[pt] O aumento da produção de petróleo brasileiro e o consequente aumento na demanda por transporte marítimo levaram a PETROBRAS a buscar ferramentas para aumentar a eficiência de seu transporte marítimo. Neste sentido, a atividade de programação de navios busca alocar os navios a um conjunto de cargas definido a priori, respeitando as restrições comerciais e operacionais, a fim de transportá-las com o menor custo possível. Com o intuito de auxiliar o programador nesta atividade, esta dissertação propõe um sistema de suporte à decisão (SSD) baseado em otimização para a programação de navios. O SSD proposto foi desenhado especificamente para a atividade de longo curso de navios de petróleo da PETROBRAS, sendo este gerado a partir da adaptação de modelos disponíveis na literatura acadêmica. Os testes comparativos realizados com o protótipo do SSD na atividade de longo curso de navios de petróleo mostraram que a ferramenta tem um significativo potencial de redução de custo. O SSD proposto se apresentou como uma opção viável para auxiliar a programação de navios da companhia na busca pela redução de custos de transporte marítimo. / [en] The increasing production of Brazilian oil and the consequent increase in the demand for shipping, led PETROBRAS to seek tools to increase the efficiency of its shipping. In this sense, the activity of ship scheduling seeks to assign vessels to a set of cargos, respecting business and operational restrictions in order to transport them with the lowest possible cost. To assist the ship scheduling planner in this activity, this dissertation proposes an optimization based decision support system (DSS) for ship scheduling. The proposed DSS was designed specifically for the long-term tanker scheduling activity at PETROBRAS and it was implemented based on models available in the academic literature. The comparative tests using the DSS prototype proposed in this dissertation showed that it has a potential for significant cost reduction. The proposed DSS was considered a viable tool to assist the ship scheduling planners in reducing shipping costs.

[pt] As despesas anuais em saúde para a maioria dos países são crescentes. Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), em 2011 o Brasil gastou aproximadamente 10 porcento do produto interno bruto em saúde. Consequentemente, incrementar a eficiência na prestação de serviços médicos está se tornando cada vez mais importante. Em um hospital as salas de cirurgia representam um dos principais centros de custos e de rendimentos. As salas de cirurgia são um aspecto difícil de gerenciar devido à prioridade das partes envolvidas no processo, nomeadamente, pacientes, cirurgiões, staff, pessoal administrativo, e a escassez de recursos como leitos, salas de cirurgia, equipamentos especiais, etc. A presente dissertação aborda um problema real de programação de salas de cirurgia para pacientes eletivos de um hospital em Lisboa, onde é proposta uma reformulação do modelo de PLI proposto por Marques et al. (2012). Esta reformulação é baseada no problema da mochila, com o objetivo de encontrar soluções mais eficientes em termos computacionais. De acordo com os testes realizados, uma modificação no modelo que quebre sua simetria além de fornecer uma solução mais eficiente computacionalmente, melhora a solução original pois diminui o gap inicial de 782,59 porcento para 2,25 porcento. Também foi proposto um modelo de simulação no que foram criados vários cenários para avaliar a incerteza envolvida, nos quais a duração média das cirurgias foi submetida a valores majorados. Esta simulação pode servir como ferramenta de apoio na tomada de decisões, pois de acordo com o grau de conservadorismo de quem toma as decisões, podem ser estabelecidas políticas de programação das Salas de Cirurgia. / [en] For most countries annual health expenditures are increasing. According to the World Health Organization (WHO), in 2011, Brazil expends about 10 percent of its gross domestic product on health. Hence, improving health care efficiency is becoming increasingly important. Within a hospital, the Operating Rooms represent a major cost and incomes center. Operating Rooms are a difficult aspect to manage because many stakeholders involved in the process, namely, patients, surgeons, staff, hospital manager, and the scarcity of resources like beds, operating rooms, especial equipment, etc. This dissertation deals with a real problem of operating rooms programming for elective patients in a Lisbon hospital. For this problem, we propose a reformulation of the integer programming model proposed by Marques et al. (2012). This reformulation is based on the knapsack problem, in order to find a more efficient solution in terms of time. According to tests carried out, a reformulation in the model that breaks symmetry, computationally provides a more efficient solution and enhance the original solution because it reduces the initial gap from 782.59 percent to 2.25 percent. In addition, a simulation model was proposed to create various scenarios to assess the involved uncertainty, mainly due to surgery duration variation. This simulation can serve as a support tool in decision-making, according to the degree of conservatism of the decision maker, Operating Rooms scheduling policies can be established.

