CIGI 2013 de projets EPCM KAOUTHAR CHERKAOUI 1,2, ROBERT PELLERIN 1,2, PIERRE BAPTISTE 2, NATHALIE PERRIER 1,2 1 CHAIRE DE RECHERCHE JARISLOWSKY/SNC-LAVALIN EN GESTION DE PROJETS INTERNATIONAUX 2 CIRRELT DÉPARTEMENT DE MATHÉMATIQUES ET GÉNIE INDUSTRIEL, ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL C.P. 6079, Succursale Centre-ville, Montréal, Québec, Canada, H3C 3A7 {kaouthar.cherkaoui, robert.pellerin, pierre.baptiste, nathalie.perrier}@polymtl.ca Résumé - Les projets EPCM (Engineering, Procurement and Management of Construction) de grande envergure sont planifiés suivant un processus. Toutefois, l utilisation de multiples plans s est peu étudiée dans la littérature, qui est largement dominée par les modèles uniques d ordonnancement. Cet article vise à présenter une revue des approches de planification de projets proposées dans la littérature. Ces approches sont comparées avec les méthodes de planification utilisées dans la pratique. Nous relevons ainsi les lacunes des approches théoriques et proposons de nouvelles directions de recherche pour une planification intégrée, adaptée et applicable au contexte des grands projets. Abstract Large-scale EPCM (Engineering, Procurement and Management of Construction) projects are planned according to a hierarchy of schedules. Nevertheless, project planning and scheduling in the literature were mostly studied for a single individual level and hierarchical planning has received little attention. In this article, we present a review of hierarchical project planning approaches proposed in the literature. These approaches are compared with the hierarchical planning method mostly used in the industry. We underline the main limitations of the theoretical models and propose new research directions for developing an integrated hierarchical planning suitable to large-scale EPCM projects. Mots clés - EPCM, gestion de projets, planification, front-end-loading. Keywords - EPCM, project management, hierarchical planning, front-end-loading. 1 INTRODUCTION Une part importante des grands projets d ingénierie sont réalisés selon un contrat IAGC (Ingénierie, Approvisionnement et Gestion de la Construction), ou EPCM en anglais. Ce type de contrat est généralement à frais remboursables et consiste à engager un contractant principal qui effectue les travaux d ingénierie, d approvisionnement, et les services de gestion de la construction au nom du client. Des sous-traitants effectuent alors les travaux de construction. En pratique, les projets EPCM sont planifiés à chacune des phases d un projet. Des échéanciers s à divers niveaux d agrégation sont établis selon le degré du détail de la phase en cours et dépendamment de l audience visée par le plan établi. Toutefois, les travaux principaux de la littérature reliée à la planification de projets traitent des modèles de planification monolithiques détaillés, appelés communément l ordonnancement de projet. Ainsi, pour les projets EPCM de grande envergure, ces méthodes sont inadaptées. En effet, les projets EPCM sont complexes et de grande taille, faisant intervenir plusieurs sous-traitants, nécessitant divers objectifs à optimiser et pouvant être réalisés selon différents scénarios. Ils sont aussi caractérisés par une grande incertitude et imprécision durant les phases de développement [Masmoudi, 2011], rendant ainsi impossible l établissement d un échéancier détaillé dans les phases initiales. Afin de communiquer malgré tout au client une date de fin de projet et un budget compétitifs à la fin des phases de développement, les approches de planification s avèrent plus appropriées, grâce à une approche de décomposition du problème de planification en sousproblèmes plus faciles à gérer. Le but de cet article est de présenter une revue de ces approches de planification de projets proposées dans la littérature et de comparer ces approches avec le Front-End Loading, une stratégie de planification couramment utilisée dans la pratique pour les projets EPCM. L article est structuré comme suit. Nous présentons tout d abord la méthodologie utilisée pour la recherche documentaire et une classification des articles retenus. À la section 3, nous expliquons comment la planification des projets EPCM se fait dans la pratique. Nous y présentons également une revue des approches théoriques de planification de projets. À la section 4, nous comparons les approches théoriques avec les méthodes de planification adoptées dans la pratique et nous en relevons les lacunes importantes. Finalement, cet article se termine par un exposé de nouvelles directions de recherche potentielles. 2 METHODOLOGIE DE RECHERCHE DOCUMENTAIRE La démarche utilisée pour la revue de littérature a été inspirée de la méthodologie SRM (Systematic Review Methodology) [Suarez-Barraza et al., 2012]. Les bases de données utilisées pour la recherche documentaire sur les approches de planification de projets furent les suivantes : Compendex, Inspec, ProQuest Dissertations & Theses, Web of science, ABI et Google Scholar. Les mots clés suivants ont été utilisés au départ pour mener la recherche : hierarchical, aggregate, strategic, capacity, tactical, (multi) level(s) et construction project(s) planning/plan(s). Il faut aussi noter que nous avons rejeté les documents traitant d un seul niveau de planification.
