[pt] O Planejamento de Trens é de grande importância para o transporte de carga geral das ferrovias. O planejamento deve contemplar quais trens irão circular, suas frequências, quais as rotas atendidas e os vagões que irão compor cada trem. Na presente dissertação, é proposto um modelo de programação inteira mista para a otimização do Planejamento de Trens de Carga Geral, buscando minimizar os custos envolvidos na criação e operação dos trens. O modelo foi aplicado em uma ferrovia brasileira de transporte de cargas no planejamento de 12 períodos. O modelo foi rodado com tempo de processamento médio de 15 horas, tempo este considerado aceitável por se tratar de um problema tático que define os trens do próximo período de planejamento. Quando comparado com os dados reais, o modelo gerou uma redução média de 10,1 por cento nos custos de operação dos trens. O planejamento proposto gerou uma melhor utilização das conexões dos vagões para evitar a criação de trens com baixa ocupação, reduzindo assim os custos. Os resultados também proporcionaram aos planejadores de trens da ferrovia uma maior velocidade nas análises, que hoje são realizadas manualmente, possibilitando uma melhor visão de quais trens deveriam ser criados para os perfis de demanda de cada período. / [en] Train Planning is of great importance for the transportation of general carload in railroad. The planning must contemplate which trains should run, their frequencies, which routes will be served and the cars that will compose each train. In this dissertation, a mixed integer programming model is proposed to optimize the planning of general carloads trains, seeking to minimize the costs involved in the creation and operation of the trains. The model was applied to a Brazilian freight railway in the planning of 12 periods. The model was run with an average processing time of 15 hours, a time considered acceptable because it deals with a tactical problem that defines the trains of the next planning period. When compared to the actual data, the model generated an average reduction of 10.1 per cent in the costs of operating the trains. The proposed planning generated a better use of the wagon connections to avoid the creation of trains with low occupancy, thus reducing costs. The results also provided railroad train planners with greater speed in the analyzes, which today are carried out manually, allowing a better view of which trains should be created for the demand profiles of each period.

[pt] O problema geral de minimizar os custos operativos de um sistema de potência mediante escolha acertada de geração ativa e reativa, é formulado como um problema matemático de programação não linear. O problema geral é particularizado para o de minimização das perdas ativas em transmissão, com decisões judiciosas quanto a geração de potência reativa e posicionamento de taps de transformadores. Rotinas computacionais eficientes baseadas na resolução do fluxo de potência pelo método de Newton-Raphson e nas variáveis duais (lagrangeanas) do teorema de Kuhn-Tucker são discutidas. As possibilidades de se estender o fluxo de potência com otimização de reativo para a potência ativa são também discutidas. Verifica-se que o trabalho adicional envolvido é bastante simples, resultando no problema economicamente mais importante do despacho otimizado da potência ativa e reativa. / [en] The general problem of minimizing the operating cost of a power system by proper selection of active and reactive productions is formulated as a nonlinear programming problem. The general problem is particularized to the minimization of transmission line losses by suitable selection of the reactive productions and tranformer tap settings. An efficient computational producedure based on the Newton- Raphson method for solving the power flow equations ando n the dual (lagranggian) variables of the Kuhn and Tucker theorem is discussed. The possibilities of extending the optimum reactive power flow to consider the real power are also discussed. The extra work to be done is very simple, resulting in the economically more important problem of combined active and reactive dispatch optimication.

