Meta-Heuristics for Dynamic Lot Sizing: a review and comparison of solution approaches

Proofs from complexity theory as well as computational experiments indicate that most lot sizing problems are hard to solve. Because these problems are so difficult, various solution techniques have been proposed to solve them. In the past decade, meta-heuristics such as tabu search, genetic algorithms and simulated annealing, have become popular and efficient tools for solving hard combinational optimization problems. We review the various meta-heuristics that have been specifically developed to solve lot sizing problems, discussing their main components such as representation, evaluation neighborhood definition and genetic operators. Further, we briefly review other solution approaches, such as dynamic programming, cutting planes, Dantzig-Wolfe decomposition, Lagrange relaxation and dedicated heuristics. This allows us to compare these techniques. Understanding their respective advantages and disadvantages gives insight into how we can integrate elements from several solution approaches into more powerful hybrid algorithms. Finally, we discuss general guidelines for computational experiments and illustrate these with several examples

An Electromagnetism Metaheuristic for the Uncapacitated Multiple Allocation Hub Location Problem

In this article, the results achieved by applying an electromagnetism (EM) inspired metaheuristic to the uncapacitated multiple allocation hub location problem (UMAHLP) are discussed. An appropriate objective function which natively conform with the problem, 1-swap local search and scaling technique conduce to good overall performance.Computational tests demonstrate the reliability of this method, since the EM-inspired metaheuristic reaches all optimal/best known solutions for UMAHLP, except one, in a reasonable time.This research was partially supported by the Serbian Ministry of Education and Science under project 174010

Performance analysis of GA and PBIL variants for real-world location-allocation problems.

The Uncapacitated Location-Allocation problem (ULAP) is a major optimisation problem concerning the determination of the optimal location of facilities and the allocation of demand to them. In this paper, we present two novel problem variants of Non-Linear ULAP motivated by a real-world problem from the telecommunication industry: Uncapacitated Location-Allocation Resilience problem (ULARP) and Uncapacitated Location-Allocation Resilience problem with Restrictions (ULARPR). Problem sizes ranging from 16 to 100 facilities by 50 to 10000 demand points are considered. To solve the problems, we explore the components and configurations of four Genetic Algorithms [1], [2], [3] and [4] selected from the ULAP literature. We aim to understand the contribution each choice makes to the GA performance and so hope to design an Optimal GA configuration for the novel problems.We also conduct comparative experiments with Population-Based Incremental Learning (PBIL) Algorithm on ULAP. We show the effectiveness of PBIL and GA with parameter set: random and heuristic initialisation, tournament and fined grained tournament selection, uniform crossover and bitflip mutation in solving the proposed problems

A queuing location-allocation model for a capacitated health care system

International audienceThe aim of the present paper is to propose a location-allocation model for a capacitated health care system. This paper develops a discrete modeling framework to determine the optimal number of facilities among candidates and optimal allocations of the existing customers to operating health centers in a coverage distance. In doing so, the total sum of customer and operating facility costs is minimized. Our goal is to create a model that is more practical in the real world. Therefore, setup costs of hospitals are based on the costs of customers, xed costs of establishing health centers, and costs based on the available resources in each level of hospitals. In this paper, the idea of hierarchical structure has been used. There are two levels of service in hospitals, including low and high levels, and sections at diierent levels that provide diierent types of services. The patients refer to diierent sections of the hospital according to their requirements. To solve the model, two meta-heuristic algorithms, including genetic and simulated annealing algorithms and their combination, are proposed. To evaluate the performance of the three algorithms, some numerical examples are produced and analyzed using the statistical test in order to determine which algorithm works better

Instance Scale, Numerical Properties and Design of Metaheuristics: A Study for the Facility Location Problem

Metaheuristics are known to be strong in solving large-scale instances of computationally hard problems. However, their efficiency still needs exploration in the context of instance structure, scale and numerical properties for many of these problems. In this paper, we present an in-depth computational study of two local search metaheuristics for the classical uncapacitated facility location problem. We investigate four problem instance models, studied for the same problem size, for which the two metaheuristics exhibit intriguing and contrasting behaviours. The metaheuristics explored include a local search (LS) algorithm that chooses the best moves in the current neighbourhood, while a randomised local search (RLS) algorithm chooses the first move that does not lead to a worsening. The experimental results indicate that the right choice between these two algorithms depends heavily on the distribution of coefficients within the problem instance. This is also put further into context by finding optimal or near-optimal solutions using a mixed-integer linear programming problem solver. Since the facility location problem is a relatively simple example of a choice-and-assignment problem, similar phenomena are likely to be discovered in a number of other, possibly more complex computational problems in science and engineering

