Resumo: Neste trabalho, otimiza-se o funcionamento de uma fábrica desidratadora de forragens localizada na Espanha. Esta possui processos seqüenciados, secagem, produção de fardos de feno e produção de grãos, que para serem realizados consomem quantidades distintas de energia. Estabelecem-se então, os períodos de produção para cada processo, juntamente com a quantidade em toneladas a serem produzidas, sabendo que na Espanha a energia elétrica possui vinte e quatro preços, um para cada hora do dia. É proposto um modelo para a função objetivo, utilizando dados históricos de produção (Ton), consumo (kWh) e tempo (h), que retratará o funcionamento da empresa. Este modelo é obtido por meio de regressão linear múltipla e é implementado utilizando o software Lingo. Os resultados dessa implementação fornecerão as horas totais diárias que cada processo deverá ser realizado, juntamente com a quantidade de toneladas de pacotes de feno e grãos, e o custo diário da energia elétrica para realizar a produção. / Abstract: In this work, optimize of the functioning of a plant that dehydrates fodder plants located in Spain. This possess sequenced processes, drying, production of hay packs and production of grains, which to be carried through consumes distinct amounts of energy. Then, the periods of production for each process are established, together with the amount in tons to be produced, knowing that in Spain the electric energy possess twenty and four prices, one for each hour of the day. It is considered a model for the objective function, by using given historical data of production (Ton), consumption (kWh) and time (h), that the functioning of the company will portray. This model is gotten by means of multiple linear regression and is implemented using software Lingo. The results of this implementation will supply the daily total hours that each process will have to be carried through, with the amount of tons of packages of hay and grains , and the daily cost of the electric energy to carry through the production. / Orientador: Francisco Villarreal Alvarado / Coorientador: Antonio Padilha Feltrin / Banca: Evaristo Bianchini Sobrinho / Banca: José Carlos de Melo Vieira Júnior / Mestre

Neste trabalho, modela-se a ocorrência de contaminação de um aquífero hipotético por derramamento de substância tóxica e analisa-se a solução de descontaminação baseada na retirada do contaminante através de bombeamento feito por poços de extração. O projeto do sistema de remediação envolve a escolha do número de poços a serem instalados, suas localizações e vazões de modo a maximizar a quantidade de poluente extraída e ao mesmo tempo minimizar o custo total do sistema. A busca da solução ótima é feita de forma automática, através de um sistema paralelo de otimização por simulação numérica, composto por três subsistemas: (a) simulador numérico - resolve numericamente o modelo matemático do aquífero contaminado; (b) otimizador automático - implementa o método dos algoritmos genéticos para busca das localizações e vazões ótimas dos poços de extração; (c)sistema computacional distribuído - gerencia a distribuição e a execução paralela das simulações numéricas. Foram feitos experimentos em vários ambientes computacionais: homogêneo, heterogêneo, em grande escala, usando máquinas não dedicadas, interligadas por rede local e ambiente de grade, e seus resultados demonstram a aplicabilidade da metodologia. / In this dissertation, a hypothetical aquifer that has been contaminated by the dumping of toxic substances is modeled. The remediation strategy considered is based on withdrawal, which requires the removal of contaminated groundwater from the aquifer by pumping. The design of such a system involves the choice of the number of extracting wells to be installed, their locations and pumping rates,with the goal of maximizing the amount of contaminant extracted, while minimizing the cost of the system. To find the optimal solution, a numerical simulation optimization parallel system is used, which is composed by three subsystems: (a) numerical simulator - numerically solves the mathematical model ofthe contaminated aquifer; (b) optimizer - implements the genetic algorithm method to search for optimal locations and pumping rates for the extracting wells; (c)distributed computing system - manages the distribuition and parallel execution of the numerical simulations. Experiments were done in many different computational environments: homogeneous, heterogeneous, in large scale, using non dedicated computers, connected via local network, and computational grids, and their results demonstrate the methodologys applicability.

