Optimization of harvest planning of forest stands infested by Spruce Budworm using stochastic programming approach

Zhu Chen, Iris (2017). Optimization of harvest planning of forest stands infested by Spruce Budworm using stochastic programming approach. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the forest industry, harvesting process is one of the key critical processes as it supplies the primary raw material for different mills. However, due to several natural disturbances such as insect outbreaks, the impact and the effects on the tactical planning of forest supply chain can be irreversible. We consider the susceptibility, vulnerability, and increasing mortality by defoliation in trees over time caused by Spruce Budworm (SBW) infestation. The aim of this project is to use advanced optimization methods, in our case Stochastic Programming (SP), to maximize the market value of the harvested logs considering the occurrence of infestation over all the possible infestation scenarios. In our research method, we formulate a deterministic Mixed Integer Linear Programming (MIP) model which has then been extended into a Two-Stage SP model to deal with uncertainty related to the severity and propagation of the infestation; we also, as well, track the levels of infested volume inventory of the forest stands under the phases of SBW infestation according to their life cycle. The models are implemented in the modelling language of AMPL and solved using the commercial CPLEX solver. We tested the model for analyzing preliminary results to show the value of using SP in planning under uncertainty and the cost of the information. Then, we applied the model to a real case study in the North Shore region of the province of Québec (Côte-Nord) and compared deterministic and Stochastic Optimization (SO) methods with standard metrics for their evaluation. More precisely, we compute the Expected Value with Perfect Information (EVPI) and Value of Stochastic Solution (VSS) parameters, to analyze whether the method of Stochastic Programming is adequate for the project and the cost of the quality of the information and when we do not consider uncertainty. The optimization models offer better decision-making in forest management, reduce costs, increase the value in the entire chain and loss of trees as Spruce Budworm can lead to future outbreaks. Finally, we suggest some insights of the uncertain parameter that can affect the results of the optimization models and explain some suggestions that could improve the model if other attributes are included in the harvesting planning and the relevance of including other uncertainty parameters in forest planning.

Titre traduit

Optimisation de la planification de la récolte de bois infesté par la TBE en utlisant la programmation stochastique

Résumé traduit

La planification de la récolte du bois est considérée comme le processus le plus important dans la chaîne d’approvisionnement de l’industrie forestière car elle assure l’apport du matériel brut dans les scieries. Toutefois, en raison des évènements d’incertitude stochastiques comme l’infestation des insectes, en l’occurrence, l’épidémie de la Tordeuse des Bourgeons de L´Épinette (TBE), la planification tactique de l’approvisionnement peut être affectée de façon irréversible. Avec le temps, cette infestation cause la vulnérabilité des arbres, en augmentant le taux de mortalité par défoliation. L´objectif de ce projet de recherche est utiliser des méthodes avancées comme la Programmation Stochastique, à maximiser la valeur marchande du bois récolté en considérant la récurrence de l’infestation dans tous les cas possibles. De ce fait, un modèle déterministe de Programmation Linéaire Entier Mixte, auquel est ajouté un module d’optimisation stochastique à deux étapes, est proposé pour traiter l´incertitude quant à la sévérité et la propagation de l’infestation. Ces modèles nous aiderons à suivre le niveau du stock des blocs de coupe de bois, pour chaque phase d´infestation de l’épidémie de la TBE selon son cycle de vie. Les modèles d´optimisation sont programmés en langage AMPL et ils sont résolus avec le solveur CPLEX. Premièrement, on a testé les modèles pour évaluer et analyser les résultats préliminaires qui démontrent l’avantage d’utiliser la Programmation Stochastique pour la planification avec incertitudes et le coût d´obtenir l’information precise sur l´incertitude due à l’infestation. Afin de valider que le modèle est véridique et adéquat pour ce projet de recherche, un cas réel est étudié, sur la Côte-Nord au Québec. Les résultats et la qualité de l´information des paramètres des modèles déterministe et stochastique sont analyses et comparés aux EVPI (Valeur Attendue avec Information Parfaite) et VSS (Valeur de la Solution Stochastique) lorsque les gestionnaires forestiers ne considèrent pas l´incertitude. Ces modèles fournissent une meilleure planification en milieu forestier en réduisant les coûts d’exploitation, en augmentant la valeur de toute la chaîne d’approvisionnement et en réduisant les pertes reliées à l’infestation. Finalement, nous proposons quelques aperçues sur les paramètres d´incertitude qui peuvent affecter les résultats des modèles d´optimisation et expliquer certaines suggestions qui pourraient améliorer le modèle si d´autres attributs sont inclus dans la planification de la récolte du bois et la pertinence d´inclure d´autres paramètres d´incertitude dans la planification forestière.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in automated manufacturing" Bibliographie : pages 189-198.
Mots-clés libres:	Forêts Exploitation Planification. Programmation stochastique. Produits forestiers Industrie Gestion de l'approvisionnement. Tordeuse des bourgeons de l'épinette. Forêts Exploitation Québec (Province) Côte-Nord Études de cas. programmation stochastique à deux étapes, programmation linéaire entier mixte, chaînes des approvisionnements forestières, infestation dans la forêt, planification de la récolte de bois
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ouhimmou, Mustapha
Codirecteur:	Codirecteur Rönnqvist, Mikael
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	27 mars 2018 18:48
Dernière modification:	02 nov. 2022 14:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2023

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