Especialmente nas últimas quatro décadas, muitos estudos se voltaram às variáveis determinantes para a implementação efetiva de sistemas flexíveis de manufatura, tais como seu design, sequenciamento e controle. Neste ínterim, o manejo apropriado do conjunto de ferramentas necessárias para a fabricação de um respectivo lote de produtos foi destacado como fator crucial no desempenho do sistema de produção como um todo. Neste trabalho, abordamos a otimização do número de inserções e remoções de ferramentas no magazine de uma ou mais máquinas numericamente controladas, admitindo-se que uma parcela significativa do tempo de produção é dispensada com estas trocas de ferramentas. De forma mais precisa, a minimização do número de trocas de ferramentas consiste em determinar a ordem de processamento de um conjunto de tarefas, bem como o carregamento ótimo do(s) compartimento(s) de ferramentas da(s) máquina(s), a fim de que o número de trocas seja minimizado. Como demostrado na literatura, mesmo o caso restrito à existência de apenas uma máquina de manufatura (MTSP, do inglês Minimization of Tool Switches Problem) é um problema NP-difícil, o que pode justificar o fato observado de que a maioria dos métodos de solução existentes o abordam de maneira heurística. Consequentemente, concluímos que a extensão ao contexto de múltiplas máquinas é também um problema NP-difícil, intrinsecamente complicado de se resolver. Nosso objetivo consiste em estudar formas eficientes de otimizar o número de trocas de ferramentas em ambientes equipados com máquinas flexíveis de manufatura. Para tanto, abordamos o problema básico, MTSP, e duas de suas variantes, em níveis crescentes de abrangência, que consideram o sequenciamento de tarefas em um conjunto de: (i) máquinas paralelas e idênticas (IPMTC, do inglês Identical Parallel Machines problem with Tooling Constraints); e (ii) máquinas paralelas e idênticas inseridas em um ambiente do tipo job shop (JSSPTC, do inglês Job Shop Scheduling Problem with Tooling Constraints). Classificamos as principais contribuições desta tese com respeito a três aspectos. Primeiramente, empurramos as fronteiras da literatura do MTSP propondo formulações matemáticas para os problemas IPMTC e JSSPTC. Desenvolvemos, também, algoritmos baseados em diferentes técnicas de resolução, como redução de domínio, Path relinking, Adaptive large neighborhood search e a elaboração de regras de despacho. Por último, com o intuito de bem avaliar a eficiência e o alcance de nossos métodos, propomos três novos conjuntos de instâncias teste. Acreditamos, assim, que este trabalho contribui positivamente com pesquisas futuras em um cenário abrangente dentro da minimização das trocas de ferramentas em um sistema flexível de manufatura. / Several studies, especially in the last four decades, have focused on decisive elements for the effective implementation of flexible manufacturing systems, such as their design, scheduling and control. In the meantime, the appropriate management of the set of tools needed to manufacture a certain lot of products has been highlighted as a crucial factor in the performance of the production system as a whole. This work deals with the optimization of the number of insertions and removals from the magazine of one or more numerical controlled machines, assuming that a significant part of the production time is wasted with such tool switches. More precisely, the minimization of tool switches problem (MTSP) consists on determining the processing order of a set of jobs, as well as the optimal loading of the magazine(s) of the machine(s), so that the total number of switches is minimized. As formally demonstrated in the literature, the MTSP is a NP-hard problem even when considering the existence of only one manufacturing machine, which could justify the fact that most of the solution methods tackles it heuristically. We thus conclude that its extension to the case of multiples machines is also NP-hard and, therefore, a problem intrinsically difficult to solve. Our goal consists in studying efficient ways to optimize the number of tool switches in environments equipped with flexible manufacturing machines. For that, we address the basic problem, MTSP, and two MTSP variants, in increasing levels of reach, that consider the job sequencing in a set of: (i) identical parallel machines (Identical Parallel Machines problem with Tooling Constraints, IPMTC); and (ii) identical parallel machines inserted in a job shop environment (Job Shop Scheduling Problem with Tooling Constraints, JSSPTC). The main contributions of this thesis are classified according three aspects. First, we pushed the frontier of the MTSP literature by proposing mathematical formulations for IPMTC and JSSPTC. We also developed algorithms based on different solution techniques, such as domain reduction, Path Relinking, Adaptive Large Neighborhood Search and dispatching rules. Finally, to fully evaluate the effectiveness and limits of our methods, three new sets of benchmark instances were generated. We believe that this work contributes positively to the future of research in a broad scenario inside the minimization of tool switches in flexible manufacturing systems.