Tese de doutoramento. Programa Doutoral em Engenharia Industrial e Gestão. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Estágio realizado na Unicer Bebidas, S.A. e orientado pelo Eng.º Carlos César Morais Teixeira / Tese de mestrado integrado. Engenharia Industrial e Gestão. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Nesta tese é realizado um estudo de caso em uma indústria química brasileira, no qual busca-se representar características da tomada de decisões para a programação da produção em plantas de bateladas. Para isso, foi proposto um modelo matemático do tipo MIP (Mixed Integer Programming) que considerou a disponibilidade de matérias-primas, múltiplas tarefas produtivas para um mesmo produto, tanques de armazenamento multiproduto, envase de produtos e demanda de produtos a granel e envasados. O objetivo principal desse estudo era permitir a obtenção de soluções compatíveis com a prática da empresa em tempo de processamento viável. A partir desse estudo de caso, foi efetuado um segundo estudo com objetivo de avaliar o desempenho de formulações matemáticas para a resolução de um problema de programação da produção. Foram considerados modelos clássicos das comunidades científicas de pesquisa operacional e de engenharia de sistemas de processo, além de um terceiro modelo desenvolvido a partir de conceitos dessas duas comunidades. Algumas características do estudo de caso não foram retratadas, como o consumo de matérias-primas e o envase dos produtos, porém, foram consideradas duas características comumente observadas em problemas da indústria de processos: bateladas com quantidade produzida flexível e tarefas que produzem mais de um produto. Por fim, um terceiro estudo foi realizado com base no estudo de caso da indústria química brasileira, porém, com um foco decisões mais próximas ao nível tático. Sendo assim, foi considerado apenas o dimensionamento de lotes, sem o sequenciamento da produção. Por outro lado, foram acrescentadas características pertinentes à aquisição de matérias-primas, como custos das matérias-primas e descontos por quantidade adquirida. O objetivo deste último trabalho era avaliar a influência da integração das decisões de dimensionamento de lotes e de aquisição das matérias-primas nos custos da cadeia produtiva durante todo o horizonte de planejamento. / In this thesis we developed a study case in a Brazilian chemical industry, in which the aim was to represent the characteristics of decision-making for production scheduling in batch plants. For this, a mixed integer programming model was proposed to consider the availability of raw materials, multiple productive tasks for the same product, multi-product storage tanks, product packaging and demand for products in bulk and packaged. The main objective of this study was develop a model that is able to obtain solutions that clould be used in practice for this chemical industry in viable processing time. From this study case, a second work was carried out to evaluate the performance of mathematical formulations to solve a problem of production scheduling. Classic models of operational research and process system engineering communities were considered, and a third model was developed from concepts of these two communities. Some features of the case study were not modelled, such as the consumption of raw materials and the product packaging, however, two characteristics usually present in process industries were considered: flexible batch production quantity and multi-product task production. Finally, a third study developed based on the study case of the Brazilian chemical industry, but with focus on decisions more familiar to the tactical level. Thus, only lot sizing was modelled, without production scheduling. On the other hand, features relevant raw material purchasing were included, such as raw material costs and discounts for quantity purchased. The objective of this last work was to evaluate the influence of integrating lot sizing decisions and raw material purchasing decisions in the overall costs of the production chain during the entire planning horizon.

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.

