abstract: This research by studies the computational performance of four different mixed integer programming (MIP) formulations for single machine scheduling problems with varying complexity. These formulations are based on (1) start and completion time variables, (2) time index variables, (3) linear ordering variables and (4) assignment and positional date variables. The objective functions that are studied in this paper are total weighted completion time, maximum lateness, number of tardy jobs and total weighted tardiness. Based on the computational results, discussion and recommendations are made on which MIP formulation might work best for these problems. The performances of these formulations very much depend on the objective function, number of jobs and the sum of the processing times of all the jobs. Two sets of inequalities are presented that can be used to improve the performance of the formulation with assignment and positional date variables. Further, this research is extend to single machine bicriteria scheduling problems in which jobs belong to either of two different disjoint sets, each set having its own performance measure. These problems have been referred to as interfering job sets in the scheduling literature and also been called multi-agent scheduling where each agent's objective function is to be minimized. In the first single machine interfering problem (P1), the criteria of minimizing total completion time and number of tardy jobs for the two sets of jobs is studied. A Forward SPT-EDD heuristic is presented that attempts to generate set of non-dominated solutions. The complexity of this specific problem is NP-hard. The computational efficiency of the heuristic is compared against the pseudo-polynomial algorithm proposed by Ng et al. [2006]. In the second single machine interfering job sets problem (P2), the criteria of minimizing total weighted completion time and maximum lateness is studied. This is an established NP-hard problem for which a Forward WSPT-EDD heuristic is presented that attempts to generate set of supported points and the solution quality is compared with MIP formulations. For both of these problems, all jobs are available at time zero and the jobs are not allowed to be preempted. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Industrial Engineering 2012

No description available.

Este trabalho apresenta procedimentos que podem ser utilizados na programação da produção em um ambiente JIT. Esses procedimentos deveriam ser utilizados em sistemas clássicos de programação, onde a utilização do sistema kanban é inviável. O caso estudado se baseia em uma única máquina, com datas de entrega múltiplas e com penalidades distintas de adiantamento e de atraso para cada ordem. O objetivo a ser alcançado é a minimização do custo total. Para isso, é utilizado um procedimento de busca denominado beam search, para gerar as seqüências, e um algoritmo de inserção de ociosidade, para definir os programas. O algoritmo utilizado é uma generalização do algoritmo de GAREY et al. (1988) onde as penalidades são distintas para adiantamento e para atraso. O procedimento e o algoritmo são testados em várias condições sendo comparados com regras de despacho e com a função EXP-ET. Quando a função EXP-ET é utilizada com a possibilidade de inserção de ociosidade, o período de ociosidade ótimo é determinado. Assume-se que a dificuldade de solução do problema é dependente de dois parâmetros clássicos: fator de atraso médio e amplitude relativa das datas de entrega. Testes empíricos comparativos são realizados através de simulação computacional, onde se mede o tempo de solução e o valor alcançado pela função objetivo. Os resultados indicam que o desempenho dos vários procedimentos testados é altamente dependente dos dois parâmetros, mostrando que para a escolha de um procedimento apropriado, deve-se primeiramente conhecer o valor dos parâmetros. São fornecidos os resultados encontrados e os códigos computacionais utilizados no estudo. / This work presents some procedures which can be used in production scheduling problems in JIT environments. These procedures may be used in cases of classical production scheduling where the use of the kanban system is infeasible. The case studied is based on a single machine, with multiple due dates, and distinct earliness and tardiness penalties for each job. The objective function is to minimize total cost. A heuristic search procedure known as beam search is used to construct sequences of jobs, and an idleness insertion algorithm is used to obtain schedules. The algorithm used is a generalization of the GAREY et al. (1988) algorithm, where penalties are distinct for earliness and tardiness. The procedure and algorithm are tested in many conditions involving comparisons with dispatching rules and the EXP-ET function. When EXP-ET function is applied with possibility of idleness insertion, the optimal idleness period is provided. It was assumed that problem hardness is dependent on two classical parameters: average tardiness factor and relative range of due dates. Empirical comparative tests are conducted with computational simulation, where computational solution time and objective function value are evaluated. Results indicate that procedures performance is highly dependent on both parameters, showing that is necessary to know parameters values before choosing an appropriate procedure. The detailed results and computational code used in this study are also provided.

