The operation of a large and complex electric power system requires meticulous and rigorous study and incessant planning. All the players involved, must plan ahead to account for the uncertainties that can affect the hour-to-hour, day-to-day, medium-term and long-term supply of electricity. Medium-term operations and planning provides the players with guidelines and strategies for short-term operating decisions vis-à-vis the market. Adequate planning helps the players to mitigate or be prepared for unforeseen circumstances encountered during scheduling of electricity generation at any stage. This thesis focuses on some aspects of the least explored medium-term operations and planning issues in power systems in the deregulated electricity market environment. The issues addressed in the thesis are diverse but inter-linked as medium-term problems, which have surfaced due to deregulation or are outcomes of unique thought-processes emerging from the restructuring phenomenon. The thesis presents a novel approach to security coordinated maintenance scheduling in deregulation wherein the ISO does not generate a maintenance schedule by itself, but assesses the maintenance schedules from individual gencos by incorporating them in a medium-term security constrained production scheduling model, and verifying whether they result in unserved energy at one or more buses. Based on the information on bus-wise unserved energy, the ISO generates corrective signals for the genco(s), and directs them to alter their maintenance schedules in specific periods and re-submit. The proposed scheme exploits the concept of commons and domains to derive a novel factor to allocate the unserved energy at a bus to a set of generators responsible. The coordination scheme is based on individual genco’s accountability to unserved energy at a bus. Another important question addressed in the thesis is whether there is a need to consider customer’s locations in the power system when the utility provides service to them. In other words, whether the reliability of the load service provided by the utility varies across the system, from bus to bus, and if so, how are the Locational Marginal Prices (LMPs), which are determined from market auctions, affected by such variations. The thesis also answers the important question of how the LMPs can be differentiated by the Load Service Probability (LSP) at a particular location, so that it is fair to all customers. A new approach to determining the bus-wise LSP indices in power systems is proposed in the thesis. These LSP indices are arrived at by defining and computing bus-wise Loss of Load Probability (LOLP) indices. The discrepancy in LMPs with respect to the bus-wise LSP is then investigated and the bus-wise LSP indices are thereafter utilized to formulate a novel proposition for LSP-differentiated LMPs for electricity markets. The thesis furthermore addresses the medium-term Transmission Reinforcement Planning (TRP) problem and proposes a practical approach to TRP by making use of standard design practices, engineering judgement, experience and thumb-rules to construct a Feasibility Set. The Feasibility Set helps in limiting the type and number of reinforcement options available to the transmission planner in selected existing corridors. Mathematical optimization procedure is then applied considering the Feasibility Set, to attain an optimal set of reinforcement decisions that are economical and meets the system demand in the medium-term, without overloading the transmission system. Two different solution approaches- the Decomposition Approach and the Unified Approach are proposed to solve the TRP optimization problem.

Die Produktionsplanung in kommerziellen Enterprise Ressource Planning Systemen und Produktionsplanungs- und -steuerungssystemen erfolgt unter unzureichender Berücksichtigung von beschränkten Kapazitäten. Dies führt oft zu unzulässigen Plänen, welche nicht selten zu einer Verfehlung der termingerechten Bedarfsdeckung führen. Durch den Einsatz sogenannter Clearing Functions (CF) können die nicht linearen Abhängigkeiten zwischen der Arbeitslast eines Produktionssystems und der zu erwartenden Ausbringungsmenge beschrieben werden. Eine solche CF kann empirisch durch den Einsatz von Simulation ermittelt werden und zu einer verbesserten Kapazitätsabschätzung in der operativen Produktionsplanung und -steuerung beitragen.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:51:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3387.pdf: 2954742 bytes, checksum: 792e30cc93d7f68d7c0f647b0d217541 (MD5) Previous issue date: 2010-12-03 / Financiadora de Estudos e Projetos / This work deals with a production scheduling problem that appears in the aeronautics industry, involving special structures called assembly fixtures, composed of several workstations in parallel to assemble parts of the aircrafts. Tasks should be scheduled to be performed in these workstations in order to minimize the quantity of manpower needed to do the assembly and determine the production capacity of the assembly fixture, which means minimizing the makespan (the total time needed to finish the tasks). However, in addition to the usual constraints such as due dates and precedence among tasks, there are also constraints that prevent two tasks to be performed at the same time in two adjacent workstations on the assembly fixture. The assembly and the teams who work there are in continuous improvement of assembling processes, according to the cumulative production increases and the learning curve is