Production planning problems are of paramount importance within supply chain planning, supporting decisions on the transformation of raw materials into finished products. Lot sizing in production planning refers to the tactical/operational decisions related to the size and timing of production orders to satisfy a demand. The objectives of lot-sizing problems are generally economical-related, such as saving costs or increasing profits, though other aspects may be taken into account such as quality of the customer service and reduction of inventory levels. Lot-sizing problems are very common in production activities and an efficient planning of such activities gives the company a clear advantage over concurrent organizations. To that end it is required the consideration of realistic features of the industrial environment and product characteristics. By means of mathematical modelling, such considerations are crucial, though their inclusion results in more complex formulations. Although lot-sizing problems are well-known and largely studied, there is a lack of research in some real-world aspects. This thesis addresses two main characteristics at the lot-sizing context: (a) setup crossover; and (b) perishable products. The former allows the setup state of production line to be carried over between consecutive periods, even if the line is not yet ready for processing production orders. The latter characteristic considers that some products have fixed shelf-life and may spoil within the planning horizon, which clearly affects the production planning. Furthermore, two types of perishable products are considered, according to the duration of their lifetime: medium-term and short-term shelf-lives. The latter case is tighter than the former, implying more constrained production plans, even requiring an integration with other supply chain processes such as distribution planning. Research on stronger mathematical formulations and solution approaches for lot-sizing problems provides valuable tools for production planners. This thesis focuses on the development of mixed-integer linear programming (MILP) formulations for the lot-sizing problems considering the aforementioned features. Novel modelling techniques are introduced, such as the proposal of a disaggregated setup variable and the consideration of lot-sizing instead of batching decisions in the joint production and distribution planning problem. These formulations are subjected to computational experiments in state-of-the-art MILP-solvers. However, the inherent complexity of these problems may require problemdriven solution approaches. In this thesis, heuristic, metaheuristic and matheuristic (hybrid exact and heuristic) procedures are proposed. A lagrangean heuristic addresses the capacitated lot-sizing problem with setup carryover and perishable products. A novel dynamic programming procedure is used to achieve the optimal solution of the uncapacitated single-item lot-sizing problem with setup carryover and perishable item. A heuristic, a fix-and-optimize procedure and an adaptive large neighbourhood search approach are proposed for the operational integrated production and distribution planning. Computational results on generated set of instances based on the literature show that the proposed methods yields competitive performances against other literature approaches. / Problemas de planejamento da produção são de suma importância no planejamento da cadeia de suprimentos, dando suporte às decisões da transformação de matérias-primas em produtos acabados. O dimensionamento de lotes em planejamento de produção é definido pelas decisões tático-operacionais relacionadas com o tamanho das ordens de produção e quando fabricá-las para satisfazer a demanda. Os objetivos destes problemas são geralmente de cunho econômico, tais como a redução de custos ou o aumento de lucros, embora outros aspectos possam ser considerados, tais como a qualidade do serviço ao cliente e a redução dos níveis de estoque. Problemas de dimensionamento de lotes são muito comuns em atividades de produção e um planejamento eficaz de tais atividades, estabelece uma clara vantagem à empresa em relação à concorrência. Para este objetivo, é necessária a consideração de características realistas do ambiente industrial e do produto. Para a modelagem matemática do problema, estas considerações são cruciais, embora sua inclusão resulte em formulações mais complexas. Embora os problemas de dimensionamento de lotes sejam bem conhecidos e amplamente estudados, várias características reais importantes não foram estudadas. Esta tese aborda, no contexto de dimensionamento de lotes, duas características muito relevantes: (a) preservação da preparação total e parcial; e (b) produtos perecíveis. A primeira permite que o estado de preparação de uma linha de produção seja mantido entre dois períodos consecutivos, mesmo que a linha de produção ainda não esteja totalmente pronta para o processamento de ordens de produção. A ultima característica determina que alguns produtos tem prazo de validade fixo, menor ou igual do que o horizonte de planejamento, o que afeta o planejamento da produção. Além disso, de acordo com a duração de sua vida útil, foram considerados dois tipos de produtos perecíveis: produtos com tempo de vida de médio e curto prazo. O ultimo caso resulta em um problema mais apertado do que o anterior, o que implica em planos de produção mais restritos. Isto pode exigir uma integração com outros processos da cadeia de suprimentos, tais como o planejamento de distribuição dos produtos acabados. Pesquisas sobre formulações matemáticas mais fortes e abordagens de solução para problemas de dimensionamento de lotes fornecem ferramentas valiosas para os planejadores de produção. O foco da tese reside no desenvolvimento de formulações de programação linear inteiro-mistas (MILP) para os problemas de dimensionamento de lotes, considerando as características mencionadas anteriormente. Novas técnicas de modelagem foram introduzidas, como a proposta de variáveis de preparação desagregadas e a consideração de decisões de dimensionamento de lotes ao invés de decisões de agrupamento de ordens de produção no problema integrado de planejamento de produção e distribuição. Estas formulações foram submetidas a experimentos computacionais em MILP-solvers de ponta. No entanto, a complexidade inerente destes problemas pode exigir abordagens de solução orientadas ao problema. Nesta tese, abordagens heurísticas, metaheurísticas e matheurísticas (híbrido de métodos exatos e heurísticos) foram propostas para os problemas discutidos. Uma heurística lagrangeana aborda o problema de dimensionamento de lotes com restrições de capacidade, preservação da preparação total e produtos perecíveis. Um novo procedimento de programação dinâmica e utilizado para encontrar a solução ótima do problema de dimensionamento de lotes de um único produto perecível, sem restrições de capacidade e preservação da preparação total. Uma heurística, um procedimento x-and-optimize e uma abordagem por buscas adaptativas em grande vizinhanças são propostas para o problema integrado de planejamento de produção e distribuição. Resultados computacionais em conjuntos de instâncias geradas com base na literatura mostram que os métodos propostos obtiveram performances competitivas com relação a outras abordagens da literatura.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-29042016-142624 |
| Date | 16 December 2014 |
| Creators | Belo Filho, Márcio Antonio Ferreira |
| Contributors | Lobo, Bernardo Sobrinho Simões de Almada, Toledo, Franklina Maria Bragion de |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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