Budget Constrained Location Problem with Opening and Closing of Facilities

In this paper, we study a budget constrained location problem in which we simultaneously consider opening some new facilities and closing some existing facilities. Motivations for this problem stem from applications where, due to a change in the distribution of customer demand, the existing facility system no longer provides adequate service. The objective is to minimize the total weighted travel distance for customers subject to a constraint on the budget for opening and/or closing facilities and a constraint on the total number of open facilities desired. For this problem, we develop a mathematical programming model and examine its theoretical properties. We then develop three heuristic algorithms (greedy interchange, tabu search and Lagrangian relax-ation approximation) for this NP-hard problem. Computational testing of these algorithms includes an analysis of the sensitivity of the solution to the budget and the desired number of facilities. The intended application in this testing is that of locating/relocating bank branches in a large-size town such as in our data set from Amherst, New York. We also discuss the situation where operating costs are part of the objective function

Facility Location Planning Under Disruption

Facility Location Problems (FLPs) such as the Uncapacitated Facility Location (UFL) and the Capacitated Facility Location (CFL) along with the k-Shortest Path Problem (k-SPP) are important research problems in managing supply chain networks (SCNs) and related operations. In UFL, there is no limit on the facility serving capacity while in CFL such limit is imposed. FLPs aim to find the best facility locations to meet the customer demands within the available capacity with minimized facility establishment and transportation costs. The objective of the (k-SPP) is to find the k minimal length and partial overlapping paths between two nodes in a transport network graph. In the literature, many approaches are proposed to solve these problems. However, most of these approaches assume totally reliable facilities and do not consider the failure probability of the facilities, which can lead to notably higher cost. In this thesis, we investigate the reliable uncapacitated facility location (RUFL)and the reliable capacitated facility location (RCFL) problems, and the k-SPP where potential facilities are exposed to disruption then propose corresponding solution approaches to efficiently handle these problems. An evolutionary learning technique is elaborated to solve RUFL. Then, a non-linear integer programming model is introduced for the RCFL along with a solution approach involving the linearization of the model and its use as part of an iterative procedure leveraging CPLEX for facility establishment and customer assignment along with a knapsack implementation aiming at deriving the best facility fortification. In RUFL and RCFL, we assume heterogeneous disruption with respect to the facilities, each customer is assigned to primary and backup facilities and a fixed fortification budget allows to make a subset of the facilities totally reliable. Finally, we propose a hybrid approach based on graph partitioning and modified Dijkstra algorithm to find k partial overlapping shortest paths between two nodes on a transport network that is exposed to heterogeneous connected node failures. The approaches are illustrated via individual case studies along with corresponding key insights. The performance of each approach is assessed using benchmark results. For the k-SPP, the effect of preferred establishment locations is analyzed with respect to disruption scenarios, failure probability, computation time, transport costs, network size and partitioning parameters

A heuristic approach for multi-product capacitated single-allocation hub location problems