[pt] No Brasil, as três principais fontes renováveis de energia elétrica são eólica, pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) e biomassa. A comercialização da energia proveniente dessas fontes ocorre majoritariamente no ambiente de contratação regulada (ACR), através de leilões, em detrimento do ambiente de contratação livre (ACL). Isso devido ao fato de seus recursos naturais serem sazonais, estabelecendo o risco de preço-quantidade no ACL, em que o excesso ou déficit de energia gerada em relação à quantidade contratada é liquidado ao preço de liquidação de diferenças (PLD), uma variável sistêmica e altamente volátil. Contudo, a complementaridade dessas fontes permite reduzir esses riscos quando a energia é comercializada de forma conjunta, através de um fundo de energia que gera aumento do valor do portfólio com relação à comercialização individual. Esta dissertação utiliza a teoria de jogos cooperativos para analisar formas de repartir o benefício gerado, através da alocação de quotas financeiras. O conjunto de soluções onde o resultado individual das fontes no fundo é maior do que o resultado individual em qualquer subcoalisão define o núcleo do jogo. Assim, a complexidade de encontrar uma solução dentro do núcleo depende do número de subcoalizões, que cresce exponencialmente com o número de jogadores. Nesse contexto, este trabalho se propôs a apresentar: (i) um modelo de portfólio que incentiva a participação de fontes renováveis no ACL; (ii) um modelo de programação linear que busca o núcleo do jogo; (iii) uma metodologia eficiente baseada em decomposição de Benders, capaz de suprimir a questão da explosão combinatória do problema. / [en] In Brazil, the three main sources of renewable energy are wind, small run-of-river hidros (SH) and biomass. The energy sale of such sources occurs mainly in the Regulated Trading Environment (RTE), through auctions, with shy occurrences in the Free Trading Environment (FTE). This is due to the fact that their natural resources are seasonal, establishing the so-called price-quantity risk in the FTE, as the surplus or deficit of energy generated relative to the contracted amount is settled at the market’s spot price, a systemic and highly volatile variable. However, the complementary nature of these sources allows risk reduction if their energy are trade jointly, through an energy hedge pool that increases the value of the portfolio in comparison to individual strategies. This work makes use of cooperative games theory to analyze ways of sharing the generated benefit, through financial quotas allocation. The set of solutions where the individual sources results in the pool are greater than its results at any possible subcoalition defines the core of the game. Thus, the challenge of finding a solution inside the core depends on the number of subcoalitions, which grows exponentially with the number of players. In this context, this work proposes to present: (i) a model of portfolio that encourages the penetration of renewable sources in the FTE; (ii) a linear programming model that pursuits the game’s core; (iii) an efficient methodology based on Benders decomposition that is capable of suppress the problem of combinatorial explosion, typical of cooperative games with many players.

