<p>We study the server allocation problem for tandem queues in the absence of intermediate buffer space. Servers are assumed to be homogeneous and non-collaborative. We provide policies to maximize the throughput. We break down our work into four stages. First, we assume that all servers are dedicated. We propose an allocation algorithm that assigns servers to stations based on the mean service times and the current number of servers assigned to each station. The algorithm is proposed for stations with exponentially distributed service times, but where the service rate at each station may be different. We further study the impact on the proposed allocation method of including service time distributions with different coecients of variation. Second, we consider tandem queues with both dedicated and flexible servers. We examine policies to dynamically assign flexible servers. When there is one flexible server and two stations each with a dedicated server, we completely characterize the optimal policy. We use the insights gained from applying the Policy Iteration algorithm on systems with three, four, and five stations to devise heuristics for systems of arbitrary size. Third, we study cases where flexibility is constrained such that flexible servers can only service two adjacent stations. We provide optimal policies for tandem queues with three and four stations and compare them with optimal policies for corresponding non-constrained cases. Fourth, we consider two parallel tandem queues with both dedicated servers and vertical flexible servers - servers that can move between corresponding stations of the two tandem queues. The workload allocations are the same for each line and each vertical flexible server moves only between two corresponding stations. We examine policies for dynamic allocation of these vertical flexible servers. When each tandem queue has two stations, each station possesses a dedicated server, and a vertical flexible server exists for each pair of stations, we specify the optimal policy. For cases with more than two stations, heuristic assignments are proposed. We also analyze the throughput improvement gained from adding flexible servers within a tandem queue or between two parallel tandem queues. Numerical results are used to verify the heuristics provided in each of the stages.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

O problema do sequenciamento da produção diz respeito à alocação das tarefas nas máquinas em um ambiente de fabricação, o qual vem sendo amplamente estudado. O sequenciamento pode variar em tamanho e complexidade dependendo do tipo de ambiente onde ele é aplicado, do número e tipos de restrições tecnológicas e da função objetivo do problema. A utilização de métodos de decisão para a solução de problemas de sequenciamento na indústria depende de modelos que sejam capazes de oferecer soluções para os problemas reais, que geralmente envolvem diversas restrições, os quais devem ser considerados simultaneamente. No presente trabalho o problema de sequenciamento da produção em ambientes flow shop permutacionais, com bloqueio com buffer zero, e com tempos de setup dependente da sequência e da máquina, com o objetivo de minimização do makespan é estudado, sendo este considerado um problema NP-Completo. O problema é pouco explorado na literatura. No presente trabalho é apresentado um procedimento de cálculo para o makespan e três métodos de solução para o problema: quatro limitantes inferiores para o procedimento Branch-and-Bound; quatro modelos MILP, sendo dois deles adaptados; e 28 modelos heurísticos construtivos adaptados para o problema. Os métodos desenvolvidos baseiam-se em propriedades matemáticas do problema que são apresentadas neste trabalho como limitante inferior e limitante superior. Dentre todos os modelos MILP, o modelo adaptado RBZBS1 obteve os melhores resultados para os problemas menores e o modelo desenvolvido TNZBS1 obteve os melhores desvios relativos médios do makespan para os problemas maiores, que não foram resolvidos dentro do limite de tempo computacional estipulado. O limitante inferior para o Branch-and-Bound LBTN2 foi melhor que os demais tanto no tempo computacional e no número de nós explorados como também no número de problemas não resolvidos e no desvio relativo médio do makespan. Foi realizado uma comparação entre o melhor modelo MILP e o melhor limitante inferior para o Branch-and-Bound, sendo que o último obteve melhores resultados para os problemas testados. Entre os métodos heurísticos adaptados, o PF foi o que obteve, de uma forma geral, os melhores resultados em todas as fases. / Production scheduling is defined as a problem of allocating jobs in machines in a production environment and it has been largely studied. The scheduling can vary in difficulty and complexity depending on the environment, the variety and types of technological restraints and the objective function of the problem. The use of decision making methods to solve scheduling problems in the industry needs models that are capable to solve real problems, that usually involve a big variety of restraints that have to be simultaneously studied. At the present work the scheduling problem in a permutational flow shop environment, considering blocking with zero buffer, and sequence and machine dependent setup times, with the objective of minimizing makespan is studied, which is considered a NP-Complete problem and little explored in literature. The work presents a calculation procedure for the makespan and three solution methods for the problem: four lower bounds for the Branch-and-Bound procedure; four MILP models, two of which are adapted; and 28 constructive heuristic methods adapted to the problem. The methods developed are based on mathematical properties of the problem that are presented in this work as a lower bound and an upper bound. Among all the MILP models, the adapted model RBZBS1 was the one to obtain the best results for the smaller problems, and the developed model TNZBS1 obtained the smallest mean relative deviation of the makespan for the bigger problems that were not solved within the specified computational time limit. The lower bound for the Branch-and-Bound LBTN2 obtained smaller computational times and number of explored nodes as well as the number of unsolved problems and the mean relative deviation for the makespan than all other lower bounds. Also, a comparison among the best MILP model and the best lower bound for the Branch-and-Bound was performed, being that the last obtained better results for the tested problems. Among the adapted heuristic methods, the PF heuristic was the one that obtained, in general, the better results in all phases.

