Neste trabalho, consideramos uma nova parametrização para o problema de empacotar a maior quantidade possível de círculos idênticos uma região elíptica dada. Apresentamos algoritmos com propriedades de convergência global e algumas estratégias heurísticas. Ilustramos com experimentos numéricos extensivos cada uma das estratégias utilizadas / In this work we consider a new parametrization for the problem of packing the maximum number of identical circles within a given elliptical region. We present algorithms with global convergence properties and some heuristic strategies. We illustrate each described strategy with extensive numerical experiments

The two-dimensional irregular cutting and packing problems (aka nesting problems) have been studied over the past six decades and consist in cutting (packing) convex and non-convex small pieces from (in) large boards without overlapping. There are several variants of this problem that are defined according to the board shapes and the objective of each problem. There are a number of heuristics proposed in the literature to solve irregular cutting and packing problems, but only few mixed-integer programming models. Specifically, these models were developed for the irregular strip packing problem, that consists in packing pieces into a single board with fixed width and length to be minimized. For the other problem variants, there is no exact methods presented in the literature. The main difficulty in solving irregular cutting and packing problems is how to handle with the geometric constraints. These constraints depend on the type of placement of the pieces on the board that can be continuous or discrete. In this thesis, we present two mixed-integer programming models for the irregular strip packing problem in which the pieces can be continuously placed on the board. These models do not demand complex structures to be built. We also present a new dot data structure to store the information on the placement of the pieces and overlapping positions bringing flexibility and efficiency to discrete approaches. Using this structure, a matheuristic is proposed, combining the advantages of the models with discrete and continuous placement positions for the pieces on the board. Furthermore, constraint programming models for several variants of irregular cutting and packing problems are exploited. For some variants, these models are the first modelling representation. A new global constraint is developed to eliminate the overlap among pieces. Computational experiments were conducted to evaluate the developed approaches. / Os problemas de corte e empacotamento de peças irregulares bidimensionais vêm sendo estudados há décadas e consistem em cortar (empacotar) peças menores, convexas e não convexas, a partir de (em) placas maiores de forma a não se sobreporem. Existem diversas variantes deste problema, definidas de acordo com o formato da placa e objetivo de cada problema. Na literatura, muitas heurísticas foram propostas para a resolução dos problemas de corte e empacotamento de peças irregulares, porém, poucos modelos de programação inteira mista podem ser encontrados. Especificamente, estes modelos foram desenvolvidos para o problema de empacotamento em faixa, que consiste em empacotar as peças em uma placa de largura fixa e comprimento a ser minimizado. Para as demais variantes do problema, não existem métodos exatos propostos na literatura. A principal dificuldade na resolução dos problemas de corte e empacotamento de peças irregulares está na manipulação das restrições geométricas. Estas restrições dependem do tipo de posicionamento das peças na placa, que pode ser discreto ou contínuo. Nesta tese, apresentamos dois modelos de programação inteira mista para o problema de empacotamento de peças em faixa, no qual cada peça pode ser alocada de forma contínua na placa. Estes modelos não demandam estruturas complexas para serem construídos. Também apresentamos uma nova estrutura de dados para armazenar informações sobre o posicionamento das peças e as posições de sobreposição, trazendo flexibilidade e eficiência para abordagens discretas. Utilizando esta estrutura, uma matheuristica foi proposta, combinando as vantagens dos modelos com alocação discreta e contínua das peças na placa. Além disso, modelos de programação por restrições para diversas variantes dos problemas de corte e empacotamento de peças irregulares foram explorados. Para algumas variantes, estes modelos são a primeira representação via modelagem. Uma nova restrição global foi desenvolvida para eliminar a sobreposição entre as peças. Experimentos computacionais foram realizados para avaliar as abordagens propostas.

