Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Submitted by Eliane Vendramini De Oliveira (eliane@fai.com.br) on 2018-07-13T03:04:17Z No. of bitstreams: 1 Tese - versão pós defesa - 120718 (2).pdf: 24296114 bytes, checksum: b4e157585cf2618ae6be232afa8e33e6 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-07-13T18:36:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveira_ev_dr_ilha.pdf: 24296114 bytes, checksum: b4e157585cf2618ae6be232afa8e33e6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-13T18:36:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveira_ev_dr_ilha.pdf: 24296114 bytes, checksum: b4e157585cf2618ae6be232afa8e33e6 (MD5) Previous issue date: 2018-05-25 / O Problema de Corte Bidimensional não guilhotinado tem sua aplicação prática quando comparado a problemas de indústrias que trabalham com aço, madeira, vidro, entre outros materiais, os quais necessitam de um padrão de corte que lhes proporcione maior lucro entre as peças cortadas, usando-se como técnica de corte o laser, e não a guilhotina, por isso existem diversas propostas para a resolução desse problema. Em particular, as propostas de solução utilizando-se meta-heurísticas foram o foco desta pesquisa. Vários trabalhos relevantes nessa área foram analisados, servindo de base para que esta tese trouxesse contribuições para a resolução do problema. A pesquisa sobre o problema permitiu que se apresentasse uma nova forma de representação da proposta de solução para o problema de corte bidimensional não guilhotinado. Outro resultado importante que se apresenta neste trabalho foi o desenvolvimento de duas meta-heurísticas especializadas na resolução do problema de corte bidimensional não guilhotinado. A primeira delas é o algoritmo genético de chaves aleatórias viciadas, e a segunda meta-heurística implementada foi RVNS. Foram realizados vários testes, utilizando-se instâncias conhecidas na literatura especializada, e os resultados encontrados pelas metaheurísticas algoritmo genético e RVNS propostas pela autora foram de boa qualidade, principalmente se comparados com os resultados já conhecidos na literatura. Os resultados obtidos com o algoritmo genético especializado, em muitos casos, foram iguais aos encontrados na literatura, e em dois casos de testes apresentaram-se superiores, contribuindo novamente para a área especializada no problema. Outro comparativo de resultados realizados pela autora está relacionado aos resultados obtidos pelas meta-heurísticas especialistas, propostas nesta tese, aos resultados encontrados utilizando-se o software AMPL para modelagem matemática em conjunto com o solver CPLEX. Nesse caso, novamente as meta-heurísticas algoritmo genético e RVNS apresentaram resultados iguais ou muito próximos do ótimo encontrado pelo modelo matemático. Os algoritmos desenvolvidos pela autora, além de resolverem o problema de corte bidimensional não guilhotinado, apresentaram bons resultados, visto que promoveram melhorias em relação ao que já existe na literatura. Os algoritmos foram escritos na linguagem de programação Fortran. Foram utilizados casos de teste de pequeno, médio e grande número de peças. Concluiu-se que o problema de corte bidimensional não guilhotinado é complexo e apresenta diversas variantes, sendo que as meta-heurísticas implementadas, neste trabalho, atendem a essa demanda com eficiência. Evidências empíricas mostram que esses algoritmos podem ser apropriados para solucionar instâncias associadas a situações reais. / The two-dimensional non-guillotine cutting problem has its practical application when compared to problems in industries that work with steel, wood, glass, among other materials, which require a cut pattern that provides more profit among the cut pieces, using laser as a cut technique, not the guillotine. Thus, there are several potential answers for this question. In particular, the potential solutions using metaheuristics were the focus of this research. Several relevant papers in this area were analyzed, forming a base so that this dissertation can bring solutions for the problem. The research about this issue allowed us to present a new form of representation of the proposal of solution for the two-dimensional non-guillotine problem. Another important result presented in this paper is the development of two metaheuristics specialized in the resolution of the two-dimensional non-guillotine problem. The first is the biased random-key genetic algorithm. The second metaheuristics was the RVNS. Several tests were performed, using methods well-known in the specialized literature, and the results found by the metaheuristics genetic algorithm and the RVNS suggested by the author were of good quality, mainly if compared to the results already known in the literature. The results obtained by the specialized genetic algorithm, in many cases, were equal to the ones found in the literature, and, in two tests, they were superior, once more contributing to the specialized field of the problem. Another comparison between the results performed by the author is related to the outcomes obtained by the specialized metaheuristics, suggested in this dissertation, and the ones found using the AMPL software to the mathematical modeling together with the CPLEX solver. In this case, once more, the genetic algorithm and RVNS metaheuristics presented resulted identical or very similar to the optimum one found by the mathematical model. The algorithms developed by the author not just solved the two-dimensional non-guillotine cutting problem, but present good results, given that they promoted improvements, comparing to what already exists in the literature. The algorithms were written in the Fortran programming language. Small, medium and big number of pieces’ case-tests were performed. The conclusion was that the two-dimensional non-guillotine cutting problem is complex and presents several variants. However, the metaheuristics implemented by this research efficiently meet this demand. Empirical evidences show that these algorithms can be used to solve issues associated with real situations.

