[pt] A importância do planejamento em logística ferroviária cresce a cada dia devido ao alto custo dos investimentos para o aumento da sua capacidade. Entretanto, planejar é uma atividade que exige uma representação suficientemente precisa da realidade estudada. Neste contexto, os modelos de programação matemática apresentam-se cada vez mais adequados. Isto decorre dos recentes avanços nos algoritmos e computadores disponíveis para sua resolução. Esta dissertação apresenta modelos e algoritmos para o planejamento ferroviário tático e estratégico, isto é feito estudando o Problema de Planejamento de Atendimento (PPA). Primeiramente este problema é considerado assumindo que toda a estrutura ferroviária está definida: a malha, a tração e os vagões disponíveis, os pátios para carga, descarga e transbordo, suas respectivas taxas de carga e descarga e as demandas previstas. Em seguida, a questão adicional de determinar os pátios onde paradas podem ser efetuadas é considerada. Finalmente, em uma terceira etapa, introduz-se a capacidade de se analisar os efeitos do congestionamento de trechos da malha e seu impacto nos tempos de circulação e na capacidade da estrutura logística. Modelos são apresentados para cada um dos níveis de complexidade do PPA. Algoritmos exatos e heurísticos e técnicas de pré- processamento, foram desenvolvidos para os tratamentos dos casos obtidos. Em todos os casos, foi possível resolver de maneira ótima ou quase ótima em tempo razoável, tanto em termos acadêmicos, como para a utilização prática. Resultados computacionais sobre um amplo conjunto de instâncias reais são apresentados. / [en] Planning in Railway Logistic is an activity with growing importance. This is due to the high costs of investment to increase the railway capacity. Nevertheless, planning in this context is a cumbersome task, since a precise representation is necessary to consider most relevant points in this activity. Mathematical programming is becoming one of the best ways derive precise representations and to solve them. This is due to the recent advances on algorithms and computers used in the resolution of mathematical programming problems. This dissertation presents models and algorithms for tactical and strategical railway planning what is done by studying a demand planning problem (PPA). First, this problem is considered assuming that all the railway structure is defined: the network, the locomotives and wagons available, the yards for loading and unloading with their respective rates, and the forecast of demands. Next, the question of deciding the yards to stop is considered. Finally, in a third step, the effect of congestion in parts of the network is introduced to the models. This allows analyzing the variation in the travel times and its consequence in the logistic structure capacity. Models are presented for all cases of the PPA. Exact and heuristic algorithms, as well as pre-processing techniques, are described for the problem resolution. In all cases, the resulting approach allowed to solve the problems optimally or quasioptimally in a reasonable computing time. Computational results are presented on a wide set of real world instances.

[pt] Uma maneira de localizar uma informação em uma base de dados grande e caótica como a Internet é utilizar um índice hierárquico que respeita alguma maneira de categorizar os dados. Exemplos desta hierarquia são os serviços de diretório, comuns em sites de busca. Porém, esta abordagem pode apresentar algumas desvantagens, como a necessidade de percorrer muitas páginas até chegar em uma informação muito acessada. Uma maneira de tratar este problema é o uso de hotlinks, hyperlinks adicionais que servem como atalho em uma busca. Estudamos algoritmos eficientes para atribuir hotlinks em um diretório web, de modo a reduzir o número máximo ou o número médio de acessos em uma busca. Fornecemos para o problema de minimização do número máximo de acessos um algoritmo (14/3)-aproximado e um algoritmo polinomial exato baseado em programação dinâmica. Por outro lado, para o problema de minimizar o número médio de acessos, adaptamos o algoritmo exato do problema anterior. Entretanto, este algoritmo adaptado é polinomial apenas para sites representados por árvores com altura O(log n). Por isso, introduzimos um parâmetro que permite ao usuário reduzir o tempo de execução em detrimento da qualidade da solução. Para este problema de minimizar o número médio de acessos, realizamos também experimentos comparando nosso algoritmo, um modelo em programação inteira, e alguns algoritmos propostos por outros autores. Introduzimos modificações práticas que melhoraram a performance do nosso algoritmo. / [en] An approach to search an information in a large and chaotic data base like the Internet is to use a hierarquical index regarding some categorization of the data. As an example, we have the web directories, usually found in search engines. However, this approach may have problems, as the need of visiting too many web pages to find a very accessed information. A way to address this problem is the use of hotlinks, which are hyperlinks added to the web site and used as shortcuts in a search. We studied efficient algorithms to assign hotlinks in web directories, in such a way to minimize the maximum or the average number of accesses to find an information. For the problem of minimizing the maximum number of accesses, we provide an (14/3)-approximation algorithm and an exact polinomial time algorithm based on dynamic programming. On the other hand, for the problem of minimizing the expected number of accesses, we adapted the previous exact algorithm. However, this adapted algorithm is polinomial only for web sites represented by trees with height O(log n). So, we introduce a parameter that allows the user to reduce the execution time under the cost of reducing the solution quality. For this problem of minimizing the expected number of accesses, we also made experiments comparing our algorithm, an integer programming model, and some algorithms proposed by other authors. We introduce pratical changes that improved the performance of our algorithm.