Dentro da classe de problemas de corte e empacotamento, existem os problemas de corte de itens irregulares (não-circulares e não-retangulares), os quais visam determinar um arranjo ótimo de objetos irregulares menores (itens), sem sobreposição, dentro de objetos maiores (recipientes) a fim de atender a uma demanda. Possuem grande importância prática, uma vez que surgem em vários tipos de indústrias, como a têxtil, a de móveis e a de calçados, por exemplo. Entre estes problemas, ainda temos o chamado problema de corte de itens irregulares em recipientes, no qual estes últimos são fechados, isto é, possuem dimensões fixas, podendo ser retangulares ou irregulares. Neste caso, o objetivo é arranjar todos os itens de modo a utilizar o menor número possível de recipientes. A estes problemas, uma outra restrição ainda pode ser adicionada: os recipientes podem ter defeitos, isto é, áreas onde não pode ser posicionado qualquer item, e regiões com diferentes níveis de qualidade, chamadas de zonas de qualidades, em que apenas determinados itens podem ser alocados. Neste trabalho, portanto, introduzimos um conjunto de heurísticas construtivas para a resolução do problema de corte de itens irregulares em recipientes irregulares com defeitos e zonas de qualidades. Os experimentos computacionais foram realizados utilizando um conjunto com 15 instâncias adaptadas de outro problema de corte de itens irregulares, uma vez que não encontramos instâncias disponíveis na literatura para o problema abordado neste trabalho. Os resultados mostraram que todos os métodos são capazes de resolver o problema em um tempo computacional considerado baixo, sendo que alguns deles apresentam melhor desempenho que outros. / Within the class of cutting and packing problems, there are some problems known as nesting problems, which aim to determine an optimal arrangement of smaller irregular objects (items), without overlap, inside larger objects (bins) in order to attend a demand. They have practical importance, since they arise in many types of industries, such as textiles, furniture and footwear, for example. Among these problems, we still have the so-called irregular bin packing problem in which the bins are closed, that is, they have fixed dimensions, and may be rectangular or irregular. In this case, the goal is to arrange all items in order to use the least amount of bins. To these problems, another constraint can still be added: the bins may have defects, that is, areas where no item can be placed, and different levels of quality, called quality zones, where only specific items can be allocated. In this work, therefore, we introduce a set of constructive heuristics to solve the irregular bin packing problem in which the bins have defects and quality zones. The computational experiments were carried out using a set of 15 instances adapted from another nesting problem, since we did not find instances available in the literature for the problem addressed in this work. The results showed that all methods can solve the problem in a low computational time, and also that some of them perform better than others.

Este trabalho apresenta um estudo sobre a razão assintótica de pior caso para alguns algoritmos aproximados utilizados para solucionar o problema de Bin Packing unidimensional ( BPP). Este é um problema clássico de otimização combinatória que serve de modelo para uma série de problemas que ocorrem no mundo real. No BPP, dada uma lista com n itens de tamanhos no intervalo (0,