traversed. The learning curve was divided in four stages with specific characteristics in each. Mixed integer linear programming models are proposed to represent the production scheduling problem of each stage, based on practical cases studies of assembly fixtures scheduling in an aeronautics company. Those models are solved using a modeling language and optimization software. The solutions are analyzed and compared and based on then, it is evaluated how the learning curve affects the airplane production over time and it is shown, in the results, that there exists potential of improvement in the use of assembling resources, using production scheduling and levelling the resources. / Este trabalho aborda um problema de programação da produção que ocorre na indústria aeronáutica, envolvendo estruturas especiais de montagem chamadas gabaritos, compostas de diversos postos de trabalho em paralelo para montar partes das aeronaves. Tarefas devem ser programadas para serem executadas nestes postos de trabalho de maneira a minimizar a quantidade total de mão de obra necessária para realizar a montagem em questão e determinar a capacidade de produção do gabarito, ou seja, minimizar o makespan (tempo total para executar as tarefas). Porém, além das restrições usuais, como prazos de entrega das tarefas e precedências entre as tarefas, existem também restrições que impedem que duas tarefas possam ser executadas ao mesmo tempo em dois postos de trabalho adjacentes no gabarito. A montagem e as equipes que nela trabalham estão em melhoria contínua dos processos de montagem, conforme a produção acumulada aumenta e a curva de aprendizagem é percorrida. A curva de aprendizagem foi dividida em quatro fases com características específicas em cada uma. Propõem-se modelos de programação linear inteira mista para representar o problema de programação em cada uma das fases, com base em estudos de casos práticos de programação de gabaritos de montagem de uma empresa aeronáutica. Estes modelos são resolvidos utilizando-se uma linguagem de modelagem e um software de otimização. As soluções encontradas são analisadas e comparadas e com base nelas, avalia-se como a curva de aprendizagem afeta a produção de aviões ao longo do tempo e demonstra-se que existe potencial de melhoria no uso dos recursos de montagem, utilizando programação da produção e nivelamento dos recursos.

Devido à grande pressão pela redução de estoques e prazos de entrega, concomitantemente com o aumento da variedade de produtos, o planejamento e controle da produção tem se tornado cada vez mais complexo e desafiador. Basicamente, essa atividade das empresas objetiva planejar e controlar o uso dos recursos produtivos, visando atender à demanda dos clientes. Tradicionalmente, a literatura tem abordado os sistemas MRP, KANBAN, OPT, mas um novo conjunto de soluções de sistemas de programação finita vem sendo crescentemente tratado. As empresas, na busca de aprimoramento para a atividade de PCP estão à procura de ferramentas de programação finita, também conhecidas como Advanced Planning and Scheduling (APS), a fim de melhorar o processo de gerenciamento de pedidos, incluindo quesitos como a determinação de prazos de entrega na etapa de negociação dos pedidos, programação efetiva dos pedidos firmes e controle da produção. Esta dissertação pretende verificar as necessidades e dificuldades da programação detalhada da produção, as barreiras de implantação e os benefícios dos APS. O método utilizado foi o levantamento survey nas empresas filiadas à Federação das Indústrias do Estado de São Paulo (Fiesp). Os resultados obtidos mostram que a programação detalhada da produção é uma atividade complexa para a maioria das empresas com estratégia de produção contra pedido (MTO), que estão direcionadas para aumento de desempenho estratégico. A grande maioria das empresas ainda utiliza o modelo de planejamento MRP, porém elas possuem objetivos que podem ser mais facilmente alcançados com o uso de sistemas APS. O aspecto financeiro ainda é limitador para aquisição de sistemas e falta de capacitação. / Due to the great pressure to reduce inventory and delivery, together with the increasing variety of products, production planning and control (PPC) has become increasingly complex and challenging. Basically, this activity aims business planning and control productive resources, to meet customer demand. Traditionally, the literature has addressed the systems MRP, KANBAN, OPT, but a new set of solutions of finite scheduling systems is increasingly being investigated. Companies in search of improvement to the activity of PPC are looking for finite scheduling tools, also known as Advanced Planning and Scheduling (APS) in order to improve the process of order management, including issues such as the determination of time delivery in the stage of negotiation of claims, effective scheduling of orders and production control. This study aims to ascertain the needs and difficulties in the detailed production scheduling, the stage of implementation, and benefits that APS software can provide. The research method was the survey in industries affiliated to the Federation of Industries of Sao Paulo (Fiesp). The results indicated that scheduling production is a complex activity for most companies under the make-to-order strategy (MTO). Companies are using MRPII planning model, but they have goals that can be more easily achieved with the use of advanced planning and scheduling systems (APS). This financial point is still limiting for acquisition of systems and lack of training.