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:33:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao.pdf: 1052399 bytes, checksum: b17ce224ca3822e277c997fd00bd2c67 (MD5) Previous issue date: 2006-11-29 / Este trabalho apresenta um Sistema Imune Artificial (SIA) para tratar problemas de escalonamento. O Sistema Imunológico Artificial desenvolvido neste projeto baseia-se na estrutura arquitetura e funcionamento dos Sistemas Imunes Biológicos ou Naturais. O uso de Algoritmo Genético (AG) fez-se necessário para gerar os indivíduos a serem escalonados, representando os antígenos e anticorpos do SIA. Cada indivíduo gerado pelo AG representa um conjunto de tarefas processadas em um conjunto de máquinas. Os indivíduos são avaliados por uma função de aptidão que representa o processo de seleção natural. A evolução dos indivíduos e consequentemente das populações são obtidas aplicando-se os operadores genéticos de crossover e mutação. As tarefas e as máquinas, utilizadas para o escalonamento, representa o problema de Job Shop Scheduling (JSS). Ao problema, foram aplicados alguns testes clássicos da literatura, onde se verificou a viabilidade dos SIA para tratamento de problemas de escalonamento. Ainda com os testes, pode-se observar o comportamento do sistema durante toda a execução, possibilitando assim, uma análise criteriosa das funcionalidades do sistema e dos resultados gerados pela massa de teste, observados durante um período de tempo. A representação dos sistemas imunológicos naturais através de algoritmos computacionais tem inspirado pesquisadores de todo o mundo, a motivação é que os sistemas imunológicos possuem características de paralelismo adaptabilidade e aprendizagem, além da possibilidade de serem aplicados em diversos problemas das mais diversas áreas, devido sua portabilid ade. / This work presents an Artificial Immune System (AIS) to deal with problems scheduling. The Artificial Immunologic System developed in this project was based on the structure, architecture and functioning of the Biological or Natural Immune Systems. The use of Genetic Algorithm (GA) became necessary to represent the antibodies and antigens of the AIS. Each individual generated for the GA represented a processed task set library in a set of machines. The evaluation of each individual was given by a fitness function that represents the process of natural selection. The evolution of the individuals, and population as a consequence was obtained by applying the genetic operators of crossover e mutation. The machines and the tasks used for the scheduling represent the problem of Job Shop Scheduling (JSS). Some classic tests of the literature where applied to the problem in order to verify the viability of the AIS on the treatment of task of scheduling problems. Those tests also demonstrated the system s behavior its entire execution, therefore, allowing for a detailed analysis of the system s functionalities sets for certain time period. The representation of the natural immunologic systems through computational algorithms inspires from all over world researchers. The motivation is that the immunologic systems possess parallelism characteristics adaptability and learning, which can be applied in several problems found in many areas, had its portability.

Especialmente nas últimas quatro décadas, muitos estudos se voltaram às variáveis determinantes para a implementação efetiva de sistemas flexíveis de manufatura, tais como seu design, sequenciamento e controle. Neste ínterim, o manejo apropriado do conjunto de ferramentas necessárias para a fabricação de um respectivo lote de produtos foi destacado como fator crucial no desempenho do sistema de produção como um todo. Neste trabalho, abordamos a otimização do número de inserções e remoções de ferramentas no magazine de uma ou mais máquinas numericamente controladas, admitindo-se que uma parcela significativa do tempo de produção é dispensada com estas trocas de ferramentas. De forma mais precisa, a minimização do número de trocas de ferramentas consiste em determinar a ordem de processamento de um conjunto de tarefas, bem como o carregamento ótimo do(s) compartimento(s) de ferramentas da(s) máquina(s), a fim de que o número de trocas seja minimizado. Como demostrado na literatura, mesmo o caso restrito à existência de apenas uma máquina de manufatura (MTSP, do inglês Minimization of Tool Switches Problem) é um problema NP-difícil, o que pode justificar o fato observado de que a maioria dos métodos de solução existentes o abordam de maneira heurística. Consequentemente, concluímos que a extensão ao contexto de múltiplas máquinas é também um problema NP-difícil, intrinsecamente complicado de se resolver. Nosso objetivo consiste em estudar formas eficientes de otimizar o número de trocas de ferramentas em ambientes equipados com máquinas flexíveis de manufatura. Para tanto, abordamos o problema básico, MTSP, e duas de suas variantes, em níveis crescentes de abrangência, que consideram o sequenciamento de tarefas em um conjunto de: (i) máquinas paralelas e idênticas (IPMTC, do inglês Identical Parallel Machines problem with Tooling Constraints); e (ii) máquinas paralelas e idênticas inseridas em um ambiente do tipo job shop (JSSPTC, do inglês Job Shop Scheduling Problem with