Tableau 1. Classification des résultats Catégorie 1. pour les projets EPCM réels 2. pour un projet unique 3. multi-projet 1985-1995 Gibson et al, 1995 Leachman et Boysen, 1985; Hackman et Leachman, 1989; Speranza et Vercellis, 1993 Année de publication Type de publication Type de projet 1996-2005 Date, 2005 Dey et al, 1996 De Boer, 1998; Hans, 2001; Leus, 2003; Wullink, 2005; Neumann et al 2003 ; Gademann et Schutten, 2005; Wullink et al, 2004 2006-2012 George et al, 2012; G. Gibson et al, 2006; Weijde, 2008; AACE, 2010a, 2010b Sunke, 2009; Dey et al, 1996 Masmoudi, 2011; Hans et al, 2007; Wullink et al, 2006 Article de journal Gibson et al, 1995 ; Gibson et al, 2006; George et al, 2012 Thèse Weijde, 2008; Date, 2005 Dey et al, 1996 Sunke, 2009 Hans et al, 2007 Masmoudi, Speranza et Vercellis, 1993 ; Wullink et al, 2004 ; Wullink et al, 2006 2011 ; De Boer, 1998 ; Hans et al, 2007 ; Leus, 2003 ; Wullink, 2005 ; Hackman et Leachman, 1989 ; Gademann et Schutten, 2005 Chapitre de livre Leachman et Boysen, 1985 ; Neumann et al 2003 Rapports techniques AACE, 2010a, 2010b Projet industriel Leachman et Boysen, 1985 ; Hackman et Leachman, 1989 Project générique AACE, 2010a Masmoudi, 2011 ; De Boer, 1998; Hans et al, 2007 ; Hans, 2001; Leus, 2003; Wullink, 2005; Speranza et Vercellis, 1993 ; Neumann et al 2003 ; Gademann et Schutten, 2005; Wullink et al, 2004 ; Wullink et al, 2006 Projet de construction Gibson et al, 1995 ; Gibson et al, 2006; George et al, 2012 ; Weijde, 2008; Date, 2005 ; AACE, 2010b Dey et al, 1996, Sunke, 2009 Compte tenu de la faible pertinence des résultats obtenus, de nouveaux mots clés ont été ajoutés, soient : EPCM, front-end loading, front-end development, project-oriented production, capacity planning et resource loading. Un total de 25 documents a été retenu à l issue de cette deuxième étape. Le Tableau 1 illustre les résultats obtenus. Les documents sont classés selon trois catégories. La catégorie dans les projets EPCM réels regroupe les documents décrivant les méthodes de planification utilisées dans les projets EPCM réels. Les deux autres catégories regroupent les approches théoriques de planification dans un contexte de projet unique et. Les résultats montrent que les méthodes de planification utilisées pour les projets EPCM réels (catégorie 1) sont, en général, plus récentes que les approches théoriques de planification (catégorie 3). Aussi, nous pouvons constater que les types de publications les plus fréquents sont les articles de revues et les thèses, qui présentent surtout des approches théoriques (catégories 2 et 3). Les rapports techniques couvrent exclusivement les méthodes de la pratique (catégorie 1). Enfin, nous remarquons que les travaux sur les méthodes utilisées dans la pratique (catégorie 1) concernent principalement les projets de construction, alors que les approches de planification sont surtout conçues pour les projets industriels et génériques. En résumé, peu de travaux ont été effectués sur la planification de projets EPCM. La section suivante présente plus en détails les travaux effectués dans chacune des trois catégories. 3 REVUE DE LITTERATURE 3.1 Hiérarchie des échéanciers dans les projets EPCM Les projets d ingénierie, d approvisionnement et de construction peuvent être classés en trois grandes phases : préexécution, exécution, mise en service et démarrage de projet. La phase de pré-exécution possède différentes appellations selon les industries et les pratiques régionales: Front-End Loading (FEL), Pre-Project Planning, Front-End Planning, Front-End Development, Feasibility Analysis et Conceptual Planning. L IPA (Independent Project Analysis) définit le Front-End Loading, terme le plus souvent utilisé dans l industrie, comme suit : «Le Front-End Loading est le processus qui permet à la compagnie de développer une définition détaillée d un projet initié pour atteindre les objectifs de l entreprise. Durant le FEL, on répond aux questions why, what, when, how, where, et who d un projet» [Weijde, 2008]. Le FEL est souvent décomposé en trois phases : FEL1, FEL2 et FEL3. L objectif de la première phase du Front-End Loading (FEL1) est la validation des opportunités d affaires en analysant la viabilité initiale du projet et son importance stratégique. Une analyse préliminaire des risques est également effectuée. En général, le client effectue les premières étapes du FEL1 pour identifier l objectif stratégique et commercial. Une firme d ingénierie est ensuite engagée pour réaliser les activités restantes. Le but de la deuxième phase (FEL2) est de poursuivre le développement du projet en choisissant le meilleur moyen pour atteindre les objectifs du projet. Pour ce faire, les alternatives de technologie, processus et commercialisation sont identifiées. Pour chaque alternative, une envergure et un plan d exécution préliminaires sont ensuite développés. À la fin de la phase FEL2, une seule alternative est sélectionnée. La phase FEL2 comporte des activités d ingénierie préliminaire et d analyse de risques plus approfondies que celles du FEL1. La troisième étape (FEL 3) consiste à définir l alternative sélectionnée de façon suffisamment détaillée pour aider à la décision finale d investissement du client. Un ensemble de documents d ingénierie est développé ou approfondi. L analyse des risques est complétée, les équipements à longs délais de livraison sont commandés et le plan d exécution du projet est aussi finalisé. Les estimations des coûts sont de plus en plus précises au fur et à mesure que la portée du projet est mieux définie. Les phases FEL sont séquentielles. À la fin de chaque phase, la décision de passer ou non à la phase suivante doit être prise. De plus, le mandat de chaque phase peut être octroyé à différentes entreprises [George et al., 2012; Gibson et al., 1995; Gibson et al., 2006; Ryan C.Spangler, 2005; Weijde, 2008]. Après les phases du FEL, les phases d exécution sont menées à bien : ingénierie détaillée, approvisionnement et construction. Ces phases sont souvent régies par un contrat où le contractant,
