Nesta tese apresentamos duas estratégias para resolver o problema de job-shop flexível com o objetivo de minimizar o makespan. A primeira estratégia utiliza um algoritmo branch and cut (B&C) e a segunda abordagens matheuristics. O algoritmo B&C utiliza novas classes de inequações válidas, originalmente formulada para o problema de job-shop e estendida para o problema em questão. Para que as inequações válidas sejam eficientes, o modelo proposto por Birgin et al, (2014) (A milp model for an extended version of the fexible job shop problem. Optimization Letters, Springer, v. 8, n. 4, 1417-1431), é reformulado (MILP-2). A segunda estratégia utiliza as matheuristcs local branching e diversification, refining and tight-refining. Os experimentos computacionais mostraram que a inclusão dos planos de corte melhoram a relaxação do modelo MILP-2 e a qualidade das soluções. O algoritmo B&C reduziu o gap e o número de nós explorados para uma grande quantidade de instâncias. As abordagens matheuristics tiveram um excelente desempenho. Do total de 59 instâncias analisadas, somente em 3 problemas a resolução do modelo MILP-1 obteve melhores resultados do que as abordagens matheuristcs / This thesis proposes two approaches to solve the flexible job-shop scheduling problem to minimize the makespan. The first strategy uses a branch and cut algorithm (B&C) and the second approach is based on matheuristics. The B&C algorithm uses new classes of valid inequalities, originally formulated for job-shop scheduling problems and extended to the problem at hand. The second approach uses the matheuristics local branching and diversification, refining and tight-refining. For all valid inequalities to be effective, the precedence variable based model proposed by Birgin et al, (2014) (A milp model for an extended version of the fexible job shop problem. Optimization Letters, Springer, v. 8, n. 4, 1417-1431), is reformulated (MILP-2). The computational experiments showed that the inclusion of cutting planes tightened the linear programming relaxations and improved the quality of solutions. B&C algorithm reduced the gap value and the number of nodes explored in a large number of instances. The matheuristics approaches had an excellent performance. From 59 instances analized, MILP-1-Gurobi showed better results than matheuristics approaches in only 3 problems

Nesta tese apresentamos duas estratégias para resolver o problema de job-shop flexível com o objetivo de minimizar o makespan. A primeira estratégia utiliza um algoritmo branch and cut (B&C) e a segunda abordagens matheuristics. O algoritmo B&C utiliza novas classes de inequações válidas, originalmente formulada para o problema de job-shop e estendida para o problema em questão. Para que as inequações válidas sejam eficientes, o modelo proposto por Birgin et al, (2014) (A milp model for an extended version of the fexible job shop problem. Optimization Letters, Springer, v. 8, n. 4, 1417-1431), é reformulado (MILP-2). A segunda estratégia utiliza as matheuristcs local branching e diversification, refining and tight-refining. Os experimentos computacionais mostraram que a inclusão dos planos de corte melhoram a relaxação do modelo MILP-2 e a qualidade das soluções. O algoritmo B&C reduziu o gap e o número de nós explorados para uma grande quantidade de instâncias. As abordagens matheuristics tiveram um excelente desempenho. Do total de 59 instâncias analisadas, somente em 3 problemas a resolução do modelo MILP-1 obteve melhores resultados do que as abordagens matheuristcs / This thesis proposes two approaches to solve the flexible job-shop scheduling problem to minimize the makespan. The first strategy uses a branch and cut algorithm (B&C) and the second approach is based on matheuristics. The B&C algorithm uses new classes of valid inequalities, originally formulated for job-shop scheduling problems and extended to the problem at hand. The second approach uses the matheuristics local branching and diversification, refining and tight-refining. For all valid inequalities to be effective, the precedence variable based model proposed by Birgin et al, (2014) (A milp model for an extended version of the fexible job shop problem. Optimization Letters, Springer, v. 8, n. 4, 1417-1431), is reformulated (MILP-2). The computational experiments showed that the inclusion of cutting planes tightened the linear programming relaxations and improved the quality of solutions. B&C algorithm reduced the gap value and the number of nodes explored in a large number of instances. The matheuristics approaches had an excellent performance. From 59 instances analized, MILP-1-Gurobi showed better results than matheuristics approaches in only 3 problems