Tooling Constraints). Classificamos as principais contribuições desta tese com respeito a três aspectos. Primeiramente, empurramos as fronteiras da literatura do MTSP propondo formulações matemáticas para os problemas IPMTC e JSSPTC. Desenvolvemos, também, algoritmos baseados em diferentes técnicas de resolução, como redução de domínio, Path relinking, Adaptive large neighborhood search e a elaboração de regras de despacho. Por último, com o intuito de bem avaliar a eficiência e o alcance de nossos métodos, propomos três novos conjuntos de instâncias teste. Acreditamos, assim, que este trabalho contribui positivamente com pesquisas futuras em um cenário abrangente dentro da minimização das trocas de ferramentas em um sistema flexível de manufatura. / Several studies, especially in the last four decades, have focused on decisive elements for the effective implementation of flexible manufacturing systems, such as their design, scheduling and control. In the meantime, the appropriate management of the set of tools needed to manufacture a certain lot of products has been highlighted as a crucial factor in the performance of the production system as a whole. This work deals with the optimization of the number of insertions and removals from the magazine of one or more numerical controlled machines, assuming that a significant part of the production time is wasted with such tool switches. More precisely, the minimization of tool switches problem (MTSP) consists on determining the processing order of a set of jobs, as well as the optimal loading of the magazine(s) of the machine(s), so that the total number of switches is minimized. As formally demonstrated in the literature, the MTSP is a NP-hard problem even when considering the existence of only one manufacturing machine, which could justify the fact that most of the solution methods tackles it heuristically. We thus conclude that its extension to the case of multiples machines is also NP-hard and, therefore, a problem intrinsically difficult to solve. Our goal consists in studying efficient ways to optimize the number of tool switches in environments equipped with flexible manufacturing machines. For that, we address the basic problem, MTSP, and two MTSP variants, in increasing levels of reach, that consider the job sequencing in a set of: (i) identical parallel machines (Identical Parallel Machines problem with Tooling Constraints, IPMTC); and (ii) identical parallel machines inserted in a job shop environment (Job Shop Scheduling Problem with Tooling Constraints, JSSPTC). The main contributions of this thesis are classified according three aspects. First, we pushed the frontier of the MTSP literature by proposing mathematical formulations for IPMTC and JSSPTC. We also developed algorithms based on different solution techniques, such as domain reduction, Path Relinking, Adaptive Large Neighborhood Search and dispatching rules. Finally, to fully evaluate the effectiveness and limits of our methods, three new sets of benchmark instances were generated. We believe that this work contributes positively to the future of research in a broad scenario inside the minimization of tool switches in flexible manufacturing systems.

[EN] Many industrial problems can be modelled as a scheduling problem where some resources are assigned to tasks so as to minimize the completion time, to reduce the use of resources, idle time, etc. There are several scheduling problems which try to represent different kind of situations that can appear in real world problems. Job Shop Scheduling Problem (JSP) is the most used problem. In JSP there are different jobs, every job has different tasks and these tasks have to be executed by different machines. JSP can be extended to other problems in order to simulate more real problems. In this work we have used the problem job shop with operators JSO(n,p) where each task must also be assisted by one operator from a limited set of them. Additionally, we have extended the classical JSP to a job-shop scheduling problem where machines can consume different amounts of energy to process tasks at different rates (JSMS). In JSMS operation has to be executed by a machine that has the possibility to work at different speeds. Scheduling problems consider optimization indicators such as processing time, quality and cost. However, governments and companies are also interested in energy-consumption due to the rising demand and price of fuel, the reduction in energy commodity reserves and growing concern about global warming. In this thesis, we have developed new metaheuristic search techniques to model and solve the JSMS problem. Robustness is a common feature in real life problems. A system persists if it remains running and maintains his main features despite continuous perturbations, changes or incidences. We have developed a technique to solve the $JSO(n,p)$ problem with the aim of obtaining optimized and robust solutions. We have developed a dual model to relate optimality criteria with energy consumption and robustness/stability in the JSMS problem. This model is committed to protect dynamic tasks against further incidences in order to obtain robust and energy-aware solutions. The proposed dual model has been evaluated with