qui effectue généralement l ingénierie détaillée en interne, est responsable de la phase approvisionnement. Le contactant gère également la phase de construction en supervisant les entrepreneurs de construction au nom du client. Dans la pratique, les trois phases peuvent se chevaucher afin de réduire les délais du projet. Enfin, les phases de mise en service et de démarrage de projet, également séquentielles, sont accomplies. Ces phases sont aussi souvent sous la responsabilité du contractant EPCM. Ainsi, la planification de projets EPCM se fait de façon selon la phase de projet en cours. À partir d un benchmarking des pratiques généralement acceptées dans l industrie, l AACE (Association for the Advancement of Cost Engineering) définit un total de cinq classes d échéanciers de projets bien que 3 à 5 classes sont communément utilisées. L AACE définit les classes d échéanciers selon le degré de définition du projet (pourcentage complété en ingénierie). Pour les projets EPCM, le degré de définition utilisé pour la classification des échéanciers correspond aux phases typiques de développement (FEL1, FEL2, FEL3) et d exécution [International AACE, 2010a]. L échéancier de classe 5 est basé sur le plus faible degré de définition du projet. Cet échéancier est développé par le client au FEL0 ou FEL1 (selon le nombre de phases FEL utilisées) pour répondre aux objectifs stratégiques de la phase. Il est présenté sous la forme d un diagramme de Gantt (sans relations de précédence) ou d un tableau dans lequel une barre horizontale est associée pour chaque étape majeure, incluant les jalons importants du projet. L échéancier de classe 4 est développé durant les phases FEL1 et FEL2. Cet échéancier est présenté de façon plus détaillée que celui de la classe 5. Il présente les livrables de haut niveau pour chaque phase et un organigramme technique (WBS) préliminaire doit être développé. Cet échéancier permet une meilleure compréhension de la chronologie des évènements clefs. L échéancier de classe 3, développé au cours du FEL3, est généralement préparé pour les demandes de financement pour l exécution du projet en entier. Cet échéancier doit tenir compte des contraintes de ressources et des contraintes de précédence. Le niveau de détail doit correspondre au moins à celui du niveau des lots de travail. Les échéanciers des classes 3 et 4 sont préparés par les firmes d ingénierie responsables des différentes phases FEL. L échéancier de classe 2 est développé par les entrepreneurs de construction au début de leur mandat de construction. Cet échéancier tient compte des contraintes de ressources et des contraintes de précédence. Le niveau de détail doit refléter les livrables requis par contrat pour chaque lot de travail. Enfin, l échéancier de classe 1 est préparé pour certaines parties du projet, non pour le projet en entier. Il tient compte des contraintes de ressources et de précédence et est considéré comme un calendrier de production pour définir le travail requis pour une journée ou une semaine. Les techniques utilisées pour les échéanciers des classes 1, 2 et 3 comprennent la méthode du chemin critique (CPM) ou la méthode PERT. Ces trois échéanciers servent de plans de référence pour le contrôle des phases qui suivent jusqu à l élaboration de l échéancier de la classe suivante qui prendra la relève. L approche de planification pour les phases 3, 4 et 5 est une approche descendante (top-down), alors que celle utilisée pour les échéanciers des classes 1 et 2 est une approche ascendante (bottom-up). L AACE recommande de concilier les échéanciers de chaque classe avec les classes subséquentes [International AACE, 2010a]. En plus des classes d échéanciers, l AACE définit des niveaux d échéanciers [International AACE, 2010b]. Ces niveaux correspondent aux niveaux de détail requis pour la communication. Pour chaque classe d échéancier, il peut y avoir plusieurs niveaux d échéanciers dépendamment de l audience visée. 3.2 Modèles de planification de projets La planification permet de surmonter les lacunes des approches monolithiques et de faire face à l incertitude. [De Boer, 1998] a proposé une structure générique de planification composée de trois niveaux: planification stratégique, tactique et le. Plusieurs auteurs se sont inspirés de la structure de [De Boer, 1998]. Les travaux de [Hans, 2001], [Leus, 2003] et [Masmoudi, 2011] en sont des exemples. Au niveau stratégique, la capacité globale de l'organisation est déterminée en termes de ressources. À ce niveau, des décisions stratégiques sont prises par rapport aux ressources critiques. Le plan de ressources stratégique doit s'aligner avec les objectifs et la vision du management et respecter les accords avec les clients. L'horizon du plan s étend d une à plusieurs années et la fréquence de révision du plan dépend de l environnement de l entreprise. La planification stratégique relève de la responsabilité de la haute direction, contrairement aux niveaux tactique et qui relèvent de la responsabilité des gestionnaires de projet. Le niveau tactique correspond à la phase d'appel d'offres et d'acceptation d'un projet. Les décisions prises à ce niveau concernent les jalons, les dates d échéances des projets et la capacité non régulière à utiliser (travail additionnel, recrutement de personnel supplémentaire, sous-traitance). L approche proposée pour ce niveau est le RCCP (Rough-Cut Capacity Planning) qui permet d analyser le compromis entre le respect des dates de fin limites et la capacité non régulière à utiliser. On distingue deux approches RCCP: Time-Driven Planning et Resource-Driven Planing. Dans la première approche, les dates limites sont fixes et le but consiste à minimiser la capacité non régulière. L auteur introduit deux heuristiques pour résoudre cette approche : ICPA (incremental capacity planning algorithm) et une heuristique basée sur un modèle linéaire (programme linéaire, PL). Dans la deuxième approche, la disponibilité de chaque ressource est limitée et le but consiste à respecter les dates limites. L auteur montre que l heuristique ICPA peut être adoptée pour cette deuxième approche. Une combinaison des deux méthodes a été proposée dans la littérature [Hans, 2001]. Les spécifications des clients permettent de produire un réseau de lots de travail avec des estimations des besoins en ressources et des durées minimales des activités agrégées. Ce réseau, combiné aux réseaux de projets déjà disponibles et aux estimations des ressources futures disponibles, constitue l'input du RCCP. La capacité régulière de chaque ressource est supposée connue. L'horizon de planification de ce niveau est d au mois 6 mois dépendamment de la durée prévue du projet. Au niveau tactique/, [De Boer, 1998] propose de résoudre un problème d'ordonnancement de projets avec contraintes de ressources (Resource-Constrained Project Scheduling Problem, RCPSP). Étant donné un ensemble d activités à réaliser, le RCPSP consiste à déterminer l ordre d exécution dans le temps d un ensemble d activités de façon à minimiser la durée du projet tout en respectant les contraintes de précédence et les contraintes en ressources humaines. Suite à l'acceptation du projet au niveau tactique, des informations plus détaillées sur les besoins en ressources et en matériel sont
