An efficient particle swarm optimizer with application to Man-Day project scheduling problems

The multimode resource-constrained project scheduling problem (MRCPSP) has been confirmed to be an NP-hard problem. Particle swarm optimization (PSO) has been efficiently applied to the search for near optimal solutions to various NP-hard problems. MRCPSP involves solving two subproblems: mode assignment and activity priority determination. Hence, two PSOs are applied to each subproblem. A constriction PSO is proposed for the activity priority determination while a discrete PSO is employed for mode assignment. A least total resource usage (LTRU) heuristic and minimum slack (MSLK) heuristic ensure better initial solutions. To ensure a diverse initial collection of solutions and thereby enhancing the PSO efficiency, a best heuristic rate (HR) is suggested. Moreover, a new communication topology with random links is also introduced to prevent slow and premature convergence. To verify the performance of the approach, the MRCPSP benchmarks in PSPLIB were evaluated and the results compared to other state-of-the-art algorithms. The results demonstrate that the proposed algorithm outperforms other algorithms for the MRCPSP problems. Finally, a real-world man-day project scheduling problem (MDPSP)—a MRCPSP problem—was evaluated and the results demonstrate that MDPSP can be solved successfull

Multi-mode resource-constrained project schedule problem: metaheuristic solution procedures and extensions