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Resumo: O Problema de Corte Bidimensional não guilhotinado tem sua aplicação prática quando comparado a problemas de indústrias que trabalham com aço, madeira, vidro, entre outros materiais, os quais necessitam de um padrão de corte que lhes proporcione maior lucro entre as peças cortadas, usando-se como técnica de corte o laser, e não a guilhotina, por isso existem diversas propostas para a resolução desse problema. Em particular, as propostas de solução utilizando-se meta-heurísticas foram o foco desta pesquisa. Vários trabalhos relevantes nessa área foram analisados, servindo de base para que esta tese trouxesse contribuições para a resolução do problema. A pesquisa sobre o problema permitiu que se apresentasse uma nova forma de representação da proposta de solução para o problema de corte bidimensional não guilhotinado. Outro resultado importante que se apresenta neste trabalho foi o desenvolvimento de duas meta-heurísticas especializadas na resolução do problema de corte bidimensional não guilhotinado. A primeira delas é o algoritmo genético de chaves aleatórias viciadas, e a segunda meta-heurística implementada foi RVNS. Foram realizados vários testes, utilizando-se instâncias conhecidas na literatura especializada, e os resultados encontrados pelas metaheurísticas algoritmo genético e RVNS propostas pela autora foram de boa qualidade, principalmente se comparados com os resultados já conhecidos na literatura. Os resultados obtidos com o algoritmo genético especializado, em mui... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The two-dimensional non-guillotine cutting problem has its practical application when compared to problems in industries that work with steel, wood, glass, among other materials, which require a cut pattern that provides more profit among the cut pieces, using laser as a cut technique, not the guillotine. Thus, there are several potential answers for this question. In particular, the potential solutions using metaheuristics were the focus of this research. Several relevant papers in this area were analyzed, forming a base so that this dissertation can bring solutions for the problem. The research about this issue allowed us to present a new form of representation of the proposal of solution for the two-dimensional non-guillotine problem. Another important result presented in this paper is the development of two metaheuristics specialized in the resolution of the two-dimensional non-guillotine problem. The first is the biased random-key genetic algorithm. The second metaheuristics was the RVNS. Several tests were performed, using methods well-known in the specialized literature, and the results found by the metaheuristics genetic algorithm and the RVNS suggested by the author were of good quality, mainly if compared to the results already known in the literature. The results obtained by the specialized genetic algorithm, in many cases, were equal to the ones found in the literature, and, in two tests, they were superior, once more contributing to the specialized field of the p... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Em diversas indústrias de manufatura (por exemplo, papeleira, moveleira, metalúrgica, têxtil) as decisões do dimensionamento de lotes interagem com outras decisões do planejamento e programação da produção, tais como, a distribuição, o processo de corte, entre outros. Porém, usualmente, essas decisões são tratadas de forma isolada, reduzindo o espaço de soluções e a interdependência entre as decisões, elevando assim os custos totais. Nesta tese, estudamos o processo produtivo de indústrias de móveis de pequeno porte, que consiste em cortar placas grandes disponíveis em estoque para obter diversos tipos de peças que são processadas posteriormente em outros estágios e equipamentos com capacidades limitadas para, finalmente, comporem os produtos demandados. Os problemas de dimensionamento de lotes e corte de estoque são acoplados em um modelo de otimização linear inteiro cujo objetivo é minimizar os custos de produção, estoque de produtos, preparação de máquinas e perda de matéria-prima. Esse modelo mostra o compromisso existente entre antecipar ou não a fabricação de certos produtos aumentando os custos de estoque, mas reduzindo a perda de matéria-prima ao obter melhores combinações entre as peças. O impacto da incerteza da demanda (composta pela carteira de pedidos e mais uma quantidade extra estimada) foi amortizado pela estratégia de horizonte de planejamento rolante e por variáveis de decisão que representam uma produção extra para a demanda esperada no melhor momento, visando a minimização dos custos totais. Dois métodos heurísticos são desenvolvidos para resolver uma simplificação do modelo matemático proposto, o qual possui um alto grau de complexidade. Os experimentos computacionais realizados com exemplares gerados a partir de dados reais coletados em uma indústria de móveis de pequeno porte, uma análise dos resultados, as conclusões e perspectivas para este trabalho são apresentados / In the many manufacturing industries (e.g., paper industry, furniture, steel, textile), lot-sizing decisions generally arise together