Orientador: Messias Borges Silva / Coorientador: Aneirson Francisco da Silva / Coorientadora: Marcela Aparecida Guerreiro Machado / Banca: Fernando Augusto Silva Marins / Banca: Antonio Fernando Branco Costa / Banca: Fabrício Maciel Gomes / Banca: Lívia Melo Carneiro / Resumo: O objetivo deste trabalho foi a aplicação de técnicas de otimização envolvendo múltiplas respostas em problemas da área ambiental, mais especificamente no tratamento de efluentes fenólicos. O efluente é oriundo da Brasquip Ambiental, que é uma empresa de engenharia e prestação de serviços. A otimização foi realizada pelos métodos GRG, Desirability, Simulação Monte Carlo Estocástica. Neste trabalho o efluente foi degradado por meio de processos alternativos; os Processos Oxidativos Avançados. No estudo desenvolvido, as variáveis respostas utilizadas foram: % remoção de Carbono Orgânico Total, Demanda Química de Oxigênio e Fenóis Totais. A função Compromisse Programming foi aplicada como um método de aglutinação, sendo também, comparada com os resultados obtidos pelos métodos Desirabilty. As variáveis de decisão, ou variáveis entrada, obtidas na Simulação Monte Carlo Estocástico, nos métodos Desirability e GRG foram validados experimentalmente. Logo, as remoções obtidas para o Arranjo Ortogonal de Taguchi e do Método de Superfície de Resposta (MSR) foram significativas para as variáveis respostas obtidas, mas a remoção de fenóis totais foi a mais significativa. No estudo estocástico, os valores experimentais obtidos do Taguchi e do MSR também apresentaram-se relevantes para a mineralização do efluente fenólico. Os resultados obtidos experimentalmente da Simulação Monte Carlo Estocástica apresentaram próximos dos obtidos pelo software, sendo que o algoritmo utilizado foi o Optqu... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The objective of this work was the application of multiple optimization techniques involving responses from environmental problems, specifically in the treatment of phenolic wastewater. The effluent comes from the Environmental Brasquip, which is an engineering company and services. The optimization was performed by the methods GRG, Desirability, Monte Carlo Simulation Stochastic. In this work the effluent was degraded by alternative processes; the Advanced Oxidation Processes. In the study, the variables used responses were:% removal of Total Organic Carbon, Chemical Oxygen Demand and Total Phenols. The Compromisse Programming function has been applied as an agglutination method, also being compared with the results obtained by Desirabilty methods. The decision variables, or variables input obtained in Monte Carlo simulation Stochastic in Desirability methods and GRG were validated experimentally. So removals obtained for Orthogonal Arrangement Taguchi and Response Surface Method (RSM) were significant to the variable responses obtained, but the removal of total phenols was the most significant. In stochastic study, the experimental values and the Taguchi MSR also showed themselves relevant for the mineralization of the phenolic effluent. The experimental results of Monte Carlo Simulation of Stochastic presented near obtained by software, whereas the algorithm used was OptQuest. The CP function showed significant values for degradation of effluent, and for this work to Monte... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Maria do Socorro Nogueira Rangel / Banca: Robinson Samuel Vieira Hoto / Banca: Silvio Alexandre Araujo / Resumo: Neste trabalho, estudamos o problema de corte de estoque bidimensional aplicado ao corte da matéria-prima de uma fábrica de móveis. Este problema NP-difícil aparece em diversos outros processos industriais que incluem o corte de objetos retangulares grandes em itens retangulares menores que estão sendo requisitados. Analisamos a eficiência de alguns modelos lineares inteiros para problemas de corte guilhotinados bidimensionais propostos na literatura. Além disto, apresentamos resultados computacionais para o problema de corte de estoque de uma fábrica de móveis de pequeno porte, localizada no noroeste do estado de São Paulo. O estudo computacional realizado mostrou que as estratégias propostas fornecem resultados aceitáveis pela fábrica. / Abstract: In this work we study the two-dimensional cutting stock problem applied to the cutting of raw material in the furniture industry. This NP-hard problem appears in several other industrial processes that include cutting rectangular objects in smaller retangular items that are being requested. We analyze the efficiency of some integer linear models for two-dimensional guillotine cutting problem proposed in the literature. We also present computational results for the cutting stock problem of a small furniture factory, located in the northwest of the state of São Paulo. The computational results show that the proposed strategies give results accepted by the factory. / Mestre