[pt] A Programação Genética permite que computadores resolvam problemas automaticamente, sem que eles tenham sido programados para tal. Utilizando a inspiração no princípio da seleção natural de Darwin, uma população de programas, ou indivíduos, é mantida, modificada baseada em variação genética, e avaliada de acordo com uma função de aptidão (fitness). A programação genética tem sido usada com sucesso por uma série de aplicações como projeto automático, reconhecimento de padrões, controle robótico, mineração de dados e análise de imagens. Porém, a avaliação da gigantesca quantidade de indivíduos gerados requer excessiva quantidade de computação, levando a um tempo de execução inviável para problemas grandes. Este trabalho explora o alto poder computacional de unidades de processamento gráfico, ou GPUs, para acelerar a programação genética e permitir a geração automática de programas para grandes problemas. Propomos duas novas metodologias para se explorar a GPU em programação genética: compilação em linguagem intermediária e a criação de indivíduos em código de máquina. Estas metodologias apresentam vantagens em relação às metodologias tradicionais usadas na literatura. A utilização de linguagem intermediária reduz etapas de compilação e trabalha com instruções que estão bem documentadas. A criação de indivíduos em código de máquina não possui nenhuma etapa de compilação, mas requer engenharia reversa das instruções que não estão documentadas neste nível. Nossas metodologias são baseadas em programação genética linear e inspiradas em computação quântica. O uso de computação quântica permite uma convergência rápida, capacidade de busca global e inclusão da história passada dos indivíduos. As metodologias propostas foram comparadas com as metodologias existentes e apresentaram ganhos consideráveis de desempenho. Foi observado um desempenho máximo de até 2,74 trilhões de GPops (operações de programação genética por segundo) para o benchmark Multiplexador de 20 bits e foi possível estender a programação genética para problemas que apresentam bases de dados de até 7 milhões de amostras. / [en] Genetic Programming enables computers to solve problems automatically, without being programmed to it. Using the inspiration in the Darwin s Principle of natural selection, a population of programs or individuals is maintained, modified based on genetic variation, and evaluated according to a fitness function. Genetic programming has been successfully applied to many different applications such as automatic design, pattern recognition, robotic control, data mining and image analysis. However, the evaluation of the huge amount of individuals requires excessive computational demands, leading to extremely long computational times for large size problems. This work exploits the high computational power of graphics processing units, or GPUs, to accelerate genetic programming and to enable the automatic generation of programs for large problems. We propose two new methodologies to exploit the power of the GPU in genetic programming: intermediate language compilation and individuals creation in machine language. These methodologies have advantages over traditional methods used in the literature. The use of an intermediate language reduces the compilation steps, and works with instructions that are well-documented. The individuals creation in machine language has no compilation step, but requires reverse engineering of the instructions that are not documented at this level. Our methodologies are based on linear genetic programming and are inspired by quantum computing. The use of quantum computing allows rapid convergence, global search capability and inclusion of individuals past history. The proposed methodologies were compared against existing methodologies and they showed considerable performance gains. It was observed a maximum performance of 2,74 trillion GPops (genetic programming operations per second) for the 20-bit Multiplexer benchmark, and it was possible to extend genetic programming for problems that have databases with up to 7 million samples.

[pt] O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma formulação e um sistema que seja uma ferramenta auxiliar para o engenheiro de projeto na definição de modelos de bielas e tirantes de estruturas bi-dimensionais. No sistema desenvolvido o usuário pode partir de um modelo complexo, com um número grande de barras nas mais variadas direções. Essa solução inicial pode se basear nos resultados em tensão de uma análise linear elástica por elementos finitos e na experiência do projetista. Todavia, como o usuário terá muitas dúvidas quanto ao melhor modelo as ser usado, ele pode superpor no modelo inicial todas as soluções que achar possíveis. A função do sistema é escolher entre todas as soluções admissíveis (aquelas que respeitam equilíbrio e resistência) a que for mais econômica. Define-se como solução mais econômica aquela que corresponder ao menor consumo de armadura. A formulação do problema conduz a um problema de Programação Linear (PL) e o programa LINDO [2] é utilizado para resolvê-lo. A visualização do modelo é também parte do sistema desenvolvido e é feito a partir dos resultados gerados pelo programa LINDO. O trabalho se divide basicamente em três partes. Na primeira parte é feita uma revisão sobre modelos de bielas e tirantes e sobre fundamentos de programação linear. A segunda parte consta da formulação do problema e por ultimo os resultados do programa são comparados com aqueles fornecidos pela literatura. A ferramenta desenvolvida neste trabalho pode ser de grande utilidade para a definição de modelos de bielas e tirantes mas ela nem de longe tem a pretensão de substituir a experiência, a intuição e o bom senso do engenheiro de projeto que deve sempre prevalecer, inclusive na análise crítica dos resultados do programa. / [en] The present work has the aim of developing a formulation and a computational system, which should be used by the structural engineers an auxiliary tool in the definition of strut and tie models of bidimensional structures. In the developed system the user can define initially a very complex system with a great number of bars and many different