O ambiente de produção abordado neste trabalho é o Job Shop Flexível (JSF), uma generalização do Job Shop (JS). O problema de programação de tarefas, ou jobs, no ambiente JS é classificado por Garey; Johnson e Sethi (1976) como NP-Difícil e o JSF é, no mínimo, tão difícil quanto o JS. O JSF é composto por um conjunto de jobs, cada qual constituído por operações. Cada operação deve ser processada individualmente, sem interrupção, em uma única máquina de um subconjunto de máquinas habilitadas. O principal critério de desempenho considerado é a minimização dos atrasos dos jobs. São apresentados modelos de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) para minimizar o atraso total e o instante de término da última operação, o makespan. São propostas novas regras de prioridade dos jobs, além de adaptações de regras da literatura. Tais regras são utilizadas por heurísticas construtivas e são aliadas a estratégias cujo objetivo é explorar características específicas do JSF. Visando aprimorar as soluções inicialmente obtidas, são propostas buscas locais e outros mecanismos de melhoria utilizados no desenvolvimento de três meta-heurísticas de diferentes categorias. Essas meta-heurísticas são: Iterated Local Search (ILS), classificada como meta-heurística de trajetória; Greedy Randomized Adaptive Search (GRASP), meta-heurística construtiva; e Artificial Bee Colony (ABC), meta-heurística populacional recentemente proposta. Esses métodos foram selecionados por alcançarem bons resultados para diversos problemas de otimização da literatura. São realizados experimentos computacionais com 600 instâncias do JSF, permitindo comparações entre os métodos de resolução. Os resultados mostram que explorar as características do problema permite que uma das regras de prioridade propostas supere a melhor regra da literatura em 81% das instâncias. As meta-heurísticas ILS, GRASP e ABC chegam a conseguir mais de 31% de melhoria sobre as soluções iniciais e a obter atrasos, em média, somente 2,24% superiores aos das soluções ótimas. Também são propostas modificações nas meta-heurísticas que permitem obter melhorias ainda mais expressivas sem aumento do tempo de execução. Adicionalmente é estudada uma versão do JSF com operações de Montagem e Desmontagem (JSFMD) e os experimentos realizados com um conjunto de 150 instâncias também indicam o bom desempenho dos métodos desenvolvidos. / The production environment addressed herein is the Flexible Job Shop (FJS), a generalization of the Job Shop (JS). In the JS environment, the jobs scheduling problem is classified by Garey; Johnson and Sethi (1976) as NP-Hard and the FJS is at least as difficult as the JS. FJS is composed of a set of jobs, each consisting of operations. Each operation must be processed individually, without interruption, in a single machine of a subset of enabled machines. The main performance criterion is minimizing the jobs tardiness. Mixed Integer Linear Programming (MILP) models are presented. These models minimize the total tardiness and the completion time of the last operation, makespan. New priority rules of jobs are proposed, as well as adaptations of rules from the literature. These rules are used by constructive heuristics and are combined with strategies aimed at exploiting specific characteristics of FSJ. In order to improve the solutions initially obtained, local searches and other improvement mechanisms are proposed and used in the development of metaheuristics of three different categories. These metaheuristics are: Iterated Local Search (ILS), classified as trajectory metaheuristic; Greedy Randomized Adaptive Search (GRASP), constructive metaheuristic, and Artificial Bee Colony (ABC), recently proposed population metaheuristic. These methods were selected owing to their good results for various optimization problems in the literature. Computational experiments using 600 FJS instances are carried out to allow comparisons between the resolution methods. The results show that exploiting the characteristics of the problem allows one of the proposed priority rules to exceed the best literature rule in about 81% of instances. Metaheuristics ILS, GRASP and ABC achieve more than 31% improvement over the initial solutions and obtain an average tardiness only 2.24% higher than the optimal solutions. Modifications in metaheuristics are proposed to obtain even more significant improvements without increased execution time. Additionally, a version called Disassembly and Assembly FSJ (DAFJS) is studied and the experiments performed with a set of 150 instances also indicate good performance of the methods developed.

