Pesquisas recentes mostram que abordagens baseadas em sistemas multiagentes (SMA) e mecanismos de mercado como leilões são eficazes para encontrar soluções factíveis para problemas de planejamento em cadeias de suprimento. Esta dissertação aborda a utilização do paradigma de SMA baseado em Leilões Combinatoriais e o uso de estratégias de participação em leilões na resolução do problema de transporte de derivados de petróleo em uma rede multimodal da PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S/A, denominado Problema de Transporte de Derivados de Petróleo Simplificado (PTDPS), que se caracteriza como um problema de planejamento em cadeias de suprimento. Em leilões combinatoriais, a determinação do vencedor é um problema NP-Completo sem algoritmos de aproximação, cujo custo computacional aumenta com o número de ofertas recebidas pelo leiloeiro. Este trabalho tem por objetivo aumentar o escopo de aplicação de leilões combinatoriais em problemas de planejamento pelo uso de uma estratégia heurística de participação em leilões, além de servir como uma ferramenta de apoio à tomada de decisão por especialistas da indústria petrolífera. Os resultados obtidos a partir da aplicação do SMA desenvolvido em uma série de cenários para a estratégia proposta (avaliação da necessidade global) e outras de referência (geral - todos os leilões possíveis - e gulosa – somente um leilão) foram comparados entre si e demonstram que a utilização da estratégia proposta reduz o tempo de processamento em relação à estratégia geral e sem perda da qualidade da solução em comparação com as estratégias geral e gulosa. Outras contribuições deste trabalho são um SMA para realizar o planejamento do transporte de derivados de petróleo tendo como modelo de negociação o mecanismo de leilões combinatoriais e a proposição de um modelo descentralizado onde diversos leilões combinatoriais podem ser executados simultaneamente. / Recent researches have shown that approaches based on multi-agent systems (MAS) and market mechanisms like auctions are efficient on the resolution of planning problems in supply chains. This work uses the combinatorial auction-based MAS paradigm and participation strategies in auctions for solving the problem of transporting oil derivatives of PETROBRAS - Petroleo Brasileiro S/A, called Simplified Problem of Transporting Oil Derivatives (SPTOD), which is characterized as a planning problem in supply chains. In combinatorial auctions, the winner determination is a NP-Complete problem without approximation algorithms, whose computational cost increases with the number of bids received by the auctioneer. In this context, this work aims at enlarging the scope of application of combinatorial-auction mechanisms in planning problems by using a heuristic strategy for participation in auctions, besides serving as a support tool for decision-making process by specialists of industrial oil. The results were drawn from several scenarios where the MAS was used with the proposed strategy (global evaluation of needs) and with other strategies for comparison (general – all possible auctions – and greedy – only one auction). The results show that the use of the proposed strategy reduces the processing time when compared to the general strategy and that the quality of the solution is preserved in comparison with the general and greedy strategies. Other contributions of this work are the development of a MAS to realize the planning of transporting oil derivatives between producing and consuming basis having as negotiation model the combinatorial auction-based mechanism and a proposition of a decentralized model where several combinatorial auctions can be run simultaneously.