directions. This initial solution can be based on both the stress results of a linear elastic finite element analysis and the experience of the engineer. As the user may be in doubt about the best model to be used he may superimpose in the initial model all the allowable solutions he may find. The aim of the system is to choose among all the allowable solution (these ones wich satisfy equilibrium and strenght) the more economical one. As more economical solution is considered the one which correspond to the least consumption of reinforcement. The problem formulation leads to a linear programming problem (LP) and the LINDO program [2] is used for solving it. The visualization of the model and results is also part of the system. It is based on the data generated by the LINDO program. The work is basicaly divided in three parts. In the first one a revision about strut and tie models as well as the basic knowledge in linear programming is presented. In the second part the problem formulation is shown and the last the results of the program are compared with those old the technical literature. The computational tool presented here may be of great utility in the definition of strut and tie models, but it has not by far the intention and the feeling of the engineers which shall ever prevail, inclusive in the critic analysis of the program results. / [es] El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar un sistema que sirva como herramienta auxiliar para el ingeniero de proyecto en la definición de modelos de bielas y tirantes de extructuras bidimensionales. En el sistema desarrollado, el usuario puede partir de un modelo complejo, con un número grande de barras en varias direcciones. Esa solución inicial puede basearse en los resultados en tensión de un análisis lineal elástica por elementos finitos y en la experiencia del proyectista. Como el usuario tendrá muchas dudas respecto al mejor modelo as ser usado, él puede superponer en el modelo inicial todas las soluciones que juzgue posibles. La función del sistema es elegir entre todas las soluciones admisibles (aquellas que respetan equilibrio y resistencia) la que sea más económica. Se define como solución más económica aquella que correspdonda al menor consumo de armadura. La formulación del problema conduce a un problema de Programación Lineal (PL) que es resuelto con ayuda del programa LINDO [2]. La visualización del modelo también es parte del sistema desarrollado y parte de los resultados generados por el programa LINDO. El trabajo se divide básicamente en tres partes. En la primeira parte se realiza una revisión de los modelos de bielas y tirantes y de los fundamentos de programación lineal. La segunda parte contiene la formulación del problema y la presentación de los resultados del programa se comparan con los reportados en la literatura. La herramienta desarrollada en este trabajo puede ser de gran utilidad para la definición de modelos de bielas y tirantes pero no tiene la pretensión de substituir la experiencia, la intuición y el buen senso del ingeniero de proyecto que debe siempre prevalecer, incluso en el análisis crítico de los resultados del programa.

[pt] A indústria de petróleo no Brasil ganhou um novo dinamismo com a recente descoberta de grandes reservas petrolíferas em águas profundas. No horizonte 2011-2015 são previstos inúmeros investimentos na cadeia produtiva de petróleo para suportar a dimensão desta nova operação. Diante deste contexto, o apoio à tomada de decisões de investimento na cadeia logística downstream da indústria de petróleo ganha particular importância e o uso de um instrumento de análise que comporte sua complexidade passa a ser fundamental. Dessa forma, a presente dissertação propõe um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que foi desenvolvido para permitir a avaliação de diferentes alternativas de investimento na rede logística existente, sejam elas em expansão das capacidades de transporte, de movimentação, de atracação ou de estocagem. Estas funcionalidades do modelo foram avaliadas através de dois estudos de caso que fazem uso de dados reais da malha logística brasileira de petróleo e derivados. O primeiro estudo avalia a viabilidade do projeto de ampliação de trechos de um duto que abastece diversas bases de distribuição e expõe a interdependência no investimento em cada um deles. Já o segundo avalia as sinergias nos projetos de ampliação da capacidade de movimentação em um terminal marítimo e de aumento da capacidade de transporte do duto que liga este a uma base de distribuição. Em ambos os estudos foi realizada uma análise de sensibilidade do Valor Presente Líquido do projeto em relação ao seu custo de investimento, permitindo fundamentar a escolha do decisor. / [en] The oil industry in Brazil has gained new momentum with the recent discovery of large oil reserves in deep waters. Between 2011 and 2015 numerous investments in the oil production chain are expected in order to support the scale of this new operation. Given this context, investment decisions in the oil industry downstream supply chain gain importance and the use of an analytic tool that encompasses its complexity becomes crucial. Thus, this master thesis proposes a mixed linear programming model (MILP) that was developed to allow evaluation of different investment alternatives in the existing logistics network, whether they approach expanding the transportion, berthing, handling or storage capacities. These features of the model were evaluated through two case studies that use real data of the Brazilian oil and derivatives logistic network. The first case study evaluates the feasibility of the project to expand sections of a pipeline that supplies several distribution centers and exposes the interdependence of investment in each one of them. The second case study evaluates the synergies in two projects: the first one to expand the berthing capacity of vessels in a marine terminal and the second to increase the transport capacity of the pipeline linking it to a distribution center. In both studies a sensitivity analysis of Net Present Value of the project relative to its investment cost was performed, allowing to justify the choice of the decision-maker.