[pt] Problemas de transporte de cargas fracionadas são grandes candidatos para a aplicação de técnicas de otimização como forma de obter um melhor aproveitamento de recursos. Nesta dissertação, são apresentados modelos de programação inteira e os algoritmos desenvolvidos para a resolução adequada dos problemas estudados neste contexto. O foco é o planejamento da movimentação dos veículos para o atendimento das demandas ao longo de um período pré-definido. Diferentes formas de contratação dos veículos são consideradas, demandas possuem janelas de tempo para serem atendidas e podem compartilhar um mesmo veículo em um ou mais trechos do seu caminho até o destino. Conexões são permitidas, ou seja, uma demanda pode utilizar mais de um veículo para o seu atendimento, respeitando as capacidades operacionais dos centros de distribuição e coleta. Os objetivos abrangem o dimensionamento da frota, que possui um custo fixo, e o planejamento da operação ao longo do período. Este deve determinar quais demandas são transportadas por quais veículos em que instantes e em que trechos. O método de resolução proposto utiliza algoritmos para a construção e pré-processamento de grafos que representam o problema e permitem que a formulação como programa inteiro tenha uma resolução mais efciente. Além disso, o algoritmo correspondente resolve uma sequência de programas inteiros para obter soluções viáveis de qualidade para as diferentes versões do problema aqui considerado. Melhorias nos limites inferiores obtidos também são propostas. O código resultante foi testado em um conjunto de instâncias baseadas na operação de uma transportadora brasileira de grande porte. Resultados foram obtidos tanto para condições de utilização reais, isto é, com o tempo de execução limitado, como para testar os limites do método proposto. Em ambos os casos pôde-se obter soluções de alta qualidade comprovada. / [en] Less-than-truckload transportation problems are great candidates for the application of optimization techniques as a form to obtain a better exploitation of resources. This thesis introduces integer programming models and the developed algorithms for the proper resolution of the studied problems in this context. The focal point is the vehicle's dislocation planning for the ideal attendance of the demands during a certain time period. Different forms of vehicle contract are considered. There are time windows for the attendances and demands can share a same vehicle in one or more parts of its route until his destination. Connections are allowed, that is, demands can use more than one vehicle for its attendance, respecting the operational capacities of the centers (collection and distribution stations). The goals embraces the sizing of the proper fleet which has a fixed cost, and the operation's planning during the period. This one should determine which demands are transported by which vehicles in what instants and where on routes. The resolution's method proposed uses algorithms for the graph's construction and pre-processing which represents the problem and allows that the formulation, as an integer program, to have a resolution more efficient. Furthermore, the corresponding algorithm solves a sequence of integer programs to obtain feasible quality solutions for the differents versions of the considered problem. Improvements on the lower bounds gotten are also proposed. The resulting code was tested in a set of proposed instances that were based on the operation of an important brazilian trucking company . Results were acquired such for conditions of real utilization, in other words, with a limited time of execution, as to test the limits of the proposed method. In both cases, solutions of comproved high quality were obtained.

