Scheduling Material Handling in Cross-Docking Terminals

RÉSUMÉ: La manutention au sein des plateformes de distribution est un problème d'ordonnancement. Le transport interne des produits doit en effet être synchronisé avec les arrivées et les départs des camions. Ce problème se retrouve dans toutes les plateformes de distribution où la manipulation des produits est effectuée manuellement par l'opérateur. Dans cette thèse, nous investiguons ce problème d'ordonnancement dans les plateformes de distribution. Nous mettons en relief les différentes facettes de ce problème et proposons une classification de ses différents sous problèmes. De manière générale, l'objectif est d'éviter les doubles manipulations (déplacer un produit d'un camion vers le stock, puis du stock vers un camion) qui doublent les coûts sans valeur ajoutée. Il faut minimiser ces doubles manipulations en orchestrant les transferts internes et la séquence de chargement/ déchargement des camions. Dans une première partie, nous analysons la structure du problème avec un modèle simplifié n'ayant qu'un quai de réception et un quai d'envois. Nous formalisons les décisions de manipulation interne et développons un algorithme optimal pour déterminer le meilleur plan de transfert de produits lorsque la séquence des camions est connue. Cet algorithme est utilisé comme fonction d'évaluation dans une recherche stochastique pour minimiser les doubles manipulations et optimisant les séquences de chargement/déchargement. Nous présentons ensuite un modèle de programmation linéaire en nombres entiers du problème général (ordonnancement des arrivées et départs de camions et transfert interne des produits). Nous proposons un algorithme de séparation et d'évaluation permettant une résolution efficace du problème. Nous proposons des structures de dominance et quelques inégalités valides permettant d'améliorer les performances de l'algorithme. Cette approche nous permet de résoudre à l'optimum en un temps raisonnable de très gros problèmes. Dans une seconde partie, nous étendons ces modèles au problème général avec plusieurs quais. Nous nous intéressons d'abord au terminal de type satellite où l'ordonnancement des camions d'entrée est connu. Ces plateformes opèrent en deux mouvements différents : l'ordonnancement et chargement pour le transport de nuit et celui pour les livraisons matinales. Nous donnons une représentation mathématique qui permet de résoudre les problèmes de petite taille. Pour ceux de plus grandes ampleurs, nous utilisons une heuristique. Les résultats numériques montrent la validité de cette approche. Finalement, nous généralisons le type de plateforme (les séquences d'arrivée et de départ sont à déterminer) et développons un nouveau modèle d'ordonnancement plus compact. Nous utilisons pour les grandes instances une recherche par voisinage. Nous mettons en place des voisinages originaux adaptés à ce type d'ordonnancement. Mots clés: Transfert de produits, ordonnancement, plateforme de transbordement, recherche stochastique, programmation à nombres entiers, heuristiques, recherche du plus proche voisin. ABSTRACT: Material handling in cross-dock is a relevant class of scheduling problems in distribution centers in which inner transhipment decisions need to be considered in addition to the processing order of trucks. The problem has applications in distribution centers where operators manually perform internal transhipment. In this dissertation, we investigate the problem of material handling inside cross-docking terminals. The main component of the problem is presented, followed by a classification scheme to express its diversity. Moreover, double handling identifies the main source of deficiencies in transferring operations. The objective is to synchronize the trucks' loading and unloading sequences with internal transferring decisions to minimize excessive product displacement inside the terminal. First, the problem is studied for a conceptual model of the platform with single receiving and shipping doors. We formalize decisions on internal transhipment and develop an algorithm to determine the best transferring plan with restricted orders on processing trucks. This algorithm is employed as an evaluation function in a stochastic search framework to ameliorate the order of processing trucks and reduce the cost of double handling. Then, a mixed integer linear programming formulation of the general problem is introduced. The proposed model determines the joint schedule between processing order of trucks at inbound and outbound doors with an internal transhipment plan. A path branching algorithm is proposed. We present several structural properties and some valid inequalities to enhance the performance of the algorithm. This method could solve fairly large instances within a reasonable time. Second, we extend the developed models and approaches to schedule material handling process for a real platform with multiple doors. In the first installment, we focus on the satellite cross-docks that have limitations on the processing order of trucks at inbound door. These platforms operate in two separate shifts: consolidating pickup freight for overnight shipments and processing received products for early morning deliveries. A mathematical formulation of the problem is presented that can solve small instances with commercial software. In addition, a sequential priority-based heuristic is introduced to tackle the large problems. Numerical results depict the stability of this approach. Finally, in the second instalment, we study the general model with no restriction on the arrival and departure pattern of trucks and formulate a new mathematical model. This model has considerably fewer variables and constraints than the previous one. Moreover, a variable neighborhood search heuristic is developed to tackle real life problems. This method consists of several operators incorporated in a search subroutine to find local optima and a perturbation operator to alter it. The developed method is adopted for three scenarios concerning limitations imposed by the network schedule. The analyzes demonstrate economical savings in the cost of material handling. Keywords: Material handling; scheduling; cross-dock; stochastic search; Integer programming; heuristic; variable neighborhood search