disponibles à partir d études d'ingénierie. Les lots de travail produits à l aide du RCCP au niveau tactique sont ainsi décomposés en activités dont les durées et la consommation des ressources sont constantes. Ces données, combinées aux profils des ressources disponibles déterminés au niveau tactique, constituent l'input du RCPSP. [De Boer, 1998] résout le RCPSP à l aide d une heuristique. L'horizon de planification du niveau tactique/ varie entre quelques semaines et quelques mois. Le plan issu de la résolution du RCPSP indique le moment où certaines ressources sont consommées par une activité, mais ne donne pas les ressources spécifiques (par nom) qui sont affectées à chaque activité par période. C est au niveau que l affectation détaillée des ressources aux activités est déterminée pour chaque période. L horizon de planification de ce niveau varie d une à plus d une semaine. [De Boer, 1998] précise les informations et contraintes nécessaires au passage d un niveau à un autre inférieur dans la hiérarchie. Il soulève également l importance d assurer la compatibilité ascendante dans la structure ainsi que la réactivité de la planification. Les sections suivantes présentent les modèles de planification proposés dans les contextes d un projet unique et. 3.2.1 Modèles pour un projet unique Peu de travaux ont été réalisés dans le cadre d un projet unique. Parmi ceux-ci, [Sunke, 2009] propose une approche de planification à deux niveaux (tactique et ) pour les projets de construction. Au niveau tactique, le projet est décomposé en sous-projets et les méthodes CPM et PERT sont appliquées sans considérer les ressources. Au niveau, le RCPSP associé à chaque sous-projet est résolu. Si les dates d échéance imposées par le niveau tactique ne sont pas respectées au niveau, soit on les modifie, soit on réordonnance les activités en autorisant l ajout de ressources. L auteur propose d adapter le modèle RCPSP à chaque sous-traitant et effectue une revue de littérature des principales méthodes de résolution du RCPSP (exactes, heuristiques et méta heuristiques). Pour leur part, [Dey et al., 1996] proposent un modèle de planification pour un projet unique à haut risque, comme les projets de construction. Le modèle comprend trois niveaux : le projet, le lot de travail et l activité. Il est résolu à l aide de la programmation par objectifs. À chaque niveau est associé un modèle linéaire composé de contraintes technologiques et de contraintes supplémentaires. Les contraintes supplémentaires assurent que le niveau de réalisation d'un objectif soit égal au niveau d'aspiration établi par les gestionnaires par rapport à cet objectif. Chaque objectif consiste à minimiser les variables d écart des contraintes supplémentaires. Le modèle se distingue par sa flexibilité, les priorités des objectifs et les niveaux d aspiration du management pouvant être facilement modifiés. 3.2.2 Modèles Plusieurs auteurs se sont intéressés à la planification dans un cadre. [Leachman et Boysen, 1985] et [Hackman et Leachman, 1989] ont développé une approche de planification à deux niveaux pour des projets industriels. Au premier niveau, les activités détaillées à exécuter en parallèle, et utilisant le même nombre de ressources, sont d abord agrégées pour chaque projet. Ensuite, les activités agrégées servent à formuler un modèle d ordonnancement. Une activité agrégée i précède une autre activité j si une activité détaillée incorporée dans l activité i précède une autre activité détaillée incorporée dans l activité j. Les relations de précédence sont de type Fin- Début. Les capacités des ressources sont considérées fixes. L objectif consiste à minimiser le coût total actualisé des ressources inutilisées. Les auteurs ont utilisé ALPHAC linear programming package pour la résolution du modèle. Le modèle est appliqué à intervalles réguliers afin de réallouer chaque ressource sur la base d un horizon roulant. Dans le second niveau, l ordonnancement de chaque projet pris individuellement est effectué en utilisant les dates des jalons sélectionnées au premier niveau et en respectant la disponibilité des ressources associées aux activités agrégées. [Speranza et Vercellis, 1993] ont aussi développé un algorithme de planification à deux niveaux. Au niveau tactique, chaque projet correspond à une activité agrégée à laquelle sont associés plusieurs modes de fonctionnement possibles (combinaison de durée, coût et consommation de ressources). Le problème consiste à choisir un mode et une date de début pour chaque projet, de façon à maximiser la valeur actuelle nette totale. Ce problème est formulé comme un modèle de programmation linéaire en nombres entiers (PNE). Au niveau, le problème consiste à ordonnancer les activités détaillées de chaque projet et à choisir un mode de fonctionnement pour chacune d elles, de façon à minimiser la durée du projet. Les auteurs proposent un algorithme Branch and Bound pour résoudre leurs modèles. Hartmann et Sprecher [1996] ont montré que l algorithme ne produit pas toujours une solution optimale. Pour leur part, [Neumann et al., 2003] ont proposé une approche à trois niveaux pour les projets de longue durée, tels que les projets de construction. Au premier niveau, les projets sont décomposés en activités agrégées, appelées sous-projets, et décrits sous la forme d un réseau. La durée estimée de chaque activité agrégée correspond à la longueur du chemin critique plus un tampon de sécurité. À ce niveau, seules les ressources rares dont la disponibilité est limitée sont prises en compte. Le problème consiste à déterminer, pour chaque projet, une durée maximale de même que les ressources rares à lui allouer par période, de façon à maximiser la valeur actuelle nette globale. Au deuxième niveau, les sous-projets sont décomposés en lots de travail qui représentent les activités agrégées du second niveau. Les ressources rares, limitées par les capacités définies au premier niveau, de même que les ressources primaires (personnel, machine), sont prises en compte. Les ressources primaires, à capacité illimitée, sont nivelées sur la durée fixée au premier niveau