Variable neighborhood search for the multi-level capacitated lotsizing problem

Das dynamische mehrstufige kapazitierte Losgrößenproblem (MLCLSP) behandelt im Rahmen der Produktionsplanung die wichtige Entscheidung über die optimalen Losgrößen, angefangen bei Endprodukten über Komponenten bis hin zu Rohstoffen, bei gleichzeitiger Berücksichtigung beschränkter Kapazitäten der zur Produktion benötigten Ressourcen. Da es sich um ein NP-schweres Problem handelt, stoßen exakte Lösungsverfahren an ihre Grenzen, sobald die Problemdimensionen ein größeres – man könnte durchaus sagen realistisches – Ausmaß erreichen. In der Praxis dominieren deshalb Methoden, die die Losgrößen der einzelnen Produkte sequenziell festlegen und überdies etwaige Kapazitätsbeschränkungen im Nachhinein, falls überhaupt, berücksichtigen. In der Literatur finden sich zahlreiche approximative Ansätze zur Lösung dieses komplexen betriebswirtschaftlichen Problems. Lokale Suche und auf ihr basierende Metaheuristiken stellen vielversprechende Werkzeuge dar, um die Defizite der aktuell eingesetzten Trial-and-Error Ansätze zu beheben und letzten Endes zulässige sowie kostenoptimale Produktionspläne zu erstellen. Die in dieser Diplomarbeit vorgestellte Studie beschäftigt sich mit lokalen Suchverfahren für das MLCLSP. Acht Nachbarschaftsstrukturen, die sich aus einer Veränderung der Rüstvariablen ergeben, werden präsentiert und evaluiert. Grundlegende Optionen bei der Gestaltung eines iterativen Verbesserungsverfahrens, wie beispielsweise unterschiedliche Schrittfunktionen oder die temporäre Berücksichtigung unzulässiger Lösungen, werden getestet und verglichen. Obwohl nur die Switch Nachbarschaft, die durch das Ändern einer einzigen Rüstvariable definiert wird, wirklich überzeugende Resultate liefert, können die übrigen Nachbarschaftsstrukturen durchaus als Perturbationsmechanismen im Rahmen einer Variablen Nachbarschaftssuche (VNS) zum Einsatz kommen. Die Implementierung dieser Metaheuristik, geprägt von den Ergebnissen der einfachen lokalen Suchverfahren, kann allerdings nicht vollkommen überzeugen. Die entwickelte VNS Variante kann die Lösungsgüte anderer zum Vergleich herangezogener Lösungsverfahren nicht erreichen und benötigt relativ lange Laufzeiten. Andererseits sind die Ergebnisse mit einer durchschnittlichen Abweichung zur besten bekannten Lösung von etwa vier Prozent über sämtliche untersuchte Problemklassen weit entfernt von einem Totalversagen. Es überwiegt der Eindruck, dass es sich um eine robuste Methode handelt, die in der Lage ist, Lösungen von hoher, teils sehr hoher Qualität nicht nur in Ausnahmefällen zu liefern. Etwaige Nachjustierungen könnten das Verfahren durchaus zu einem ernstzunehmenden Konkurrenten für bereits existierende Lösungsmethoden für das MLCLSP machen.The Multi-Level Capacitated Lotsizing Problem (MLCLSP) depicts the important decision in production planning of determining adequate lot sizes from final products onward, to subassemblies, parts and raw materials, all the while assuming limited capacities of the resources employed for manufacture. It is an NP-hard problem where exact methods fail in solving larger – one could say realistic – problem instances. Sequential approaches that tackle the problem item by item and postpone capacity considerations dominate current practice; approximate solution methods abound throughout the literature. Local search and metaheuristics based on it constitute a class of approximate methods well-equipped to take on the challenge of eventually replacing the trial-and-error process that impedes manufacturing companies in establishing feasible and cost-minimal production plans. This thesis presents a study of local search based procedures for solving the MLCLSP. Eight different neighborhood structures, resulting from manipulations of the setup variables, are devised and evaluated. Fundamental options when designing an iterative improvement algorithm, such as best-improvement versus first-improvement step functions or the inclusion of infeasible solutions during the search are explored and compared. Although only the Switch move, which alters the value of a single setup value, is convincing as a stand-alone neighborhood structure, the other neighborhoods can in any case be employed for the perturbation of solutions during the shaking step of a Variable Neighborhood Search (VNS). The implementation of this metaheuristic, shaped by the findings from testing the basic local search variants, led to mixed results. The procedure designed to tackle the MLCLSP cannot outperform the compared heuristics. Neither does it produce results that are terribly off – the average gap to the best known solutions settles around four percent over all problem classes tested. Nonetheless, the impression is supported that the VNS procedure is a robust method leading to good, sometimes even very good solutions at a regular basis that is amenable to further adjustments and thus eventually becoming a serious competitor for existing methods dealing with multi-level capacitated lotsizing decisions

A Design Framework for Metaheuristics

This paper is concerned with taking an engineering approach towards the application of metaheuristic problem solving methods, i.e. heuristics that aim to solve a wide variety of problems. How can a practitioner solve a problem using metaheuristic methods? What choices do they have, and how are these choices influenced by the problem at hand? Are there sensible universal choices which can be made, or are these choices always problem-dependent? The aim of this paper is to address questions such as these in the context of a (soft) engineering design framework for the application of metaheuristics. The aim of this framework is to make explicit the choices which a practitioner needs to make in applying these techniques, and to give some guidelines for how metaheuristics might be tuned to problems by considering different problem- and solution-types

A Design Framework for Metaheuristics: Problem Types and Avoiding Bottlenecking

This paper is concerned with an aspect of the design of metaheuristic algorithms, such as evolutionary algorithms, tabu search and ant colony optimization. The topic that is considered is how problems can be represented when they are given to a metaheuristic algorithm. A particular difficulty is presented, viz. the ''bottleneck'', where the problem is artificially converted into a new representation in order to fit the standard input to the metaheuristic. Such bottlenecks cause problems in interpreting or trusting the solution given by the metaheuristic. In order to alleviate this problem, we suggest ways in which three types of problem (data-driven, specification-driven and interactive) can be presented to metaheuristics in a bottleneck-free way, and how problems which use multiple solution-types can be tackled