A presente pesquisa tem como objetivo estudar a integração entre dois temas clássicos da literatura de pesquisa operacional e gestão de operações: problemas de corte e empacotamento; e problemas de programação da produção. Ainda que sejam duas áreas intensamente exploradas e pesquisadas, e, ainda, que seja uma situação facilmente encontrada em sistemas de produção reais, abordagens de ambos problemas de forma coordenada ainda carecem de maiores pesquisas. Neste trabalho é feita uma revisão de ambos temas, com foco em problemas de bin packing e programação em ambiente de máquina única com objetivo de minimizar soma de atrasos e adiantamentos ponderados. Uma formulação matemática linear e inteira mista é proposta para o problema, contemplando as restrições que concernem a cada um e também à sua consideração simultânea. Como se trata de um problema que une dois outros, cada um NP-hard isoladamente, um método heurístico é proposto para obter uma solução interessante em tempos computacionais bastante reduzidos. Foram obtidas propriedades físicas de definição de data ideal de programação de um conjunto de itens atribuídos a um bin. Também é proposto um método para geração de um limitante inferior melhorado em relação a pacotes de otimização de mercado para o problema. Ambos métodos foram testados em uma massa de dados de 1.152 instâncias, geradas para retratar cenários de diferentes datas de entrega, setups, custos de atraso e adiantamento em relação à matéria-prima, tamanho de itens e número de itens na instância. Os resultados mostram-se largamente superiores aos obtidos por um otimizador genérico (CPLEX), embora ainda sejam gaps excessivamente grandes, o que reforça a dificuldade do problema. / The present research aims to explore the integration between two classic themes on operations research and operations management literature: cutting and packing problems; and production scheduling problems. Although they are intensive explored and researched areas and, besides, it\'s an easily found situation on real production systems, coordinated approaches of both themes still need deeper research. On this paper, it was done a review of both themes, focusing on bin packing problems and single-machine environment scheduling problems aiming to minimize total weighed earliness and tardiness. A mixed integer-linear mathematical formulation is proposed to the problem, including constraints referred to each problem and, also, to their simultaneous consideration. Once it\'s a problem that joins the other two, each one NP-hard solely, an heuristic method is proposed to obtain an interesting solution in reasonable computational times. Physical properties were identified, defining the best date to allocate a given lot of items to be processed together. Also, a lower bound generation method is proposed, improving the one generated by optimization softwares. Both methods were tested on a 1.152 instances mass of data, generated to represent well several scenarios of different due dates, setup times, earliness and tardiness costs compared to raw material, size of items and number the items the instance. Results show largely superiority the ones obtained by an optimization pack (CPLEX), although gaps are still excessively large, fact the reinforces problem\'s difficulty.

Dans cette thèse nous considérons une classe de problèmes d’optimisation ayant une particularité : des décisions à la fois discrètes et continues doivent être prises simultanément. Ces problèmes se posent dans de nombreuses applications pratiques, comme par exemple dans les réseaux de télécommunications à large bande passante et dans les problèmes de transport écologique, où les ressources disponibles peuvent être très légèrement consommées ou réparties. Ces problèmes se sont avérés être plus difficiles à résoudre que leurs homologues purement discrets. Des méthodes efficaces pour la résolution de ces problèmes sont proposées dans cette thèse. Notre approche est de prendre en compte des variantes de problèmes classiques d’optimisation combinatoire appartenant à trois domaines : packing, routage et routage/ packing intégré. Les résultats obtenus suggèrent l’existence de méthodes efficaces, réduisant l’effort de calcul nécessaire pour résoudre ce type de problème. La plupart du temps, ces méthodes sont basées sur l’exploitation de la structure des solutions optimales pour réduire l’espace de recherche. / In this thesis we consider a class of optimization problems having adistinctive feature : both discrete and continuous decisions need to betaken simultaneously. These problems arise in many practical applications,for example broadband telecommunications and green transportation problems, where resources are available, that can be fractionally consumed or assigned. These problems are proven of being harder than their purely discrete counterpart. We propose effective methodologies to tackle them. Our approach is to consider variants of classical combinatorial optimization problems belonging to three domains : packing, routing, and integrated routing / packing. Our results suggest that indeed effective approaches exist, reducing the computational effort required for solving the problem. Mostly, they arebased on exploiting the structure of optimal solutions to reduce the search space. / In questa tesi affrontiamo una classe di problemi di ottimizzazione con una caratteristica in comune : sia le decisioni discrete che quelle continue devono essere prese simultaneamente. Questi problemi emergono in molti campi, come ad esempio le nelle telecomunicazioni abanda larga e in problemi di trasporto ecologico, dove le risorse disponibili possono essere consumate o assegnate in modo frazionario.Questi problemi sono generalmente più difficili da risolvere rispetto alla loro controparte puramente combinatoria. Noi proponiamo metodologie efficaci per affrontarli. Con il nostro approccio consideriamo varianti di problemi classici nel campo dell’ottimizzazione combinatoriache appartengono a tre domini : impaccamento, instradamento einstradamento / impaccamento integrati. I nostri risultati suggeriscono l’esistenza di approcci efficienti che riducono lo sforzo computazionale necessario per risolvere questi problemi. Nella maggior parte deicasi, tali approcci sono basati sullo sfruttamento di particolari proprietà della struttura delle soluzioni ottime in modo da ridurre lo spaziodi ricerca.

