O presente trabalho aborda o ambiente de produção conhecido como flowshop híbrido. Devido a crescente complexidade dos sistemas de produção, este ambiente é frequentemente encontrado em situações reais de manufatura. No caso estudado existem estágios em série e em cada estágio existe um número de máquinas idênticas em paralelo. Os tempos de processamento em cada estágio são dependentes da tarefa, já a rota através do sistema é a mesma para todas as tarefas. O objetivo é minimizar o atraso total, ou seja, a soma do atraso de todas as tarefas. Um modelo de programação linear inteira mista é apresentado para este problema e, dada a sua complexidade, ele é abordado através de uma meta-heurística relativamente nova e que, conforme revisão da literatura, nunca foi aplicada a este problema. Conhecida por BRKGA (Biased Random-Key Genetic Algorithm), este método codifica as soluções de maneira a obter um melhor desempenho em comparação com algoritmos genéticos tradicionais. Com o objetivo de avaliar a melhor estratégia, são propostas diversas versões de BRKGA para o problema considerado. Estas versões buscam explorar características das melhores heurísticas construtivas da literatura, dentre estas: ordens direta e inversa de programação das tarefas dentro do ambiente produtivo, identificação do estágio gargalo e diferenciação da programação do gargalo dos demais estágios. Experimentos computacionais foram realizados com 432 problemas teste de grande porte. Os métodos apresentados são comparados entre si e os resultados mostraram que uma versão do BRKGA se destaca frente às demais, visto que ela atingiu o melhor resultado em 61% dos problemas. Destaca-se que o método de melhor desempenho da literatura obteve a melhor solução em apenas 15% dos problemas. Devido às dimensões dos problemas teste da literatura, não foi possível encontrar suas soluções ótimas. Deste modo, este trabalho propõe um novo limitante inferior para o mínimo atraso total. Além disso, 576 novos problemas teste de menores dimensões são propostos e seus resultados ótimos são utilizados para aprofundar as comparações. Os resultados deste experimento indicaram que o BRKGA proposto apresentou um bom desempenho visto que, na média, seus resultados estão apenas a 2,4% dos resultados ótimos. / This work addresses a scheduling problem in hybrid flowshops. Due to the increasing complexity of production systems, this production environment is often encountered in real manufacturing situations. In hybrid flowshops, there are stages in series and, in each stage, a number of similar parallel machines. Processing times in each stage are dependent on the job, and the route through the system is the same for all jobs. The objective is to minimize the total tardiness, that is, the sum of all jobs tardiness. A mixed integer linear programming model is presented for the problem considered. Given its complexity, this problem is approached by a relatively new meta-heuristic, known as BRKGA (Biased Random-Key Genetic Algorithm). A literature review showed that BRKGA had never been applied to this problem. The BRKGA codes solutions in order to obtain a better performance compared with traditional genetic algorithms. Several versions of BRKGA were developed in order to evaluate the best strategy to solve the problem considered. These versions aim to exploit features of the best constructive heuristic from the literature, among them: scheduling jobs in direct and inverse order within the production environment, identification of the bottleneck stage and distinction of the bottleneck stage schedule from the others. Computational experiments were conducted with 432 large instances. The methods were compared and the results showed that one of these versions stood out against the others. This version achieved better results in 61% of instances, while the best heuristic from the literature achieved 15%. Due to the size of these instances, optimal solutions were not found. Therefore, this work develops a new lower bound for the minimum total tardiness. Additionally, in order to find optimal results, a set of 576 new instances is proposed. This experiment indicated that the BRKGA proposed performed well since, on average, their results are only 2.4% away from the optimal results.