Diversas pesquisas e estudos científicos mostram que uma grande porcentagem das pessoas com deficiência é excluída do mercado de trabalho, sobretudo em países em desenvolvimento. Com o intuito de alterar essa realidade, destacam-se, entre outras medidas, a criação de Centros de Trabalho para Deficientes (CTDs). Tais organizações empregam trabalhadores com deficiência em vários setores empresariais, dando-lhes oportunidades iniciais e preparando-os para que possam, mais tarde, ser inseridos no mercado de trabalho convencional. Vários destes centros operam linhas de produção, principal objeto de estudo desta tese. Nosso estudo é situado em uma etapa idealmente posterior aos CTDs, referente à inserção de trabalhadores com deficiência em linhas de produção convencionais. A demanda por estudos neste contexto tem crescido nos últimos anos, devido sobretudo a políticas corporativas de responsabilidade social e exigências legislativas, como a \"Lei das Cotas\", presentes em diversos países. O planejamento da operação de linhas de produção na presença de trabalhadores com deficiência envolve uma série de desafios, devido à heterogeneidade entre trabalhadores, que faz com que o tempo de execução das tarefas seja dependente de cada indivíduo. Nos deparamos, assim, com um problema de dupla alocação, em que as variáveis de decisão determinam as tarefas a serem inseridas em estações e a alocação de trabalhadores para as mesmas, de modo a otimizar alguma medida de eficiência. O balanceamento de linhas de produção convencionais com uma parcela de trabalhadores com deficiência é denominado problema de balanceamento de linhas de produção e integração de trabalhadores (ALWIBP, do inglês: assembly line worker integration and balancing problem), sendo um caso particular do problema de balanceamento de linhas de produção e designação de trabalhadores (ALWABP, do inglês: assembly line worker assignment and balancing problem), cuja ocorrência é mais comum em linhas de CTDs. Nosso objetivo consiste em estudar formas eficientes de proporcionar a integração de trabalhadores com deficiência em linhas convencionais. Para tanto, abordamos variações do ALWIBP que consideram: (i) minimização de diferentes funções objetivo (número de estações ou tempo de ciclo); (ii) linha de produção com leiautes distintos (simples ou em U); (iii) incertezas quanto ao tempo de execução de cada tarefa (abordagem robusta); (iv) estratégias de rotação de tarefas ou alocação de trabalhadores com deficiência na linha com espaçamento regular. Para cada uma destas extensões, foram desenvolvidos formulações matemáticas, métodos de resolução e novos conjuntos de instâncias teste. Experimentos computacionais indicam possibilidades de adaptação de linhas de produção convencionais à inserção de trabalhadores com deficiência, a custos adicionais baixos ou quase nulos. Portanto, este trabalho oferece alternativas para uma maior flexibilidade na integração de pessoas com deficiência, tornando-os tão eficientes quanto qualquer outro trabalhador denominado \"convencional\". / A number of studies show that a large percentage of disabled people are excluded from the labor market, in particular in developing countries. In order to deal with this problem, one can highlight the importance of Sheltered Work Centers for Disabled (SWDs). These organizations employ disabled workers in various corporate sectors, giving them initial opportunities and preparing them so that they can be later integrated into the conventional labor market. Many of these centers operate assembly lines, the main object of study of this thesis. Our study considers an ideally later stage of SWDs, related with the insertion of disabled workers in conventional assembly lines. The demand for studies in this field has grown over the years, due to corporate social responsibility policies and legal requirements such as \"quotas legislations\", present in many countries. Planning the operation of assembly lines with disabled workers involves a series of challenges due to the heterogeneity among workers, which are reflected in task times being worker dependent. This results in a double allocation problem, where decisions must determine both the tasks and the workers to be assigned to the stations, in order to optimize some efficiency measure. The conventional assembly line balancing with a parcel of disabled workers is known as the assembly line worker integration and balancing problem (ALWIBP), being a particular case of the assembly line worker assignment and balancing problem (ALWABP), which occurance is more common in SWDs. Our goal consists in studying efficient ways to promote the integration of people with disabilities in conventional assembly lines. For that, we address ALWIBP variants that consider: (i) minimization of different objective functions (number of stations or cycle time); (ii) different assembly line layouts (simple or U-shaped); (iii) uncertainties on task execution times (robust approach); (iv) job rotation strategies or allocation of disabled workers in the line with regular spacing. For each of these extensions, we develop mathematical formulations, solution methods and new sets of benchmark instances. Computational experiments indicate possibilities for adapting conventional assembly lines to the insertion of disabled workers, at low or close to null additional costs. Therefore, this study offers alternatives ways of increasing exibility in the integration of people with disabilities, making them as efficient as any other conventional worker.