Irregular cutting and packing problems, with convex and non-convex polygons, are found in many industries such as metal mechanics, textiles, of shoe making, the furniture making and others. In this thesis we study the two-dimensional version of these problems, where we want to allocate a set of items, without overlap, inside one or more containers, limited or unlimited, so as to optimize an objective function. In this document we study the knapsack problem, placement problem, strip packing problem, cutting stock problem and bin packing problem. For these problems, the heuristic methods and mathematical programming models are proposed and presented very promising results, surpassing in many cases the best results in the specialized literature. This thesis is organized as follows. In Chapter 1, we present a review of the studied problems, the value proposition for this thesis with the main contributions and ideas. In Chapter 2, we propose a metaheursitic for the strip packing problem with irregular items and circles. Then, in Chapter 3, we present a generic heuristic for the allocation of irregular items that may be weakly or strongly heterogeneous and will be allocated in a container (output maximization problems) or multiple containers (input minimization problems). In Chapter 4, we propose a solution method for the cutting stock problem with deterministic demand and stochastic demand. In Chapters 5 and 6, we present mathematical programming models for the strip packing problem. Finally, in Chapter 7, we present a conclusion and a concise direction for future works. / Os problemas de corte e empacotamento de itens irregulares, polígonos convexos e não convexos, são encontrado em diversas indústrias, tais como a metal-mecânica, a têxtil, a de calçados, a moveleira e outras. Nesta tese estudamos a versão bidimensional destes problemas, na qual desejamos alocar um conjunto de itens, sem sobreposição, no interior de um ou mais recipientes, limitados ou ilimitados, de modo a otimizar uma função objetivo. Neste trabalho estudamos o problema da mochila, o problema do assentamento, o problema empacotamento em faixa, o problema de corte de estoque e o problema de empacotamento de contêineres. Para estes problemas, os métodos heurísticos e modelos de programação matemática propostos e apresentam resultados muito promissores, ultrapassando em muitos casos os melhores resultados da literatura especializada. Esta tese esta organizada da seguinte maneira. No Capítulo 1, apresentamos uma revisão dos problemas estudados, a proposta de valor deste doutorado com as principais contribuições e ideias. No Capítulo 2, propomos uma meta-heurística para o problema de empacotamento em faixa para itens irregulares e círculos. Em seguida, no Capítulo 3 apresentamos uma heurística genérica para a alocação de itens irregulares que podem ser fracamente ou fortemente heterogêneos e serão alocados em um recipiente (problema de maximização de saída) ou de múltiplos recipientes (problemas de minimização de entrada). O Capítulo 4 propõem um método de solução para o problema de corte de estoque com demanda conhecida e demanda estocástica. Nos Capítulos 5 e 6 apresentamos modelos de programação matemática para o problema de corte de itens irregulares em faixa. Finalmente, no Capítulo 7, apresentamos a conclusão e uma sucinta direção para os trabalhos futuros.

Este trabalho trata da proposta de um processo de otimização para o problema do posicionamento rotacional e translacional de formas irregulares em recipientes de dimensões fixas baseado em heurísticas probabilísticas sem o uso de penalização externa. Para tanto, é empregado o polígono de obstrução, acoplado a uma heurística baseada no Recozimento Simulado. O comportamento discreto da função custo em problemas com recipientes de dimensões limitadas foi mitigado através de uma heurística de \"desempate\", que busca diferenciar soluções com valores idênticos através de uma estimativa de quão próxima está uma determinada solução de conseguir encaixar uma forma não-encaixada em seu leiaute. A comparação de resultados deste trabalho com resultados publicados na literatura comprova a validade da abordagem aqui adotada. / This work deals with the proposal of an optimization process for the packing problem with free translations and rotations of irregular shapes on containers with limited dimensions based on probabilistic heuristics without use of extern penalty techniques. For such, the no-fit polygon is used, coupled with an heuristic based on Simulated Annealing. The discrete behavior of the objective function in problems with limited containers is mitigated by a \"tie breaker\" heuristic that sorts solutions with identical values by estimating how close a given solution is of fitting an unplaced shape on its layout. The comparison of these work\'s results with results published on the literature validates the approach here adopted.

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

Os problemas de corte e empacotamento são frequentes em diferentes processos produtivos, por exemplo, na produção de roupas, de calçados, de peças metálicas e de móveis. Seu objetivo mais frequente e a minimização do desperdício de matéria-prima. No entanto, em algumas situações, o problema de determinação do caminho de corte e fundamental para eciência do planejamento da produção. Este problema consiste em determinar a trajetória de corte que minimize, por exemplo, o tempo total de corte de um plano de corte previamente estabelecido. Devido a existência de poucas abordagens para este problema, nosso objetivo e propor modelos matemáticos para resolver o problema de determinação do caminho de corte. Além disso, uma variação do problema que considera a utilização de grafos dinâmicos também é abordada. Os resultados obtidos são comparados com resultados da literatura. / Cutting and packing problems are frequent in dierent productive process, for example, in the garment, shoe, metallic pieces and furniture production. Its most common objective is the minimization of the raw material waste. However, in some situations, the cutting path determination problem is fundamental to the eciency of the production planning. This problem consists in determining the cutting trajectory that minimizes, for example, the total cutting time of a previously established cutting plane. Due to the few existing approaches to this problem, our objective is to propose mathematical models to solve the cutting path determination problem. Furthermore, a variation of the problem that considers the use of dynamic graphs is also adressed. The obtained results are compared with those from the literature.