O problema do sequenciamento da produção diz respeito à alocação das tarefas nas máquinas em um ambiente de fabricação, o qual vem sendo amplamente estudado. O sequenciamento pode variar em tamanho e complexidade dependendo do tipo de ambiente onde ele é aplicado, do número e tipos de restrições tecnológicas e da função objetivo do problema. A utilização de métodos de decisão para a solução de problemas de sequenciamento na indústria depende de modelos que sejam capazes de oferecer soluções para os problemas reais, que geralmente envolvem diversas restrições, os quais devem ser considerados simultaneamente. No presente trabalho o problema de sequenciamento da produção em ambientes flow shop permutacionais, com bloqueio com buffer zero, e com tempos de setup dependente da sequência e da máquina, com o objetivo de minimização do makespan é estudado, sendo este considerado um problema NP-Completo. O problema é pouco explorado na literatura. No presente trabalho é apresentado um procedimento de cálculo para o makespan e três métodos de solução para o problema: quatro limitantes inferiores para o procedimento Branch-and-Bound; quatro modelos MILP, sendo dois deles adaptados; e 28 modelos heurísticos construtivos adaptados para o problema. Os métodos desenvolvidos baseiam-se em propriedades matemáticas do problema que são apresentadas neste trabalho como limitante inferior e limitante superior. Dentre todos os modelos MILP, o modelo adaptado RBZBS1 obteve os melhores resultados para os problemas menores e o modelo desenvolvido TNZBS1 obteve os melhores desvios relativos médios do makespan para os problemas maiores, que não foram resolvidos dentro do limite de tempo computacional estipulado. O limitante inferior para o Branch-and-Bound LBTN2 foi melhor que os demais tanto no tempo computacional e no número de nós explorados como também no número de problemas não resolvidos e no desvio relativo médio do makespan. Foi realizado uma comparação entre o melhor modelo MILP e o melhor limitante inferior para o Branch-and-Bound, sendo que o último obteve melhores resultados para os problemas testados. Entre os métodos heurísticos adaptados, o PF foi o que obteve, de uma forma geral, os melhores resultados em todas as fases. / Production scheduling is defined as a problem of allocating jobs in machines in a production environment and it has been largely studied. The scheduling can vary in difficulty and complexity depending on the environment, the variety and types of technological restraints and the objective function of the problem. The use of decision making methods to solve scheduling problems in the industry needs models that are capable to solve real problems, that usually involve a big variety of restraints that have to be simultaneously studied. At the present work the scheduling problem in a permutational flow shop environment, considering blocking with zero buffer, and sequence and machine dependent setup times, with the objective of minimizing makespan is studied, which is considered a NP-Complete problem and little explored in literature. The work presents a calculation procedure for the makespan and three solution methods for the problem: four lower bounds for the Branch-and-Bound procedure; four MILP models, two of which are adapted; and 28 constructive heuristic methods adapted to the problem. The methods developed are based on mathematical properties of the problem that are presented in this work as a lower bound and an upper bound. Among all the MILP models, the adapted model RBZBS1 was the one to obtain the best results for the smaller problems, and the developed model TNZBS1 obtained the smallest mean relative deviation of the makespan for the bigger problems that were not solved within the specified computational time limit. The lower bound for the Branch-and-Bound LBTN2 obtained smaller computational times and number of explored nodes as well as the number of unsolved problems and the mean relative deviation for the makespan than all other lower bounds. Also, a comparison among the best MILP model and the best lower bound for the Branch-and-Bound was performed, being that the last obtained better results for the tested problems. Among the adapted heuristic methods, the PF heuristic was the one that obtained, in general, the better results in all phases.