[pt] Nesta tese de doutorado, é proposta uma combinação híbrida de métodos preditivos que agrega cinco abordagens distintas e genéricas, do ponto de vista de modelagem: método SSA; decomposição wavelet; redes neurais artificiais; programação matemática multiobjetivo MINIMAX, com abordagem de programação por metas; e método de simulação de quase Monte-Carlo. Para exemplificar e demonstrar a eficiência da combinação híbrida proposta, são mostrados, no Capítulo 7, os principais resultados de uma aplicação computacional, no qual é possível verificar que o seu desempenho, em termos de modelagem, foi consideravelmente superior, em relação a todas as estatísticas de aderência consideradas. / [en] In this thesis, we propose a hybrid combination of predictive methods that aggregates five distinct and general approaches, from the viewpoint of modeling: SSA method; wavelet decomposition, artificial neural networks, multiobjective mathematical programming MINIMAX, with goal programming approach; quasi- Monte-Carlo simulation method. To exemplify and demonstrate the efficiency of the proposed hybrid combination are shown, in Section 7, the main results of a computer application in which you can verify that their performance, in terms of modeling, was significantly higher, compared to all considered adherence statistics.

[pt] Esta tese investiga e desenvolve algoritmos baseados em relaxação Lagrangiana e técnica de desagregação multiparamétrica normalizada para resolver problemas não convexos de programação inteira-mista quadrática com restrições quadráticas. Primeiro, é realizada uma revisão de técnias de relaxação para este tipo de problema e subclasses do mesmo. Num segundo momento, a técnica de desagregação multiparamétrica normalizada é aprimorada para sua versão reformulada onde o tamanho dos subproblemas a serem resolvidos tem seu tamanho reduzido, em particular no número de variáveis binárias geradas. Ademais, dificuldas em aplicar a relaxação Lagrangiana a problemas não convexos são discutidos e como podem ser solucionados caso o subproblema dual seja substituído por uma relaxação não convexa do mesmo. Este método Lagrangiano modificado é comparado com resolvedores globais comerciais e resolvedores de código livre. O método proposto convergiu em 35 das 36 instâncias testadas, enquanto o Baron, um dos resolvedores que obteve os melhores resultados, conseguiu convergir apenas para 4 das 36 instâncias. Adicionalmente, mesmo para a única instância que nosso método não conseguiu resolver, ele obteve um gap relativo de menos de 1 por cento, enquanto o Baron atingiu um gap entre 10 por cento e 30 por cento para a maioria das instâncias que o mesmo não convergiu. / [en] This thesis investigates and develops algorithms based on Lagrangian relaxation and normalized multiparametric disaggregation technique to solve nonconvex mixed-integer quadratically constrained quadratic programming. First, relaxations for quadratic programming and related problem classes are reviewed. Then, the normalized multiparametric disaggregation technique is improved to a reformulated version, in which the size of the generated subproblems are reduced in the number of binary variables. Furthermore, issues related to the use of the Lagrangian relaxation to solve nonconvex problems are addressed by replacing the dual subproblems with convex relaxations. This method is compared to commercial and open source off-the-shelf global solvers using randomly generated instances. The proposed method converged in 35 of 36 instances, while Baron, the benchmark solver that obtained the best results only converged in 4 of 36. Additionally, even for the one instance the methods did not converge, it achieved relative gaps below 1 percent in all instances, while Baron achieved relative gaps between 10 percent and 30 percent in most of them.

