Solving the Task Assignment Problem with a Variable Neighborhood Search

In this paper a variable neighborhood search (VNS) approach for the task assignment problem (TAP) is considered. An appropriate neighborhood scheme along with a shaking operator and local search procedure are constructed specifically for this problem. The computational results are presented for the instances from the literature, and compared to optimal solutions obtained by the CPLEX solver and heuristic solutions generated by the genetic algorithm. It can be seen that the proposed VNS approach reaches all optimal solutions in a quite short amount of computational time.* This research was partially supported by the Serbian Ministry of Science and Ecology under project 144007

An Algorithm for the Generalized Quadratic Assignment Problem

This paper reports on a new algorithm for the Generalized Quadratic Assignment problem (GQAP). The GQAP describes a broad class of quadratic integer programming problems, wherein M pair-wise related entities are assigned to N destinations constrained by the destinations’ ability to accommodate them. This new algorithm is based on a Reformulation Linearization Technique (RLT) dual ascent procedure. Experimental results show that the runtime of this algorithm is as good or better than other known exact solution methods for problems as large as M=20 and N=15

Polyhedral Approximations of Quadratic Semi-Assignment Problems, Disjunctive Programs, and Base-2 Expansions of Integer Variables

This research is concerned with developing improved representations for special families of mixed-discrete programming problems. Such problems can typically be modeled using different mathematical forms, and the representation employed can greatly influence the problem\u27s ability to be solved. Generally speaking, it is desired to obtain mixed 0-1 linear forms whose continuous relaxations provide tight polyhedral outer-approximations to the convex hulls of feasible solutions. This dissertation makes contributions to three distinct problems, providing new forms that improve upon published works. The first emphasis is on devising solution procedures for the classical quadratic semi-assignment problem(QSAP), which is an NP-hard 0-1 quadratic program. The effort begins by using a reformulation-linearization technique to recast the problem as a mixed 0-1 linear program. The resulting form provides insight into identifying special instances that are readily solvable. For the general case, the form is shown to have a tight continuous relaxation, as well as to possess a decomposable structure. Specifically, a Hamiltonian decomposition of a graph interpretation is devised to motivate a Lagrangian dual whose subproblems consist of families of separable acyclic minimum-cost network flows. The result is an efficient approach for computing tight lower bounds on the optimal objective value to the original discrete program. Extensive computational experience is reported to evaluate the tightness of the representation and the expedience of the algorithm. The second contribution uses disjunctive programming arguments to model the convex hull of the union of a finite collection of polytopes. It is well known that the convex hull of the union of n polytopes can be obtained by lifting the problem into a higher-dimensional space using n auxiliary continuous (scaling) variables. When placed within a larger optimization problem, these variables must be restricted to be binary. This work examines an approach that uses fewer binary variables. The same scaling technique is employed, but the variables are treated as continuous by introducing a logarithmic number of new binary variables and constraints. The scaling variables can now be substituted from the problem. Moreover, an emphasis of this work, is that specially structured polytopes lead to well-defined projection operations that yield more concise forms. These special polytopes consist of knapsack problems having SOS-1 and SOS-2 type restrictions. Different projections are defined for the SOS-2 case, leading to forms that serve to both explain and unify alternative representations for piecewise-linear functions, as well as to promote favorable computational experience. The third contribution uses minimal cover and set covering inequalities to define the previously unknown convex hulls of special sets of binary vectors that are lexicographically lower and upper bounded by given vectors. These convex hulls are used to obtain ideal representations for base-2 expansions of bounded integer variables, and also afford a new perspective on, and extend convex hull results for, binary knapsack polytopes having weakly super-decreasing coefficients. Computational experience for base-2 expansions of integer variables exhibits a reduction in effort