a memetic algorithm to compare the behaviour against the original model. In the JSMS problem there are a relationship between Energy-efficiency, Robustness and Makespan. Therefore, the relationship between these three objectives is studied. Analytical formulas are proposed to analyse the relationship between these objectives. The results show the trade-off between makespan and robustness, and the direct relationship between robustness and energy-efficiency. To reduce the makespan and to process the tasks faster, energy consumption has to be increased. When the energy consumption is low it is because the machines are not working at highest speed. So, if an incidence appears, the speed of these machines can be increased in order to recover the time lost by the incidence. Hence robustness is directly related with energy consumption. Additionally, robustness is also directly related with makespan because, when makespan increases, there are more gaps in the solution, these incidences can be absorbed by these natural buffers. The combination of robustness and stability gives the proposal an added value due to since an incidence cannot be directly absorbed by the disrupted task and it can be repaired by involving only a small number of tasks. In this work we propose two different techniques to manage rescheduling over the JSMS problem. This work represents a breakthrough in the state of the art of scheduling problems and in particular the problem where energy consumption can be controlled by the rate of the machines. / [ES] Muchos de los problemas industriales se pueden modelar como un problema de scheduling donde algunos recursos son asignados a tareas a fin de minimizar el tiempo de finalización, para reducir el uso de los recursos, el tiempo de inactividad, etc. Job-Shop scheduling (JSP) es el problema más utilizado. En JSP hay diferentes trabajos, cada trabajo tiene diferentes tareas y estas tareas tienen que ser ejecutadas por diferentes máquinas. JSP puede ser extendido a otros problemas con el fin de simular una mayor cantidad de problemas reales. En este trabajo se ha utilizado el problema job shop scheduling con operadores JSO(n, p), donde cada tarea también debe ser asistida por un operador de un conjunto limitado de ellos. Además, hemos ampliado el clásico problema JSP a un problema donde las máquinas pueden consumir diferentes cantidades de energía al procesar tareas a diferentes velocidades (JSMS). En JSMS las operaciones tiene que ser ejecutadas por una máquina que tiene la posibilidad de trabajar a diferentes velocidades. Los problemas de scheduling consideran indicadores de optimización tales como: el procesamiento de tiempo, la calidad y el coste. Sin embargo, hoy en día los gobiernos y los empresarios están interesados también en el control del consumo de energía debido al aumento de la demanda y del precio de los combustibles, la reducción de las reservas de materias primas energéticas y la creciente preocupación por el calentamiento global. En esta tesis, hemos desarrollado nuevas técnicas de búsqueda metaheurística para modelar y resolver el problema JSMS. La robustez es una característica común en los problemas de la vida real. Un sistema persiste si permanece en funcionamiento y mantiene sus principales características a pesar de las perturbaciones continuas, cambios o incidencias. Hemos desarrollado una técnica para resolver el problema JSO(n, p) con el objetivo de obtener soluciones robustas y optimizadas. Hemos desarrollado un modelo dual para relacionar los criterios de optimalidad con el consumo de energía y la robustez/estabilidad en el problema JSMS. Este modelo se ha desarrollado para proteger a las tareas dinámicas contra incidencias, con el fin de obtener soluciones sólidas y que tengan en cuenta el consumo de la energía. El modelo dual propuesto ha sido evaluado con un algoritmo memético para comparar el comportamiento frente al modelo original. En el problema JSMS hay una relación entre la eficiencia energética, la robustez y el makespan. Por lo tanto, se estudia la relación entre estos tres objetivos. Se desarrollan fórmulas analíticas para representar la relación estimada entre estos objetivos. Los resultados muestran el equilibrio entre makespan y robustez, y la relación directa entre la robustez y eficiencia energética. Para reducir el makespan, el consumo de energía tiene que ser aumentado para poder procesar las tareas más rápido. Cuando el consumo de energía es bajo, debido a que las máquinas no están trabajando a la velocidad más alta, si una incidencia aparece, la velocidad de estas máquinas puede ser aumentada con el fin de recuperar el tiempo perdido por la incidencia. Por lo tanto la robustez está directamente relacionada con el consumo de energía. Además, la robustez también está directamente relacionada con el makespan porque, cuando el makespan aumenta hay más huecos en la solución, que en caso de surgir incidencias, estas pueden ser absorbidas por estos buffers naturales. La combinación de robustez y estabilidad da un valor añadido debido a que si una incidencia no puede ser absorbida directamente por la tarea interrumpida, esta puede ser reparada mediante la participación un pequeño número de tareas.En este trabajo se proponen