Operations research (OR) heeft als doel processen binnen organisaties te verbeteren of te optimaliseren met behulp van hiervoor ontwikkelde technieken en modellen. De discipline kende zijn oorsprong tijdens WOII, toen aan de hand van wiskundige modellen de logistieke bevoorrading van militair materiaal en goederen werd gepland. In de jaren na de oorlog ontwikkelde OR zich ten volle en tot op vandaag worden technieken en procedures ontwikkeld om complexe problemen in de bedrijfswereld, de maatschappij en de industrie te analyseren en te optimaliseren. Een van de onderzoeksdomeinen waarbinnen OR actief is, is project management. Project management kan omschreven worden als het geheel van kennis, vaardigheden, tools en technieken om een project te plannen, teneinde aan alle projecteisen te voldoen. Een project kan gedefinieerd worden als een tijdelijke inspanning met als doel het cre¨eren van een uniek product of een unieke service (PMBOK). De bouw van piramides in Egypte, de ontwikkeling van een iPhoneapplicatie, het schrijven van een doctoraat, de organisatie van een verkiezingscampagne of het bouwen van een huis, het zijn allen typische voorbeelden van projecten. De voorbije jaren is het belang van project management enorm toegenomen. Tientallen boeken over project management zijn verschenen en project software pakketten zijn ontwikkeld of uitgebreid met nieuwe planningsmogelijkheden. Bovendien zijn verschillende planningsproblemen reeds uitvoerig bestudeerd in de academische literatuur en zijn talloze exacte, heuristische of metaheuristische oplossingsmethodes voorgesteld. Een van die planningsproblemen is het zogenaamde ’multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem’, waarbij getracht wordt een project in een zo kort mogelijke duurtijd te plannen, rekening houdend met de volgorderelaties tussen de verschillende activiteiten ´en met de beschikbare hernieuwbare en niet-hernieuwbare middelen. Voor elk van de activiteiten zijn er bovendien meerdere uitvoeringsmogelijkheden. Dit doctoraat is opgedeeld in twee delen. In een eerste deel worden drie metaheuristische oplossingsprocedures en een nieuwe dataset voorgesteld, terwijl in het tweede deel verschillende meer praktische concepten worden ge¨ıntroduceerd. Dit werk wordt afgesloten met een algemene conclusie en enkele suggesties voor verder onderzoek. Deel I van dit doctoraat start met een introductie van het multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem en een overzicht van de beschikbare literatuur. Aan de hand van een voorbeeld worden enkele veelgebruikte termen in de project planning literatuur voorgesteld. Vervolgens worden drie oplossingsmethodes ontwikkeld: een genetisch algoritme (GA), een artificiel immune system algoritme (AIS) en een scatter search algoritme (SS). Het voorgestelde genetisch algoritme verschilt van andere genetische oplossingsmethodes aangezien het gebruik maakt van twee populaties, ´e´en met leftjustified schedules (waarbij alle activiteiten zo vroeg mogelijk gepland worden) en ´e´en met right-justified schedules (waarbij alle activiteiten zo laat mogelijk gepland worden). Het algoritme maakt ook gebruik van een generatieschema dat is uitgebreid met een methode die de gekozen mode van een activiteit tracht te optimaliseren door te kiezen voor de mode die resulteert in de laagst mogelijke eindtijd voor die activiteit. De artificial immune system procedure is gebaseerd op de principes van het menselijke immuun systeem. Wanneer ziektekiemen het menselijke lichaam binnendringen zullen de antigenen die in staat zijn om de ziektekiemen te bestrijden, zich vermenigvuldigen om op die manier zo snel mogelijk de ziekte te doen verdwijnen. Ditzelfde principe wordt toegepast in deze oplossingsmethode, die bovendien een procedure bevat om op een gecontroleerde manier de initi¨ele populatie te genereren. Deze procedure is gebaseerd op experimentele resultaten die een link aantonen tussen bepaalde karakteristieken van de gekozen modes en de uiteindelijke duurtijd van het project. Een laatste algoritme is een scatter search procedure. Deze procedure maakt gebruik van verschillende verbeteringsmethodes die elk aangepast zijn aan de specifieke karakteristieken van de verschillende hernieuwbare en niet-hernieuwbare middelen. De procedure wordt aan de hand van parameters die de beperktheid van de middelen aangeeft, gestuurd in de richting van de meest effici¨ente verbeteringsmethode en op die manier wordt een zo optimaal mogelijke oplossing gezocht. Elk van de voorgestelde procedures behaalde uitstekende resultaten op de bestaande benchmark datasets. Deze sets vertonen evenwel enkele beperkingen gezien de huidige evolutie in de ontwikkeling van metaheuristische oplossingsmethodes. Om die reden werd een nieuwe, verbeterde dataset ontwikkeld, die onderzoekers in staat moet stellen om hun oplossingen te vergelijken met andere procedures. Om een vergelijking te kunnen maken tussen alle bestaande oplossingsmethodes hebben we elk algoritme dat beschikbaar is in de literatuur gecodeerd en getest op de bestaande en nieuwe datasets. Door alle testen uit te voeren op eenzelfde computer en met eenzelfde stopcriterium zijn we in staat geweest een duidelijke en faire vergelijking te maken. Onze voorgestelde algoritmes performeren bovendien uitstekend. In het tweede deel van dit doctoraat worden een aantal uitbreidingen onder de loep genomen. Zo wordt in het eerste hoofdstuk van dit tweede deel de invloed nagegaan van het onderbreken van activiteiten: activiteiten kunnen dan op elke tijdstip stopgezet worden om later, zonder bijkomende kost, herstart te worden. De introductie van deze uitbreiding leidt tot een significante daling van de gemiddelde duurtijd van een project vergeleken met de situatie waarin geen onderbrekingen toegelaten worden. Een andere uitbreiding is de introductie van leereffecten in een projectomgeving. Hierbij wordt verondersteld dat een persoon effici¨enter wordt naarmate hij of zij langer aan een activiteit werkt. Dit leerconcept wordt vanuit drie verschillende zijdes bekeken. Ten eerste wordt nagegaan wat de invloed is van de introductie van het leerconcept op de totale duurtijd van een project en worden de verschillende parameters die hierop een invloed hebben geanalyseerd. Ten tweede bekijken we welke foutenmarge er moet aangenomen worden wanneer men geen rekening houdt met het leerconcept en tot slot achterhalen we dat door het tijdig incorporeren van de leereffecten significante verbeteringen kunnen gerealiseerd worden. In het laatste deel van dit doctoraat wordt het genetisch algoritme uit deel I gebruikt om de planning van een audit kantoor te optimaliseren. In deze planning dienen audit teams toegewezen te worden aan verschillende audit taken. Er kan duidelijk aangetoond worden dat met het gebruik van optimalisatietechnieken significante verbeteringen kunnen gemaakt worden in de planning van de audit teams. De bijdrage van dit doctoraat is drievoudig. Ten eerste werden drie stateof-the-art algoritmes gepresenteerd die in staat zijn om het multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem op een heel effici¨ente manier op te lossen. Bovendien werd telkens specifieke project informatie gebruikt om de effici¨entie van de procedure te verhogen. Ten tweede werden verschillende stappen ondernomen om dit probleem uit te breiden naar meer realistische planningsproblemen. Het toelaten van het onderbreken van activiteiten en de introductie van leereffecten leidden tot nieuwe inzichten in het onderzoek van project planning. Tot slot wordt met de ontwikkeling van een nieuwe dataset onderzoekers aangemoedigd om hun resultaten te vergelijken met die van andere procedures. Met deze nieuwe dataset is tevens de basis gelegd voor verder onderzoek van dit interessante planning