[pt] Problemas de geração de grades horárias visam agendar eventos a fim de satisfazer demandas, ao mesmo tempo que satisfazem restrições adicionais. Uma solução é boa se todas as grades horárias resultantes são aceitáveis para todas as pessoas e recursos envolvidos. Para a geração de grades horárias escolares, um número conhecido de aulas, envolvendo estudantes, professores e salas de aula, deve ser agendado ao longo da semana, enquanto limitações operacionais, institucionais, pedagógicas e pessoais devem ser satisfeitas. A alta dificuldade do problema tem levado muitos pesquisadores a trabalhar em abordagens de resolução para o mesmo desde o início dos anos 60. Encontrar uma solução aplicável em um cenário do mundo real implica em satisfazer vários requisitos de qualidade e em não ignorar questões políticas, o que torna o problema clássico muito mais intrincado. Este trabalho descreve uma abordagem baseada em programação inteira mista (MIP) desenvolvida para resolver um problema real de geração de grades horárias escolares e discute ideias e desafios encarados durante a fase de implantação da solução em algumas escolas brasileiras. Em contraste com outros trabalhos na área, o compartilhamento de professores entre diferentes unidades de uma escola é considerado. Experimentos computacionais foram realizados para cenários cujo número de unidades varia de 2 a 15, o número de professores de 35 a 471, e o número de turmas de 16 a 295. Diferentes estratégias foram combinadas, visando a convergência da procura por boas soluções. Por fim, os resultados são avaliados e as melhores abordagens são destacadas. / [en] Timetabling problems look to schedule meetings in order to satisfy a set of demands, while respecting additional constraints. In a good solution the resulting timetables are acceptable to all people and resources involved. In school timetabling, a given number of lectures, involving students, teachers and classrooms, need to be scheduled over the week, while having to satisfy operational, institutional, pedagogical and personal restrictions. The difficulty of the problem has driven many researchers to work on solving approaches for it since the early 1960 s. Finding an actual solution to a real world scenario implies satisfying many quality requirements and not ignoring the political issues, which turns the classical problem much more intricate. This work describes an approach based on mixed integer programming (MIP) developed for solving a real-world school timetabling problem and discusses ideas and issues faced during solution deployment phase for some Brazilian schools. In contrast to other works on school timetabling, teaching staff sharing between distinct school units are considered. Computational experiments were performed for scenarios whose number of school units varies from 2 to 15, number of teachers varies from 35 to 471 and number of classes varies from 16 to 295. Different strategies were combined aiming at converging to good solutions. Finally, results are evaluated and the best approaches are highlighted.

[pt] As doenças vasculares são enfermidades graves e seus tratamentos são complexos e necessitam de procedimentos cirúrgicos. Para a realização desses procedimentos, são necessários equipamentos, equipes qualificadas e unidade de terapia intensiva (UTI) equipada para o pós-operatório. Hospitais de ensino devem atender à legislação vigente que preconiza um número mínimo de cirurgias para aprovação do residente no programa de formação. Assim, propõe-se, via otimização, encontrar soluções eficientes para o planejamento e programação de cirurgias eletivas que atendam à legislação. Este problema é tratado em 2 níveis. O primeiro é relativo ao planejamento e é chamado de Master Surgical Schedule (MSS) que consiste em definir os recursos necessários para a realização de um conjunto de procedimentos. O segundo se refere à programação e é chamado de Surgical Case Assigment Problem (SCAP) e tem por objetivo alocar o médico a cada cirurgia. Assim, foram propostos dois modelos de programação matemática, um para o MSS e outro para o SCAP. Estes modelos foram aplicados no caso real da alocação de residentes para cirurgias vasculares no Hospital Universitário Pedro Ernesto. Como resultado do modelo MSS, identificou-se a necessidade de mais anestesistas e maior disponibilidade de equipamentos para atender à legislação de formação de residentes. Por fim, como resultado do SCAP, o quantitativo de cirurgias foi distribuído entre os cirurgiões de forma balanceada. / [en] Vascular diseases are serious diseases and their treatments are complex and require surgical procedures. In order to perform these procedures, is required equipment, qualified teams and an intensive care unit (ICU) equipped for the postoperative period. Teaching hospitals must comply with current legislation that recommend a minimum number of surgeries for the resident s approval in the training program. Thus, it is proposed, through optimization, to find efficient solutions for the planning and programming of elective surgeries that comply with the legislation. This problem is dealt with on two levels. The first is relative to planning and is called the Master Surgical Schedule (MSS), which consists of defining the necessary resources to perform a set of procedures. The second one refers to programming and is called Surgical Case Assigment Problem (SCAP) and aims to allocate the doctor to each surgery. Thus, two models of mathematical programming were proposed, one for MSS and another for SCAP. These models were applied in the real case of residents allocation for vascular surgeries at Pedro Ernesto University Hospital. As a result of MSS model were identified the need for more anesthesiologists and greater availability of equipment ensure the cover of resident training legislation. Finally, as a result of SCAP, the quantity of surgeries was distributed equitably distributed among surgeons.