à l aide du Time-Driven Planning. Au troisième niveau, les projets sont décomposés en activités détaillées. Toutes les ressources sont considérées limitées à ce niveau : ressources rares et primaires, dont les capacités ont été définies au second niveau, et ressources secondaires. L objectif consiste ici à minimiser la durée du projet. Si la durée du projet dépasse la durée maximale, on retourne au premier niveau en augmentant la durée des tampons de sécurité et on réitère les trois phases jusqu à l obtention d un échéancier réalisable pour chaque projet. De façon plus globale, [Gademann et Schutten, 2005] divisent le cycle de vie d un projet en cinq étapes : 1) acceptation du projet; 2) planification des processus; 3) ordonnancement; 4) exécution; 5) évaluation et service. La planification tactique est réalisée à la première étape, où les projets sont divisés en lots de travail dont les durées estimées et les besoins en ressources sont connus. À cette étape, le problème consiste à déterminer les quantités de ressources à allouer aux lots de travail à chaque période, tout en minimisant le coût de la capacité non régulière (Time-Driven Planning du RCCP). Un modèle
linéaire est proposé pour résoudre le problème. Afin d alléger le modèle, les contraintes de précédence sont remplacées par des fenêtres de temps où les lots peuvent être exécutés sans violer les relations de précédence. À la troisième étape (ordonnancement), les lots sont décomposés en activités détaillées et un RCPSP est résolu. Les contraintes (jalons et ressources disponibles) requises pour l ordonnancement sont déterminées à l aide du RCCP à l étape 1. [Hans, 2001] a aussi proposé un modèle linéaire en nombres entiers (programme linéaire partiellement en nombres entiers, PLPNE) basé sur le RCCP pour le milieu de production MTO (Manufactor-to-Order), mais pouvant être adapté à un environnement. Le modèle combine les approches Time-Driven Planning et Resource-Driven Planing du RCCP par le biais d une fonction-objectif qui minimise le coût de la capacité non régulière et qui pénalise les retards possibles par rapport aux dates d échéance, causés par les limites sur la disponibilité des ressources. Dans le modèle, les contraintes de précédence sont omises. Toutefois, pour chaque lot de travail, un vecteur, appelé order plan, composé d éléments binaires spécifiant si le lot peut être exécuté durant une période donnée, est défini. Seuls les vecteurs réalisables par rapport aux relations de précédence, dates de début et durées minimales de réalisation des lots de travail, sont considérés. Les modèles présentés jusqu à maintenant sont déterministes. Dans les modèles suivants, l incertitude est considérée, plus particulièrement dans la fonction-objectif du niveau tactique. [Wullink, 2005] et [Hans et al., 2007] ont étendu la structure de [De Boer, 1998] et ont étudié les interactions entre les différents niveaux de planification, selon le degré de dépendance des projets de l organisation aux facteurs externes et internes. Pour les organisations à forte dépendance, qui possèdent en général une structure organisationnelle matricielle, les auteurs proposent de partager l information entre les niveaux tactique et comme suit. Durant les premières phases où peu d informations sont disponibles sur le contenu du projet, le principal output du RCCP au niveau tactique comprend les fenêtres de temps, les jalons et les disponibilités des ressources. Ces données, lorsque plus d informations s avèrent disponibles, sont combinées avec les informations générées par la planification des processus et l ingénierie, formant ainsi l input de la planification le, soit un RCPSP. Pour les organisations à faible dépendance, possédant souvent une structure organisationnelle dédiée aux projets, l affectation des ressources peut se faire dès le niveau tactique, étant donné que les ressources sont entièrement dédiées à des projets spécifiques. Par conséquent, les décisions reliées à l allocation des ressources sont également communiquées au niveau pour ce type d organisation, en plus des informations échangées entre les niveaux tactique et. Pour chaque projet, un plan spécifique peut donc être développé au niveau, indépendamment des plans des autres projets. Pour la suite, [Wullink, 2005] a étendu le modèle déterministe de [Hans, 2001] en développant un modèle PLPNE basé sur la discrétisation du contenu stochastique du travail pour un environnement ETO (Engineerto-Order), mais applicable à un environnement. Dans le modèle, chaque commande est constituée d un ensemble de lots dont le contenu est incertain. Pour chaque lot, un certain nombre de modes de fonctionnement possibles est défini en tenant compte des données historiques et de l expérience du planificateur. Des scénarios correspondant à des combinaisons de modes de fonctionnement des lots de commandes sont ensuite définis. Chaque scénario peut survenir selon une probabilité donnée. L objectif consiste à minimiser le coût de la capacité non régulière ainsi que le retard possible par rapport aux dates d échéance, en prenant en compte les scénarios possibles. Pour résoudre le modèle, les auteurs étendent l algorithme exact proposé par [Hans, 2001] et proposent une heuristique basée sur la programmation linéaire et les coûts marginaux qui généralise celle de [Gademann et Schutten, 2005]. [Wullink, 2005] propose aussi deux modèles de planification tactique pour le Robust Resource Loading (RRL). Le RRL est l équivalent du RCCP en milieu ETO. Les modèles sont toutefois valables pour le contexte. L incertitude prise en compte dans les modèles est reliée au contenu du travail des activités. Le premier modèle, basé sur le modèle de Hans [Hans, 2001], est un PLPNE multi-objectif avec des relations de précédences implicites. Ce modèle est résolu à l aide d une approche «Branch and Price». Dans le deuxième modèle, les relations de précédence sont explicites. Les deux modèles incorporent la robustesse dans la fonction-objectif afin de trouver un compromis entre le coût d utilisation de la capacité non régulière et la robustesse du plan. Deux indicateurs sont proposés pour mesurer la robustesse : Resource Plan Robustness (RPR) et Activity Plan Robustness (APR). Le RPR permet de mesurer jusqu à quel point, dans le pire cas, le contenu total de travail incertain des activités exécutées à une période donnée peut être couvert par la capacité non utilisée durant la période. Le APR concerne le temps de flexibilité de