Reactive scheduling to treat disruptive events in the MRCPSP

Esta tesis se centra en diseñar y desarrollar una metodología para abordar el MRCPSP con diversas funciones objetivo y diferentes tipos de interrupciones. En esta tesis se exploran el MRCPSP con dos funciones objetivo, a saber: (1) minimizar la duración del proyecto y (2) maximizar el valor presente neto del proyecto. Luego, se tiene en cuenta dos tipos diferentes de interrupciones, (a) interrupción de duración, e (b) interrupción de recurso renovable. Para resolver el MRCPSP, en esta tesis se proponen tres estrategias metaheurísticas: (1) algoritmo memético para minimizar la duración del proyecto, (2) algoritmo adaptativo de forrajeo bacteriano para maximizar el valor presente neto del proyecto y (3) algoritmo de optimización multiobjetivo de forrajeo bacteriano (MBFO) para resolver el MRCPSP con eventos de interrupción. Para juzgar el rendimiento del algoritmo memético y de forrajeo bacteriano propuestos, se ha llevado a cabo un extenso análisis basado en diseño factorial y diseño Taguchi para controlar y optimizar los parámetros del algoritmo. Además se han puesto a prueba resolviendo las instancias de los conjuntos más importantes en la literatura: PSPLIB (10,12,14,16,18,20 y 30 actividades) y MMLIB (50 y 100 actividades). También se ha demostrado la superioridad de los algoritmos metaheurísticos propuestos sobre otros enfoques heurísticos y metaheurísticos del estado del arte. A partir de los estudios experimentales se ha ajustado la MBFO, utilizando un caso de estudio.DoctoradoDoctor en Ingeniería Industria

Multi-Objective Multi-mode Time-Cost Tradeoff modeling in Construction Projects Considering Productivity Improvement

In today's construction industry, poor performance often arises due to various factors related to time, finances, and quality. These factors frequently lead to project delays and resource losses, particularly in terms of financial resources. This research addresses the Multimode Resource-Constrained Project Scheduling Problem (MRCPSP), a real-world challenge that takes into account the time value of money and project payment planning. In this context, project activities exhibit discrete cost profiles under different execution conditions and can be carried out in multiple ways. This paper aims to achieve two primary objectives: minimizing the net present value of project costs and project completion times while simultaneously improving the project's productivity index. To accomplish this, a mathematical programming model based on certain assumptions is proposed. Several test cases are designed, and they are rigorously evaluated using the methodology outlined in this paper to validate the modeling approach. Recognizing the NP-hard nature of this problem, a multi-objective genetic algorithm capable of solving large-scale instances is developed. Finally, the effectiveness of the proposed solution is assessed by comparing it to the performance of the NSGA-II algorithm using well-established efficiency metrics. Results demonstrate the superior performance of the algorithm introduced in this study.Comment: 40 pages, 20 figures, 7 table