[pt] O Problema de Roteirização de Veículos (Vehicle Routing Problem - VRP) é um problema clássico combinatório bem conhecido. Este trabalho apresenta um novo fator no modelo de otimização matemática de otimização do VRP, considerando restrições que abordam a probabilidade de roubo de cargas nas regiões visitadas, além das restrições tradicionais, tais como o número de veículos, janelas de tempo, a capacidade do veículo e tempo de ciclo dos veículos. O modelo desenvolvido é testado em um estudo de caso real, considerando uma empresa de distribuição de produtos farmacêuticos do Rio de Janeiro. As soluções de rota com e sem risco de roubo de carga são comparadas. O modelo é resolvido usando o software AIMMS, para análises com instância pequenas, e resolvidas executando a Metaheurística Simulated Annealing, para o estudo de caso, onde se utiliza de duas instâncias. / [en] The Vehicle Routing Problem (VRP) is a classic well-known combinatorial problem. This paper introduces a new factor in the VRP mathematical optimization model, considering restrictions that address the probability of cargo theft in the regions visited, beyond the traditional constraints such as the number of vehicles, time windows, the capacity of the vehicle and the vehicle s cycle time. The paper proposes a mixed integer linear model that minimizes total transportation costs and cargo theft costs. The model is tested in a real-life case study, a company that distributes pharmaceutical products in Rio de Janeiro. The route solutions with and without cargo theft risk are compared. The model is solved using AIMMS software for analysis with small instance, and resolved by running the Simulated Annealing Metaheuristic, for the case study, which uses two instances.

[pt] O problema de roteamento de navios com gestão de estoques (conhecido pelo termo em inglês Maritime inventory routing ou MIR) representa um problema prático de logística onde o transportador da carga também é responsável pela manutenção dos estoques do produto transportado nos portos de carga e descarga. Esta tese estuda um caso real do problema MIR. Um conjunto de testes é apresentado de modo a comparar diferentes formulações matemáticas da literatura, a fim de encontrar aquela mais aderente ao problema real. Em função da complexidade computacional do problema, é apresentada uma abordagem heurística que consegue encontrar soluções similares e reduz consideravelmente o tempo computacional quando comparadas com as formulações baseadas em PLIM. No entanto, problemas reais são muito influenciados por aspectos incertos. Sendo assim, é apresentada uma abordagem robusta para a otimização do problema MIR, que considera incerteza no tempo de estadia do navio nos portos. A abordagem apresentada produz soluções para diferentes níveis de robustez. Em outras palavras, considera o risco de variação no tempo de estadia do navio em um porto durante uma operação de carga ou descarga. Assim, é capaz de determinar a probabilidade de inviabilidade da solução encontrada para cada nível de robustez oferecido, além do impacto no custo de transporte à medida que soluções mais robustas são apresentadas. Esta abordagem oferece ao tomador de decisão a medida do trade-off entre robustez e custo de transporte. Desta forma, o mesmo pode determinar qual o nível de conservadorismo irá adotar em sua programação de navios e quanto isto irá impactar o custo de transporte. Os experimentos apresentados identificaram que, aumentos sutís no nível de robustez (com pequeno impacto no custo de transporte) podem reduzir consideravelmente a probabilidade de inviabilidade de uma solução. / [en] Maritime inventory routing (MIR) problem is an academic name for a practical logistic problem that represents the routing or scheduling of vessels to carry product(s) between ports. Meanwhile, the product(s) inventory levels in these ports must remain between operational bounds during the entire planning horizon. This thesis focus on how to support decision on a real-life MIR problem faced by a Brazilian petroleum company. To do so, we structure a set of tests to compare different formulation from literature and identify which is more adherent to real problem. Due to computational complexity of the problem, we present an heuristic approach that provides reasonably good solutions when compared to deterministic mixed integer linear programming (MILP) formulations and reduces considerably the computational time of solving real-life instances. However, uncertainty events have great impact in the ship scheduling planning. Therefore, we propose a robust optimization approach that considers uncertainty in the time spent at ports in each ship visit. Our approach is able to determine the probability of infeasibility and the impact in the objective function for each level of robustness, helping to measure the uncertain aversion of the decision maker. Our experiments identified that, for a certain instance, varying the level of robustness one may reduce the probability of infeasibility from 87 per cent (of deterministic solution) to 2 per cent and it represents an increase in the transportation costs of about 13 per cent.