Este trabalho utiliza Programação Linear Inteira Mista (PLIM) para propor uma nova abordagem para a atividade de sequenciamento de bateladas em uma rede de dutos real. O modelo proposto está imerso em uma estrutura de otimização que auxilia a tarefa de programação scheduling do transporte de derivados leves, ou derivados claros, de petróleo. A rede de dutos em estudo é composta por 14 nós (ou áreas) sendo 4 refinarias, 2 terminais portuários, 2 clientes finais, 5 terminais de distribuição e um entroncamento de válvulas e bombas, interligados por 30 dutos. Nesta rede trafegam mais de 35 derivados claros de petróleo. O processo de programação das atividades de transferência e estocagem envolve restrições operacionais complexas, sendo um problema combinatorial de otimização de difícil resolução. Devido à complexidade do problema, uma estratégia de decomposição é empregada para a modelagem. Esta estratégia tem por base uma divisão hierárquica nos três elementos chaves do scheduling: Alocação dos Recursos, Sequenciamento das Atividades e Determinação Temporal. No presente trabalho aborda-se o módulo de Sequenciamento das Atividades. Desenvolveu-se um modelo PLIM com abordagem temporal contínua que representa o transporte de derivados claros de petróleo por dutos. Objetiva-se obter a ordem de bombeamento das bateladas nas origens, bem como a sequência de passagem pelos dutos da rede, relevando-se gerenciamentos de inventários. Adicionalmente, no contexto do módulo de Sequenciamento, restrições para evitar a necessidade de reversões de fluxo ou inserção de produtos selo devido às incompatibilidades de produtos são modeladas. Testes são realizados usando cenários reais para um horizonte de tempo de, aproximadamente, 30 dias. São apresentados resultados comparativos com um método heurístico e entre versões derivadas do modelo proposto, a fim de investigar o incremento do custo computacional com a inclusão de novas características de modelagem. Os resultados obtidos sugerem a possibilidade de significativa redução do custo operacional com adequado gerenciamento de inventários. / This work applies Mixed Integer Linear Programming for a new approach to batch sequencing in a real-world pipeline network. The proposed model is immersed in an optimization framework to aid the operational scheduling of light oil derivatives. The considered pipeline network consists of 14 nodes (areas), with 4 refineries, 2 harbors, 2 final clients, 5 distribution terminals, and a node that links valves and pumps, interconnected by 30 pipelines. In this network, 35 light oil derivatives can be transported. The scheduling process involves complex operational constraints for determining transfer and storage activities, being a combinatorial optimization problem difficult to solve. Due to the complexity of the problem, a decomposition approach is applied for modeling purposes. This strategy is based on a hierarchical division in the three key elements of scheduling: Assignment, Sequencing, and Timing. The Sequencing Module is addressed within this work. It is developed a continuous time MILP model that represents the transportation of light oil derivatives through pipelines. The aim is to obtain the pumping sequencing of batches in the sources, as well as the transportation sequences in pipelines, considering the management of inventories. Additionally, within the sequencing module, constraints to avoid flow reversions or insertion of plug products are modeled. Tests are performed using real scenarios for a time horizon of, approximately, 30 days. Comparative results with a heuristic approach and derived versions of the proposed model are presented in order to investigate the computational cost increase with the addition of new modeling features. The obtained results suggest the possibility of significant operational cost reductions with an adequate management of inventories.

Este trabalho utiliza Programação Linear Inteira Mista (PLIM) para propor uma nova abordagem para a atividade de sequenciamento de bateladas em uma rede de dutos real. O modelo proposto está imerso em uma estrutura de otimização que auxilia a tarefa de programação scheduling do transporte de derivados leves, ou derivados claros, de petróleo. A rede de dutos em estudo é composta por 14 nós (ou áreas) sendo 4 refinarias, 2 terminais portuários, 2 clientes finais, 5 terminais de distribuição e um entroncamento de válvulas e bombas, interligados por 30 dutos. Nesta rede trafegam mais de 35 derivados claros de petróleo. O processo de programação das atividades de transferência e estocagem envolve restrições operacionais complexas, sendo um problema combinatorial de otimização de difícil resolução. Devido à complexidade do problema, uma estratégia de decomposição é empregada para a modelagem. Esta estratégia tem por base uma divisão hierárquica nos três elementos chaves do scheduling: Alocação dos Recursos, Sequenciamento das Atividades e Determinação Temporal. No presente trabalho aborda-se o módulo de Sequenciamento das Atividades. Desenvolveu-se um modelo PLIM com abordagem temporal contínua que representa o transporte de derivados claros de petróleo por dutos. Objetiva-se obter a ordem de bombeamento das bateladas nas origens, bem como a sequência de passagem pelos dutos da rede, relevando-se gerenciamentos de inventários. Adicionalmente, no contexto do módulo de Sequenciamento, restrições para evitar a necessidade de reversões de fluxo ou inserção de produtos selo devido às incompatibilidades de produtos são modeladas. Testes são realizados usando cenários reais para um horizonte de tempo de, aproximadamente, 30 dias. São apresentados resultados comparativos com um método heurístico e entre versões derivadas do modelo proposto, a fim de investigar o incremento do custo computacional com a inclusão de novas características de modelagem. Os resultados obtidos sugerem a possibilidade de significativa redução do custo operacional com adequado gerenciamento de inventários. / This work applies Mixed Integer Linear Programming for a new approach to batch sequencing in a real-world pipeline network. The proposed model is immersed in an optimization framework to aid the operational scheduling of light oil derivatives. The considered pipeline network consists of 14 nodes (areas), with 4 refineries, 2 harbors, 2 final clients, 5 distribution terminals, and a node that links valves and pumps, interconnected by 30 pipelines. In this network, 35 light oil derivatives can be transported. The scheduling process involves complex operational constraints for determining transfer and storage activities, being a combinatorial optimization problem difficult to solve. Due to the complexity of the problem, a decomposition approach is applied for modeling purposes. This strategy is based on a hierarchical division in the three key elements of scheduling: Assignment, Sequencing, and Timing. The Sequencing Module is addressed within this work. It is developed a continuous time MILP model that represents the transportation of light oil derivatives through pipelines. The aim is to obtain the pumping sequencing of batches in the sources, as well as the transportation sequences in pipelines, considering the management of inventories. Additionally, within the sequencing module, constraints to avoid flow reversions or insertion of plug products are modeled. Tests are performed using real scenarios for a time horizon of, approximately, 30 days. Comparative results with a heuristic approach and derived versions of the proposed model are presented in order to investigate the computational cost increase with the addition of new modeling features. The obtained results suggest the possibility of significant operational cost reductions with an adequate management of inventories.