[pt] Na indústria do petróleo e gás, uma das atividades de maior importância é a intervenção em poços para serviços de manutenção, a qual é necessária para garantir a produção de petróleo. Estas intervenções são realizadas por sondas workover que são disponibilizadas para atender uma grande quantidade de poços segundo um itinerário. Nesta tese são propostos três modelos de programação linear inteira para abordar eficientemente o problema de intervenção em poços terrestres de petróleo. O primeiro modelo determina o itinerário de um conjunto de sondas homogêneas, visando minimizar a perda total de produção. Este modelo é um aprimoramento do modelo proposto por Costa e Ferreira Filho (2004). O segundo modelo é uma extensão do anterior e considera também o dimensionamento de uma frota de sondas heterogênea, procurando minimizar o custo de perda de produção e o custo de aluguel de sondas. O terceiro modelo é uma abordagem estocástica que estende o segundo modelo e consiste em dimensionar uma frota de sondas considerando o tempo de intervenção incerto. A incerteza do tempo de intervenção é representada mediante a geração de cenários, usando para este fim os métodos de Monte Carlo, Redução de Cenários e Quasi-Monte Carlo. Os testes de estabilidade propostos por Kaut e Wallace (2003) são aplicados para avaliar os métodos de geração de cenários e estabelecer o número de cenários adequados para resolver o problema. Para avaliar o desempenho dos modelos propostos, diversos experimentos computacionais foram realizados em instâncias de pequeno, médio e grande porte. Todas as instâncias são baseadas em casos reais no Brasil. Os resultados mostram que os modelos propostos foram capazes de resolver todas as instâncias utilizadas, inclusive aquelas de grande porte, demonstrando serem eficientes quando comparadas com várias metaheurísticas, pois produzem soluções exatas em um curto tempo computacional. Uma análise do impacto nas soluções quando ocorre uma mudança no preço de petróleo e no horizonte de planejamento também é realizada. A metodologia de resolução empregada no terceiro modelo mostrou que o método Quasi-Monte Carlo proporcionou os melhores cenários para representar a incerteza e também o potencial do modelo para resolver problemas de grande porte. / [en] In the oil and gas industry, one of the most important activities is the intervention in wells for maintenance services, which is necessary to ensure the production of oil. These interventions are performed by workover rigs that are available to serve a large number of wells according to a schedule. In this thesis, we proposed three integer linear programming models to efficiently address the problem of intervention in onshore oil wells. The first model determines the schedule of a set of homogeneous rigs, with the objective of minimizing the total production loss. This model is an improvement of the model proposed by Costa and Ferreira Filho (2004). The second model is an extension of the previous one and also considers the sizing of a heterogeneous rig fleet, with the objective of minimizing the production loss cost and the rig rental cost. The third model is a stochastic approach that extends the second model and consists of sizing a rig fleet considering the uncertainty in the intervention time. The uncertainty in the intervention time is represented by the generation of scenarios, using for this purpose the Monte Carlo, Scenario Reduction, and Quasi-Monte Carlo methods. The stability tests proposed by Kaut and Wallace (2003) are applied to evaluate the scenario generation methods and to establish the number of appropriate scenarios to solve the problem. To evaluate the performance of the proposed models, several computational experiments were performed in small, medium and large instances. All instances are based on real cases in Brazil. The results show that the proposed models were able to solve all of the instances considered, including the large instances, proving to be efficient when compared to various metaheuristics, as they produce exact solutions in small computational time. An analysis of the impact on the solutions when there is a change in the oil price and the planning horizon is also carried out. The resolution methodology employed in the third model showed that the Quasi-Monte Carlo method provided the best scenarios to represent the uncertainty and also the potential of the model to solve large-scale problems.