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Bin packing is a very important and popular research area in the computer science field. Past work showed many good and real-world packing algorithms. How- ever, due to the complexity of the problem in multiple-dimensional bin packing, also called hyperbox packing, we need more practical packing algorithms for its real-world applications. In this dissertation, we extend 1D packing algorithms to hyperbox packing prob- lems via a general framework that takes two inputs of a 1D packing algorithm and an instance of hyperbox packing problem and outputs a hyperbox packing algorithm. The extension framework significantly enriches the family of hyperbox-packing algorithms, generates many framework-based algorithms, and simultaneously calls for the analysis for those algorithms. We also analyze the performance of a couple of framework-based algorithms from two perspectives of worst-case performance and average-case performance. In worst- case analysis, we use the worst-case performance ratio as our metric and analyze the relationship of the ratio of framework-based algorithms and that of the corresponding 1D algorithms. We also compare their worst-case performance against two baselines: strip optimal algorithms and optimal algorithms. In average-case analysis, we use expected waste as a metric, analyze the waste of optimal hyperbox packing algorithms, and estimate the asymptotic forms of the waste for framework-based algorithms.

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A presente pesquisa tem como objetivo estudar a integração entre dois temas clássicos da literatura de pesquisa operacional e gestão de operações: problemas de corte e empacotamento; e problemas de programação da produção. Ainda que sejam duas áreas intensamente exploradas e pesquisadas, e, ainda, que seja uma situação facilmente encontrada em sistemas de produção reais, abordagens de ambos problemas de forma coordenada ainda carecem de maiores pesquisas. Neste trabalho é feita uma revisão de ambos temas, com foco em problemas de bin packing e programação em ambiente de máquina única com objetivo de minimizar soma de atrasos e adiantamentos ponderados. Uma formulação matemática linear e inteira mista é proposta para o problema, contemplando as restrições que concernem a cada um e também à sua consideração simultânea. Como se trata de um problema que une dois outros, cada um NP-hard isoladamente, um método heurístico é proposto para obter uma solução interessante em tempos computacionais bastante reduzidos. Foram obtidas propriedades físicas de definição de data ideal de programação de um conjunto de itens atribuídos a um bin. Também é proposto um método para geração de um limitante inferior melhorado em relação a pacotes de otimização de mercado para o problema. Ambos métodos foram testados em uma massa de dados de 1.152 instâncias, geradas para retratar cenários de diferentes datas de entrega, setups, custos de atraso e adiantamento em relação à matéria-prima, tamanho de itens e número de itens na instância. Os resultados mostram-se largamente superiores aos obtidos por um otimizador genérico (CPLEX), embora ainda sejam gaps excessivamente grandes, o que reforça a dificuldade do problema. / The present research aims to explore the integration between two classic themes on operations research and operations management literature: cutting and packing problems; and production scheduling problems. Although they are intensive explored and researched areas and, besides, it\'s an easily found situation on real production systems, coordinated approaches of both themes still need deeper research. On this paper, it was done a review of both themes, focusing on bin packing problems and single-machine environment scheduling problems aiming to minimize total weighed earliness and tardiness. A mixed integer-linear mathematical formulation is proposed to the problem, including constraints referred to each problem and, also, to their simultaneous consideration. Once it\'s a problem that joins the other two, each one NP-hard solely, an heuristic method is proposed to obtain an interesting solution in reasonable computational times. Physical properties were identified, defining the best date to allocate a given lot of items to be processed together. Also, a lower bound generation method is proposed, improving the one generated by optimization softwares. Both methods were tested on a 1.152 instances mass of data, generated to represent well several scenarios of different due dates, setup times, earliness and tardiness costs compared to raw material, size of items and number the items the instance. Results show largely superiority the ones obtained by an optimization pack (CPLEX), although gaps are still excessively large, fact the reinforces problem\'s difficulty.

This is Part B of Thesis. / <p> This report is divided into two parts. The first part contains the results of a simulation performed by the two-phase thermohydraulics code Firebird. </p> <p> The second part of this report deals with the "water packing" problem. Its mathematical and physical interpretations are discussed in detail and a method for identifying a transition node together with an alternate mathematical treatment of the boiling boundary are also included.</p> / Thesis / Master of Engineering (MEngr)

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