[pt] Uma facilidade é qualquer centro que presta serviços a um conjunto de clientes. Pode ser, dentre outros, uma escola, uma fabrica ou um armazém. Problemas de localização de facilidades são problemas de otimização combinatória que tratam da tomada de decisão relativa ao posicionamento destes serviços, que devem otimizar algum critério pré-definido. As medidas que usualmente são utilizadas para quantificar a qualidade de uma solução para esta classe de problemas tem seus cálculos baseados em que clientes são servidos por que facilidade. Uma conseqüência imediata é a forte relação entre os problemas de localização e os problemas de classificação de dados (clusterização). Dentre os problemas de localização de facilidades amplamente estudados esta o problema das p-Medianas (PMNC), objeto de pesquisa desta dissertação. O PMNC tem como objetivo determinar quais p facilidades devem ser abertas com o intuito de minimizar a soma das distancias de cada cliente a facilidade aberta mais próxima do mesmo. O PMNC é classificado como um problema NP - Difícil e é um dos problemas centrais na classificação automática de dados (clusterização). Esta dissertação apresenta algoritmos primais, duais e exatos para tratamento do PMNC, focando no desenvolvimento de algoritmos duais e exatos. Foram implementadas cinco heurísticas construtivas e um método de busca local. Além disto, foram propostos três novos métodos duais e um método exato. Como resultado, analisamos um conjunto de técnicas para o tratamento do problema. A escolha da melhor técnica é fortemente dependente da configuração da instancia tratada. Foi obtido o ótimo para algumas instancias e para as demais a diferença entre o valor dos limites inferior e superior nos melhores casos não ultrapassam 3%. / [en] A facility is any center that offers services to a set of clients. It may be, among others, a school, a factory or a depot. Facility location problems are combinatorial optimization problems that handle decisionmaking in respect to the positioning of those services, optimizing some defined criteria. The measures often used to assess the quality of a solution for this class of problems relate to which clients are served by which facility. An immediate consequence is the strong relationship between location problems and data clustering. One of the widely studied facility location problems is the uncapacited p-median problem (UPM), the main subject of this thesis. Given a set of possible facility locations, the UPM consists in determining a subset of locations at which the facilities shall be established, minimizing the sum of distances from each client to its closest open facility. The UPM belongs to the class of NP-hard problems and is a central problem of data clustering. This thesis presents primal, dual and exact algorithms for approaching the UPM, focusing on the development of dual and exact algorithms. Five constructive heuristics and one local search method were implemented. Furthermore, three new dual methods and one exact method were proposed. The result is the analysis of a set of techniques to solve the problem. The choice of best technique is strongly dependent of the configuration of the treated instance. We obtained the optimum for some instances and for others the difference between the value of the lower and upper bounds in the best cases do not exceed 3%.

[pt] Os sistemas ferroviários são grandes candidatos à aplicação de técnicas de otimização para o melhor aproveitamento dos seus recursos. Neste trabalho são apresentados dois modelos de programação inteira para problemas nesta área,o Problema de Planejamento de Atendimento -PPA- e o Problema de Fluxo de Vagões -PFV-. Ambos foram resolvidos de maneira ótima ou quase ótima em tempo razoável, tanto em termos acadêmicos como para sua utilização prática.São apresentados os problemas, as formulações dos modelos, as técnicas de préprocessamento utilizadas, assim como resultados computacionais de instâncias reais. / [en] Railroad systems are major candidates for the use of optimization techniques to obtain a more efficient use of resources. In this research we present two integer programming models for freight railroad problems, the Demand Fulfillment Problem and the Car Flow Problem. Both problems were solved to optimality or near-optimality in a reasonable time, either for academic or practical purposes. We present the descriptions of the problems, the mathematical formulations,the preprocessing techniques used, as well as computational results for real instances.