O presente trabalho aborda o ambiente de produção conhecido como flowshop híbrido. Devido a crescente complexidade dos sistemas de produção, este ambiente é frequentemente encontrado em situações reais de manufatura. No caso estudado existem estágios em série e em cada estágio existe um número de máquinas idênticas em paralelo. Os tempos de processamento em cada estágio são dependentes da tarefa, já a rota através do sistema é a mesma para todas as tarefas. O objetivo é minimizar o atraso total, ou seja, a soma do atraso de todas as tarefas. Um modelo de programação linear inteira mista é apresentado para este problema e, dada a sua complexidade, ele é abordado através de uma meta-heurística relativamente nova e que, conforme revisão da literatura, nunca foi aplicada a este problema. Conhecida por BRKGA (Biased Random-Key Genetic Algorithm), este método codifica as soluções de maneira a obter um melhor desempenho em comparação com algoritmos genéticos tradicionais. Com o objetivo de avaliar a melhor estratégia, são propostas diversas versões de BRKGA para o problema considerado. Estas versões buscam explorar características das melhores heurísticas construtivas da literatura, dentre estas: ordens direta e inversa de programação das tarefas dentro do ambiente produtivo, identificação do estágio gargalo e diferenciação da programação do gargalo dos demais estágios. Experimentos computacionais foram realizados com 432 problemas teste de grande porte. Os métodos apresentados são comparados entre si e os resultados mostraram que uma versão do BRKGA se destaca frente às demais, visto que ela atingiu o melhor resultado em 61% dos problemas. Destaca-se que o método de melhor desempenho da literatura obteve a melhor solução em apenas 15% dos problemas. Devido às dimensões dos problemas teste da literatura, não foi possível encontrar suas soluções ótimas. Deste modo, este trabalho propõe um novo limitante inferior para o mínimo atraso total. Além disso, 576 novos problemas teste de menores dimensões são propostos e seus resultados ótimos são utilizados para aprofundar as comparações. Os resultados deste experimento indicaram que o BRKGA proposto apresentou um bom desempenho visto que, na média, seus resultados estão apenas a 2,4% dos resultados ótimos. / This work addresses a scheduling problem in hybrid flowshops. Due to the increasing complexity of production systems, this production environment is often encountered in real manufacturing situations. In hybrid flowshops, there are stages in series and, in each stage, a number of similar parallel machines. Processing times in each stage are dependent on the job, and the route through the system is the same for all jobs. The objective is to minimize the total tardiness, that is, the sum of all jobs tardiness. A mixed integer linear programming model is presented for the problem considered. Given its complexity, this problem is approached by a relatively new meta-heuristic, known as BRKGA (Biased Random-Key Genetic Algorithm). A literature review showed that BRKGA had never been applied to this problem. The BRKGA codes solutions in order to obtain a better performance compared with traditional genetic algorithms. Several versions of BRKGA were developed in order to evaluate the best strategy to solve the problem considered. These versions aim to exploit features of the best constructive heuristic from the literature, among them: scheduling jobs in direct and inverse order within the production environment, identification of the bottleneck stage and distinction of the bottleneck stage schedule from the others. Computational experiments were conducted with 432 large instances. The methods were compared and the results showed that one of these versions stood out against the others. This version achieved better results in 61% of instances, while the best heuristic from the literature achieved 15%. Due to the size of these instances, optimal solutions were not found. Therefore, this work develops a new lower bound for the minimum total tardiness. Additionally, in order to find optimal results, a set of 576 new instances is proposed. This experiment indicated that the BRKGA proposed performed well since, on average, their results are only 2.4% away from the optimal results.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:53:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LUGO_Pedro_2013.pdf: 2147400 bytes, checksum: a0c7948826b7f243c447b99fd96c3388 (MD5) Previous issue date: 2013-09-12 / Financiadora de Estudos e Projetos / This research studies the hybrid flowshop scheduling problem. In this production configuration, we have a set of jobs that has to be processed in a set of stages. At every stage we have a set of parallel machines available to process the jobs. All jobs have to be processed following the same production flow, from the first to the last stage. Every job has to be processed on one machine at each stage and each machine can process at most one job at a time. Some constraints commonly found in real production systems as unrelated parallel machines, limited buffers, sequence-dependent setup times (both anticipatory and non-anticipatory), machine eligibility, transportation times and release times for machines are also taken into account. The optimization criterion is the makespan, whose minimization is related to the efficient use of production resources. A mixed integer programming model is proposed and solved by the commercial solver CPLEX. The computational evaluation results indicate that the model is suitable just to solve instances up to nine jobs and five stages. Therefore, to solve larger instances (50-100 jobs), several heuristics and an iterated local search (ILS) algorithm are proposed and evaluated computationally. The results indicate that the ILS is able to obtain good quality solutions in short computation times. / Este trabalho estuda o problema de programação da produção em sistemas Flowshop híbrido. Nesta configuração de produção há um conjunto de tarefas que deve ser processado em um conjunto de estações, nas quais um determinado número de máquinas paralelas encontra-se disponível para o processamento das tarefas. Todas as tarefas devem ser processadas seguindo o mesmo fluxo de produção, desde a primeira até a última estação. Cada tarefa deve ser processada em uma máquina de cada estação e cada máquina pode processar, no máximo, uma tarefa por vez. Algumas restrições comumente encontradas em sistemas de produção reais, como máquinas paralelas não relacionadas, buffers limitados, tempos de preparação dependentes da sequência (antecipatórios e não antecipatórios), elegibilidade de máquinas, tempos de transporte e tempos de liberação das máquinas, também são consideradas. O critério de otimização é o makespan, cuja minimização está diretamente relacionada com a utilização eficiente dos recursos de produção. Um modelo de programação inteira mista é proposto e resolvido através do solver comercial CPLEX. Os resultados da avaliação computacional indicam que o modelo é viável somente para resolver instâncias de até nove tarefas e cinco estações. Desta forma, para resolver instâncias de maior tamanho (50-100 tarefas), várias heurísticas e uma meta-heurística de busca local iterada (ILS, Iterated Local Search) são propostas e avaliadas computacionalmente. Os resultados indicam que o ILS é capaz de obter soluções de boa qualidade em curtos tempos computacionais.