dos técnicas diferentes para gestionar el rescheduling sobre el problema JSMS. Este trabajo representa un avance en el estado del arte en los problemas de scheduling y en el problema donde el consumo de energía p / [CAT] Molts dels problemes industrials es poden modelar com un problema de scheduling on alguns recursos són assignats a tasques a fi de minimitzar el temps de finalització, per a reduir l'ús dels recursos, el temps d'inactivitat, etc. Existeixen diversos tipus de problemes de scheduling que intenten representar diferents situacions que poden aparèixer en els problemes del món real. Job-Shop scheduling (JSP) és el problema més utilitzat. En JSP hi ha diferents treballs, cada treball té diferents tasques i aquestes tasques han de ser executades per diferents màquines. JSP pot ser estès a altres problemes amb la finalitat de simular una major quantitat de problemes reals. En aquest treball s'ha utilitzat el problema job shop scheduling amb operadors JSO(n, p), on cada tasca també ha de ser assistida per un operador d'un conjunt limitat d'ells. A més, hem ampliat el clàssic problema JSP a un problema on les màquines poden consumir diferents quantitats d'energia per a processar tasques a diferents velocitats (JSMS). Els problemes de scheduling consideren indicadors d'optimització tals com: el processament de temps, la qualitat i el cost. No obstant açò, avui en dia els governs i els empresaris estan interessats també amb el control del consum d'energia a causa de l'augment de la demanda i del preu dels combustibles, la reducció de les reserves de matèries primeres energètiques i la creixent preocupació per l'escalfament global. En aquesta tesi, hem desenvolupat noves tècniques de cerca metaheurística per a modelar i resoldre el problema JSMS. La robustesa és una característica comuna en els problemes de la vida real. Un sistema persisteix si continua en funcionament i manté les seues principals característiques malgrat les pertorbacions contínues, canvis o incidències. Hem desenvolupat una tècnica per a resoldre el problema JSO(n, p) amb l'objectiu d'obtenir solucions robustes i optimitzades. Hem desenvolupat un model dual per a relacionar els criteris de optimalidad amb el consum d'energia i la robustesa/estabilitat en el problema JSMS. Aquest model s'ha desenvolupat per a protegir a les tasques dinàmiques contra incidències, amb la finalitat d'obtenir solucions sòlides i que tinguen en compte el consum de l'energia. El model dual proposat ha sigut evaluat amb un algorisme memético per a comparar el comportament front un model original. En el problema JSMS hi ha una relació entre l'eficiència energètica, la robustesa i el makespan. Per tant, s'estudia la relació entre aquests tres objectius. Es desenvolupen fórmules analítiques per a representar la relació estimada entre aquests objectius. Els resultats mostren l'equilibri entre makespan i robustesa, i la relació directa entre la robustesa i l'eficiència energètica. Per a reduir el makespan, el consum d'energia ha de ser augmentat per a poder processar les tasques més ràpid. Quan el consum d'energia és baix, a causa que les màquines no estan treballant a la velocitat més alta, si una incidència apareix, la velocitat d'aquestes màquines pot ser augmentada amb la finalitat de recuperar el temps perdut per la incidència. Per tant la robustesa està directament relacionada amb el consum d'energia. A més, la robustesa també està directament relacionada amb el makespan perquè, quan el makespan augmenta hi ha més buits en la solució, que en cas de sorgir incidències, aquestes poden ser absorbides per els buffers naturals. La combinació de robustesa i estabilitat dóna un valor afegit a causa de que si una incidència no pot ser absorbida directament per la tasca interrompuda, aquesta pot ser reparada mitjançant la participació d'un xicotet nombre de tasques. En aquest treball es proposen dues tècniques diferents per a gestionar el rescheduling sobre el problema JSMS. Aquest treball representa un avanç en l'estat de l'art en els problemes de scheduling i, en particular, en el problema on el consum d'energia pot ser controlat per / Escamilla Fuster, J. (2016). Eficiencia Energética y Robustez en Problemas de Scheduling [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64062 / TESIS

So far the optimization of integration processes between heterogeneous data sources is still an open challenge. A first step towards sufficient techniques was the specification of a universal benchmark for integration systems. This DIPBench allows to compare solutions under controlled conditions and would help generate interest in this research area. However, we see the requirement for providing a sophisticated toolsuite in order to minimize the effort for benchmark execution. This demo illustrates the use of the DIPBench toolsuite. We show the macro-architecture as well as the micro-architecture of each tool. Furthermore, we also present the first reference benchmark implementation using a federated DBMS. Thereby, we discuss the impact of the defined benchmark scale factors. Finally, we want to give guidance on how to benchmark other integration systems and how to extend the toolsuite with new distribution functions or other functionalities.