Este trabalho apresenta procedimentos que podem ser utilizados na programação da produção em um ambiente JIT. Esses procedimentos deveriam ser utilizados em sistemas clássicos de programação, onde a utilização do sistema kanban é inviável. O caso estudado se baseia em uma única máquina, com datas de entrega múltiplas e com penalidades distintas de adiantamento e de atraso para cada ordem. O objetivo a ser alcançado é a minimização do custo total. Para isso, é utilizado um procedimento de busca denominado beam search, para gerar as seqüências, e um algoritmo de inserção de ociosidade, para definir os programas. O algoritmo utilizado é uma generalização do algoritmo de GAREY et al. (1988) onde as penalidades são distintas para adiantamento e para atraso. O procedimento e o algoritmo são testados em várias condições sendo comparados com regras de despacho e com a função EXP-ET. Quando a função EXP-ET é utilizada com a possibilidade de inserção de ociosidade, o período de ociosidade ótimo é determinado. Assume-se que a dificuldade de solução do problema é dependente de dois parâmetros clássicos: fator de atraso médio e amplitude relativa das datas de entrega. Testes empíricos comparativos são realizados através de simulação computacional, onde se mede o tempo de solução e o valor alcançado pela função objetivo. Os resultados indicam que o desempenho dos vários procedimentos testados é altamente dependente dos dois parâmetros, mostrando que para a escolha de um procedimento apropriado, deve-se primeiramente conhecer o valor dos parâmetros. São fornecidos os resultados encontrados e os códigos computacionais utilizados no estudo. / This work presents some procedures which can be used in production scheduling problems in JIT environments. These procedures may be used in cases of classical production scheduling where the use of the kanban system is infeasible. The case studied is based on a single machine, with multiple due dates, and distinct earliness and tardiness penalties for each job. The objective function is to minimize total cost. A heuristic search procedure known as beam search is used to construct sequences of jobs, and an idleness insertion algorithm is used to obtain schedules. The algorithm used is a generalization of the GAREY et al. (1988) algorithm, where penalties are distinct for earliness and tardiness. The procedure and algorithm are tested in many conditions involving comparisons with dispatching rules and the EXP-ET function. When EXP-ET function is applied with possibility of idleness insertion, the optimal idleness period is provided. It was assumed that problem hardness is dependent on two classical parameters: average tardiness factor and relative range of due dates. Empirical comparative tests are conducted with computational simulation, where computational solution time and objective function value are evaluated. Results indicate that procedures performance is highly dependent on both parameters, showing that is necessary to know parameters values before choosing an appropriate procedure. The detailed results and computational code used in this study are also provided.

[pt] Este trabalho tem como objetivo propor uma metaheurística Iterated Local Search para minimizar o tempo de término ponderado de jobs em problemas de escalonamento de máquinas idênticas paralelas. O objetivo secundário do trabalho é propor uma solução prática para um problema real da companhia estudada em questão. A motivação para o trabalho consiste em uma aplicação prática na indústria de óleo e gás, onde os navios PLSV realizam operações em poços de forma ordenada e visando a antecipação dos poços de petróleo mais produtivos. As características do problema, tais quais: elegibilidade entre navio e operações, tempos de setup relativos à família de atividades, associações entre operações e poços e setups que dependem da chegada de material se adequam a modelagem baseada em escalonamento de máquinas paralelas idênticas. No trabalho uma introdução à respeito do tema é apresentada, em seguida é feita uma revisão da literatura sobre problemas de máquinas paralelas idênticas, a formulação matemática com a descrição do problema é apresentada, a metodologia contemplando representação da solução, heuristica construtiva, vizinhanças exploradas, busca local e Iterated Local Search é exposta, por fim são apresentados os resultados do método e as conclusões sobre o trabalho. / [en] This work objective is to propose an Iterated Local Search metaheuristic to minimize the weighted completion time of jobs on identical parallel machines scheduling problems. The secondary objective of this work is to propose a practical solution to the real problem of the studied company. The motivation of this work consists on a practical application in the Oil and Gas industry, where the PLSV vessels perform ordered operations in a set of wells aiming to maximize the oil production. The characteristics of the problem such as: eligibility between vessels and operations, setup times related to the family of activities, association between operations and wells and setup times depending on the material arrival fit well the identical parallel machine schedule modelling. In this work, an introduction about the theme is presented, followed by a literature review on identical parallel machine scheduling problems, the mathematical formulation with the problem description is presented, the methodology, including the solution representation, constructive heuristic, neighborhood structures, local search and Iterated Local Search is exposed, at last, the method results and conclusions of the work are summarized.

