This dissertation discusses two independent topics: a resource-constrained shortest-path problem (RCSP) and a literature review on scheduling problems involving sequence-dependent setup (SDS) times (costs). RCSP is often used as a subproblem in column generation because it can be used to solve many practical problems. This dissertation studies RCSP with multiple resource constraints on an acyclic graph, because many applications involve this configuration, especially in column genetation formulations. In particular, this research focuses on a dynamic RCSP since, as a subproblem in column generation, objective function coefficients are updated using new values of dual variables at each iteration. This dissertation proposes a pseudo-polynomial solution method for solving the dynamic RCSP by exploiting the special structure of an acyclic graph with the goal of effectively reoptimizing RCSP in the context of column generation. This method uses a one-time “preliminary” phase to transform RCSP into an unconstrained shortest path problem (SPP) and then solves the resulting SPP after new values of dual variables are used to update objective function coefficients (i.e., reduced costs) at each iteration. Network reduction techniques are considered to remove some nodes and/or arcs permanently in the preliminary phase. Specified techniques are explored to reoptimize when only several coefficients change and for dealing with forbidden and prescribed arcs in the context of a column generation/branch-and-bound approach. As a benchmark method, a label-setting algorithm is also proposed. Computational tests are designed to show the effectiveness of the proposed algorithms and procedures. This dissertation also gives a literature review related to the class of scheduling problems that involve SDS times (costs), an important consideration in many practical applications. It focuses on papers published within the last decade, addressing a variety of machine configurations - single machine, parallel machine, flow shop, and job shop - reviewing both optimizing and heuristic solution methods in each category. Since lot-sizing is so intimately related to scheduling, this dissertation reviews work that integrates these issues in relationship to each configuration. This dissertation provides a perspective of this line of research, gives conclusions, and discusses fertile research opportunities posed by this class of scheduling problems. since, as a subproblem in column generation, objective function coefficients are updated using new values of dual variables at each iteration. This dissertation proposes a pseudo-polynomial solution method for solving the dynamic RCSP by exploiting the special structure of an acyclic graph with the goal of effectively reoptimizing RCSP in the context of column generation. This method uses a one-time

Problemas de sequenciamento são muito comuns, eles existem sempre que há uma escolha sobre a ordem em que várias tarefas podem ser realizadas. Seja o negócio uma companhia aérea, um hotel, um fabricante de computadores ou uma universidade, esses problemas fazem parte do cotidiano. A aplicação das técnicas de sequenciamento permite, por exemplo, a redução dos custos e o aumento na agilidade da cadeia de suprimentos, afetando as operações no inicio e no fim da cadeia de suprimentos pelo mundo inteiro. Este trabalho parte da intenção de abordar os princípios e as técnicas de Scheduling, com a finalidade de propor um modelo de sequenciamento para a solução de um problema em sistemas produtivos do tipo job shop com n tarefas e m máquinas, considerando os tempos de setup dependentes da sequência e tendo como horizonte de planejamento o curto prazo. O objetivo é o de minimizar a perda dos tempos não produtivos. Neste contexto, a pesquisa apresenta um enfoque tanto exploratório, quanto aplicado. Pode ser considerado exploratório, uma vez que a revisão da literatura é referência central para o desenvolvimento do modelo matemático. É aplicado considerando-se o desenvolvimento do modelo e avaliação de sua aplicabilidade. Sendo assim, a partir da definição do problema e desenvolvimento do modelo por meio do uso de técnicas matemáticas e abordagens da pesquisa operacional constatou-se que as conclusões tiradas podem inferir decisões para o problema real. Sendo que, as considerações aqui feitas têm por finalidade relatar os fatos constatados nos experimentos realizados, visando contribuir com futuras pesquisas na área. / Sequencing problems are very common, they happen every time there is a choice regarding the order in which several tasks can be performed. The business can be an airline, a hotel, a computer manufacturer or a university; these issues are part of their routine. The application of the sequencing techniques allows, for example, reducing the costs and fastening the supply chain all over the world. This work has an approach to Scheduling principles and techniques, with the objective of proposing a sequencing model for the solution of a problem in productive systems such as job shop with n tasks and m machines, considering setup times dependent on the sequence and adopting a short term planning. The goal is to minimize the waste of unproductive time. In this context, the research presents an approach both exploratory and applied. It can be considered exploratory, once that the literature review is a main reference to the development of a mathematical model. It is applied when we consider the development of the model and evaluation of its applicability. Thus, from the problem definition and the model development by the use of mathematical techniques and approaches of the operational research, we found that the conclusions drawn from the model might infer decisions for a real problem. The considerations shown here aim to report the facts given in the conducted experiments, intending to contribute to future researches in the area.