O ambiente de produção abordado neste trabalho é o Job Shop Flexível (JSF), uma generalização do Job Shop (JS). O problema de programação de tarefas, ou jobs, no ambiente JS é classificado por Garey; Johnson e Sethi (1976) como NP-Difícil e o JSF é, no mínimo, tão difícil quanto o JS. O JSF é composto por um conjunto de jobs, cada qual constituído por operações. Cada operação deve ser processada individualmente, sem interrupção, em uma única máquina de um subconjunto de máquinas habilitadas. O principal critério de desempenho considerado é a minimização dos atrasos dos jobs. São apresentados modelos de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) para minimizar o atraso total e o instante de término da última operação, o makespan. São propostas novas regras de prioridade dos jobs, além de adaptações de regras da literatura. Tais regras são utilizadas por heurísticas construtivas e são aliadas a estratégias cujo objetivo é explorar características específicas do JSF. Visando aprimorar as soluções inicialmente obtidas, são propostas buscas locais e outros mecanismos de melhoria utilizados no desenvolvimento de três meta-heurísticas de diferentes categorias. Essas meta-heurísticas são: Iterated Local Search (ILS), classificada como meta-heurística de trajetória; Greedy Randomized Adaptive Search (GRASP), meta-heurística construtiva; e Artificial Bee Colony (ABC), meta-heurística populacional recentemente proposta. Esses métodos foram selecionados por alcançarem bons resultados para diversos problemas de otimização da literatura. São realizados experimentos computacionais com 600 instâncias do JSF, permitindo comparações entre os métodos de resolução. Os resultados mostram que explorar as características do problema permite que uma das regras de prioridade propostas supere a melhor regra da literatura em 81% das instâncias. As meta-heurísticas ILS, GRASP e ABC chegam a conseguir mais de 31% de melhoria sobre as soluções iniciais e a obter atrasos, em média, somente 2,24% superiores aos das soluções ótimas. Também são propostas modificações nas meta-heurísticas que permitem obter melhorias ainda mais expressivas sem aumento do tempo de execução. Adicionalmente é estudada uma versão do JSF com operações de Montagem e Desmontagem (JSFMD) e os experimentos realizados com um conjunto de 150 instâncias também indicam o bom desempenho dos métodos desenvolvidos. / The production environment addressed herein is the Flexible Job Shop (FJS), a generalization of the Job Shop (JS). In the JS environment, the jobs scheduling problem is classified by Garey; Johnson and Sethi (1976) as NP-Hard and the FJS is at least as difficult as the JS. FJS is composed of a set of jobs, each consisting of operations. Each operation must be processed individually, without interruption, in a single machine of a subset of enabled machines. The main performance criterion is minimizing the jobs tardiness. Mixed Integer Linear Programming (MILP) models are presented. These models minimize the total tardiness and the completion time of the last operation, makespan. New priority rules of jobs are proposed, as well as adaptations of rules from the literature. These rules are used by constructive heuristics and are combined with strategies aimed at exploiting specific characteristics of FSJ. In order to improve the solutions initially obtained, local searches and other improvement mechanisms are proposed and used in the development of metaheuristics of three different categories. These metaheuristics are: Iterated Local Search (ILS), classified as trajectory metaheuristic; Greedy Randomized Adaptive Search (GRASP), constructive metaheuristic, and Artificial Bee Colony (ABC), recently proposed population metaheuristic. These methods were selected owing to their good results for various optimization problems in the literature. Computational experiments using 600 FJS instances are carried out to allow comparisons between the resolution methods. The results show that exploiting the characteristics of the problem allows one of the proposed priority rules to exceed the best literature rule in about 81% of instances. Metaheuristics ILS, GRASP and ABC achieve more than 31% improvement over the initial solutions and obtain an average tardiness only 2.24% higher than the optimal solutions. Modifications in metaheuristics are proposed to obtain even more significant improvements without increased execution time. Additionally, a version called Disassembly and Assembly FSJ (DAFJS) is studied and the experiments performed with a set of 150 instances also indicate good performance of the methods developed.