Optimization of storage and picking systems in warehouses

La croissance du commerce électronique exige une hausse des performances des systèmes d'entreposage, qui sont maintenant repensés pour faire face à un volume massif de demandes à être satisfait le plus rapidement possible. Le système manuel et le système à robots mobile (SRM) sont parmi les plus utilisés pour ces activités. Le premier est un système centré sur l'humain pour réaliser des opérations complexes que les robots actuels ne peuvent pas effectuer. Cependant, les nouvelles générations de robots autonomes mènent à un remplacement progressif par le dernier pour augmenter la productivité. Quel que soit le système utilisé, plusieurs problèmes interdépendants doivent être résolus pour avoir des processus de stockage et de prélèvement efficaces. Les problèmes de stockage concernent les décisions d'où stocker les produits dans l'entrepôt. Les problèmes de prélèvement incluent le regroupement des commandes à exécuter ensemble et les itinéraires que les cueilleurs et les robots doivent suivre pour récupérer les produits demandés. Dans le système manuel, ces problèmes sont traditionnellement résolus à l'aide de politiques simples que les préparateurs peuvent facilement suivre. Malgré l'utilisation de robots, la même stratégie de solution est répliquée aux problèmes équivalents trouvés dans le SRM. Dans cette recherche, nous étudions les problèmes de stockage et de prélèvement rencontrés lors de la conception du système manuel et du SRM. Nous développons des outils d'optimisation pour aider à la prise de décision pour mettre en place leurs processus, en améliorant les mesures de performance typiques de ces systèmes. Certains problèmes traditionnels sont résolus avec des techniques améliorées, tandis que d'autres sont intégrés pour être résolus ensemble au lieu d'optimiser chaque sous-système de manière indépendante. Nous considérons d'abord un système manuel avec un ensemble connu de commandes et intégrons les décisions de stockage et de routage. Le problème intégré et certaines variantes tenant compte des politiques de routage communes sont modélisés mathématiquement. Une métaheuristique générale de recherche de voisinage variable est présentée pour traiter des instances de taille réelle. Des expériences attestent de l'efficience de la métaheuristique proposée par rapport aux modèles exacts et aux politiques de stockage communes. Lorsque les demandes futures sont incertaines, il est courant d'utiliser une stratégie de zonage qui divise la zone de stockage en zones et attribue les produits les plus demandés aux meilleures zones. Les tailles des zones sont à déterminer. Généralement, des dimensions arbitraires sont choisies, mais elles ignorent les caractéristiques de l'entrepôt et des demandes. Nous abordons le problème de dimensionnement des zones pour déterminer quels facteurs sont pertinents pour choisir de meilleures tailles de zone. Les données générées à partir de simulations exhaustives sont utilisées pour trainer quatre modèles de régression d'apprentissage automatique - moindres carrés ordinaire, arbre de régression, forêt aléatoire et perceptron multicouche - afin de prédire les dimensions optimales des zones en fonction de l'ensemble de facteurs pertinents identifiés. Nous montrons que tous les modèles entraînés suggèrent des dimensions sur mesure des zones qui performent meilleur que les dimensions arbitraires couramment utilisées. Une autre approche pour résoudre les problèmes de stockage pour le système manuel et pour le SRM considère les corrélations entre les produits. L'idée est que les produits régulièrement demandés ensemble doivent être stockés près pour réduire les coûts de routage. Cette politique de stockage peut être modélisée comme une variante du problème d'affectation quadratique (PAQ). Le PAQ est un problème combinatoire traditionnel et l'un des plus difficiles à résoudre. Nous examinons les variantes les plus connues du PAQ et développons une puissante métaheuristique itérative de recherche tabou mémétique en parallèle capable de les résoudre. La métaheuristique proposée s'avère être parmi les plus performantes pour le PAQ et surpasse considérablement l'état de l'art pour ses variantes. Les SRM permettent de repositionner facilement les pods d'inventaire pendant les opérations, ce qui peut conduire à un processus de prélèvement plus économe en énergie. Nous intégrons les décisions de repositionnement des pods à l'attribution des commandes et à la sélection des pods à l'aide d'une stratégie de prélèvement par vague. Les pods sont réorganisés en tenant compte du moment et de l'endroit où ils devraient être demandés au futur. Nous résolvons ce problème en utilisant la programmation stochastique en tenant compte de l'incertitude sur les demandes futures et suggérons une matheuristique de recherche locale pour résoudre des instances de taille réelle. Nous montrons que notre schéma d'approximation moyenne de l'échantillon est efficace pour simuler les demandes futures puisque nos méthodes améliorent les solutions trouvées lorsque les vagues sont planifiées sans tenir compte de l'avenir. Cette thèse est structurée comme suit. Après un chapitre d'introduction, nous présentons une revue de la littérature sur le système manuel et le SRM, et les décisions communes prises pour mettre en place leurs processus de stockage et de prélèvement. Les quatre chapitres suivants détaillent les études pour le problème de stockage et de routage intégré, le problème de dimensionnement des zones, le PAQ et le problème de repositionnement de pod. Nos conclusions