with other decisions of planning production, such as distribution, cutting, scheduling and others. However, usually, these decisions are dealt with separately, which reduce the solution space and break dependence on decisions, increasing the total costs. In this thesis, we study the production process that arises in small scale furniture industries, which consists basically of cutting large plates available in stock into several thicknesses to obtain different types of pieces required to manufacture lots of ordered products. The cutting and drilling machines are possibly bottlenecks and their capacities have to be taken into account. The lot-sizing and cutting stock problems are coupled with each other in a large scale linear integer optimization model, whose objective function consists in minimizing different costs simultaneously, production, inventory, raw material waste and setup costs. The proposed model captures the tradeoff between making inventory and reducing losses. The impact of the uncertainty of the demand, which is composed with ordered and forecasting products) was smoothed down by a rolling horizon strategy and by new decision variables that represent extra production to meet forecasting demands at the best moment, aiming at total cost minimization. Two heuristic methods are proposed to solve relaxation of the mathematical model. Randomly generated instances based on real world life data were used for the computational experiments for empirical analyses of the model and the proposed solution methods

Nesta tese é abordado o problema da mochila compartimentada e o problema de corte de estoque unidimensional acoplado ao problema dimensionamento de lotes. Para o problema da mochila compartimentada é apresentada a versão unidimensional e proposta a versão bidimensional, denominados como problema da mochila compartimentada unidimensional e problema da mochila compartimentada bidimensional, respectivamente. Para o problema de corte de estoque acoplado ao dimensionamento de lotes são apresentadas três variações: uma máquina para produzir um tipo de objeto; uma máquina para produzir vários tipos de objetos; múltiplas máquinas para produzir vários tipos de objetos. Algumas formulações matemáticas de programação inteira e inteira-mista, decomposições dos problemas em problema mestre e subproblemas e heurísticas baseadas no método geração de colunas são propostas para os problemas da mochila compartimenta e o problema acoplado. Em específico, para o problema acoplado são aplicadas decomposições Dantzig-Wolfe, que podem ser por período, por máquina ou por período e máquina. Além disso, uma heurística baseada em grafo E/OU é proposta para o problema da mochila compartimentada bidimensional / In this thesis we present the constrained compartmentalized knapsack problem and the one dimensional cutting stock problem integrated with the capacitated lot sizing problem. For the constrained compartmentalized knapsack problem, the one dimensional version is presented and the two dimensional version is proposed, called one-dimensional compartmentalized knapsack problem and two-dimensional compartmentalized knapsack problem, respectively. For the cutting stock problem integrated with the capacitated lot sizing problem three variations are considered: one machine to produce one type of object; one machine to produce multiple types of objects; multiple machines to produce multiple types of objects. Some integer and mixed programming formulations, decompositions of the problems in master problem and subproblems and heuristics based on column generation method are proposed for the compartmentalized knapsack problem and the cutting stock problem integrated with the capacitated lot sizing problem. In particular, the period, the machine, and the period and machine Dantzig- Wolfe decompositions are applied for the integrated problem. Moreover, a heuristic based on the graph AND/OR is proposed for the two-dimensional compartmentalized knapsack problem. Computational results show that these mathematical formulations and methods provide good solutions

O objetivo geral deste estudo é o de trabalhar o problema de corte bidimensional guilhotinado irrestrito e no-estagiado. Para tanto, foram revistas regras e heurísticas a serem utilizadas e foi sugerida uma combinação da regra de simetria com a heurística de geraçgo dos pontos de cortes possíveis. Uma abordagem em grafo-E/OU, com a utilizaçgo de uma estratégia híbrida, que combina as técnicas \"Hill-Climbing\" e \"Depth-First\" para a busca em grafo, foi utilizada para a resolução do problema. Finalmente, foram comparados os resultados obtidos com resultados apresentados na literatura. / The general purpose of this study is to deal with the non-staged unconstrained guilhotined cutting problem. For this, rules and heuristics in use are reviewed and a combination between simmetry rule and possible cutting points generation heuristics in suggested. An AND/OR-graph approach, with used a hibrid strategy that combines Hill-Climbing and Depth-First techniques, in order to serach the graph, was used to solve this problem. Finally, results from this study and results presented in the literature are compared.

