Planification de réseaux hyperconnectés et mutualisés de transport urbain de marchandises

Les secteurs de la logistique et du transport jouent un rôle essentiel dans les économies modernes, puisqu'ils représentent les différentes possibilités d'amélioration de la compétitivité des pays et ils imposent d'importants défis sociaux et environnementaux. En 2015, les coûts de logistique et de transport ont représenté respectivement 7,85% et 10% des PIB des États-Unis et de l'Union européenne. Pour la même année, ces industries ont contribué pour 5,5% aux émissions mondiales de GES ([Crainic et Montreuil, 2016]; [Fontaine et al., 2017]). Ces résultats découlent des nouvelles tendances du marché et de l'émergence des exigences (urbanisation, commerce électronique, etc.) et des systèmes logistiques et de transport de nature « complexe » (par exemple, plusieurs acteurs ayant différents objectifs, incertitudes, etc.). Pour faire face aux problèmes mentionnés, les réorganisations des systèmes logistiques et du transport actuels doivent encore être étudiées, planifiées, testées et évaluées. Au cours des dernières années, les cadres théoriques de la logistique urbaine (CL) et de l'Internet Physique (PI) ont pris de l'ampleur dans le monde de la recherche scientifique. L'objectif principal de la Logistique Urbaine est de réduire les impacts négatifs des mouvements de véhicules de fret en termes de congestion, de mobilité et d'impacts environnementaux, sans pénaliser les différentes activités sociales et économiques ([Taniguchi et Thompson, 2002]; [Taniguchi, 2014]). Plus précisément, il vise, tout d'abord, à réduire et contrôler la présence de véhicules de fret dans les zones urbaines. Deuxièmement, améliorer l'efficacité des mouvements de marchandises et réduire les impacts sur l'environnement, notamment en minimisant le trafic à vide des véhicules de fret sur les routes urbaines ([Benjelloun et Crainic, 2008]; [Dablanc, 2007]). L'Internet Physique (PI) est un nouveau concept de transport de marchandises et de logistique visant à améliorer l'efficacité économique, environnementale et sociale et la durabilité de la manière dont les objets physiques sont déplacés, stockés, réalisés, fournis et utilisés dans le monde entier ([Montreuil et al., 2013] ; [Montreuil et al., 2012]). Utilisant les mêmes concepts de l'Internet Numérique et de la même manière que les paquets de données transitent dans les réseaux Internet numériques, l'idée de PI est d'acheminer les marchandises encapsulées dans des conteneurs modulaires via un réseau global, interconnecté et ouvert ([Montreuil, 2009]; [Sarraj et al., 2012]). Le concept de PI est de plus en plus présent dans la recherche et les applications récentes qui ont démontré de vrais gains potentiels dans le transport de marchandises interurbain, les chaînes d'approvisionnement et la logistique ([Ballot et al., 2014]; [Sarraj et al., 2014]). Plusieurs concepts tels que la coopération, la consolidation, la manière de mettre en œuvre les activités de transport et de stockage de marchandises, sont des concepts-clés à la fois pour la logistique urbaine et l'Internet physique. Ces systèmes de transport sont complémentaires, puisque la logistique urbaine fournit les derniers segments de la logistique interconnectée et des réseaux de transport Internet physique. Malgré l'importance de ces concepts, [Crainic et Montreuil, 2016] ont affirmé qu'aucune étude n'avait exploré les liens et les synergies entre ces systèmes avancés de transport de marchandises et de logistique. De plus, à notre connaissance, aucune méthode de planification, de modélisation ou d'optimisation n'a été développée pour ce type de réseaux hyperconnectés. On vise à combler ces lacunes en introduisant l'idée des systèmes de la Logistique Urbaine Hyperconnectée et Mutualisée (HCL) "Hyperconnected City Logistics (HCL)". On discute des concepts-clés, des avantages potentiels et des défis en termes de recherches et de développements de la logistique urbaine hyperconnectée. Notre principal problème de recherche est le développement des modèles d'optimisation afin de mettre en place une planification d'un réseau HCL. On évalue les avantages et les enjeux de l'introduction du concept de coopération entre de nombreux acteurs logistiques, en particulier dans le cadre du partage des ressources dans un système de la logistique urbaine hyperconnectée. Dans ce mémoire, on propose des décisions tactiques liées à la conception et à la gestion du réseau de services. Dans notre modèle, on modélise les différents types de ressources, comme la taille des flottes et la capacité des satellites et des centres de distribution. De plus, notre modèle est multimodal puisqu'on considère plusieurs modes de transport comme les camions et les trams. On introduit, également, les concepts de coopération et de partage des ressources à la formulation classique de problème de conception de réseaux. Ce problème consiste à satisfaire la demande, tout en respectant les contraintes et les exigences de la mutualisation et du système HCL. L'objectif vise à minimiser les coûts de sélection et d'exploitation d'un service et les coûts d'affectations de la coalition considérée. Enfin, on effectue une série d'expériences numériques afin d'évaluer, d'une part, la performance du modèle et de l'approche proposée et, d'autre part, l'impact de l'adaptation de l'approche mutualisée et la multimodalité dans les modèles de planification tactique proposés dans le cadre d'un réseau HCL mutualisé. On a conclu que l'approche mutualisée et la multimodalité donnent plus de flexibilité et de meilleurs résultats pour les réseaux HCL. Les solutions obtenues ont validé les modèles de planification et les hypothèses proposés.