Nesta tese é realizado um estudo de caso em uma indústria química brasileira, no qual busca-se representar características da tomada de decisões para a programação da produção em plantas de bateladas. Para isso, foi proposto um modelo matemático do tipo MIP (Mixed Integer Programming) que considerou a disponibilidade de matérias-primas, múltiplas tarefas produtivas para um mesmo produto, tanques de armazenamento multiproduto, envase de produtos e demanda de produtos a granel e envasados. O objetivo principal desse estudo era permitir a obtenção de soluções compatíveis com a prática da empresa em tempo de processamento viável. A partir desse estudo de caso, foi efetuado um segundo estudo com objetivo de avaliar o desempenho de formulações matemáticas para a resolução de um problema de programação da produção. Foram considerados modelos clássicos das comunidades científicas de pesquisa operacional e de engenharia de sistemas de processo, além de um terceiro modelo desenvolvido a partir de conceitos dessas duas comunidades. Algumas características do estudo de caso não foram retratadas, como o consumo de matérias-primas e o envase dos produtos, porém, foram consideradas duas características comumente observadas em problemas da indústria de processos: bateladas com quantidade produzida flexível e tarefas que produzem mais de um produto. Por fim, um terceiro estudo foi realizado com base no estudo de caso da indústria química brasileira, porém, com um foco decisões mais próximas ao nível tático. Sendo assim, foi considerado apenas o dimensionamento de lotes, sem o sequenciamento da produção. Por outro lado, foram acrescentadas características pertinentes à aquisição de matérias-primas, como custos das matérias-primas e descontos por quantidade adquirida. O objetivo deste último trabalho era avaliar a influência da integração das decisões de dimensionamento de lotes e de aquisição das matérias-primas nos custos da cadeia produtiva durante todo o horizonte de planejamento. / In this thesis we developed a study case in a Brazilian chemical industry, in which the aim was to represent the characteristics of decision-making for production scheduling in batch plants. For this, a mixed integer programming model was proposed to consider the availability of raw materials, multiple productive tasks for the same product, multi-product storage tanks, product packaging and demand for products in bulk and packaged. The main objective of this study was develop a model that is able to obtain solutions that clould be used in practice for this chemical industry in viable processing time. From this study case, a second work was carried out to evaluate the performance of mathematical formulations to solve a problem of production scheduling. Classic models of operational research and process system engineering communities were considered, and a third model was developed from concepts of these two communities. Some features of the case study were not modelled, such as the consumption of raw materials and the product packaging, however, two characteristics usually present in process industries were considered: flexible batch production quantity and multi-product task production. Finally, a third study developed based on the study case of the Brazilian chemical industry, but with focus on decisions more familiar to the tactical level. Thus, only lot sizing was modelled, without production scheduling. On the other hand, features relevant raw material purchasing were included, such as raw material costs and discounts for quantity purchased. The objective of this last work was to evaluate the influence of integrating lot sizing decisions and raw material purchasing decisions in the overall costs of the production chain during the entire planning horizon.

Este texto trata de um dos temas fundamentais no planejamento de produção, o problema de dimensionamento de lotes de um único item. Uma descrição sucinta e informal do problema segue abaixo. Considere um intervalo de tempo dividido em períodos e que a cada período de tempo está associada a demanda de um item. Dados os custos e as eventuais restrições na produção e no armazenamento, determine os períodos em que se produzirá e em que quantidade para que as demandas sejam atendidas com o menor custo possível, respeitando as restrições impostas. Apresentamos aqui resultados sobre a estrutura ótima do problema, sobre complexidade e algoritmos para os casos básicos do problema / This text studies one of the core subjects in production planning, the single-item lot-sizing problem. A brief and informal description of this problem follows below. Considering a time interval split into time periods and that there is a demand of an item associated with each time period. Given production and holding costs and possibly production and holding restrictions, determine in which periods the production must occur and in which quantity, in order to attend the demands with a minimum cost, without violate any restriction. Here, it will be shown some results about the optimal structure of the problem, about the complexity and algorithms for the simpler cases

Este texto trata de um dos temas fundamentais no planejamento de produção, o problema de dimensionamento de lotes de um único item. Uma descrição sucinta e informal do problema segue abaixo. Considere um intervalo de tempo dividido em períodos e que a cada período de tempo está associada a demanda de um item. Dados os custos e as eventuais restrições na produção e no armazenamento, determine os períodos em que se produzirá e em que quantidade para que as demandas sejam atendidas com o menor custo possível, respeitando as restrições impostas. Apresentamos aqui resultados sobre a estrutura ótima do problema, sobre complexidade e algoritmos para os casos básicos do problema / This text studies one of the core subjects in production planning, the single-item lot-sizing problem. A brief and informal description of this problem follows below. Considering a time interval split into time periods and that there is a demand of an item associated with each time period. Given production and holding costs and possibly production and holding restrictions, determine in which periods the production must occur and in which quantity, in order to attend the demands with a minimum cost, without violate any restriction. Here, it will be shown some results about the optimal structure of the problem, about the complexity and algorithms for the simpler cases

