.Finally, the main contributions of the third paper titled « Influence of the project characteristics on the efficiency of activity overlapping » (submitted to Computers & Operations Research) are to quantify and analyze the influence of eight project characteristics on the efficiency of activity overlapping for reducing project makespan. The reduction of the project makespan is obtained by solving the project scheduling problem with and without overlapping. Two methods have been developed for solving the problem with overlapping. First, we introduce a 0-1 integer linear programming model with overlapping modes and constraint propagation techniques as preprocessing. Second, we propose a metaheuristic based on the scatter search algorithm described in the second paper. These methods are applied on a set of 3888 project instances with overlapping composed of 30 to 120 activities. The first finding is that no reduction of the makespan is observed in about 25% of the projects of the benchmark. A statistical analysis is conducted to measure the effect of eight project parameters on the makespan gain. It reveals that the proportion of couples of overlappable activities on the critical path and the scarcity of the resource constraints have the highest influence on the makespan gain. In addition, general rules of thumb are derived from the analysis of the results. The best overlapping decisions should consist in overlapping only few couples of overlappable activities and to overlap them with a large degree of overlapping. Even though the activities on the critical path are more likely to be overlapped, overlapping decision should not rely solely on the criticality of the activities. The results are also compared to practical strategies for applying overlapping proposed in the literature. The main scientific contributions of these works with respect to the scientific literature and from the perspective of assisting project managers to choose the most appropriate overlapping decisions can be summarized as follows. First, we propose a more realistic model of the project scheduling problem with activity overlapping. Second, a new competitive metaheuristic based on scatter search has been developed. Third, we propose competitive exact and heuristic methods for solving the project scheduling problem with activity overlapping. Indeed, as the capacity of exact methods for solving project scheduling problem for large scale projects with resource constraints is limited, the metaheuristic developed in this thesis for this kind of problem is the first in the literature to our knowledge. Fourth, this thesis proposes to quantify and analyze the influence of eight project characteristics on the efficiency of activity overlapping for reducing project makespan. Finally, the findings of this work provide a better understanding of the overlapping decisions and should guide planners for the decisions on activity overlapping.