CAPES / O segmento downstream da cadeia de suprimentos da indústria brasileira de petróleo é composta por bases de produção (e.g. refinarias), armazenamento (e.g. terminais) e consumo (e.g. mercados consumidores) e modais de transportes (e.g. oleodutos, navios, caminhões e trens). O planejamento da transferência de derivados de petróleo nesta rede multimodal é um problema complexo e atualmente é realizado para um horizonte de três meses com base na experiência de profissionais e sem auxílio de um sistema computacional de apoio à decisão. Basicamente, o problema pode ser visto como uma negociação para alocação de recursos disponíveis (tais como derivados de petróleo, tanques e modais de transporte) pelas diferentes bases envolvidas que necessitam enviar ou receber derivados de petróleo. Na literatura, alguns problemas semelhantes, porém mais voltados para o planejamento de redes formadas por um único tipo de modal de transporte, têm sido tratados por diferentes abordagens, com predominância da programação matemática. Estes trabalhos ilustram a difícil tarefa de modelar grandes problemas por meio desta abordagem. Geralmente, tais trabalhos consideram apenas um curto horizonte de planejamento ou apenas uma parte do problema original, tal como uma parte da rede petrolífera brasileira, gerando limitações importantes para os modelos desenvolvidos. Devido às características do problema em estudo, o qual envolve toda a rede de transporte e apresenta perfil de negociação entre as diferentes entidades envolvidas, surge o interesse da utilização do paradigma de sistemas multiagente. O paradigma de agentes tem sido aplicado a problemas de diferentes contextos, particularmente em problemas de gerenciamento de cadeias de suprimentos devido à sua correspondência natural com a realidade e, em geral, em problemas que envolvem a competição por recursos por meio de mecanismos de negociação com base em leilões. Este trabalho apresenta um novo protocolo de negociação baseado em leilões e aplicação deste protocolo em forma de um modelo multiagente na resolução do problema de planejamento em questão. Os agentes que formam a solução representam principalmente os locais de produção, armazenamento, consumo e os modais de transporte na rede petrolífera brasileira. O objetivo destes agentes é manter um nível de estoque diário factível de cada produto em cada local por meio de transferências de produtos pela rede petrolífera brasileira com preferível redução do custo de transporte. Por fim, este trabalho apresenta a satisfação destes objetivos por meio de experimentos em cenários fictícios e reais da rede brasileira de petróleo. / The Brazilian oil supply chain is composed by oil refineries, consumer markets, terminals for intermediary storage and several transportation modals, such as pipelines, ships, trucks and trains. The transportation planning of oil products in this multimodal network is a complex problem that is currently performed manually based on expertise, for a period of three months, due to the lack of a software system to cover the problem complexity. Such problem involves the negotiation of available resources such as oil products, tanks and transportation modals between different sources and consumption points. Similar problems, but more directed to the planning of single modes of transportation, have been treated by different approaches, mainly mathematical programming. Such works illustrate the difficult task of modeling large problems with this mechanism. Generally, they consider a short horizon planning or only part of the original problem, such as a part of the network, rendering important limitations to the models developed. Due to the characteristics of the problem in study where the full network needs to be considered and there exists negotiation amongst the different entities involved, the usage of multi-agent models seems to be worth to explore. Such models have been applied in different contexts such as to supply chain problems due its natural correspondence with the reality. Furthermore, in problems involving competition for resources, multi-agents negotiation mechanisms based on auctions are commonly applied. Thus, this thesis presents one auction-based solution formed by the cooperation among agents for them to achieve their goals. The agents involved in the auctions represent mainly the production, storage and consumption locations. Their goal is to maintain a daily suitable inventory level for each product by means of transportation through the multimodal network at a low transport cost. Finally, this paper presents the satisfaction of these objectives through experiments on real and fictional scenarios of Brazilian oil network.