Este trabalho apresenta o problema de programação de operações em máquinas no ambiente no-wait flow shop com critério de minimização do tempo total de fluxo (total flowtime). Aplicações para o problema no-wait flow shop podem ser encontradas em muitas indústrias. Por exemplo, em indústrias de metais, o metal aquecido deve seguir por uma série de operações antes de ser resfriado, com a finalidade de prevenir defeitos na sua composição. Um segundo exemplo é a indústria de plásticos que requer uma série de processos, um imediatamente após o outro, a fim de prevenir a degradação. Situações similares também são encontradas em outros processos industriais, como químicos e farmacêuticos. Neste trabalho, são propostos e avaliados novos métodos heurísticos para o problema, tão bons quanto os já existentes na literatura. Os métodos são avaliados através de um grande número de problemas de vários tamanhos. Os resultados da experimentação computacional também são analisados. / This work deals with the no-wait flow shop scheduling problem with the objective of minimizing total flowtime. Applications of no-wait flow shop can be found in many industries. For example, in steel factories, the heated metal continuously goes through a sequence of operations before it is allowed to cool in order to prevent defects in the composition of the steel. A second example is a plastic product that requires a series of processes to immediately follow on another in order to prevent degradation. Similar situations arise in other process industries such as the chemical and pharmaceutical. In this work, we propose evaluate new heuristics methods for the problem, as well as the existing in the literature. The methods are evaluated over a large number of problems of various sizes. The results of the computational experience are also reported.

Este trabalho é direcionado ao problema de Programação de Operações No-Idle Flow Shop Permutacional. Uma propriedade do problema, oriunda de estudo sobre a sua característica, é apresentada e utilizada para o desenvolvimento de um novo método heurístico construtivo, com o objetivo de minimizar a Duração Total da Programação (makespan). O novo método é comparado com os melhores heurísticos construtivos reportados na literatura, conhecidos por IG, KK e FRB3. Os resultados da experimentação computacional mostraram o melhor desempenho do método proposto, denominado BHBN, para os problemas testes de Ruiz et al. (2008) e Taillard (1993), quanto à qualidade da solução, apresentando também eficiência computacional. / This work is addressed to the No-Idle Flow Shop Sequencing problem. As a result of an investigation on the problem characteristics it is presented a property of this scheduling problem, which is used for the development of a new constructive heuristic with the objective of minimizing the Total Time to complete the schedule (makespan). The new method is compared with the best constructive heuristics reported in the literature, named IG, KK and FRB3. Results from computational experience showed the best performance of the proposed method, denoted by BHBN, for the instances of Ruiz et al. (2008) and Taillard (1993), as to the quality of the solution, and also computational efficiency.

Este trabalho trata do problema de programação de operações no ambiente flow shop com máquinas múltiplas, com seus tempos de preparação (setup) assimétricos e dependentes da seqüência de processamento das tarefas. Este ambiente de produção é comum em indústrias gráficas, químicas, têxteis, de papel e de tinta, caracterizadas por sistemas com amplo mix de produtos. Qualquer processo produtivo requer um gerenciamento eficaz por meio do Planejamento e Controle da Produção (PCP). Esta atividade inclui a programação da produção, ou seja, a alocação de recursos para a execução de tarefas em uma base de tempo. A atividade de programação é uma das tarefas mais complexas no gerenciamento de produção, pois há a necessidade de lidar com diversos tipos diferentes de recursos e atividades simultaneamente. Além disso, o número de soluções possíveis cresce exponencialmente em várias dimensões, de acordo com a quantidade de tarefas, operações ou máquinas, conferindo uma natureza combinatorial ao problema. No ambiente estudado neste trabalho as operações de cada tarefa são executadas em múltiplos estágios de produção, podendo variar a quantidade de máquinas em cada um deles. Cada operação é processada por apenas uma máquina em cada estágio. Os tempos de preparação das máquinas possuem uma variabilidade relevante em função da ordem de execução das tarefas nas máquinas. A função-objetivo considerada é a minimização da duração total da programação (makespan). Foram desenvolvidos quatro métodos heurísticos construtivos com base em algoritmos reportados na literatura para solução de problemas flow shop permutacional e máquinas paralelas no ambiente cujo tempo de setup é dependente da seqüência. Como não foram encontrados na literatura métodos para programação no ambiente tratado neste trabalho, os algoritmos construídos foram comparados entre si. O foco da pesquisa foi o estudo da influência da relação entre as ordens de grandeza dos tempos de processamento e de setup em cada método de solução. Os resultados obtidos na experimentação computacional foram analisados e discutidos com base na porcentagem de sucesso, desvio relativo (%), desvio-padrão do desvio relativo e tempo médio de computação / This work adressess the hybrid flow shop scheduling problem with asymmetric sequence dependent setup times. This environment of production system is common in graphical, chemical, fabric, paper and ink industries. It’s