sont résumées dans le dernier chapitre.The rising of e-commerce is demanding an increase in the performance of warehousing systems, which are being redesigned to deal with a mass volume of demands to be fulfilled as fast as possible. The manual system and the robotic mobile fulfillment system (RMFS) are among the most commonly used for these activities. The former is a human-centered system that handles complex operations that current robots cannot perform. However, newer generations of autonomous robots are leading to a gradual replacement by the latter to increase productivity. Regardless of the system used, several interdependent problems have to be solved to have efficient storage and picking processes. Storage problems concern decisions on where to store products within the warehouse. Picking problems include the batching of orders to be fulfilled together and the routes the pickers and robots should follow to retrieve the products demanded. In the manual system, these problems are traditionally solved using simple policies that pickers can easily follow. Despite using robots, the same solution strategy is being replicated to the equivalent problems found in the RMFS. In this research, we investigate storage and picking problems faced when designing manual and RMFS warehouses. We develop optimization tools to help in the decision-making process to set up their processes and improve typical performance measures considered in these systems. Some classic problems are solved with improved techniques, while others are integrated to be solved together instead of optimizing each subsystem sequentially. We first consider a manual system with a known set of orders and integrate storage and routing decisions. The integrated problem and some variants considering common routing policies are modeled mathematically. A general variable neighborhood search metaheuristic is presented to deal with real-size instances. Computational experiments attest to the effectiveness of the metaheuristic proposed compared to the exact models and common storage policies. When future demands are uncertain, it is common to use a zoning strategy to divide the storage area into zones and assign the most-demanded products to the best zones. Zone sizes are to be determined. Commonly, arbitrary sizes are chosen, which ignore the characteristics of the warehouse and the demands. We approach the zone sizing problem to determine which factors are relevant to choosing better zone sizes. Data generated from exhaustive simulations are used to train four machine learning regression models - ordinary least squares, regression tree, random forest, and multilayer perceptron - to predict the optimal zone sizes given the set of relevant factors identified. We show that all trained models suggest tailor-made zone sizes with better picking performance than the arbitrary ones commonly used. Another approach to solving storage problems, both in the manual and RMFS, considers the correlations between products. The idea is that products constantly demanded together should be stored closer to reduce routing costs. This storage policy can be modeled as a quadratic assignment problem (QAP) variant. The QAP is a traditional combinatorial problem and one of the hardest to solve. We survey the most traditional QAP variants and develop a powerful parallel memetic iterated tabu search metaheuristic capable of solving them. The proposed metaheuristic is shown to be among the best performing ones for the QAP and significantly outperforms the state-of-the-art for its variants. The RMFS allows easy repositioning of inventory pods during operations that can lead to a more energy-efficient picking process. We integrate pod repositioning decisions with order assignment and pod selection using a wave picking strategy such that pods are parked after being requested considering when and where they are expected to be requested next. We solve this integrated problem using stochastic programming considering the uncertainty about future demands and suggest a local search matheuristic to solve real-size instances. We show that our sample average approximation scheme is effective to simulate future demands since our methods improve solutions found when waves are planned without considering the future demands. This thesis is structured as follows. After an introductory chapter, we present a literature review on the manual and RMFS, and common decisions made to set up their storage and picking processes. The next four chapters detail the studies for the integrated storage and routing problem, the zone sizing problem, the QAP, and the pod repositioning problem. Our findings are summarized in the last chapter

Best reduction of the quadratic semi-assignment problem

Abstract: We consider the quadratic semi-assignment problem in which we minimize a quadratic pseudo-Boolean function F subject to the semi-assignment constraints. We propose in this paper a linear programming method to obtain the best reduction of this problem, i.e. to compute the greatest constant c such that F is equal to c plus F' for all feasible solutions, F' being a quadratic pseudo-Boolean function with nonnegative coefficients. Thus constant c can be viewed as a generalization of the height of an unconstrained quadratic 0-1 function introduced by Hammer, Hansen and Simeone, Roof duality, complementation and persistency in quadratic 0-1 optimization (Math. Programming, 28 (1984), pp. 121-195) to constrained quadratic 0-1 optimization. Finally, computational experiments proving the practical usefulness of this reduction are reported