Orientador: Maria do Socorro Nogueira Rangel / Banca: Robinson Hoto / Banca. Trajano Pires da Nóbrega Neto / Resumo: Diariamente, em indústrias de móveis, painéis retângulares de madeira são cortados em retângulos menores para a manufatura de seus produtos. Por causa da possível perda de material envolvida neste processo e de sua influência no custo dos produtos, existe a necessidade de um planejamento prþevio para a realização dos cortes. Na maioria das empresas de móveis situadas na região Noroeste do estado de São Paulo, este planejamento é feito manualmente e não é uma tarefa simples. O enfoque deste trabalho þe analisar a utilização de um sistema computacional no planejamento do corte de painéis de madeira. Esta ferramenta é capaz de resolver o problema do corte bidimensional segundo o algoritmo de dois estþagios de Gilmory e Gomore. Aspectos práticos encontrados no corte dos painéis e estratégias adotadas pelas empresas no planejamento da produção são abordados. Além disso, apresentamos os resultados de um estudo computacional com base em dados reais de uma das empresas visitadas. / Abstract: In the furniture industries, the cut of rectangular plates to produce smaller rectangular pieces is an every day task. To reduce the waste of material involved in this process and its influence in the cost of the products, a previous planning for the cuts is necessary. In the majority of the furniture companies situated at Northwest region of the state of São Paulo, the generation of cutting patterns is made manually and it is not a simple task. The goal of this work is to analyze the use of a computational system in the cutting patterns generation. This computational system is able to solve the two-dimensional cutting stock problem by the 2-stage Gilmory and Gomore method. Practical aspects found in the cutting patterns generation and strategies adopted for the companies in the production planning are discussed. We also report some results of the application of the computacional system to the cutting patterns generation based on real data of one company. / Mestre

O presente trabalho desenvolve um modelo de apoio à tomada de decisão de atividades de scheduling em um sistema de dutos sequenciais, com uma origem e vários destinos. Esse modelo foi inserido em uma ferramenta computacional que possibilita a realização de estudos de caso em um duto real denominado OSBRA, que a partir da maior refinaria brasileira, a REPLAN, abastece cinco órgãos localizados em quatro unidades da federação diferentes. O sistema proposto baseia seu método na execução iterativa de um modelo de programação linear inteira mista, com o horizonte de tempo sendo deslocado com o intuito de se atingir uma programação para um período de no mínimo um mês. São consideradas no modelo as principais características operacionais do OSBRA, como variação da vazão em função da entrada ou saída de sangrias de recebimento, sempre respeitando os limites de vazão tanto dos trechos de dutos quanto das sangrias. Outras características do sistema real contempladas no modelo são o recebimento por parte das bases intermediárias exclusivamente por sangria, ou seja, apenas uma parte da batelada é recebida evitando, desta forma, a parada dos trechos de duto a jusante; variação diária de demanda e utilização de bateladas selo para evitar a contaminação entre produtos adjacentes. Dezoito cenários do sistema OSBRA, com diferentes características sazonais, foram submetidos ao modelo, que obteve soluções de grande qualidade, atingindo-se um nível de serviço satisfatório na grande maioria dos cenários. / This thesis presents a model to support decision making of scheduling activities in a sequential pipeline system, composed by one refinery source and multiple destinations. This model is inserted into a system and used to develop a case study in the real world pipeline system called OSBRA that links the largest refinery in Brazil, REPLAN, to five terminals located in four different states. The proposed system relies its method in the iterative execution of a model of mixed integer linear programming, with the time horizon being moved in order to achieve a schedule for a period of at least one month. The main operational features and restrictions of OSBRA are considered in this model, as the flow variation due to the entry or exit of bleeding receiving, always within the limits of both the flow sections of pipelines as of bleeding. Others features of the real system contemplated in the model are the receiving by the intermediate bases exclusively by bleeding, meaning that only part of the batch is received thus, avoiding downstream stretches from the pipeline to stop, daily variance in the demand and the use of stamp batches to prevent contamination between adjacent derivatives. Eighteen scenarios of OSBRA’s system were submitted to the model and high quality solutions were obtained, reaching a satisfactory level of service in most scenarios.