characterized by systems with large mix of products. Any productive process requires an efficient management by means of Production Planning and Control. This activity includes scheduling, i.e., the resources allocation for the execution of jobs in a time base. Scheduling is one of the tasks most complex in production management, since it deals simultaneously with different types of resources and activities. Moreover, the number of possible solutions grows exponentially in some dimensions, in accordance with the number of jobs, operations or machines, conferring a combinatorial nature to the problem. In the environment studied in this work, the operations of each job are processed in multiple production stages. The number of machines in each stage can be different. Each operation is processed by only one machine in each stage. The setup times have a significant variability in function of the sequence of job processing on the machines. The objective is minimizing the total time to complete the schedule (makespan). Four constructive heuristic methods were developed on the basis of algorithms reported in the literature for solving permutation flow shop and parallel machine problems with sequence dependent setup times. The proposed heuristic methods have been compared between themselves, since no constructive heuristics have been found in the literature for the scheduling problem considered in this work. The focus of the research was the study of the influence of the relations among the range of the times processing and setup times in each method. The statistics used in order to evaluate the heuristic performances were the percentage of success (in finding the best solution), relative deviation, standard deviation of relative deviation and average computation time. Results from computational experience are discussed

Orientador: Edmundo Roberto Mauro Madeira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-16T05:33:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bittencourt_LuizFernando_D.pdf: 2691554 bytes, checksum: b936bb837e62d8c4b7bacaeaae71e167 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Grades computacionais são sistemas distribuídos compartilhados potencialmente grandes compostos por recursos heterogêneos que são ligados através de uma rede com enlaces heterogêneos. Esses sistemas tornaram-se ambientes largamente difundidos para execução de tarefas que demandam grande capacidade de processamento. Por serem sistemas compartilhados, a submissão de tarefas nas grades é oriunda de diversos usuários independentemente, o que gera uma demanda concorrente pelos recursos computacionais que deve ser gerenciada pelo middleware da grade. O escalonador é o componente responsável por decidir de que forma a distribuição dessas tarefas será realizada, devendo tratar das peculiaridades desse ambiente, tais como a heterogeneidade e o comportamento dinâmico dos recursos que o compõem, com variações tanto em quantidade quanto em qualidade. A função objetivo mais comum encontrada no escalonamento de tarefas é a minimização do makespan, ou seja, o tempo de término das tarefas que estão sendo escalonadas. Dentre os possíveis tipos de tarefas executadas em grades podemos destacar as tarefas independentes, que executam sem comunicação entre si, e as tarefas dependentes, que possuem dependências de dados que geram precedências de execução e são frequentemente modeladas como grafos acíclicos direcionados (DAGs - do inglês directed acyclic graphs). Dentre as aplicações compostas por tarefas dependentes, os DAGs de e-Ciência se sobressaem pela complexidade e necessidade crescente de recursos computacionais. Adicionalmente, o problema de escalonamento de tarefas, em sua forma geral, é NP-Completo. Dessa forma, o estudo do escalonamento de DAGs em grades computacionais é importante para o aprimoramento da execução de aplicações científicas utilizadas em diversas áreas do conhecimento. Nesta tese apresentamos algoritmos para quatro tipos de problema relacionados ao escalonamento de DAGs em grades: escalonamento estático de DAGs, escalonamento dinâmico de DAGs, escalonamento bi-critério e escalonamento de múltiplos DAGs. Apresentamos avaliações do makespan gerado pelos algoritmos após o escalonamento inicial e após a execução das tarefas com carga externa simulada nos recursos / Abstract: Computational grids are potentially large distributed systems composed of heterogeneous resources connected by a network with heterogeneous links. These systems became largely used in the execution of tasks which require large processing capacities. Because they are shared systems, task submission in grids independently originate from a number of users, leading to a concurrent demand over the computational resources, which must be managed by the grid middleware. The scheduler is the component responsible for deciding how the distribution of such tasks will occur, and it must deal with peculiarities of this environment, such as the heterogeneity and dynamic behavior of the resources, with variations in both quality and quantity. The objective function usually adopted in task scheduling is makespan minimization, which means that the scheduler tries to minimize the finish time of the tasks being scheduled. Among the tasks executed in grids we can find independent tasks, which execute without communication among them, and dependent tasks, which have data dependencies that yield in precedence constraints and are frequently modeled as directed acyclic graphs (DAGs). Among the applications composed of dependent tasks, e-Science DAGs are distinguished because of their complexity and increasing demand for computational resources. Additionally, the task scheduling problem, in its general form, is NP-Complete. Therefore, the study of scheduling of dependent tasks represented by directed acyclic graphs in computational grids is important to improve the execution of scientific applications in many areas of knowledge. In this thesis we present algorithms for four types of problems related to the DAG scheduling in grids: static scheduling of DAGs, dynamic scheduling of DAGs, bi-criteria scheduling, and scheduling of multiple DAGs. We present evaluations of the makespan generated by the algorithms after the initial scheduling and after the execution of the tasks with simulated external load in the resources / Doutorado / Sistemas de Computação / Doutor em Ciência da Computação