No description available.

<p>This thesis contains two parts. In the first part, which contains Chapter 2 and Chapter 3, we consider scheduling problems with learning effect and time-dependent processing time on a single machine. In Chapter 2, we investigate the earliness-tardiness objective, as well as the objective without due date assignment consideration. By reducing them to a special linear assignment problem, we solve them in near-linear time. As a consequence, we improve the time complexity for some previous algorithms for scheduling problems with learning effect and/or time-dependent processing time. In Chapter 3, we investigate the total number of tardy jobs objective. By reducing them to a linear assignment problem, we solve them in polynomial time. For some important special cases, where there is only learning effect OR time-dependent processing time, we reduce the time complexity to quadratic time. In the second part, which contains Chapter 4 and Chapter 5, we investigate the bicriteria scheduling problems in a supply chain. We separate the objectives in two parts, where the delivery cost is one of them. We present efficient algorithms to identify all the Pareto-optimal solutions for various scenarios. In Chapter 4, we study the cases without due date assignment; while in Chapter 5 we study the cases with due date assignment consideration.</p>

[pt] A dissertação aborda um problema real de reprogramação de uma frota de embarcações do tipo PLSV (Pipe Laying Support Vessel), responsáveis pelas interligações de poços petrolíferos submarinos. O cronograma de curto prazo dessas embarcações está sujeito à inúmeras incertezas inerentes às operações realizadas, acarretando em ociosidade nas embarcações ou postergações na produção de petróleo, que podem resultar em prejuízo de milhões de reais. Uma metaheurística ILS (Iterated Local Search) é proposta para atender a frequente demanda por reprogramações dos PLSVs. O método é composto de uma fase inicial de viabilização, para tratar potenciais inconsistências nas programações. Na sequência, iterativamente, são realizadas perturbações na solução por meio de movimentos de swap e aplicada uma busca local baseada na vizinhança insert, a fim de fugir de ótimos locais e encontrar soluções que aprimorem o cronograma. Foram feitos experimentos com diferentes parâmetros e critérios do ILS, sendo definidas duas abordagens aplicadas a dez instâncias oriundas de uma programação real de PLSVs. A partir de uma função de avaliação, capaz de medir o impacto operacional na programação, o ILS proporcionou uma melhoria média nos cronogramas acima de 91 por cento, quando comparados aos cronogramas originais. As soluções foram obtidas em um tempo computacional médio de 30 minutos, aderente ao processo da companhia. Em função dos resultados alcançados, o método provou ser uma boa base para uma ferramenta de apoio à decisão para a reprogramação dos PLSVs. / [en] This dissertation addresses a real-life rescheduling problem of a Pipe Laying Support Vessels (PLSVs) fleet, in charge of subsea oil wells interconnections. The short-term schedule of these vessels is subject to uncertainties inherent to its operations, resulting in ships idleness or delays in oil production, which may lead to losses of millions of Brazilian Reais. A method based on the ILS (Iterated Local Search) metaheuristic is proposed to meet the frequent demand of PLSVs rescheduling. The first step of this method aims to find a feasible initial solution from an incoming schedule with potencial inconsistencies. The following steps consists in, iteratively, performing a perturbation on a solution through swap movements and applying a local search based on the insertion neighborhood, in order to escape from local optimal and find better solutions. Extensive preliminary experiments were conducted considering different ILS parameters setups. The two most performing setups were selected and applied to ten instances of a real PLSV schedule. Taking into account an objective function that measures the operational impact on schedules, the ILS provided an average improvement above 91 percent in schedules when compared to the original planning. These solutions were obtained in an average computational time of 30 minutes, which fits in the company process. The obtained results showed that the proposed method might be a basis for a decision support tool for the PLSVs rescheduling problem.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The evolution of computer hardware as well as new applications of mathematical programming techniques, efficiently implemented in many commercial solvers, has given rise to new algorithms called hybrid metaheuristic, which have been applied to solve combinatorial problems. This work presents several approaches which try to deal with the hybridization of local search based metaheuristics with exact algorithms to solve two problems of combinatorial optimization. More specifically, the first problem, capacitated p-median problem, the proposed approach considers heuristic elimination of variable of the original mathematical model, that produce solutions of very good quality in a short amount of time, and a combination with an iterative procedure in which only a certain subset of points is considered. As regards the second problem, unrelated parallel machine scheduling with sequence and machine dependent setup time problem of minimizing makespan, is proposed a mathematical model to search the neighborhood of a solution and identify movement sequences to minimize the objective function. In both cases, mathematical models are solved using a commercial solver. Extensive computational experiments are carried out to demonstrate the good performance of the proposed approaches. / A recente evolução dos computadores como também dos métodos exatos oriundos da programação matemática, muitos destes eficientemente implementados em otimizadores comerciais, propiciou o surgimento de novos algoritmos, denominados metaheurísticas híbridas, que têm sido aplicados para resolução de problemas combinatoriais. Este trabalho apresenta abordagens que hibridizam metaheurísticas baseadas em busca local com algoritmos exatos de programação matemática para resolver dois problemas de otimização combinatória. Mais especificamente, para o primeiro problema, o problema das p-medianas capacitado, a proposta considera a eliminação heurística de variáveis do modelo matemático, que permite a obtenção de soluções de boa qualidade em um curto tempo computacional, e a combinação com um procedimento iterativo no qual apenas um determinado subconjunto de pontos é considerado. No que se refere ao segundo problema, programação de tarefas em máquinas paralelas não relacionadas com tempo de preparação dependente da sequência e da máquina com objetivo de minimizar o tempo de processamento total da máquina com maior carga entre todas (makespan), propõe-se um modelo matemático para varrer a vizinhança de uma solução e identificar sequências de movimentos de tarefas que podem ser aplicadas na respectiva solução de modo a minimizar a função objetivo. Nos dois casos os modelos matemáticos são resolvidos utilizando um otimizador comercial. Extensivos testes computacionais são realizados para demonstrar o bom desempenho das abordagens propostas.