[pt] Esta tese de doutorado é composta de dois artigos científicos com contribuições na área de Smart Grid. Além disso, a tese também contribui para o desenvolvimento de soluções computacionais eficientes para problemas de programação linear mista e inteira. Outra importante contribuição é o desenvolvimento de método de decomposição benders com segundo estágio inteiro e não convexo aplicado ao problema de Transmission Switching. O primeiro artigo científico mostra os benefícios com o advento de uma rede inteligente e o aumento da capacidade do operador do sistema de energia elétrica em tomar ações corretivas em face de ocorrências de contingências. O artigo também analisa consequências práticas na capacidade de self-healing da rede pós-contingência. Em nosso contexto, uma rede self-healing é uma rede com total flexibilidade para ajustar a geração e as linhas de transmissão antes e depois da ocorrência de alguma contingência. Resultados numéricos mostram significantes reduções no corte de carga para cada contingência e no total. Foi considerado um único período que representa a demanda de pico do sistema, comparou-se o novo método com os utilizados em publicações anteriores. O segundo artigo contribui também para a aplicação da tecnologia de Smart Grid, em particular a teoria de Transmission Switching. De fato, desenvolvemos uma estratégia de solução para lidar com a complexibilidade NP-Hard criada pelas variáveis de transmission switching e unit commitment do problema de otimização. Foi desenvolvida uma solução algorítmica baseada na teoria dos grafos. Estudou-se a estrutura topológica desses problemas. Além disso, a maior contribuição foi o desenvolvimento de um novo método de decomposição de benders aplicado para o problema de transmission switching com o segundo estágio inteiro e não convexo. Para lidar com este problema de não convexidade, foi desenvolvido um método de convexificação sequencial, implícito a decomposição de benders. / [en] This PhD Thesis is composed by two papers with contributions on operations research applied to smart grid theory. The first paper highlights the economic and security benefits of an enhanced system operation with the advent of a smart grid technology by introducing a novel model, which is a joint energy and reserve scheduling that incorporates the network capability to switch transmission lines as a corrective action to enhance the system capability to circumvent contingency events. The main goal is to reduce operating costs and electric power outages, by adjusting the network connectivity when a contingency occurs. In such a framework, results show that, with a limited number of corrective switches, the system operator is able to circumvent a wider range of contingencies, while resulting in lower operational costs and reserve levels. In our context, a grid that is capable to adjust its generation and also its topology through post-contingency line switching is called a self-healing grid, and its importance in network security and operating costs is demonstrated in this work. The graph structure is explored in the algorithmic solution of the post-contingency transmission switching problem. Numerical results demonstrate a significant reduction in total load shedding and operating cost. It has been also illustrated an expressive improvement in terms of security and operating cost, in comparison to the transmission switching models previously published. The second paper is an application of a modified Benders decomposition to the post-contingency transmission switching problem. The decomposition is an attempt to deal with the NP-hard optimization problem created by the transmission switching and unit commitment variables. The major contribution is the application of a new benders decomposition approach to the problem of transmission switching, in which the first and second stages problems are a mixed-integer program. To deal with this issue, it is used a Branch and Bound (B&B) procedure for the first-stage problem and a sequential convexification procedure for the second-stage problem.

[pt] Na indústria do petróleo e gás, uma das atividades de maior importância é a intervenção em poços para serviços de manutenção, a qual é necessária para garantir a produção de petróleo. Estas intervenções são realizadas por sondas workover que são disponibilizadas para atender uma grande quantidade de poços segundo um itinerário. Nesta tese são propostos três modelos de programação linear inteira para abordar eficientemente o problema de intervenção em poços terrestres de petróleo. O primeiro modelo determina o itinerário de um conjunto de sondas homogêneas, visando minimizar a perda total de produção. Este modelo é um aprimoramento do modelo proposto por Costa e Ferreira Filho (2004). O segundo modelo é uma extensão do anterior e considera também o dimensionamento de uma frota de sondas heterogênea, procurando minimizar o custo de perda de produção e o custo de aluguel de sondas. O terceiro modelo é uma abordagem estocástica que estende o segundo modelo e consiste em dimensionar uma frota de sondas considerando o tempo de intervenção incerto. A incerteza do tempo de intervenção é representada mediante a geração de cenários, usando para este fim os métodos de Monte Carlo, Redução de Cenários e Quasi-Monte Carlo. Os testes de estabilidade propostos por Kaut e Wallace (2003) são