Tese de mestrado, Estatística e Investigação Operacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Em redes onde o fluxo entre nodos é muito elevado (como pode ser o caso do transporte de pessoas e mercadorias ou até mesmo fluxo de dados numa rede), torna-se menos dispendioso criar pontos onde se concentram os fluxos provenientes das diferentes origens para depois serem consolidados e redistribuídos até aos destinos. A esses pontos dá-se o nome de hubs. O problema de localização de hubs consiste na localização de hubs numa rede e na alocação de todos os nodos da rede a esses hubs, de modo a que se possa encaminhar os fluxos entre os pares origem-destino a menos que sejam hubs. A rede constituída pelos hubs é normalmente definida como completa e não se permitem ligações diretas entre os pares origem-destino. Para além disso, assume-se que existe um factor de desconto para o fluxo que circula entre hubs. Neste tipo de redes (hub-and-spoke networks) podem aparecer duas variantes, no que diz respeito à alocação dos nodos aos hubs: single-allocation e multiple-allocation. No primeiro caso, permite-se apenas uma ligação de cada nodo não hub a um hub de modo a que todo o fluxo com origem e destino a cada nodo saia e chegue a esse nodo através de apenas um hub. No caso em que se tem multiple-allocation, cada nodo poderá ser afecto a mais do que um hub e o fluxo que chega e sai desse nodo poderá usar mais do que um hub. Algumas variantes que se poderão considerar para este problema incluem restrições de capacidade nos hubs (restrições que limitam a capacidade de um hub processar uma certa quantidade de fluxo de origem, limitações na capacidade total, limitações no processamento de fluxo que sai do hub, etc.), restrições de capacidade nos arcos, problemas multi-periódicos, presença de incerteza, o número de hubs ser fixo, o tipo de objectivo (minimizar custos, minimizar distâncias entre hubs, etc.) entre outras. A necessidade de aproximar este tipo de problemas aos casos que se observam no mundo real leva à inclusão de cada vez mais restrições dando origem a mais variantes do problema. Neste trabalho, será abordado o problema de localização de hubs na variante single-Allocation, com restrições de capacidade em relação ao fluxo que cada hub é capaz de processar. Para além disso, considera-se fluxos relativos a mais do que um tipo de produto. Este problema é designado por Problema Multi-produto de Localização de Hubs com Capacidade1. Cada hub poderá ser dedicado a processar apenas um tipo de produto, poderá processar mais do que um, ou mesmo todos. A rede de hubs é completa para cada produto mas, no entanto, se se considerar a rede de hubs para todos os produtos, esta poderá não ser completa. Como constatado em Correia et al. [17], no caso em que cada hub processa todos os tipos de produto, resolver o problema multi-produto ao invés de se resolver vários problemas, um para cada produto em separado, dá origem a melhores resultados. A complexidade inerente a este tipo de problemas leva a que sejam classificados como problemas NP-Hard pois não existem algoritmos que sejam capazes de os resolver em tempo polinomial. Por esta razão faz sentido desenvolver algoritmos heurísticos de modo a se conseguir obter, em tempo útil, soluções para instâncias maiores do problema . Como referido em Meyer et al. [51], em problemas de localização de hubs, duas soluções com valores objectivo muito semelhantes poderão ser estruturalmente muito diferentes, e portanto, através um mecanismo de pesquisa local poderá ser muito difícil a passagem de uma boa solução para outra melhor. Por esta razão, neste trabalho opta-se por uma heurística que se baseia num método em que se constroem soluções repetidamente. Para a construção das soluções, considerando que um processo de construção do tipo Greedy poderia dar origem a um número limitado de soluções e que as componentes da solução que são escolhidas por último são as piores, optou-se pelo desenvolvimento de um algoritmo de Ant Colony Optimization (ACO). Esta meta-heurística baseia-se no comportamento apresentado pelas formigas quando estas procuram alimento. Quando uma formiga deixa a colónia em busca de alimento, no seu trajeto, deposita um químico (feromona) que pode ser detectado por outras formigas. Quanto maior a concentração de feromona, maior a atração de cada formiga por esse trajeto e, portanto, os trajetos com maiores concentrações de feromonas serão percorridos por mais formigas. Por outro lado, se o caminho de ida e volta até ao alimento for mais curto, mais vezes será percorrido e maior será a concentração de feromona nesse caminho. O resultado destes dois tipos de reforço positivo nas concentrações de feromona nos trajetos percorridos pelas formigas, aliados ao facto de que existe evaporação do químico (a concentração de feromona diminui nos caminhos menos percorridos ao longo do tempo) dá origem aos \carreirinhos" de formigas que se podem observar na natureza e que normalmente representam o caminho mais curto entre o alimento e a Colónia de formigas. Considere-se o problema em questão em que se tem n nodos e p produtos. Para a representação das soluções, em vez de se considerar uma matriz binária n χ n χ p, onde o valor 1 representa uma afetação, considerou-se uma matriz n χ p, em que cada entrada representa, para cada produto, o hub ao qual o nodo foi afecto. O caso em que um nodo é afecto a si mesmo indica que esse nodo é hub para o produto correspondente. Este tipo de representação permite reduzir o tamanho da matriz e diminuir o uso da memória computacional. Antes da construção de uma solução, é aplicado um pré-processamento que vai evitar, com base nas restrições do problema, que certas componentes da solução sejam consideradas