Submitted by Lara Oliveira (lara@ufersa.edu.br) on 2018-03-15T21:26:01Z No. of bitstreams: 1 JonathanLS_DISSERT.pdf: 6143092 bytes, checksum: 68ad13bf204320bdcea5907ddb8d2102 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2018-06-18T16:59:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JonathanLS_DISSERT.pdf: 6143092 bytes, checksum: 68ad13bf204320bdcea5907ddb8d2102 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2018-06-18T16:59:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JonathanLS_DISSERT.pdf: 6143092 bytes, checksum: 68ad13bf204320bdcea5907ddb8d2102 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-18T16:59:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JonathanLS_DISSERT.pdf: 6143092 bytes, checksum: 68ad13bf204320bdcea5907ddb8d2102 (MD5) Previous issue date: 2017-08-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / 2018-03-15 / Os problemas de corte de materiais são recorrentes no cotidiano da indústria, sendo encontrados nas mais diferentes formas.Oproblema de corte bidimensional guilhotinado é uma dessas formas. Ele surge pelas restrições da ferramenta de corte, tipicamente a guilhotina. Este trabalho apresenta três abordagens para solucionar o problema em questão: uma abordagem matemática, uma abordagem exata computacional e uma abordagem heurística. A abordagem matemática consiste em um modelo de programação linear baseado em listas de itens e montagem do arranjo de corte partindo dos itens, unindo-os dois a dois, tentando maximizar o número de uniões sem ultrapassar as dimensões da placa. A abordagem exata computacional tratá-se de um algoritmo Branch-and-Bound modificado para permitir que estados mais promissores possam ser analisados antes, comportando-se como um algoritmo de busca em profundidade com uma pequena etapa em largura, na qual ordena os filhos na árvore de decisão pelo desperdício gerado. Por fim, a abordagem heurística é composta das metaheurísticas GRASP, Busca Tabu, Algoritmo Genético, BRKGA e Religação de Caminhos combinados com uma heurística de montagem baseada nos algoritmos propostos por Nascimento, Longo e Aloise (1999). Essas metaheurísticas foram combinadas em um time assíncrono para alcançar melhores resultados que os já encontrados na literatura. Além de melhorar os resultados conhecidos, a pesquisa também tinha como objetivo apresentar um modelo viável, em número de variáveis, e resultados ótimos para instâncias comumente utilizadas para o problema supracitado e novas opções de obtê-los em instâncias que venham a surgir no futuro. Testes mostraram a competividade dos algoritmos propostos frente aos melhores resultados encontrados, reduzindo inclusive o número total de placas, bem como a capacidade dos métodos exatos propostos de encontrar as soluções ótimas para as instâncias testadas. Cerca de de 25% dos resultados ótimos foram encontrados, passando esse número para 75%, quando considerados os resultados dos algoritmos metaheurísticos que atingiram o limite inferior das instâncias

Em diversas indústrias de manufatura (por exemplo, papeleira, moveleira, metalúrgica, têxtil) as decisões do dimensionamento de lotes interagem com outras decisões do planejamento e programação da produção, tais como, a distribuição, o processo de corte, entre outros. Porém, usualmente, essas decisões são tratadas de forma isolada, reduzindo o espaço de soluções e a interdependência entre as decisões, elevando assim os custos totais. Nesta tese, estudamos o processo produtivo de indústrias de móveis de pequeno porte, que consiste em cortar placas grandes disponíveis em estoque para obter diversos tipos de peças que são processadas posteriormente em outros estágios e equipamentos com capacidades limitadas para, finalmente, comporem os produtos demandados. Os problemas de dimensionamento de lotes e corte de estoque são acoplados em um modelo de otimização linear inteiro cujo objetivo é minimizar os custos de produção, estoque de produtos, preparação de máquinas e perda de matéria-prima. Esse modelo mostra o compromisso existente entre antecipar ou não a fabricação de certos produtos aumentando os custos de estoque, mas reduzindo a perda de matéria-prima ao obter melhores combinações entre as peças. O impacto da incerteza da demanda (composta pela carteira de pedidos e mais uma quantidade extra estimada) foi amortizado pela estratégia de horizonte de planejamento rolante e por variáveis de decisão que representam uma produção extra para a demanda esperada no melhor momento, visando a minimização dos custos totais. Dois métodos heurísticos são desenvolvidos para resolver uma simplificação do modelo matemático proposto, o qual possui um alto grau de complexidade. Os experimentos computacionais realizados com exemplares gerados a partir de dados reais coletados em uma indústria de móveis de pequeno porte, uma análise dos resultados, as conclusões e perspectivas para este trabalho são apresentados / In the many manufacturing industries (e.g., paper industry, furniture, steel, textile), lot-sizing decisions generally arise together with other decisions of planning production, such as distribution, cutting, scheduling