[pt] A atividade de Planejamento de Suprimento de Petróleo é um elo importante para a integração da Cadeia de Suprimento de Petróleo na PETROBRAS, uma vez que é responsável por refinar as informações do planejamento estratégico a ser implementado no nível operacional. Nesta tese, esse problema é definido e explicado em detalhes e um modelo de programação Inteira Mista é proposto para resolvê-lo. Embora os resolvedores de problemas de programação Inteira Mista tenham evoluído de forma surpreendente na última década, para esta aplicação em particular, com o modelo inicial proposto não é possível obter soluções com qualidade satisfatória em tempo computacional aceitável. Desta forma, a linha de pesquisa desta tese consistiu em investigar, em detalhe, a estrutura deste problemaa fim de encontrar reformulações mais adequadas e novos algoritmos para a solução deste problema. O foco principal desta tese é resolver de forma eficiente o problema de planejamento de suprimento de petróleo na PETROBRAS, no entanto, como subprodutos desse esforço são propostos um novo algoritmo de decomposição e reformulações que podem ser aplicados a uma ampla gama de problemas. No que diz respeito à realização do objetivo principal, todos os casos testados foram resolvidos de maneira eficiente através dos desenvolvimentos propostos. O novo algoritmo de decomposição se mostrou o método mais adequado para resolver as instâncias com mais de duas classes de navios operando em cada plataforma. Já para os casos com uma ou duas classes de navios, a formulação denominada Hull Relaxation, que tem como base uma estrutura definida neste trabalho como Cascading Knapsack Inequalities, é a melhor alternativa de solução. Tendo em vista estas alternativas de soluções, é implementado um algoritmo geral que automaticamente escolhe a melhor opção de solução, em função da estrutura do problema. Para a situação onde o número de classes de navios operando nas diversas plataformas varia entre um e quatro, pode-se usar mais de uma abordagem em paralelo e considerar como solução a alternativa mais rápida ou com melhor resultado. Este modelo está sendo testado na PETROBRAS e tem-se mostrado uma ferramenta eficaz para a integração de sua cadeia de suprimentos de petróleo, bem como permitindo a análise de cenários para a obtenção de soluções alternativas até então não exploradas. / [en] The Petroleum Supply Planning activity is an important link for the integration of the Petroleum Supply Chain at PETROBRAS as it is responsible for refining the strategic supply planning information to be used at the operational level. In this thesis we set the ground for understanding this important problem and we propose a mathematical model to solve it. Although the solvers in the last decade have evolved enormously, for this particular application we cannot get solutions with satisfactory quality in reasonable computational time with only the initial proposed model. This directed the line of research of this thesis into investigating, in detail, the structure of this problem in order to find more suitable reformulations and algorithms to tackle it. Our primary goal is to solve efficiently the petroleum supply planning problem at PETROBRAS. Nevertheless as a by-product of this endeavor, we propose a novel decomposition algorithm and reformulations based on a cascading knapsack structures that turn out to be applicable in a wide range of problems. Concerning the achievement of the main objective, we obtain good results for all instances we tested. We show that the novel decomposition algorithm is the most fitted method to solve the petroleum supply planning problem if we consider more than two tankers to offload each platform. In the case of one or two tankers to offload each platform, the hull relaxation formulation based on the cascading knapsack structure introduced after an inventory reformulation at platforms is the best option if one is to solve this problem. For the real application, these solution alternatives allow to implement a general algorithm that automatically switches to the best solution option depending on the structure of the problem. For the mixed situation, i.e., number of tanker varying from one to four, one can use more than one approaches in parallel and take the fastest or the best result obtained. This model is being tested at PETROBRAS and is showing to be an effective tool to help integrate its petroleum supply chain as well as to do what-if analysis to look for alternative solutions never thought before.

[pt] As técnicas de agrupamentos aplicadas a um grande número de cenários de incerteza permitem a escolha de um conjunto reduzido, porém, representativo da população de cenários completa. Em outras palavras, selecionar uma amostra que contenha uma quantidade menor de elementos a ponto de reduzir suficientemente o volume total de dados e obter ganhos significativos de eficiência no processamento dos dados. Esta amostra deve, sobretudo, conseguir preservar as características do processo estocástico que o originou. Com este intuito, o presente trabalho propõe uma metodologia de seleção de cenários estocásticos utilizando o modelo clássico de Cobertura de Conjuntos, inspirada no método forward selection proposto por Heitsch e Romisch (2003). Aplicada na etapa de cálculo de demanda estocástica de ferramentas e serviços para construção de poços marítimos de exploração de petróleo, esta abordagem apresenta uma concepção de cenário diferente da usada pelos autores. O conjunto de cenários consiste em cronogramas de atividades gerados a partir da introdução de incertezas no planejamento de cada atividade, sendo eles estáticos, independentes e com múltiplos atributos. Uma análise de sensibilidade compara os resultados das demandas calculadas com os cenários selecionados pelo Problema de Cobertura de Conjuntos (PCC) e a demanda calculada com o conjunto universo de cenários. O PCC foi solucionado, nesta aplicação, em sua versão clássica da literatura a partir de um algoritmo exato e um heurístico. Os resultados apontam diferenças pouco representativas no resultado final das demandas calculadas com cenários reduzidos e com o total de cenários. A heurística, ainda que seja first solution, apresentou um resultado satisfatório em relação ao ganho de desempenho versus confiabilidade, e indica o potencial do método se aplicado em conjunto com algoritmos de metaheurística e busca local. / [en] Clustering techniques applied to a large number of scenarios under uncertainty allows the selection of a reduced, however, representative set of the complete set of scenarios. In other words, it allows to select a sample that contains a smaller amount of elements to the point of sufficiently reducing the total data volume and obtaining efficiency gains in data processing. The challenge is that the sample must, above all, be able to preserve the characteristics of the stochastic process that originated it. To this end, this study proposes a methodology for selecting stochastic scenarios using the classic Set Covering model, inspired by the forward selection method proposed by Heitsch and Romisch (2003). Applied in the calculating of stochastic demand for tools and services for the construction of offshore oil exploration wells, this approach presents a different scenario conception from the one used by the authors. The set of scenarios consists of activity schedules generated from the introduction of uncertainties in the planning of each activity, which are static, independent and with multiple attributes. A sensitivity analysis compares the results of the demands calculated with the scenarios selected by the Set Covering Problem (SCP) and the demand calculated with all the universe of scenarios. The SCP was solved, in this application, in its classic version using an exact algorithm and a heuristic algorithm. The results appoint na unexpressive loss in the final result of the demand calculated with reduced scenarios and with the complete set of scenarios. The simple first solution heuristic presented a satisfactory result in relation to the performance gain versus reliability, and indicates the potential of the method if solved with metaheuristic and local search algorithms.