aplicados para avaliar os métodos de geração de cenários e estabelecer o número de cenários adequados para resolver o problema. Para avaliar o desempenho dos modelos propostos, diversos experimentos computacionais foram realizados em instâncias de pequeno, médio e grande porte. Todas as instâncias são baseadas em casos reais no Brasil. Os resultados mostram que os modelos propostos foram capazes de resolver todas as instâncias utilizadas, inclusive aquelas de grande porte, demonstrando serem eficientes quando comparadas com várias metaheurísticas, pois produzem soluções exatas em um curto tempo computacional. Uma análise do impacto nas soluções quando ocorre uma mudança no preço de petróleo e no horizonte de planejamento também é realizada. A metodologia de resolução empregada no terceiro modelo mostrou que o método Quasi-Monte Carlo proporcionou os melhores cenários para representar a incerteza e também o potencial do modelo para resolver problemas de grande porte. / [en] In the oil and gas industry, one of the most important activities is the intervention in wells for maintenance services, which is necessary to ensure the production of oil. These interventions are performed by workover rigs that are available to serve a large number of wells according to a schedule. In this thesis, we proposed three integer linear programming models to efficiently address the problem of intervention in onshore oil wells. The first model determines the schedule of a set of homogeneous rigs, with the objective of minimizing the total production loss. This model is an improvement of the model proposed by Costa and Ferreira Filho (2004). The second model is an extension of the previous one and also considers the sizing of a heterogeneous rig fleet, with the objective of minimizing the production loss cost and the rig rental cost. The third model is a stochastic approach that extends the second model and consists of sizing a rig fleet considering the uncertainty in the intervention time. The uncertainty in the intervention time is represented by the generation of scenarios, using for this purpose the Monte Carlo, Scenario Reduction, and Quasi-Monte Carlo methods. The stability tests proposed by Kaut and Wallace (2003) are applied to evaluate the scenario generation methods and to establish the number of appropriate scenarios to solve the problem. To evaluate the performance of the proposed models, several computational experiments were performed in small, medium and large instances. All instances are based on real cases in Brazil. The results show that the proposed models were able to solve all of the instances considered, including the large instances, proving to be efficient when compared to various metaheuristics, as they produce exact solutions in small computational time. An analysis of the impact on the solutions when there is a change in the oil price and the planning horizon is also carried out. The resolution methodology employed in the third model showed that the Quasi-Monte Carlo method provided the best scenarios to represent the uncertainty and also the potential of the model to solve large-scale problems.

[pt] O presente trabalho desenvolve um novo modelo para um problema logístico de remanejamento de placas entre pilhas em um Pátio de Placas de uma Laminação, típico da indústria siderúrgica. Esta abordagem inclui uma nova característica que indica o destino das placas remanejadas. Uma nova metodologia de decisão altera sensivelmente o escopo do problema e traz um novo conceito: o balanço entre a escolha ótima das placas e o possível destino das placas remanejadas, ou seja, deve-se pesar a escolha da placa a ser laminada juntamente com a possibilidade de um bom remanejamento das placas que estão acima da mesma. Esse modelo não linear é linearizado por técnicas de linearização e resolvido através de programação linear inteira. Com isso, o estudo apresenta uma redução no tempo médio de manuseio de placas (TMM) de 5 minutos por placa laminada encontrado na literatura existente, para menos de 4 minutos. Finalmente o modelo proposto incentiva a construção de uma ferramenta de gestão que possa resolver o problema SSS em situações práticas do dia-a-dia através de redução de custo de operação como forma de viabilizar o investimento nesta ferramenta. / [en] This work develops a new model for a typical logistic problem in the steel industry known as slab stack shuffling problem inside a Slab Yard of a Rolling Mill. This new approach includes a new feature that indicates the destination stacks of shuffled slabs. A new decision methodology changes significantly thescope of the problem and introduces a new concept: the balance between optimal choice of the rolled slabs and possible destinations for shuffled slabs which means it must weigh the choice of the slab to be rolled engaged with a low cost shuffle operation for the slabs that are above the chosen slab. This nonlinear model is linearized through specific modeling techniques and solved by integer linear programming. Thus, this work shows a reduction in average handling time (TMM) from 5 minutes per rolled slab found in the literature, to less than 4 minutes. Finally, the proposed model encourages the construction of a management tool that can solve the SSS problem in practical daily situations through operating costs reduction as a payback of investment in this tool.