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-10-26T09:48:39Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Caio Soares de Araújo - 2014.pdf: 1793471 bytes, checksum: 4a336fd03b4e7f3964731aed0679439b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-10-26T09:53:07Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Caio Soares de Araújo - 2014.pdf: 1793471 bytes, checksum: 4a336fd03b4e7f3964731aed0679439b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-26T09:53:07Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Caio Soares de Araújo - 2014.pdf: 1793471 bytes, checksum: 4a336fd03b4e7f3964731aed0679439b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2014-10-30 / In this work are presented and evaluated sequencing rules and heuristic methods for production scheduling in permutation flow shop systems with setup times independent of the sequence of execution of tasks. The release dates of the tasks were also considered, seeking simulate a reality closer to a production environment in an organization where tasks usually arrive dynamically and not simultaneously. In the first part of this study, were defined and implemented computationally eight rules (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8), based on recognized rules SPT (Shortest Processing Time) and LPT (Longest Processing Time), adapted to this problem. The second stage of this study consisted of the creation of four heuristics (H1, H2, H3 and H4), based on the best rules, and comparative analysis of the performance of all the methods proposed solution, similar to the assessment rules priority, including the results of the optimal solution obtained by the method of complete enumeration. After computational implementation, the H1, H2 and H3 heuristics performed well, with satisfactory results near optimal solution. / Neste estudo são apresentadas e avaliadas regras de sequenciamento e métodos heurísticos para programação da produção em sistemas flow shop permutacional com tempos de setup independentes da sequência de execução das tarefas. Foram consideradas também as datas de liberação das tarefas, para simular uma realidade mais próxima de um ambiente de produção numa organização em que as tarefas geralmente chegam de forma dinâmica e não simultaneamente. Na primeira parte deste trabalho, foram definidas e implementadas computacionalmente oito regras (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 e R8), fundamentadas nas reconhecidas regras SPT (Shortest Processing Time) e LPT (Longest Processing Time), adaptadas a este problema. A segunda etapa deste estudo constituiu-se da criação de quatro heurísticas (H1, H2, H3 e H4), baseadas nas melhores regras, e análise comparativa do desempenho de todos os métodos de solução propostos, nos moldes da avaliação feita para as Regras de Prioridade, incluindo os resultados da solução ótima obtida por meio do método de enumeração completa. Após a implementação computacional, as heurísticas H1, H2 e H3 apresentaram um desempenho eficiente, com resultados satisfatórios próximos a solução ótima.

Os processos industriais de produção exigem uma programação da produção efetiva. Essa atividade consiste da alocação dos recursos produtivos, a fim de executar tarefas determinadas por um período de tempo definido. Programar a produção é uma das atividades mais complexas do Planejamento da Produção, pois existem diferentes tipos de recursos a serem administrados simultaneamente. E também a quantidade de possíveis soluções aumenta exponencialmente com o aumento da quantidade de tarefas e máquinas presentes no sistema. A proposta deste trabalho é apresentar um método heurístico construtivo para a solução de problemas flow shop permutacional. A função-objetivo utilizada é a minimização do tempo total da programação (makespan). O algoritmo foi desenvolvido com base no melhor algoritmo construtivo presente na literatura, e os resultados obtidos são discutidos e analisados com base na porcentagem de sucesso, desvio relativo médio e tempo médio de computação. / Industrial productive processes demand an effective production scheduling. These activities consist in allocating the productive resources in order to execute determined jobs for a established period of time. Scheduling the production is one of the most complex activities involved in Planning the Production because there are different kinds of resources to be managed simultaneously. Furthermore, the amounts of feasible solutions increase exponentially as the number of jobs and machines in large systems. This dissertation presents a constructive heuristic method to solve the permutational flow shop problem. The evaluation criterion is the total production elapsed time (makespan). The developed algorithm was based on the best algorithm found in the literature, the results are analysed based on the success rate, mean relative deviation and computing time.