Problemas de sequenciamento são muito comuns, eles existem sempre que há uma escolha sobre a ordem em que várias tarefas podem ser realizadas. Seja o negócio uma companhia aérea, um hotel, um fabricante de computadores ou uma universidade, esses problemas fazem parte do cotidiano. A aplicação das técnicas de sequenciamento permite, por exemplo, a redução dos custos e o aumento na agilidade da cadeia de suprimentos, afetando as operações no inicio e no fim da cadeia de suprimentos pelo mundo inteiro. Este trabalho parte da intenção de abordar os princípios e as técnicas de Scheduling, com a finalidade de propor um modelo de sequenciamento para a solução de um problema em sistemas produtivos do tipo job shop com n tarefas e m máquinas, considerando os tempos de setup dependentes da sequência e tendo como horizonte de planejamento o curto prazo. O objetivo é o de minimizar a perda dos tempos não produtivos. Neste contexto, a pesquisa apresenta um enfoque tanto exploratório, quanto aplicado. Pode ser considerado exploratório, uma vez que a revisão da literatura é referência central para o desenvolvimento do modelo matemático. É aplicado considerando-se o desenvolvimento do modelo e avaliação de sua aplicabilidade. Sendo assim, a partir da definição do problema e desenvolvimento do modelo por meio do uso de técnicas matemáticas e abordagens da pesquisa operacional constatou-se que as conclusões tiradas podem inferir decisões para o problema real. Sendo que, as considerações aqui feitas têm por finalidade relatar os fatos constatados nos experimentos realizados, visando contribuir com futuras pesquisas na área. / Sequencing problems are very common, they happen every time there is a choice regarding the order in which several tasks can be performed. The business can be an airline, a hotel, a computer manufacturer or a university; these issues are part of their routine. The application of the sequencing techniques allows, for example, reducing the costs and fastening the supply chain all over the world. This work has an approach to Scheduling principles and techniques, with the objective of proposing a sequencing model for the solution of a problem in productive systems such as job shop with n tasks and m machines, considering setup times dependent on the sequence and adopting a short term planning. The goal is to minimize the waste of unproductive time. In this context, the research presents an approach both exploratory and applied. It can be considered exploratory, once that the literature review is a main reference to the development of a mathematical model. It is applied when we consider the development of the model and evaluation of its applicability. Thus, from the problem definition and the model development by the use of mathematical techniques and approaches of the operational research, we found that the conclusions drawn from the model might infer decisions for a real problem. The considerations shown here aim to report the facts given in the conducted experiments, intending to contribute to future researches in the area.

Wine companies face two important challenges in their supply chain: the international shipping temperatures and their effect on the perceived quality of the wine and the optimization of the bottling schedule. The wine maker takes special care in producing the best quality product, which is then shipped to the importer/distributor or consumer, generally in non-refrigerated containers at the mercy of the prevailing environmental conditions. The contributions of this work is that it is the first to measure, for a significant period of time, the temperatures along the international wine supply chain and to link them to the specific supply chain processes. This is also the first work that analyzes the effect of shipping temperature on the perceived quality of the product by those who make the purchase decision for importers, restaurants and supermarkets. Results indicate that the wine is very likely to have been exposed to extreme temperatures during shipping. For white wines, tasters are able to detect differences in wines which have been exposed to shipping temperatures and show a preference towards them. For red wines, they are unable to detect differences. Our contribution to the second challenge was the development of a model that produces solutions for the wine bottling lot sizing and scheduling problem with sequence dependent setup times, in an adequate time-frame, which can be implemented by large wineries. We have developed a model and algorithm that produces fast, good and robust solutions for the winery lot sizing and scheduling problem with sequence dependent setup times. We implemented an effective decomposition algorithm that uses the structure of the problem, that can be applied to other families of sequence dependent scheduling and lot sizing problem. Results indicate that the model achieves reductions of 30\% in the total plan costs.

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

A teoria de programação da produção preocupa-se em fornecer diretrizes e métodos eficientes para a utilização dos recursos nas atividades produtivas. Este trabalho investiga o problema de programação da produção em ambientes flow shop com máquinas múltiplas e tempos de preparação das máquinas assimétricos e dependentes da seqüência de execução das tarefas. A atividade de programação da produção constitui uma das várias funções executadas pelo planejamento e controle da produção, que tem como objetivo comandar e gerenciar o processo produtivo, e caracteriza uma das atividades mais complexas no gerenciamento dos sistemas produtivos. A programação da produção preocupa-se com a alocação de recursos sobre o tempo para executar um conjunto de tarefas. 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 mesmas. A função-objetivo considerada é a minimização do tempo médio de fluxo. Foram desenvolvidos quatro métodos heurísticos construtivos com base em algoritmos reportados na literatura para solução do problema flow shop permutacional e máquinas paralelas cujo tempo de setup é dependente da seqüência de execução das tarefas. Como não foram encontrados na literatura métodos de solução para o problema investigado neste trabalho, os algoritmos propostos foram comparados entre si. Foi efetuado um estudo da influência da relação entre as ordens de grandeza dos tempos de processamento das tarefas e do setup das máquinas 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. / Scheduling theory attempts to provide guidelines and efficient methods to the use of the resources in the productive activities. This study investigates the hybrid flow shop problem with asymmetric sequence dependent setup times. The activity of production scheduling constitute is one of the several functions carried by production planning and control, which has as the objective command and management the production system, and characterize is one of the tasks most complex in production management. This activity of the scheduling aims within the allocation of the resources for the execution of jobs in a time base. 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 mean flow time. Four constructive heuristic methods were proposed 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 will have compared between themselves, since no constructive heuristics have been found in the literature for the scheduling problem considered in this work. It was carried out 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.