planification des activités. Il permet de déplacer des parties d activités à d autres périodes comprises entre les dates de début au plus tôt et de fin au plus tard des activités de façon à faire face à l incertitude. [Masmoudi, 2011] s est également basé sur la structure de De Boer [De Boer, 1998] et a proposé plusieurs modèles de planification tactique et le dans un contexte. Au niveau tactique, l auteur a étendu le modèle de Hans [Hans, 2001] au contexte multiprojets et a proposé deux modèles tenant compte de l incertitude: Stochastic RCCP et Fuzzy RCCP. Le modèle stochastique est un modèle PLPNE et l incertitude y est modélisée par une distribution continue et la fonction-objectif consiste à minimiser l espérance et la variance de la distribution probabiliste de la charge de travail totale. Ce modèle requiert toutefois l existence de données statistiques et ne peut représenter l incertitude subjective. L auteur propose donc un modèle non linéaire (PNL) flou qui surmonte ces difficultés. Dans ce modèle, on minimise le coût de la capacité non régulière, qui est un nombre flou. Deux problèmes flous sont également définis pour le niveau : Fuzzy Resource-Leveling Problem (FRLP) et Fuzzy Resource- Constrained Project Scheduling Problem (FRCPSP). Ces problèmes sont des variantes des problèmes Resource Loading et RCPSP avec des paramètres flous. Un algorithme génétique et un algorithme glouton et flou sont proposés pour résoudre respectivement les deux modèles. L auteur propose d exécuter les deux algorithmes dans une boucle décisionnelle afin de gérer simultanément les dates de fin des projets et les capacités des ressources. Le Tableau 2 synthétise les approches s proposées dans la littérature. Dans la section suivante, nous relevons les lacunes de ces approches et proposons de nouvelles directions de recherche. 4 ANALYSE ET DIRECTIONS DE RECHERCHE
4.1 Modèle du niveau tactique (FEL3) En général, les modèles tactiques proposés dans la littérature pour la planification ne sont pas adaptés au contexte des projets EPCM de grande envergure. En effet, la plupart des modèles considèrent les ressources au niveau tactique. Or, dans les projets EPC ou EPCM réels, les ressources de construction ne sont pas connues à ce niveau, car elles sont sous la responsabilité des sous-traitants qui doivent être engagés. [Sunke, 2009] a d'ailleurs soulevé l impossibilité de considérer les ressources dès le niveau tactique. Il utilise la méthode du chemin critique sans toutefois prendre en compte les ressources. Par ailleurs, certaines ressources, qui ne sont pas sous la responsabilité des sous-traitants, doivent être considérées au niveau tactique (ex. espace de travail et d entreposage, installations temporaires, accès au chantier) Si l ingénierie est effectuée à l interne et que les ressources sont partagées avec d autres projets, alors elles doivent être prises en compte dès le niveau tactique. De plus, la majorité des modèles n intègrent pas l incertitude, qui est pourtant un élément important du niveau tactique. Mais les modèles qui incorporent cet élément n incluent pas pour autant les incertitudes caractérisant les projets de construction à ce niveau. Ces incertitudes comprennent les intervalles de temps pendant lesquels peuvent être réalisées les activités qui dépendent de facteurs externes (ex. autorisations locales, certificats exigés, conditions climatiques), les activités agrégées qui peuvent s ajouter, par exemple, suite à un changement d envergure, ou encore l incertitude dans l estimation des coûts d exécution des activités. Une direction de recherche intéressante consiste donc à développer des modèles tenant compte de l incertitude par le biais d une fonction-objectif qui réalise un compromis entre la maximisation de la robustesse du plan face aux incertitudes et la minimisation de la durée et du coût du projet. Enfin, la plupart des modèles de planification du niveau tactique considèrent des relations simples du type Fin-Début et négligent le chevauchement [Hans, 2001] [Wullink et al., 2004] ; [Wullink et al., 2006]; [Masmoudi, 2011]; [Gademann et Schutten, 2005]. Dans ces modèles, les contraintes de précédence sont implicites et sont assurées par l interdiction à deux activités agrégées successives d opérer en une même période. [Neumann et al., 2003] utilisent la notion des time lags pour permettre le chevauchement, mais la durée des activités est supposée fixe. Une autre direction de recherche consiste donc à développer d autres types de relations de précédence qui permettent le chevauchement tout en respectant les hypothèses d incertitude. [Alfieri et al., 2011] et [Bianco et Caramia, 2012] ont d'ailleurs proposé des relations de précédence pour la planification de production qui permettent de tenir compte de l incertitude des durées des activités. Ce type de relation de précédence pourrait être étendu au contexte des projets EPCM. 4.2 Modèles du niveau Les modèles proposés dans la littérature pour le niveau ne reflètent pas la réalité des grands projets EPCM réels. En effet, ils ne tiennent pas compte des différentes parties prenantes présentes dans ces projets et de leurs interactions. La plupart des modèles sont développés pour la gestion de projets à l interne, ou bien pour les soustraitants qui réalisent la construction, non pour la gestion de la construction effectuée par le contractant EPCM [Sunke, 2009]. Une autre direction de recherche prometteuse concerne donc le développement de modèles permettant au contractant EPCM de gérer l ensemble des sous-projets et d assurer les interactions entre les sous-traitants, tout en respectant les contraintes du niveau tactique. 