Este trabalho propõe desenvolver um projeto de controle de um sistema de geração de vapor composto por múltiplas caldeiras que contemple a otimização do consumo de combustível do sistema. Para atingir este objetivo, deve-se combinar um controle regulatório eficiente de uma caldeira e um mecanismo divisor de carga eficiente para que cada caldeira opere com a confiabilidade normalmente requerida, aliado a um ponto ótimo de consumo de combustível. Esta dissertação apresenta: a modelagem dinâmica de uma caldeira aquatubular industrial; a implementação computacional do modelo dinâmico de uma caldeira aquatubular em Matlab; o projeto de controle de uma caldeira aquatubular no sistema de automação 800xA envolvendo a definição de estratégias de controle, a comunicação do sistema de automação com o modelo da planta no Matlab, uma avaliação sobre algumas técnicas de sintonia, bem como a sua simulação dinâmica e resultados; o problema de otimização para minimização do consumo de total de combustível de um sistema de geração de vapor com múltiplas caldeiras, bem como a avaliação de sua resolução com modelagem por uma abordagem de Programação Linear Inteira Mista; e o projeto de controle de um sistema com múltiplas caldeiras, envolvendo também a simulação dinâmica. Com base nos experimentos simulados considerou-se que a estratégia de controle proposta neste trabalho tem desempenho satisfatório, principalmente pelo fato de que a inclusão do bloco divisor de carga não acarretou prejuízo na característica de rejeição de perturbações, o que encoraja estudos posteriores com o objetivo de se ter uma utilização prática. / This study proposes to develop a control project for a multiple boilers steam generation system that includes fuel optimization. To achieve that, it must combine an efficient boiler regulatory control and an efficient mechanism for load allocation to each boiler in order to operate with normally required reliability and combined with optimum fuel consumption. This dissertation presents: dynamic modeling of an industrial watertube boiler; computational implementation of the dynamic watertube Boiler model in Matlab, the control design of a watertube Boiler in 800xA automation system involving the definition of control strategies, communication of the 800xA automation system with the plant model in Matlab, an evaluation of some techniques for PID tuning including dynamic simulation results, the optimization problem to minimize the total fuel consumption of a multiple boilers steam generation system, as well as the assessment of their resolution with Mixed Integer Linear Programming modeling approach, and control design of a multiple boilers system, also involving dynamic simulation. Based on simulated experiments it was found that the control strategy proposed in this work has satisfactory performance, mainly because of the inclusion of the divider block load did not affect the rejection of disturbances characteristic, which encourages further studies with objective of practical use.

A busca por ideias, modelos e paradigmas computacionais biologicamente inspirados e plausíveis sempre atraiu o interesse de cientistas da computação, especialmente na área de Computação Natural. Além disso, o conceito de otimização pode ser abstraído de vários processos naturais como, por exemplo, na evolução das espécies, no comportamento de grupos sociais, na dinâmica do sistema imunológico, nas estratégias de busca por alimento e nas relações ecológicas entre populações de animais. Com o melhor de nosso conhecimento, os ecossistemas naturais e seus conceitos ainda não foram explorados computacionalmente no contexto de otimização de funções e, portanto, eles são abordados nesta tese. Este trabalho destaca as principais propriedades de ecossistemas naturais que podem ser importantes para a construção de ferramentas computacionais para resolver problemas complexos de otimização. Também, a modelagem computacional para tais funcionalidades são introduzidas. A principal discussão apresentada nesta tese refere-se ao uso cooperativo de populações de soluções candidatas, co-evoluindo em um contexto ecossistêmico. Com esta analogia, cada população comportar-se de acordo com uma estratégia de busca específica que é empregada na evolução das soluções candidatas. Além da possibilidade de utilizar diferentes estratégias de busca cooperativamente, esta analogia abre a possibilidade de inserção de conceitos ecológicos no processo de otimização, permitindo o desenvolvimento de novos sistemas de otimização biologicamente inspirados e plausíveis. O potencial de alguns conceitos ecológicos é apresentado em um algoritmo canônico ecologicamente inspirado, chamado ECO (Ecological-inspired Optimiaztion algorithm). Alguns algoritmos baseados em população são utilizados para compor a abordagem proposta. Os problemas resolvidos nesta tese são várias funções contínuas de benckmark com um número alto de dimensões ($D = 200$) e o problema