In cellular manufacturing systems, minimization of the completion time has a great impact on the production time, material flow, and productivity. An effective scheduling is crucial to attaining the advantages of cellular manufacturing systems. This dissertation attempts to solve the Flowshop Manufacturing Cell (cellular flowshop) Scheduling Problem with Sequence Dependent Setup Times (FMCSP with SDSTs) considering two performance measures: the total flow time as a mono objective, and the makespan and total flow time combined as a bi-criteria scheduling problem. The proposed problem is known to be the NP-hard problem because of its complexity. Several metaheuristic algorithms based on Genetic Algorithm (GA), Simulated Annealing (SA), and Particle Swarm Optimization (PSO) are developed for scheduling part families as well as jobs within each part family for FMCSP with SDSTs to minimize the total flow time. A local search method based on SA combined with PSO (named as PSO-SA) is proposed to enhance the intensification and improve the quality of the solution obtained by pure PSO. The effectiveness and efficiency of the proposed metaheuristics are evaluated based on the Relative Percentage Deviation (RPD) from its lower bound, and the robustness. Results indicate PSO-SA is performed similar to best available algorithms for small and medium size test problems. Yet, there is a very small deviation from best results for large problems. A Multi-objective Particle Swarm Optimization (MPSO) and a Multi-objective Simulated Annealing (MOSA) Algorithm are further proposed to solve the bi-criteria optimization problem to minimize the total flow time and makespan simultaneously. An improved PSO is combined with Threshold Acceptance (TA) algorithm to improve effectiveness of the proposed MPSO (named as IMPSO-TA) for the convergence of the obtained Pareto Front. The proposed algorithms are evaluated using several Quality Indicators (QI) measures for multiobjective optimization problems. The proposed algorithms can generate approximated Pareto Fronts in a reasonable CPU time. The proposed IMPSO-SA outperforms MOSA algorithm in terms of CPU time and minimizing the objective functions. / October 2015

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

A teoria de programação da produção preocupa-se em fornecer diretrizes e métodos eficientes para a utilização dos recursos nas atividades produtivas. Este trabalho investiga o problema de programação da produção em ambientes flow shop com máquinas múltiplas e tempos de preparação das máquinas assimétricos e dependentes da seqüência de execução das tarefas. A atividade de programação da produção constitui uma das várias funções executadas pelo planejamento e controle da produção, que tem como objetivo comandar e gerenciar o processo produtivo, e caracteriza uma das atividades mais complexas no gerenciamento dos sistemas produtivos. A programação da produção preocupa-se com a alocação de recursos sobre o tempo para executar um conjunto de tarefas. 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 mesmas. A função-objetivo considerada é a minimização do tempo médio de fluxo. Foram desenvolvidos quatro métodos heurísticos construtivos com base em algoritmos reportados na literatura para solução do problema flow shop permutacional e máquinas paralelas cujo tempo de setup é dependente da seqüência de execução das tarefas. Como não foram encontrados na literatura métodos de solução para o problema investigado neste trabalho, os algoritmos propostos foram comparados entre si. Foi efetuado um estudo da influência da relação entre as ordens de grandeza dos tempos de processamento das tarefas e do setup das máquinas 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. / Scheduling theory attempts to provide guidelines and efficient methods to the use of the resources in the productive activities. This study investigates the hybrid flow shop problem with asymmetric sequence dependent setup times. The activity of production scheduling constitute is one of the several functions carried by production planning and control, which has as the objective command and management the production system, and characterize is one of the tasks most complex in production management. This activity of the scheduling aims within the allocation of the resources for the execution of jobs in a time base. 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 mean flow time. Four constructive heuristic methods were proposed 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 will have compared between themselves, since no constructive heuristics have been found in the literature for the scheduling problem considered in this work. It was carried out 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.

IKEA Industry has factories in several locations where one location is in Hultsfred, Småland. IKEA Industry Hultsfred produces IKEA:s wardrobe collection PAX. In 2018, 2.8 million wardrobes were manufactured in Hultsfred. This thesis covers the subject of constructing and developing an optimization model which has the same characteristics as the plinth production at IKEA Industry Hultsfred. This means that the optimization model must consider production sequence; the setup time is different depending on which products that have been produced in the machine earlier. The thesis also covers to investigate how much time that is necessary to produce the plinths to Hultsfred, Portugal, and Germany under different circumstances. This thesis also balances inventory levels and setup time. I.e., how the inventory levels are changed if more emphasis is put into minimizing setup time, and the other way around. The results show that lower inventory levels and setup times are achievable over seven days if the production planning technique is changed.