[pt] A programação de máquinas é um processo de tomada de decisão que desempenha um importante papel na maioria das indústrias de manufatura e serviços. Esta dissertação aborda o problema de programação de máquinas paralelas idênticas sem preempção, considerando características da programação de data de liberação e data limite para execução do início das tarefas, restrição de precedência entre pares de tarefas, elegibilidade e disponibilidade de máquinas. Para resolver este problema, uma formulação de programação linear inteira mista é proposta. O novo modelo, chamado de bucket-indexed (BI), particiona o horizonte de planejamento em períodos de tempos de mesmo tamanho (buckets). O tamanho dos buckets é um par âmetro que varia de acordo com a instância e influencia o porte do modelo, podendo assumir valores entre 1 e o menor tempo de processamento das tarefas. Quanto maior o tamanho do bucket, menor é o número de buckets criados e, consequentemente, menor o porte do modelo. A formulação proposta é testada em instâncias reais referentes ao problema de programação de sondas para construção de poços de petróleo de uma indústria brasileira de óleo e gás. A fim de avaliar os resultados obtidos pela formulação BI, a formulação clássica time-indexed (TI) foi também implementada para comparação dos tempos computacionais e qualidade da solução. Os resultados da formulação proposta apontam um melhor desempenho nas instâncias testadas, reduzindo o tempo computacional em todos os casos e resolvendo instâncias de grande porte não resolvidas pela formulação TI. / [en] Machine scheduling is a decision-making process that plays an important role in most manufacturing and service industries. This dissertation tackles a nonpreemptive identical parallel machine scheduling problem, considering release dates, deadlines, precedences, eligibility, and machine availability constraints. To solve this problem, a mixed-integer linear programming formulation is proposed. The new model, called bucketindexed, partitions the planning horizon in periods of equal length (buckets). The bucket size is a parameter which varies according to instances and influences the model size, assuming values between 1 and the shortest processing time of jobs. The larger the bucket size, the smaller is the number of buckets created and, consequently, the smaller the model size. The proposed formulation is tested in real instances of the rig scheduling problem for a Brazilian oil and gas industry. To evaluate the results obtained by the BI formulation, the classical time-indexed (TI) formulation was also implemented for comparison of computational times and solution quality. The results of the proposed formulation highlight a better performance in all the tested instances, reducing computational time in all cases and solving large instances unsolvable by the TI formulation.