Esta dissertação estuda o problema da programação de operações em sistemas job shop de manufatura onde itens com estruturas de materiais são produzidos a partir de componentes fabricados e montados. Tais sistemas são denominados assembly shops. O caso geral do problema de programação de operações em sistemas job shop, no qual não existem restrições quanto ao número de operações a serem programadas nem quanto ao número de máquinas a serem alocadas, é considerado, até o presente momento, intratável do ponto de vista computacional devido à explosão combinatória inerente ao processo de programação, independente da escolha do critério de desempenho. Isto significa dizer que não existe nenhum método eficiente de programação que resolva globalmente instâncias de porte real do problema dentro de um tempo computacional considerado satisfatório. Devido a este fato, nas últimas três décadas, diversos métodos aproximados e heurísticos foram propostos e avaliados para o problema. Nesta pesquisa, é proposto e avaliado um novo método heurístico de programação. Fundamentado na pressuposição de que a melhoria na sincronização de operações de montagem em sistemas assembly shop leva ao melhor atendimento de datas de entrega de pedidos, o método implementa duas abordagens de programação: uma abordagem backward que satisfaz completamente as datas de entrega e outra forward que satisfaz completamente a restrição de capacidade de máquina. Ambas trabalham iterativamente dentro de dois modelos de simulação do sistema de produção um determinístico e outro probabilístico na busca pela melhoria da sincronização das operações e no atendimento das datas de entrega. Os resultados experimentais demonstraram que o desempenho do novo método foi em média melhor que os dos métodos não iterativos (regras) avaliados e tão bom quanto o desempenho do melhor método não iterativo (regra) testado. / This dissertation studies the problem of scheduling operations in manufacturing job shop environments where items with bill of materials are made of many fabricated and assembled components. Such systems are known as assembly shops. The general job shop scheduling problem, which no restrictions exist neither for the number of operations to be scheduled nor for the number of machines to be allocated, is considered at the present date intractable from the computational point of view, whatever the performance criterion used, due to the combinatorial explosion inherent to the scheduling process. It means that there is not an efficient computational method that solves globally real size instances of the problem within a satisfactory period of time. Due to this fact, in the last three decades several approximated and heuristic methods were created and evaluated for the problem. This research proposes and evaluate a new heuristic method which is based on the assumption that the improvement in operations synchronization at the assembly stations brings forth better achievement of due dates. The method implements two scheduling approaches: a backward approach satisfying due date completely and a forward approach satisfying capacity restriction completely. The two approaches work iteratively within two different simulation models of the production system one deterministic e other probabilistic in searching for operations synchronization improvement and due date achievement. The experimental results have shown the new method was better than the single-pass methods (rules) on average and as good as the better single-pass method (rule) tested.

With the widely use of software technique in everyday applications, the correctness of software becomes more and more important. Formal verification is an important method to improve the correctness of software. However, it mainly takes formal languages as its modeling languages, which are based on mathematical logic, automata or graph theory, hard for learning and domain description. That hinders the applications of formal verification in industry. This dissertation investigates the design and practice of domain modeling and verification language EDOLA, to possess all the features of the usability for domain description, reusability and automatic verification. It proposes a three-level design method with the domain knowledge level, the common module level and the verification support level. The main contributions are summarized as follows: 1. In the domain knowledge level, the extraction and representation methods of the domain knowledge on both job-shop scheduling and PLC control software are proposed. It defines domain-specific operators of the job-shop scheduling problem, timed Petri net, etc. for the job-shop scheduling description. It also defines the operators of the scan cycle pattern, the complete environment pattern and five kinds of verification requests for the PLC domain description. It presents the formal semantics of the defined domain-specific operators, for the further EDOLA definition and its automatic verification. 2. In the common module level, the method to define common operators is presented with real-time as an example for common knowledge. It proposes two kinds of basic time operators and four advanced ones, which help EDOLA to describe real-time features easily and make the reusability of EDOLA design among time-sensitive domains possible. 3. In the verification support level, it presents a properties-oriented abstraction strategy, which reduces the state space and exploring space during automatic verifi- cation. It then formulates the encoding rules from EDOLA to first-order logic, thus implements the verification of the models with infinite states, with the help of first-order logic automatic theorem provers. 4. A prototype of the PLC domain modeling and verification language: EDOLA-PLC are developed and its tools are implemented. The tools provide an EDOLA-PLC editor and a compiler with the functionalities like syntax checking, semantics checking and translation-based automatic verification. 5. A case study of the EDOLA-PLC language on a dock fire-fighting control system is presented. It indicates that EDOLA-PLC is easy to describe both the PLC domain knowledge and the properties to be verified; is easy to describe the common knowledge: real-time and can be verified automatically. The results show that the abstraction strategy adopted in the verification support level of EDOLA-PLC improves the efficiency of automatic verification.