de predição de estrutura de proteínas para o modelo 2D AB. Além disso, o uso de dinâmica populacional para auto-regular o tamanho das populações; o uso de modelos heterogêneos com diferentes estratégias de busca; e o uso de agrupamento hierárquico para ajustar dinamicamente a formação de habitats e probabilisticamente definir as topologias de comunicação são alguns estudos de caso investigados. Os resultados obtidos se mostraram promissores considerando a aplicação do ecossistema computacional. Finalmente, conclusões e várias ideias para pesquisas futuras são apresentadas. / The search for plausible biologically inspired ideas, models and computational paradigms always drew the interest of computer scientists, particularly those from the Natural Computing area. Also, the concept of optimization can be abstracted from several natural processes, for instance, in the evolution of species, in the behavior of social groups, in the dynamics of the immune system, in the food search strategies and in the ecological relationships of different animal populations. To the best of our knowledge, ecosystems and their concepts have not been explored computationally in the context of function optimization and, therefore, they are addressed in this thesis. This work highlights the main properties of ecosystems that can be important for building computational tools to solve complex problems. Also, it is introduced the computational modelling for such biologically plausible functionalities (e.g., habitats, ecological relationships, ecological succession, and another). The main discussion presented in this work relates to the cooperative use of populations of candidate solutions, coevolving in an ecological context. With this ecology-based analogy, each population can behave according to a specific search strategy, employed in the evolution of candidate solutions. In addition to the possibility of using different optimization strategies cooperatively, this analogy opens the possibility of inserting ecological concepts in the optimization process, thus allowing the development of new bio-plausible hybrid systems. The potentiality of some ecological concepts is also presented in a canonical Ecology-inspired Algorithm for Optimization, named ECO. Some population-based algorithms are used to compose the ecology-based approach. The problems solved in this thesis are several continuous benchmark functions with a high number of dimensions ($D = 200$), and the protein structure prediction problem for the 2D AB model. Also, the use of population dynamics to self-regulate the size of populations during ecological successions; the use of heterogeneous models embedding different search strategies into the system; and the use of hierarchical clustering to dynamically adjust the habitats formation and probabilistically define the habitats communication are some case studies investigated. Results were promising concerning the application of the proposed computational ecosystem for optimization. Finally, concluding remarks and several ideas for future research are presented.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Métodos de otimização que utilizam condições de otimalidade de primeira e/ou segunda ordem são conhecidos por serem eficientes. Comumente, esses métodos iterativos são desenvolvidos e analisados à luz da análise matemática do espaço euclidiano n-dimensional, cuja natureza é de caráter local. Consequentemente, esses métodos levam a algoritmos iterativos que executam apenas as buscas locais. Assim, a aplicação de tais algoritmos para o cálculo de minimizadores globais de uma função não linear,especialmente não-convexas e multimodais, depende fortemente da localização dos pontos de partida. O método de Otimização Global Topográfico é um algoritmo de agrupamento, que utiliza uma abordagem baseada em conceitos elementares da teoria dos grafos, a fim de gerar bons pontos de partida para os métodos de busca local, a partir de pontos distribuídos de modo uniforme no interior da região viável. Este trabalho tem dois objetivos. O primeiro é realizar uma nova abordagem sobre método de Otimização Global Topográfica, onde, pela primeira vez, seus fundamentos são formalmente descritos e suas propriedades básicas são matematicamente comprovadas. Neste contexto, propõe-se uma fórmula semi-empírica para calcular o parâmetro chave deste algoritmo de agrupamento, e, usando um método robusto e eficiente de direções viáveis por pontos-interiores, estendemos o uso do método de Otimização Global Topográfica a problemas com restrições de desigualdade. O segundo objetivo é a aplicação deste método para a análise de estabilidade de fase em misturas termodinâmicas,o qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. A solução deste problema de otimização global é necessária para o cálculo do equilíbrio de fases, que é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Além disso, afim de ter uma avaliação inicial do