Orientador: Adriana Cristina Cherri Nicola / Banca: Silvio Alexandre de Araujo / Banca: Sonia Cristina Poltroniere Silva / Resumo: Este trabalho aborda o Problema de Redimensionamento de Lotes (PRL) capacitado, com múltiplos produtos e máquinas paralelas. O redimensionamento de lotes é uma variação do problema de dimensionamento de lotes que pode ser identificado em sistemas produtivos com elevada taxa de interrupções, como quebras, refugos, entre outros, fazendo com que o plano de produção seja prejudicado, necessitando de atualizações a medida que ocorrem as interrupções. São considerados três parâmetros de interrupção: manutenção corretiva, mão de obra insuficiente e indisponibilidade de matéria-prima. É permitido o atendimento da demanda nos períodos com atrasos e utilização de hora extra. O problema tem por objetivo minimizar os custos de preparação, estoque, atraso e hora extra. Baseado em um modelo matemático proposto na literatura para resolver problemas de dimensionamento de lotes, um modelo matemático para representar o PRL foi proposto. O PRL foi formulado como um problema de programação linear inteira mista (PLIM) e resolvido através do método exato branch and bound. Testes computacionais foram realizados com exemplares adaptados da literatura e abrangem os três parâmetros de interrupção / Abstract: This work approaches the capacitated Lot Resizing Problem (LRP) with multi-products and parallel machines. The lot resizing problem is a lot sizing problem variation which can be identified in productive systems with high rate of interruptions, as breaks, refuse, and others, impairing the planning production and making update needed as soon as interruptions happens. Three parameters for interruption were considered: corrective maintenance, insufficient man power and unavailability of raw material. Demand can be performed with back-orders and overtime requests. This work has the objective of minimize inventory holding costs, back-orders, setup and overtime costs. Based on a mathematical model proposed in the literature to solve the lot sizing problem, a mathematical model to represent the LRP was proposed. The LRP was formulated as a mixed integer problem and solved by branch and bound exact method. Computational experiments were performed with adapted literature instances embracing the three parameters of interruption / Mestre

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:51:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissJRDL.pdf: 648879 bytes, checksum: d0336140896c62906f4999d62e04668f (MD5) Previous issue date: 2003-01-01 / This work presents optimization models to support decisions of the Production Planning and Control (PPC) in the industry of grains electrocasting. A case study was accomplished in one of the largest companies in the State of São Paulo. The objective of the study is to contribute for the improvement of the system of PCP of companies of grains electrocasting, in such a way to obtain gains of productivity and to improve the user service level with respect to due date satisfaction. For that Mixed Integer Linear Programming models were applied to aid particularly in the decisions of production scheduling. Optimizing the production scheduling in the industry of grains electrocasting is not a simple task, mainly due to the greatness of setup times of the equipments, the diversity of products and the limitations of the order due dates. / Este trabalho apresenta modelos de otimização para apoiar decisões do Planejamento e Controle da Produção (PCP) na indústria de grãos eletrofundidos. Um estudo de caso foi realizado numa das maiores empresas do setor no estado de São Paulo. O objetivo do estudo é contribuir para a melhoria do sistema de PCP de empresas de grãos eletrofundidos, de maneira a obter ganhos de produtividade e melhorar o nível de serviço aos clientes no atendimento dos prazos de entrega. Para isso, foram aplicados modelos de Programação Linear Inteira Mista para auxiliar particularmente nas decisões da programação da produção, e analisar os resultados obtidos. Otimizar a programação da produção na indústria de grãos eletrofundidos não é uma tarefa simples, principalmente devido à grandeza dos tempos de preparação dos equipamentos, à diversidade de produtos e às limitações dos prazos de entrega.