4.3 Approche intégrée adaptée au contexte des projets EPCM Les projets EPCM réels impliquent une hiérarchie des échéanciers composée de classes et de niveaux (Section 3.1). Les classes reflètent le niveau de détail atteint dans la phase en cours; les niveaux sont utilisés à des fins de communication. Chaque classe est composée de différents niveaux obtenus par l agrégation de l échéancier correspondant à la classe, et dépendamment de l audience visée. Les différents échéanciers sont établis de la phase FEL0 ou FEL1 jusqu à la fin de la construction et constituent des livrables exigés pour passer d une phase à une autre. La Figure 1 montre que les approches de planification proposées dans la littérature touchent uniquement les phases FEL3 et de construction, et leurs échéanciers correspondent, respectivement, aux classes 3 et 2. À notre connaissance, aucun modèle n a été proposé en vue d intégrer les autres classes de planification et d ordonnancement. De plus, les niveaux de détail utilisés dans la pratique ne sont pas pris en compte. La plupart des auteurs ne traitent pas les interactions entre le modèle tactique (classe 3) et le modèle (classe 2). Certains tiennent compte des informations communiquées du modèle tactique (classe 3) au modèle (classe 2), mais négligent la rétroaction et la mise à jour des données [Leachman et Boysen, 1985], [Hackman et Leachman, 1989], [Neumann et al., 2003], [Sunke, 2009], [Dey et al., 1996] (Figure 1). Quant aux projets réels, l AACE mentionne que l échéancier de chaque classe doit être concilié avec celui de la classe précédente pour refléter les changements dus à l évolution de la définition du projet. Cependant, la complexité des interactions dépasse cette affirmation. En effet, notre proposition est d utiliser une approche intégrée, regroupant tous les niveaux de planification des projets IAGC réels, et traitant les interactions entre ces niveaux, en particulier les Feedback des niveaux inférieurs aux niveaux supérieurs qui sont négligés dans littérature. Les modèles des différents niveaux doivent être également mis à jour de façon périodique. Illustrons à titre d exemple une approche intégrant les classes 3 et 2 (Voir aussi la figure 1). A la fin des parties FEL, un échéancier agrégé est développé par le contractant IAGC (Classe 3, niveau 2), qui est ensuite agrégé pour des fins de communications avec le client (Classe 3, niveau 1). Ensuite, au début de la construction, et une fois les sous-projets commencent à être octroyés aux sous-traitants, le contractant a plus d informations sur les échéanciers et détails des activités des sous-traitants opérant dans les prochains mois (3 prochains mois par exemple). Les paramètres du modèle tactique ne sont plus les mêmes. Il serait donc intéressant que le contractant IAGC développe un modèle d optimisation pour les trois prochains mois pour les activités de tous les sous-traitants en cours d exécution durant cette période. Et ceci afin de gérer les interactions entre ces sous-traitants et essayer de respecter les exigences du niveau précédent. Ce modèle correspond à la classe 2 et au niveau de détail 3. La fonction-objectif du modèle pourrait minimiser les dépassements de coût et délais par rapport à ceux fixés au FEL3. Avec une périodicité donnée (exemple 1 mois), un autre modèle semblable au précédent doit être fait mais pour les nouveaux trois prochains mois (Rolling Horizon). Ces modèles (Classe 2, niveau 3) doivent ensuite être agrégés pour des fins de communication (Classe 2, niveau 2 et 1). La Figure 1 illustre ce type d interactions et
Tableau 2. Caractéristiques des approches de planification Auteurs Contexte de planification Niveaux de planification Incertitude Modèle basé sur les ressources flexibilité des ressources Fonction-objectif Type des relations de précédence Mise à jour et feedback aux niveaux supérieurs Modèle Méthode de résolution Validatio n dans un projet réel Leachman et Boysen, 1985 Speranza et Vercellis, 1993 Neumann et al, 2003 Gademann et Schutten, 2005 Hans, 2001 Wullink, 2005; Wullink et al., 2004 Wullink, 2005; Wullink et al 2006 Masmoudi, 2011 Sunke, 2009 Dey et al., 1996 MTO ETO ETO de projet unique de projet unique Niveau agrégé et niveau d ordonnance ment détaillé Long terme, moyen terme et court terme Niveau du projet, du lot de travail et de l activité robuste, contenu de travail, capacités et exigences de ressources et occurrence des activités robuste, contenu de travail stochastique et floue, contenu de travail PERT, durée des activités Oui- Inflexibles Oui- Inflexibles Oui. Ressources primaires flexibles au niveau du moyen terme Oui- Flexibles au niveau tactique Ressources stratégiques limitées. Autres ressources flexibles Oui- Flexibles Oui- Flexibles Oui- Flexibles Non au niveau tactique Niveau agrégé: Min coût total actualisé des ressources inutilisées Niveau d ordonnancement: Min durée du projet Tactique: Max valeur actuelle nette Opérationnel: Min durée du projet Long terme: Max valeur actuelle nette Moyen terme : Niveler l'utilisation des ressources primaires Court terme: Min durée du projet Tactique: Min coût d'utilisation de la capacité non régulière Opérationnel: Min fonction du temps Tactique: Min coût d'utilisation de la capacité non régulière et pénaliser le retard des ordres. Tactique: Min coûts prévus d'utilisation de capacité non régulière et pénaliser le retard possible à traves tous les scénarios. Tactique: Compromis entre max robustesse du plan et min coût d'utilisation de la capacité non régulière. Tactique: Modèle stochastique: Min variance et valeur moyenne du contenu de travail total; Modèle flou: Min coûts d'utilisation de la capacité non régulière floue. Opérationnel: 1er modèle: Min somme des écarts quadratiques entre l'utilisation périodique floue des ressources et la moyenne d'utilisation des ressources.2ème modèle: Min durée du projet Tactique: Min durée du projet Opérationnel: Min temps, coût, nivellement des ressources Min déviations par rapport aux objectifs fixés par les gestionnaires du client situe notre proposition par rapport aux autres approches. Cette proposition doit être étendue aux autres classes et niveaux afin de traiter toutes les interactions et mises à jour. En appliquant cette approche, nous pourrons alors parler d approches s intégrées des projets IAGC. CONCLUSION Dans cet article, nous avons étudié les approches de planification de projets EPCM de grande envergure. Pour ce faire, nous avons effectué une revue de littérature des approches et des modèles de planification Fin-Début Fin-Début Min-max time lags Modèle agrégé appliqué sur une base régulière bénéficiant de données mises è jour Mise à jour des données au niveau Élargir les tampons de sécurité au niveau du long terme pour palier aux violations des durées au niveau du court terme. Réitérer tous les modèles jusqu'à la faisabilité des échéanciers à court terme Modèle PL au premier niveau Modèles PNE pour les deux niveaux Modèle PL au niveau du long terme Fin-Début Tactique: PL Fin-Début Fin-Début Fin-Début Fin-Début Opérationnel : Min-max time lags Si les dates d'échéances sont violées au 2ème niveau, soit on les change dans l'échéancier global du projet soit on autorise l'ajout des ressources On change les priorités ou les niveaux d'aspiration des objectifs. Output d'un