Este trabalho trata da proposta de um processo de otimização para o problema do posicionamento rotacional e translacional de formas irregulares em recipientes de dimensões fixas baseado em heurísticas probabilísticas sem o uso de penalização externa. Para tanto, é empregado o polígono de obstrução, acoplado a uma heurística baseada no Recozimento Simulado. O comportamento discreto da função custo em problemas com recipientes de dimensões limitadas foi mitigado através de uma heurística de \"desempate\", que busca diferenciar soluções com valores idênticos através de uma estimativa de quão próxima está uma determinada solução de conseguir encaixar uma forma não-encaixada em seu leiaute. A comparação de resultados deste trabalho com resultados publicados na literatura comprova a validade da abordagem aqui adotada. / This work deals with the proposal of an optimization process for the packing problem with free translations and rotations of irregular shapes on containers with limited dimensions based on probabilistic heuristics without use of extern penalty techniques. For such, the no-fit polygon is used, coupled with an heuristic based on Simulated Annealing. The discrete behavior of the objective function in problems with limited containers is mitigated by a \"tie breaker\" heuristic that sorts solutions with identical values by estimating how close a given solution is of fitting an unplaced shape on its layout. The comparison of these work\'s results with results published on the literature validates the approach here adopted.

Dentro da classe de problemas de corte e empacotamento, existem os problemas de corte de itens irregulares (não-circulares e não-retangulares), os quais visam determinar um arranjo ótimo de objetos irregulares menores (itens), sem sobreposição, dentro de objetos maiores (recipientes) a fim de atender a uma demanda. Possuem grande importância prática, uma vez que surgem em vários tipos de indústrias, como a têxtil, a de móveis e a de calçados, por exemplo. Entre estes problemas, ainda temos o chamado problema de corte de itens irregulares em recipientes, no qual estes últimos são fechados, isto é, possuem dimensões fixas, podendo ser retangulares ou irregulares. Neste caso, o objetivo é arranjar todos os itens de modo a utilizar o menor número possível de recipientes. A estes problemas, uma outra restrição ainda pode ser adicionada: os recipientes podem ter defeitos, isto é, áreas onde não pode ser posicionado qualquer item, e regiões com diferentes níveis de qualidade, chamadas de zonas de qualidades, em que apenas determinados itens podem ser alocados. Neste trabalho, portanto, introduzimos um conjunto de heurísticas construtivas para a resolução do problema de corte de itens irregulares em recipientes irregulares com defeitos e zonas de qualidades. Os experimentos computacionais foram realizados utilizando um conjunto com 15 instâncias adaptadas de outro problema de corte de itens irregulares, uma vez que não encontramos instâncias disponíveis na literatura para o problema abordado neste trabalho. Os resultados mostraram que todos os métodos são capazes de resolver o problema em um tempo computacional considerado baixo, sendo que alguns deles apresentam melhor desempenho que outros. / Within the class of cutting and packing problems, there are some problems known as nesting problems, which aim to determine an optimal arrangement of smaller irregular objects (items), without overlap, inside larger objects (bins) in order to attend a demand. They have practical importance, since they arise in many types of industries, such as textiles, furniture and footwear, for example. Among these problems, we still have the so-called irregular bin packing problem in which the bins are closed, that is, they have fixed dimensions, and may be rectangular or irregular. In this case, the goal is to arrange all items in order to use the least amount of bins. To these problems, another constraint can still be added: the bins may have defects, that is, areas where no item can be placed, and different levels of quality, called quality zones, where only specific items can be allocated. In this work, therefore, we introduce a set of constructive heuristics to solve the irregular bin packing problem in which the bins have defects and quality zones. The computational experiments were carried out using a set of 15 instances adapted from another nesting problem, since we did not find instances available in the literature for the problem addressed in this work. The results showed that all methods can solve the problem in a low computational time, and also that some of them perform better than others.