[pt] Este trabalho apresenta um sistema multi-agente para negociação em leilões simultâneos de bens relacionados. A dissertação descreve a arquitetura multiagente, como também a análise e desenvolvimento de estratégias para negociação em leilões simultâneos, onde são desejados bens relacionados, em contrapartida com bens isolados. Alguns problemas bem conhecidos em negociação foram identificados no projeto da arquitetura do sistema, tais como predição de preços, alocação de bens, tomadas de decisão, raciocínio sob incerteza e segmentação de demanda. Cada agente que compõe o sistema trata um destes subproblemas. Isto torna possível a aplicação de diferentes técnicas de computação para resolver os subproblemas separadamente e depois combinar as soluções. Utilizou-se o Trading Agent Competition (TAC) para exemplificar as técnicas examinadas. O TAC foi escolhido para testar as heurísticas desenvolvidas por apresentar um conjunto de características que se enquadram adequadamente no domínio em exame. Cada heurística desenvolvida foi testada e seus resultados comparados com edições anteriores do TAC. O sistema multi- agente apresentou uma boa performance em cenários competitivos testados usando o servidor TAC. / [en] This work presents a multi-agent system to trade in simultaneous auctions of related goods. The dissertation describes the multi-agent architecture, and also the analysis and development of strategies for trading in simultaneous auctions, where the purchase of combined goods is required. Some well known problems in trading were identified in order to design the architecture, such as price prediction, good allocation, decision making, reasoning under uncertainty, and demand segmentation. Each agent that composes the system is concerned with one of those trading subproblems. This makes possible to apply different computational techniques to separately solve the subproblems and then combine the solutions. The Trading Agent Competition (TAC) is used to illustrate our approach. TAC was chosen to test the developed heuristics since it presents a set of characteristics that adequately fits the problem domain. Each heurist developed was tested and had its results compared to TAC previous editions. Finally, the system shows a high performance on very competitive scenarios tested by using the TAC server environment.

[pt] Os sistemas rodoviários são grandes candidatos à aplicação de técnicas de otimização para a redução dos custos operacionais. Neste trabalho são apresentados dois modelos de programação inteira para problemas nesta área, o Problema de Transferência de Cargas (PTC) e o Problema de Alocação de Cargas (PAC). Ambos foram resolvidos de maneira ótima ou quase ótima em tempo razoável, tanto em termos acadêmicos como para sua utilização prática. São apresentados os problemas, as formulações dos modelos, as técnicas de pré-processamento utilizadas, assim como resultados computacionais de instâncias reais. / [en] Road systems are major candidates for the use of optimization techniques to obtain operational reduction costs. In this research we present two integer programming models for road problems, the Load Transference Problem and the Load Scheduling Problem. Both problems were solved to optimality or near-optimality in a reasonable time, either for academic or practical purposes. We present the descriptions of the problems, the mathematical formulations, the preprocessing techniques used, as well as computational results for real instances.

[pt] Impulsionadas pelo crescimento do mercado corporativo e pela prestação de serviços para grandes clientes, as operadoras de serviços de telecomunicação estão buscando processos automatizados e redução de custo no desenvolvimento de novos projetos de redes de telecomunicações. Nesse cenário, dois modelos de Programação Inteira são apresentados buscando uma minimização de custos. O primeiro para o problema de planejamento de novas redes. E segundo para o problema de configuração de trails nas redes SDH. Uma introdução sobre meios de transmissão, redes de telecomunicações, topologias mais utilizadas e sistemas de proteção são apresentados. Por fim, em ambos problemas, são apresentados estudos comparativos com situações reais, com o intuito de validar os modelos. / [en] Stimulated by the growth of the corporate market and by the services dedicated to big customers, providers are searching for, even more nowadays, automated process and cost reduction on the development of new telecommunications networks projects. In that setting, two models of Integer Programming will be presented, seeking a minimization of costs. At first, for the problem of planning of new networks, and second for the problem of configuration of trails in the SDH networks. Beyond that, an introduction about transmission lines, networks of communication, topology more utilized and systems of protection will be presented. In both problems, comparing real situations, with the purpose of validate the models.