Simulated annealing heuristics for the dynamic facility layout problem

Today\u27s consumer market demands that manufacturers must be competitive. This requires the efficient operation of manufacturing plants and their ability to quickly respond to changes in product mix and demand. Studies show that material handling cost makes up between 20 and 50 percent of the total operating cost. Therefore, this thesis considers the problem of arranging and rearranging (when there are changes in product mix and demand) manufacturing facilities such that material handling and rearrangement costs are minimized. This problem is called the dynamic facility layout problem. In this thesis, three simulated annealing heuristics are presented for the dynamic facility layout problem. The first is the direct implementation of the simulated annealing algorithm. The second heuristic uses a reheating strategy within simulated annealing. The third heuristic combines the simulated annealing algorithm, time windows concept, and the backward pairwise exchange method. The performance of the heuristics was evaluated using two measures: solution quality and computational time. Results obtained show that the proposed heuristics are effective for the dynamic facility layout problem

Cross-Docking: A Proven LTL Technique to Help Suppliers Minimize Products\u27 Unit Costs Delivered to the Final Customers

This study aims at proposing a decision-support tool to reduce the total supply chain costs (TSCC) consisting of two separate and independent objective functions including total transportation costs (TTC) and total cross-docking operating cost (TCDC). The full-truckload (FT) transportation mode is assumed to handle supplier→customer product transportation; otherwise, a cross-docking terminal as an intermediate transshipment node is hired to handle the less-than-truckload (LTL) product transportation between the suppliers and customers. TTC model helps minimize the total transportation costs by maximization of the number of FT transportation and reduction of the total number of LTL. TCDC model tries to minimize total operating costs within a cross-docking terminal. Both sub-objective functions are formulated as binary mathematical programming models. The first objective function is a binary-linear programming model, and the second one is a binary-quadratic assignment problem (QAP) model. QAP is an NP-hard problem, and therefore, besides a complement enumeration method using ILOG CPLEX software, the Tabu search (TS) algorithm with four diversification methods is employed to solve larger size problems. The efficiency of the model is examined from two perspectives by comparing the output of two scenarios including; i.e., 1) when cross-docking is included in the supply chain and 2) when it is excluded. The first perspective is to compare the two scenarios’ outcomes from the total supply chain costs standpoint, and the second perspective is the comparison of the scenarios’ outcomes from the total supply chain costs standpoint. By addressing a numerical example, the results confirm that the present of cross-docking within a supply chain can significantly reduce total supply chain costs and total transportation costs

Matheuristics: using mathematics for heuristic design

Matheuristics are heuristic algorithms based on mathematical tools such as the ones provided by mathematical programming, that are structurally general enough to be applied to different problems with little adaptations to their abstract structure. The result can be metaheuristic hybrids having components derived from the mathematical model of the problems of interest, but the mathematical techniques themselves can define general heuristic solution frameworks. In this paper, we focus our attention on mathematical programming and its contributions to developing effective heuristics. We briefly describe the mathematical tools available and then some matheuristic approaches, reporting some representative examples from the literature. We also take the opportunity to provide some ideas for possible future development

Iterative restricted space search : a solving approach based on hybridization

Face à la complexité qui caractérise les problèmes d'optimisation de grande taille l'exploration complète de l'espace des solutions devient rapidement un objectif inaccessible. En effet, à mesure que la taille des problèmes augmente, des méthodes de solution de plus en plus sophistiquées sont exigées afin d'assurer un certain niveau d 'efficacité. Ceci a amené une grande partie de la communauté scientifique vers le développement d'outils spécifiques pour la résolution de problèmes de grande taille tels que les méthodes hybrides. Cependant, malgré les efforts consentis dans le développement d'approches hybrides, la majorité des travaux se sont concentrés sur l'adaptation de deux ou plusieurs méthodes spécifiques, en compensant les points faibles des unes par les points forts des autres ou bien en les adaptant afin de collaborer ensemble. Au meilleur de notre connaissance, aucun travail à date n'à été effectué pour développer un cadre conceptuel pour la résolution efficace de problèmes d'optimisation de grande taille, qui soit à la fois flexible, basé sur l'échange d'information et indépendant des méthodes qui le composent. L'objectif de cette thèse est d'explorer cette avenue de recherche en proposant un cadre conceptuel pour les méthodes hybrides, intitulé la recherche itérative de l'espace restreint, ±Iterative Restricted Space Search (IRSS)>>, dont, la principale idée est la définition et l'exploration successives de régions restreintes de l'espace de solutions. Ces régions, qui contiennent de bonnes solutions et qui sont assez petites pour être complètement explorées, sont appelées espaces restreints "Restricted Spaces (RS)". Ainsi, l'IRSS est une approche de solution générique, basée sur l'interaction de deux phases algorithmiques ayant des objectifs complémentaires. La première phase consiste à identifier une région restreinte intéressante et la deuxième phase consiste à l'explorer. Le schéma hybride de l'approche de solution permet d'alterner entre les deux phases pour un nombre fixe d'itérations ou jusqu'à l'atteinte d'une certaine limite de temps. Les concepts clés associées au développement de ce cadre conceptuel et leur validation seront introduits et validés graduellement dans cette thèse. Ils sont présentés de manière à permettre au lecteur de comprendre les problèmes que nous avons rencontrés en cours de développement et comment les solutions ont été conçues et implémentées. À cette fin, la thèse a été divisée en quatre parties. La première est consacrée à la synthèse de l'état de l'art dans le domaine de recherche sur les méthodes hybrides. Elle présente les principales approches hybrides développées et leurs applications. Une brève description des approches utilisant le concept de restriction d'espace est aussi présentée dans cette partie. La deuxième partie présente les concepts clés de ce cadre conceptuel. Il s'agit du processus d'identification des régions restreintes et des deux phases de recherche. Ces concepts sont mis en oeuvre dans un schéma hybride heuristique et méthode exacte. L'approche a été appliquée à un problème d'ordonnancement avec deux niveaux de décision, relié au contexte des pâtes et papier: "Pulp Production Scheduling Problem". La troisième partie a permit d'approfondir les concepts développés et ajuster les limitations identifiées dans la deuxième partie, en proposant une recherche itérative appliquée pour l'exploration de RS de grande taille et une structure en arbre binaire pour l'exploration de plusieurs RS. Cette structure a l'avantage d'éviter l'exploration d 'un espace déjà exploré précédemment tout en assurant une diversification naturelle à la méthode. Cette extension de la méthode a été testée sur un problème de localisation et d'allocation en utilisant un schéma d'hybridation heuristique-exact de manière itérative. La quatrième partie généralise les concepts préalablement développés et conçoit un cadre général qui est flexible, indépendant des méthodes utilisées et basé sur un échange d'informations entre les phases. Ce cadre a l'avantage d'être général et pourrait être appliqué à une large gamme de problèmes