Abstract

Transport and logistics become increasingly important in the development, organization and operation of our society. Recently, the intensity of logistic activities has grown strongly in terms of volume since most of our activities require the movement of people and goods, that must be efficient and at minimum cost. However, these requirements can only be achieved with efficient infrastructure, services and logistics and transport activities. More specifically, the transportation of goods is an important factor for most economic and social activities in urban life [OECD, 2003]. In fact, the transport of goods in the city constitutes from 15% to 20% of all vehicle trips. This complexity is amplified by the increase of population and urbanization. In 2014, 54% of the world's population was living in urban areas. The [Unies, 2004] are expecting a raise of 66% until 2050 and 85% until 2100 [OECD, 2003]. It results an increase in, both, demands and complexity of the distribution networks have increased. Therfore, ransportation industry becomes a source of various kinds of nuisances such as: noise, congestion, pollution, etc. In order to solve these problems, new paradigms have emerged, we are specifically interested in City Logistics (CL) Physical Internet (PI). The main objective of Urban Logistics is to reduce negative impacts of freight vehicle movements in terms of congestion, mobility and environmental impacts, without penalizing the different social and economic activities ([Taniguchi et Thompson, 2002]; [Taniguchi, 2014]). More specifically, it aims, first of all, to reduce and control the presence of freight vehicles in urban areas. Secondly, to improve the efficiency of goods movements and to reduce environmental impacts, especially by minimizing the empty traffic of freight vehicles in urban roads ([Benjelloun et Crainic, 2008]; [Dablanc, 2007]). The Physical Internet (PI), is a new concept for freight transportation and logistics aiming to improve the economic, environmental and social efficiency and sustainability of the manner that physical objects are moved, stored, realized, supplied and used around the world ([Montreuil et al., 2013]; [Montreuil et al., 2012]). Using the same concepts of the Digital Internet and in the same way that data packets transit in digital Internet networks, the idea of PI is to route goods whitch are encapsulated in modular containers through a global, interconnected and open network ([Montreuil, 2009]; [Sarraj et al., 2012]). The concept of PI is increasingly present in research and recent applications that have demonstrated a real potential gains in interurbain freight transportation, supply chains, and logistics ([Ballot et al., 2014]; [Sarraj et al., 2014]). Several concepts such as cooperation, consolidation, the way of implementing the activities of transport and storage of goods, are key concepts for both City Logistics and Physical Internet. This transport systems are complementary, since City Logistics provides the final segments of interconnected logistics and Physical Internet transportation networks. Despite the importance of these concepts, [Crainic et Montreuil, 2016] have claimed that no study has explored the links and synergies between these advanced systems of freight transport and logistics. Moreover, to the best of our knowledge, no planning, modeling or optimization methods have been developed for this type of hyperconnected networks. We aim to fill these gaps by introducing the Hyperconnected Urban Logistic Systems idea "Hyperconnected City Logistics (HCL)". We will discuss key concepts, potential benefits and challenges in term of research and development of the Hyperconnected City Logistics. Our main research problem is the development of optimization models in order to set up an hyperconnected urban network planning. We will propose tactical decisions related to the design and management of the hyperconnected service network. We evaluate how an Hyperconnected City Logistics system can be profitable when introducing the concept of cooperation between many logistic actors especially under the sharing of resources. Further, we model the resources, like feet size and satellite capacity, in our model. We also consider in our problem setting not only trucks but also other transportation mode for example Trams. We, also, introduce a new Integer Programming formulation for the problem. This formulations benefits from the fact that, compared to classical network design formulations, we introduce cooperation and ressouces sharing.