Los problemas de scheduling aparecen con profusión en la vida real en numerosos entornos productivos y de servicios. Se trata de problemas que requieren organizar en el tiempo la ejecución de tareas que compiten por el uso de un conjunto finito de recursos y que están sujetas a un conjunto de restricciones impuestas por factores como las características físicas del entorno, relaciones temporales o la normativa laboral. Además se trata de optimizar uno o varios criterios que se representan mediante funciones objetivo y que están relacionados normalmente con el coste, el beneficio o el tiempo de ejecución.Algunos ejemplos de problemas de esta naturaleza son los siguientes:· Fabricación de obleas para circuitos semiconductores, donde cada oblea precisa de una serie de tareas como limpieza, oxidación, metalización, etc. El objetivo puede maximizar la utilización de algunas máquinas que son cuello de botella o minimizar el tiempo de ejecución.· Planificar el aterrizaje de un conjunto de aviones sujetos a restricciones temporales que dependen de las características de los aviones. Los objetivos pueden ser minimizar la penalización por desvío con respecto al tiempo preferente de los aviones o maximizar las condiciones de seguridad.· Planificar las rutas de flotas de autobuses, donde se trata de optimizar la ocupación de los vehículos y de ajustar los turnos de los conductores de acuerdo con la normativa laboral.· Enrutamiento de paquetes de datos a través líneas de comunicación, donde se trata de maximizar el uso de la red y de minimizar los tiempos de llegada de los mensajes.Dado que estos problemas son de naturaleza combinatoria, es decir que hay que elegir una entre un conjunto exponencialmente grande de combinaciones posibles, los problemas de scheduling precisan de algoritmos de búsqueda inteligentes para encontrar soluciones aceptables en un tiempo razonable. Así, en la literatura se pueden encontrar aproximaciones a los problemas de scheduling basadas en prácticamente todas las metaheurísticas conocidas y en particular en los algoritmos de búsqueda heurística propios de áreas como la Investigación Operativa y la Inteligencia Artificial.En esta tesis nos centramos en el problema Job Shop Scheduling y en la técnica de búsqueda heurística en espacios de estados. Nuestro objetivo es diseñar estrategias que resulten eficaces y eficientes para diferentes funciones objetivo, tanto para encontrar soluciones exactas, cuando el tamaño del problema lo permita, como para obtener soluciones aproximadas para instancias mayores. La función objetivo a la que los investigadores han prestado mayor atención es sin duda el makespan, o tiempo de finalización de la última tarea. Las propiedades de esta versión del problema son muy bien conocidas y han permitido desarrollar métodos exactos y aproximados muy eficientes que se basan en el concepto de camino crítico. El inconveniente de estos métodos es que no se generalizan de forma eficiente para otras funciones objetivo como el tiempo de flujo total o el tardiness.La aportación principal de esta tesis es la formalización de un método de poda basado en relaciones de dominancia entre los estados del espacio de búsqueda que se puede aplicar en principio a todas las funciones objetivo convencionales. Aunque el método no resulta competitivo con los métodos basados en el camino crítico cuando se trata de minimizar el makespan, sí lo es con los métodos que no están basados en el camino crítico y que son generalizables a otras funciones objetivo. Para funciones objetivo como el tiempo de flujo total, los resultados experimentales que hemos realizado sobre bancos de ejemplos estándar demuestran que el método es competitivo con otros métodos del estado del arte tanto para obtener soluciones óptimas como sub-óptimas.