durante o processo de construção da solução. Deste modo, reduz-se o espaço de procura de soluções e algum esforço computacional. Para a construção de uma solução, escolhe-se o tamanho da colonia (o número de formigas que pertencem à colónia) e cada formiga vai escolhendo, sucessivamente, componentes da solução através de uma regra pseudo-aleatória onde algumas componentes da solução são escolhidas de um modo greedy e outras são escolhidas através de roulette wheel selection. A cada componente da solução é atribuído um valor inicial de feromona e, à medida que cada formiga vai adicionando componentes à solução, o valor da feromona associado à componente adicionada vai decrescendo, o que resulta na diminuição da probabilidade de que essa componente seja escolhida pela próxima formiga, dando origem à diversificação do conjunto de soluções construído por cada colónia. No fim, depois de todas as formigas terem construído uma solução, escolhe-se a melhor solução e reforça-se a concentração de feromona na melhor solução construída pela colónia. Se, por acaso, uma formiga der origem a uma solução não admissível, a solução construída por essa formiga não é considerada. Para mais detalhe em relação a este processo consultar Dorigo et al. [20]. Este tipo de algoritmo permite a inclusão de métodos de pesquisa local de modo a que a solução obtida por cada colónia seja melhorada. Com o objectivo de obter um algoritmo mais eficiente, escolheu-se incluir esta possibilidade e procedeu-se ao reforço da concentração de feromona após feita uma pesquisa local. Na pesquisa local efectuada, usaram-se três tipos de vizinhança. Um deles fecha os hubs dedicados que só servem a si próprios e realoca-os a outros já abertos para esse mesmo produto. Outro, escolhe aleatoriamente um nodo alocado a um hub dedicado para um dado produto e realoca-o a outro hub dedicado ao mesmo produto. Um terceiro, escolhe um hub aleatoriamente e transforma-o num nodo, realocando-o a outro hub dedicado ao mesmo tipo de produto. De modo a obter soluções iniciais melhores, explora-se a possibilidade de atribuir valores iniciais de feromona mais altos às componentes de solução pertencentes à solução da relaxação linear, na proporção do valor correspondente no caso das variáveis 0-1. Uma outra variação explorada consiste em fazer o reforço do valor de feromona às componentes da solução, apenas quando esta é a melhor de todas encontrada até ao momento, permitindo que haja evaporação de certas componentes de solução que poderão estar a ser escolhidas consecutivamente e permitindo que se escape mais facilmente de óptimos locais. Após implementação do algoritmo procede-se à fase dos testes computacionais em instâncias do problema com 10, 20, 25 e 40 nodos, 1, 2 e 3 produtos e hubs que processam 1, 2 e 3 produtos. As instâncias usadas nos testes computacionais pertencem ao Australian Post data set e foram adaptados por Correia et al. [17] de modo a que se tivesse dados para mais do que um tipo de produto.In this thesis, an heuristic procedure is proposed for the the multi-product capacitated single-allocation hub location problem. When addressing a problem in which it is necessary to determine the transportation of large commodity flows between many origin-destination (O-D) pairs, instead of using direct links, it becomes more efficient to design the networks in such a way that some of the nodes become consolidation centers or hubs. The Multi-Product Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem (MP-CSAHLP according to Correia et al. [17]), is a NP-Hard problem in which several types of ow are considered, making it possible to consider the case when multiple types of products are to be shipped between each O-D pair. It can be seen as an extension of the classical Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem. In the problem investigated in this work, no more than one hub can be located in each node and the hubs can be either dedicated (each hub can only handle one type of product) or non-dedicated (one hub can handle more than one type product). The hubs have capacity limitations regarding the incoming flow. Furthermore, the hub network is complete for each product but, when considering the hub network as a whole, it does not necessarily have to be complete. The goal is to locate the hubs in the network, allocate the non-hub nodes to the opened hubs and route the flow between each O-D pair. The objective is to minimize the total ow routing cost plus the setup costs of the hubs and costs of preparing the hubs to handle the different types of products. In order to obtain feasible solutions to the above problem, an Ant Colony Optimization procedure is proposed, which is a constructive, population-based meta-heuristic based in the foraging behavior of ants. Indirect communication between the ants through pheromones reflects the colony search experience. High-quality solutions are found as an outcome of the global cooperation among all the ants of the colony. A preprocessing procedure is also proposed in which some solution components are forbidden based on the problems restrictions. Such preprocessing reduces the search space and thus may reduce the computational effort. The proposed heuristic uses a single ant colony, which simultaneously chooses the hubs and allocates the nodes to the hubs. Once these solutions are found, the routing of the flow is computed in a short amount of time, using the optimization models for the MP-CSAHLP in which some variables (location and allocation) are fixed. The results show that the proposed heuristic has the potential to find good quality solutions for the MP-CSAHLP and that its performance can be improved with finer parameter tuning, longer runs and more intense local search