niveau inférieur peut devenir input d'un niveau supérieur Tactique: PLPNE Tactique: PLPNE Tactique: PLPNE Tactique: Modèle flou: PLPNE Modèle stochastique : PNL Opérationnel : Algorithme génétique et flou et algorithme glouton et flou Tactique: PL Opérationnel : PNE Programmati on par objectifs ALPHAC linear programming package Branch-and-bound Long-terme: Branchand bound Moyen-terme: Treebased enumeration scheme et priority-rule method Court-terme: Méthodes exactes et heuristiques Tactique: Heuristiques Tactique: Combinaison de branch-and-price et d heuristiques Tactique: Branch-and- Price et LP-based heuristiques améliorées Tactique: Branch-and- Price Tactique: Recuit simulé Opérationnel: 1er model: Algorithme génétique 2ème modèle: Algorithme glouton et flou Méthodes exactes, heuristiques et metaheuristiques Logiciel MICROMANAGER Oui Oui Instances générées Instances générées aléatoirement Instances générées aléatoirement Instances générées aléatoirement de projets, et nous les avons comparées à la méthode la plus utilisée dans les projets EPCM réels. Les lacunes des approches théoriques et pratiques ont été relevées et de nouvelles directions de recherche sont proposées : la nécessité de créer une approche qui couvre tout l horizon de planification des projets EPCM réels (du FEL1 jusqu à la fin de l exécution du projet), l importance de proposer des modèles qui soient adaptés au contexte des grands projets EPCM (en tenant compte, au niveau tactique, de l incertitude, chevauchement des activités, considération de certaines ressources uniquement, minimisation des coûts et des délais), et la prise en compte des différentes parties prenantes à Oui Oui
FRONT END LOADING (FEL) FEL 1 FEL 2 FEL 3 Exécution Classe 4 initiale Classe 4 finale Ingénierie détaillée Approvisionnement Construction Classe 3 Classe 2 Classe 1 Niv.2 Niv.2 Niv.2 Dictionnaire: Classe i/ Niv.j: classes et niveaux d échéanciers utilisés en pratique Interactions traitées dans la pratique Interactions traitées dans la théorie Interactions manquantes Niveaux traités dans les approches Niv.i s théoriques Niv.3 Niv.3 Niv.4 Figure 1. théorique et pratique et interactions manquantes tous les niveaux de planification. Enfin, soulignons l importance de prendre en compte les interactions et les mises à jour afin d intégrer les décisions. 5 REFERENCES Alfieri, A., Tolio, T., Urgo, M., (2011) A project scheduling approach to production planning with feeding precedence relations. International journal of production research, 49(4), pp. 995-1020. doi: 10.1080/00207541003604844 Bianco, L., Caramia, M., (2012) Minimizing the completion time of a project under resource constraints and feeding precedence relations: an exact algorithm. 4OR: A Quarterly Journal of Operations Research, 10(4), pp. 1-17. De Boer, R., (1998). Resource-constrained multi-project management, a hierarchical decision support system. PhD, University of Twente. Dey, P. K., Tabucanon, M. T., Ogunlana, S. O., (1996) Hierarchical approach to project planning: The case of a petroleum pipeline construction. Applied Mathematical Modelling, 20(9), pp. 683-698. doi: 10.1016/0307-904x(96)00049-2 Gademann, N., Schutten, M., (2005) Linear-programmingbased heuristics for project capacity planning. Iie Transactions, 37(2), pp. 153-165. George, R. T., Back, W. E., Grau, D., (2012) Design Engineer s Role in Managing Front End Planning Information. International Journal of Applied Science and Technology, 2(5). Gibson, G. E., Jr., Kaczmarowski, J. H., Lore, H. E., Jr., (1995) Preproject-planning process for capital facilities. Journal of construction engineering and management, 121(3), pp. 312-318. Gibson, G. E., Jr., Wang, Y. R., Cho, C.S., Pappas, M.P., (2006) What is preproject planning, anyway? Journal of Management in Engineering, 22(1), pp. 35-42. Hackman, S.T., Leachman, R.C., (1989) An aggregate model of project-oriented production. Systems, Man and Cybernetics, IEEE Transactions on, 19(2), pp. 220-231. Hans, E. W., (2001). Resource loading by branch-and-price techniques. PhD, University of Twente. Hans, E. W., Herroelen, W., Leus, R., Wullink, G., (2007) A hierarchical approach to multi-project planning under uncertainty. Omega-International Journal of Management Science, 35(5), pp. 563-577. doi: 10.1016/j.omega.2005.10.004 International AACE. (2010a). Recommended Practice No. 27R-03. schedule classification system. (Technical report). International AACE. (2010b). Recommended Practice No. 37R-06. Schedule levels of detail as applied in engineering, procurement and construction. (Technical report). Leachman, R.C., Boysen, J., (1985) An aggregate model for multi-project resource allocation. Project Management: Methods and Studies, North Holland, Amsterdam (Vol. 11, pp. 43-64). Leus, R., (2003). The generation of stable project plans. Complexity and exact algorithms. PhD, Katholieke Universiteit Leuven. Masmoudi, Malek. (2011). Tactical and operational project planning under uncertainties: application to helicopter maintenance. PhD, University of Toulouse. Neumann, K., Schwindt, C., Zimmermann, J., (2003) Project scheduling with time windows and scarce resources: temporal and resource-constrained project scheduling with regular and nonregular objective functions, 2nd Ed., Berlin: Springer. Ryan C.Spangler, P. E., (2005). Front End Loading (FEL) and Process Engineering Workflow. Master of Science, The University of Kansas. Speranza, M. G., Vercellis, C., (1993) Hierarchical models for multi-project planning and scheduling. European Journal of Operational Research, 64(2), pp. 312-325. Suarez-Barraza, M. F., Smith, T., Dahlgaard-Park, S. M., (2012) Lean Service: A literature analysis and classification. Total Quality Management & Business Excellence, 23(3-4), pp. 359-380. Sunke, N., (2009). Planning of construction projects: a managerial approach. PhD, Universitätsbibliothek. Weijde, G. A., (2008). Front-End Loading in the Oil and Gas Industr -Towards a Fit Front-End Development Phase. Master of Science, Delft University of Technology. Wullink, G., (2005). Resource loading under uncertainty. PhD, University of Twente. Wullink, G., Gademann, A., Hans, E. W., Van Harten, A., (2004) Scenario-based approach for flexible resource loading under uncertainty. International journal of production research, 42(24), pp. 5079-5098. Wullink, G., Hans, E. W., Harten, A. (2006). Robust resource loading for engineer-to-order manufacturing. (Technical report). Netherlands: University of Twente.