In this thesis, the Job Shop Scheduling Problem (JSSP) is the problem of interest. The classical JSSP is well-known as an NP-hard problem. Although with current computational capabilities, the small problems are solvable using deterministic methods, it is out of reach when they are larger in size. The complexity of JSSP is further increased when process interruptions, such as machine breakdown and/or machine unavailability, are introduced. Over the last few decades, several stochastic algorithms have been proposed to solve JSSPs. However, none of them are suitable for all kinds of problems. Genetic and Memetic algorithms have proved their effectiveness in these regards, because of their diverse searching behavior. In this thesis, we have developed one genetic algorithm and three different Memetic Algorithms (MAs) for solving JSSPs. Three priority rules are designed, namely partial re-ordering, gap reduction and restricted swapping, and these have been used as local search techniques in designing our MAs. We have solved 40 well-known benchmark problems and compared the results obtained with some of the established algorithms available in the literature. Our algorithm clearly outperforms those established algorithms. For better justification of the superiority of MAs over GA, we have performed statistical significance testing (Student's t-test). The experimental results show that MA, as compared to GA, not only significantly improves the quality of solutions, but also reduces the overall computation. We have extended our work by proposing an improved local search technique, shifted gap-reduction (SGR), which improves the performance of MAs when tested with the relatively difficult test problems. We have also modified the new algorithm to accommodate JSSPs with machine unavailability and also developed a new reactive scheduling technique to re-optimize the schedule after machine breakdowns. We have considered two scenarios of machine unavailability. Firstly, where the unavailability information is available in advance (predictive), and secondly, where the information is known after a real breakdown (reactive). We show that the revised schedule is mostly able to recover if the interruptions occur during the early stages of the schedules. We also confirm that the effect of a single continuous breakdown has more impact compared to short multiple breakdowns, even if the total durations of the breakdowns are the same. Finally, for convenience of implementation, we have developed a decision support system (DSS). In the DSS, we have built a graphical user interface (GUI) for user friendly data inputs, model choices, and output generation. This DSS tool will help users in solving JSSPs without understanding the complexity of the problem and solution approaches, as well as will contribute in reducing the computational and operational costs.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:36:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2138461 bytes, checksum: b91d7f14f64fd9d32fd38aee2b19b970 (MD5) Previous issue date: 2010-07-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work approaches the problem of the tasks scheduling (Job Shop Scheduling) through the combination of the GRASP and Tabu Search metaheuristics. The study consists of using the GRASP (Greedy Randomized Adaptive Search Procedure) in the construction phase of the initial solution, suggesting for that, a specific procedure based on Coffman Gramah algorithm. However, such procedure was the great differential in this study, since it offers an initial solution qualitatively better, what allows the reduction of the local search time, where it was utilized the Tabu Search metaheuristic in the local search phase, which provided best results when it was compared with other metaheuristics that have the same structural base. The combination GRASP and Tabu Search were evaluated under two differentiated implementations, being one with Tabu Search in its form more simplified and another one with Tabu Search developing a process of optimized search, using an aditional mathematical model, which demonstrated great advancements in relation at processing time and the obtained results. The computational results, when compared with the existing ones in literature, they had shown that GRASP and Tabu Search combination are capable to produce good solutions. / Este trabalho aborda o problema de escalonamento de tarefas (Job Shop Scheduling) através da combinação das metaheurísticas GRASP e Busca Tabu. O estudo consiste em utilizar o GRASP na fase de construção da solução inicial, sugerindo, para tanto, um procedimento específico baseado no algoritmo de Coffman Gramah. Tal procedimento foi o grande diferencial deste trabalho, visto que oferece uma solução inicial qualitativamente superior, permitindo a redução do tempo de busca local, onde foi utilizada a metaheurística Busca Tabu, a qual demonstrou proporcionar melhores resultados, comparando-se com outras metaheurísticas que seguem a mesma base estrutural. A combinação GRASP e Busca Tabu foi avaliada sob duas implementações diferenciadas, sendo uma com a Busca Tabu em sua forma mais simplificada e outra com a Busca Tabu desenvolvendo um processo de busca otimizada com o auxílio de um modelo matemático , a qual demonstrou grandes progressos quanto ao tempo de processamento e a obtenção de resultados. Os resultados computacionais obtidos, quando comparados com os existentes na literatura, mostraram que a combinação GRASP e Busca Tabu é capaz de produzir boas soluções.