Solving Multi-Mode Resource-Constrained Multi-Project Scheduling Problem with Combinatorial Auction Mechanisms

[[abstract]]This study solves a multi-project, multi-mode, and resource-constrained project scheduling problem. Multi-mode means that the activities in a project can be accomplished in one out of several execution modes, each of which represents an alternative combination of resource requirement of the activity. The present study considers the case that the resources need to be allocated first to individual projects by the upper-level manager, and then the project manager of each project schedules the project to optimize its outcome. In view of such a hierarchical decision-making structure, this study uses bi-level decentralized programming to model the problem. The proposed solution procedure employs combinatorial auction mechanisms to determine resource allocations to projects. A regular combinatorial auction and a fuzzy combinatorial auction are used, respectively, for cases of hard and soft capacity constraints. The proposed solution procedure is evaluated by comparison with the results reported in the literature.[[notice]]補正完

Proactive-reactive, robust scheduling and capacity planning of deconstruction projects under uncertainty

A project planning and decision support model is developed and applied to identify and reduce risk and uncertainty in deconstruction project planning. It allows calculating building inventories based on sensor information and construction standards and it computes robust project plans for different scenarios with multiple modes, constrained renewable resources and locations. A reactive and flexible planning element is proposed in the case of schedule infeasibility during project execution

Short-Term Resource Allocation and Management

Almost all sectors of the economy, such as, government, healthcare, education, ship repair, construction, and manufacturing require project management. A key component of project management deals with scheduling of tasks such that limited resources are utilized in an effective manner. Current research on resource constrained project-scheduling has been classified as: a) Single project with single mode for various tasks, b) Single project with multiple task modes, c) Multiple projects with single task mode, and d) Multiple projects with multiple task modes.;This work extends the current multi-project, multi-mode scheduling techniques. The resources can be renewable, and non-renewable. In addition, it focuses on short term scheduling, that is, scheduling on an hourly, daily, or weekly basis. Long term scheduling assumes a stable system, that is, resources, priorities, and other constraints do no change during the scheduling period. In this research, short term scheduling assumes a dynamic system, that is, resources, priorities, and other constraints change over time.;A hybrid approach is proposed to address the dynamic nature of the problem. It is based on discrete event simulation and a set of empirical rules provided by the project manager. The project manager is assumed to be highly knowledgeable about the project. He/she is regarded as an integral part of the system. Such an approach is better suited to deal with real world scheduling. The proposed approach does not seek to provide a single optimum solution, instead, it generates a series of feasible solutions, along with the impact of each solution on schedule and cost.;Two project case studies dealing with finding an optimum solution were selected from the literature. The proposed technique was applied to the data set in these studies. In both cases the proposed approach found the optimum solution. The model was then applied to two additional problems to test the features that could not be tested on the dataset from the literature.;As for practical implications, the proposed approach enhances the decision making process, by providing more resource allocation flexibility, and results in improved solutions in terms of total project duration and cost. From an academic viewpoint, this research enriches the existing literature, as it provides an extension of the resource constrained project scheduling problems, a discrete event simulation and four cases studies which highlights relevant issues to model properly the complexity of real-life projects

A survey of variants and extensions of the resource-constrained project scheduling problem

The resource-constrained project scheduling problem (RCPSP) consists of activities that must be scheduled subject to precedence and resource constraints such that the makespan is minimized. It has become a well-known standard problem in the context of project scheduling which has attracted numerous researchers who developed both exact and heuristic scheduling procedures. However, it is a rather basic model with assumptions that are too restrictive for many practical applications. Consequently, various extensions of the basic RCPSP have been developed. This paper gives an overview over these extensions. The extensions are classified according to the structure of the RCPSP. We summarize generalizations of the activity concept, of the precedence relations and of the resource constraints. Alternative objectives and approaches for scheduling multiple projects are discussed as well. In addition to popular variants and extensions such as multiple modes, minimal and maximal time lags, and net present value-based objectives, the paper also provides a survey of many less known concepts. --project scheduling,modeling,resource constraints,temporal constraints,networks