[pt] A dissertação aborda um problema real de reprogramação de uma frota de embarcações do tipo PLSV (Pipe Laying Support Vessel), responsáveis pelas interligações de poços petrolíferos submarinos. O cronograma de curto prazo dessas embarcações está sujeito à inúmeras incertezas inerentes às operações realizadas, acarretando em ociosidade nas embarcações ou postergações na produção de petróleo, que podem resultar em prejuízo de milhões de reais. Uma metaheurística ILS (Iterated Local Search) é proposta para atender a frequente demanda por reprogramações dos PLSVs. O método é composto de uma fase inicial de viabilização, para tratar potenciais inconsistências nas programações. Na sequência, iterativamente, são realizadas perturbações na solução por meio de movimentos de swap e aplicada uma busca local baseada na vizinhança insert, a fim de fugir de ótimos locais e encontrar soluções que aprimorem o cronograma. Foram feitos experimentos com diferentes parâmetros e critérios do ILS, sendo definidas duas abordagens aplicadas a dez instâncias oriundas de uma programação real de PLSVs. A partir de uma função de avaliação, capaz de medir o impacto operacional na programação, o ILS proporcionou uma melhoria média nos cronogramas acima de 91 por cento, quando comparados aos cronogramas originais. As soluções foram obtidas em um tempo computacional médio de 30 minutos, aderente ao processo da companhia. Em função dos resultados alcançados, o método provou ser uma boa base para uma ferramenta de apoio à decisão para a reprogramação dos PLSVs. / [en] This dissertation addresses a real-life rescheduling problem of a Pipe Laying Support Vessels (PLSVs) fleet, in charge of subsea oil wells interconnections. The short-term schedule of these vessels is subject to uncertainties inherent to its operations, resulting in ships idleness or delays in oil production, which may lead to losses of millions of Brazilian Reais. A method based on the ILS (Iterated Local Search) metaheuristic is proposed to meet the frequent demand of PLSVs rescheduling. The first step of this method aims to find a feasible initial solution from an incoming schedule with potencial inconsistencies. The following steps consists in, iteratively, performing a perturbation on a solution through swap movements and applying a local search based on the insertion neighborhood, in order to escape from local optimal and find better solutions. Extensive preliminary experiments were conducted considering different ILS parameters setups. The two most performing setups were selected and applied to ten instances of a real PLSV schedule. Taking into account an objective function that measures the operational impact on schedules, the ILS provided an average improvement above 91 percent in schedules when compared to the original planning. These solutions were obtained in an average computational time of 30 minutes, which fits in the company process. The obtained results showed that the proposed method might be a basis for a decision support tool for the PLSVs rescheduling problem.

[pt] A Gestão Estratégica de Curto Prazo é uma abordagem gerencial que interliga as ações do dia-a-dia no chão-de-fábrica e os objetivos estratégicos das organizações, através do uso de simuladores computacionais, baseados na lógica da capacidade finita. Utilizando o simulador, o programador da produção consegue gerar cenários alternativos de programas de produção para acionar o chão-de-fábrica e avaliar os impactos de suas decisões através de diversos indicadores de desempenho. Baseada em experiências acumuladas no desenvolvimento e na implantação destes simuladores em diversas empresas, esta dissertação está organizada em duas partes. A primeira, voltada para uma dimensão tecnológica, tratando dos aspectos relevantes da modelagem de simulação para a geração de programas de produção aderentes à realidade do chão-de-fábrica. A segunda, dirigida para uma dimensão organizacional e humana, onde é proposta uma metodologia de implantação da Gestão Estratégica de Curto Prazo. Dentre os impactos do uso dessa tecnologia de gestão, identificados numa aplicação, destacam-se a redução de estoques em processo, um aumento na flexibilidade do chão-de-fábrica para acomodar variações de mix e volume da demanda e, ainda, uma redução no tempo despendido pelos planejadores para programar as atividades da fábrica. / [en] The Strategic Short-Term Shop-floor Management is a management approach that links decisions taken on a daily-basis at the shop-floor with the strategic goals of the organization, by using a finite capacity scheduling simulator. Using this system, the production planner is able to generate alternative production schedules (scenarios) for the shop-floor and to evaluate the impacts of her (his) decisions through different operational and economical performance measures. This thesis is based on the knowledge accrued in developing and implementing these simulators in different industrial sites and is organized into parts. The first part addresses a technological dimension by examining aspects of the simulation model that are relevant for generating schedules adherent to the shop-floor reality. The second part focuses on an organizational and human dimension and describes a methodology for implementing the Strategic Short- Term Shop-floor Management. Among the results obtained in an actual application of this managerial approach, the following stand out: a reduction of work-in-process, more flexibility in the shop-floor for dealing with mix and volume variations of demand, and a decrease in the time spent by planners for scheduling the plant activities.