and others. However, usually, these decisions are dealt with separately, which reduce the solution space and break dependence on decisions, increasing the total costs. In this thesis, we study the production process that arises in small scale furniture industries, which consists basically of cutting large plates available in stock into several thicknesses to obtain different types of pieces required to manufacture lots of ordered products. The cutting and drilling machines are possibly bottlenecks and their capacities have to be taken into account. The lot-sizing and cutting stock problems are coupled with each other in a large scale linear integer optimization model, whose objective function consists in minimizing different costs simultaneously, production, inventory, raw material waste and setup costs. The proposed model captures the tradeoff between making inventory and reducing losses. The impact of the uncertainty of the demand, which is composed with ordered and forecasting products) was smoothed down by a rolling horizon strategy and by new decision variables that represent extra production to meet forecasting demands at the best moment, aiming at total cost minimization. Two heuristic methods are proposed to solve relaxation of the mathematical model. Randomly generated instances based on real world life data were used for the computational experiments for empirical analyses of the model and the proposed solution methods

O objetivo geral deste estudo é o de trabalhar o problema de corte bidimensional guilhotinado irrestrito e no-estagiado. Para tanto, foram revistas regras e heurísticas a serem utilizadas e foi sugerida uma combinação da regra de simetria com a heurística de geraçgo dos pontos de cortes possíveis. Uma abordagem em grafo-E/OU, com a utilizaçgo de uma estratégia híbrida, que combina as técnicas \"Hill-Climbing\" e \"Depth-First\" para a busca em grafo, foi utilizada para a resolução do problema. Finalmente, foram comparados os resultados obtidos com resultados apresentados na literatura. / The general purpose of this study is to deal with the non-staged unconstrained guilhotined cutting problem. For this, rules and heuristics in use are reviewed and a combination between simmetry rule and possible cutting points generation heuristics in suggested. An AND/OR-graph approach, with used a hibrid strategy that combines Hill-Climbing and Depth-First techniques, in order to serach the graph, was used to solve this problem. Finally, results from this study and results presented in the literature are compared.

Nesta tese é abordado o problema da mochila compartimentada e o problema de corte de estoque unidimensional acoplado ao problema dimensionamento de lotes. Para o problema da mochila compartimentada é apresentada a versão unidimensional e proposta a versão bidimensional, denominados como problema da mochila compartimentada unidimensional e problema da mochila compartimentada bidimensional, respectivamente. Para o problema de corte de estoque acoplado ao dimensionamento de lotes são apresentadas três variações: uma máquina para produzir um tipo de objeto; uma máquina para produzir vários tipos de objetos; múltiplas máquinas para produzir vários tipos de objetos. Algumas formulações matemáticas de programação inteira e inteira-mista, decomposições dos problemas em problema mestre e subproblemas e heurísticas baseadas no método geração de colunas são propostas para os problemas da mochila compartimenta e o problema acoplado. Em específico, para o problema acoplado são aplicadas decomposições Dantzig-Wolfe, que podem ser por período, por máquina ou por período e máquina. Além disso, uma heurística baseada em grafo E/OU é proposta para o problema da mochila compartimentada bidimensional / In this thesis we present the constrained compartmentalized knapsack problem and the one dimensional cutting stock problem integrated with the capacitated lot sizing problem. For the constrained compartmentalized knapsack problem, the one dimensional version is presented and the two dimensional version is proposed, called one-dimensional compartmentalized knapsack problem and two-dimensional compartmentalized knapsack problem, respectively. For the cutting stock problem integrated with the capacitated lot sizing problem three variations are considered: one machine to produce one type of object; one machine to produce multiple types of objects; multiple machines to produce multiple types of objects. Some integer and mixed programming formulations, decompositions of the problems in master problem and subproblems and heuristics based on column generation method are proposed for the compartmentalized knapsack problem and the cutting stock problem integrated with the capacitated lot sizing problem. In particular, the period, the machine, and the period and machine Dantzig- Wolfe decompositions are applied for the integrated problem. Moreover, a heuristic based on the graph AND/OR is proposed for the two-dimensional compartmentalized knapsack problem. Computational results show that these mathematical formulations and methods provide good solutions