potencial dessa técnica, primeiro vamos resolver 70 problemas testes, e então comparar o desempenho do método proposto aqui com o solver MIDACO, um poderoso software recentemente introduzido no campo da otimização global. / Optimization methods that use optimality conditions of first and/or second order are known to be efficient. Commonly, such iterative methods are developed and analyzed in the light of knowledge concerning the mathematical analysis in n-dimensional Euclidean spaces, whose nature is of local character. Consequently, these methods lead to iterative algorithms that perform only local searches. Thus, the application of such algorithms to the calculation of global minimizers of a non-linear function, especially non-convex and multimodal, depends strongly on the location of the starting points. The Topographical Global Optimization method is a clustering algorithm, which uses an ingenious approach based on elementary concepts of graph theory, in order to generate good starting points for local search methods, from points distributed uniformly in the interior of the feasible set. The purpose of this work is two-fold. The first is a revisit to the Topographical Global Optimization method, where, for the first time, its foundations are formally described and its basic properties are mathematically proven. In this context, we propose a semi-empirical formula for computing the key parameter of this clustering algorithm, and, using a robustand efficient direction interior-point method, we extend the use of the Topographical Global Optimization method to problems with inequality constraints. The second objective is the application of this method to the phase stability analysis of mixtures, a difficult and important global optimization problem of the chemical engineering thermodynamics. Furthermore, in order to have an initial assessment of the power of this technique,first we solve 70 test problems, and then compare the performance of the method considered here with the MIDACO solver, a powerful software recently introduced in the field of global optimization.

O presente trabalho desenvolve um modelo de apoio à tomada de decisão de atividades de scheduling em um sistema de dutos sequenciais, com uma origem e vários destinos. Esse modelo foi inserido em uma ferramenta computacional que possibilita a realização de estudos de caso em um duto real denominado OSBRA, que a partir da maior refinaria brasileira, a REPLAN, abastece cinco órgãos localizados em quatro unidades da federação diferentes. O sistema proposto baseia seu método na execução iterativa de um modelo de programação linear inteira mista, com o horizonte de tempo sendo deslocado com o intuito de se atingir uma programação para um período de no mínimo um mês. São consideradas no modelo as principais características operacionais do OSBRA, como variação da vazão em função da entrada ou saída de sangrias de recebimento, sempre respeitando os limites de vazão tanto dos trechos de dutos quanto das sangrias. Outras características do sistema real contempladas no modelo são o recebimento por parte das bases intermediárias exclusivamente por sangria, ou seja, apenas uma parte da batelada é recebida evitando, desta forma, a parada dos trechos de duto a jusante; variação diária de demanda e utilização de bateladas selo para evitar a contaminação entre produtos adjacentes. Dezoito cenários do sistema OSBRA, com diferentes características sazonais, foram submetidos ao modelo, que obteve soluções de grande qualidade, atingindo-se um nível de serviço satisfatório na grande maioria dos cenários. / This thesis presents a model to support decision making of scheduling activities in a sequential pipeline system, composed by one refinery source and multiple destinations. This model is inserted into a system and used to develop a case study in the real world pipeline system called OSBRA that links the largest refinery in Brazil, REPLAN, to five terminals located in four different states. The proposed system relies its method in the iterative execution of a model of mixed integer linear programming, with the time horizon being moved in order to achieve a schedule for a period of at least one month. The main operational features and restrictions of OSBRA are considered in this model, as the flow variation due to the entry or exit of bleeding receiving, always within the limits of both the flow sections of pipelines as of bleeding. Others features of the real system contemplated in the model are the receiving by the intermediate bases exclusively by bleeding, meaning that only part of the batch is received thus, avoiding downstream stretches from the pipeline to stop, daily variance in the demand and the use of stamp batches to prevent contamination between adjacent derivatives. Eighteen scenarios of OSBRA’s system were submitted to the model and high quality solutions were obtained, reaching a satisfactory level of service in most scenarios.