CAPES / O segmento downstream da cadeia de suprimentos da indústria brasileira de petróleo é composta por bases de produção (e.g. refinarias), armazenamento (e.g. terminais) e consumo (e.g. mercados consumidores) e modais de transportes (e.g. oleodutos, navios, caminhões e trens). O planejamento da transferência de derivados de petróleo nesta rede multimodal é um problema complexo e atualmente é realizado para um horizonte de três meses com base na experiência de profissionais e sem auxílio de um sistema computacional de apoio à decisão. Basicamente, o problema pode ser visto como uma negociação para alocação de recursos disponíveis (tais como derivados de petróleo, tanques e modais de transporte) pelas diferentes bases envolvidas que necessitam enviar ou receber derivados de petróleo. Na literatura, alguns problemas semelhantes, porém mais voltados para o planejamento de redes formadas por um único tipo de modal de transporte, têm sido tratados por diferentes abordagens, com predominância da programação matemática. Estes trabalhos ilustram a difícil tarefa de modelar grandes problemas por meio desta abordagem. Geralmente, tais trabalhos consideram apenas um curto horizonte de planejamento ou apenas uma parte do problema original, tal como uma parte da rede petrolífera brasileira, gerando limitações importantes para os modelos desenvolvidos. Devido às características do problema em estudo, o qual envolve toda a rede de transporte e apresenta perfil de negociação entre as diferentes entidades envolvidas, surge o interesse da utilização do paradigma de sistemas multiagente. O paradigma de agentes tem sido aplicado a problemas de diferentes contextos, particularmente em problemas de gerenciamento de cadeias de suprimentos devido à sua correspondência natural com a realidade e, em geral, em problemas que envolvem a competição por recursos por meio de mecanismos de negociação com base em leilões. Este trabalho apresenta um novo protocolo de negociação baseado em leilões e aplicação deste protocolo em forma de um modelo multiagente na resolução do problema de planejamento em questão. Os agentes que formam a solução representam principalmente os locais de produção, armazenamento, consumo e os modais de transporte na rede petrolífera brasileira. O objetivo destes agentes é manter um nível de estoque diário factível de cada produto em cada local por meio de transferências de produtos pela rede petrolífera brasileira com preferível redução do custo de transporte. Por fim, este trabalho apresenta a satisfação destes objetivos por meio de experimentos em cenários fictícios e reais da rede brasileira de petróleo. / The Brazilian oil supply chain is composed by oil refineries, consumer markets, terminals for intermediary storage and several transportation modals, such as pipelines, ships, trucks and trains. The transportation planning of oil products in this multimodal network is a complex problem that is currently performed manually based on expertise, for a period of three months, due to the lack of a software system to cover the problem complexity. Such problem involves the negotiation of available resources such as oil products, tanks and transportation modals between different sources and consumption points. Similar problems, but more directed to the planning of single modes of transportation, have been treated by different approaches, mainly mathematical programming. Such works illustrate the difficult task of modeling large problems with this mechanism. Generally, they consider a short horizon planning or only part of the original problem, such as a part of the network, rendering important limitations to the models developed. Due to the characteristics of the problem in study where the full network needs to be considered and there exists negotiation amongst the different entities involved, the usage of multi-agent models seems to be worth to explore. Such models have been applied in different contexts such as to supply chain problems due its natural correspondence with the reality. Furthermore, in problems involving competition for resources, multi-agents negotiation mechanisms based on auctions are commonly applied. Thus, this thesis presents one auction-based solution formed by the cooperation among agents for them to achieve their goals. The agents involved in the auctions represent mainly the production, storage and consumption locations. Their goal is to maintain a daily suitable inventory level for each product by means of transportation through the multimodal network at a low transport cost. Finally, this paper presents the satisfaction of these objectives through experiments on real and fictional scenarios of Brazilian oil network.