Development of a hybrid metaheuristic for the efficient solution of strategic supply chain management problems: application to the energy sector

Supply chain management (SCM) addresses the strategic, tactical, and operational decision making that optimizes the supply chain performance. The strategic level defines the supply chain configuration: the selection of suppliers, transportation routes, manufacturing facilities, production levels, technologies. The tactical level plans and schedules the supply chain to meet actual demand. The operational level executes plans. Tactical and operational level decision-making functions are distributed across the supply chain. To increase or optimize performance, supply-chain functions must be perfectly coordinated. But the cycles of the enterprise and the market make this difficult: raw material does not arrive on time, production facilities fail, workers are ill, customers change or cancel orders, therefore, causing deviations from the plan. In some cases, these situations may be dealt with locally. In other cases, the problem cannot be ”locally contained” and modifications across many functions are required. Consequently, the supply chain management system must coordinate the revision of plans or schedules. The ability to better understand an algorithm is important to focus on the following variables: tactical and operational levels of the supply chain so that the timely dissemination of information, accurate coordination of decisions, and management of actions among people and systems is achieved ultimately determines the efficient, coordinated achievement of enterprise goal

Tabu search heuristics for the dynamic facility layout problem

The facility layout dramatically influences the efficiency of material handling within a manufacturing system. In order to ensure optimal performance within a manufacturing system, the facility layout should reflect changes throughout time. However, the static facility layout problem with constant material flows between departments may not be a realistic scenario because a manufacturing facility is a dynamic system that constantly evolves. In other words, product demand constantly changes over time. As a result, the dynamic facility layout problem (DFLP) considers these changes and is defined as the problem of assigning departments to locations during a multi-period planning horizon such that the sum of the material handling and rearrangement costs is minimized. In this research, tabu search heuristics and a probabilistic tabu search heuristic are developed to solve the DFLP. The proposed tabu search heuristics are a simple tabu search heuristic, a tabu search heuristic with diversification and intensification strategies, and a probabilistic tabu search heuristic. Two data sets taken from the literature are used to test the performances of the proposed heuristics. Computational experiments show that the proposed heuristics out-performed the heuristics presented in the literature with respect to solution quality and computational time

Heuristics for the dynamic facility layout problem with unequal area departments

The facility layout problem (FLP) is a well researched problem of finding positions of departments on a plant floor such that departments do not overlap and some objective(s) is (are) optimized. In this dissertation, the FLP with unequal area rectangular shaped departments is considered, when material flows between departments change during the planning horizon. This problem is known as the dynamic FLP. The change in material flows between pairs of departments in consecutive periods may require rearrangements of departments during the planning horizon in order to keep material handling costs low. The objective of our problem is to minimize the sum of the material handling and rearrangement costs. Because of the combinatorial structure of the problem, only small sized problems can be solved in reasonable time using exact techniques. As a result, construction and improvement heuristics are developed for the proposed problem. The construction algorithms are boundary search heuristics as well as a dual simplex method, and the improvement heuristics are tabu search and memetic heuristics with boundary search and dual simplex (linear programming model) techniques. The heuristics were tested on a generated data set as well as some instances from the literature. In summary, the memetic heuristic with the boundary search technique out-performed the other techniques with respect to solution quality

Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.This thesis studies a scheduled service network design problem for rail freight transportation planning. Rails follow a special two level consolidation organization, and the car-to-block, block-to-service handling procedure complicates daily operations. In this research, the two consolidation processes as well as the operation schedule are considered simultaneously, and by solving this problem, we provide an overall cost-effective operating plan, including blocking policy, train routing, scheduling, make-up policy and traffic distribution. In order to describe various rail operations at the tactical level, we extend the physical network and construct a 3-layer time-space structure, in which the time dimension takes into consideration the temporal impacts on operations. Furthermore, operations on trains, blocks, and cars are described in different layers. Based on this network structure, we model the rail planning problem to a service network design formulation. The proposed model relies on a complex mixed-integer programming formulation. The problem is very hard to solve due to the computational difficulty as well as the tremendous size of the application instances. Three versions of the problem are studied, which are the simplified model (with only non-stop services), complete model (with both non-stop and multi-stop services) and very-large-scale complete model. Heuristic algorithms are developed to provide good feasible solutions in reasonable computing efforts. A special case with non-stop services is first studied. According to a specific characteristic of the direct service network design problem, we develop a tabu search algorithm. The tabu search moves in a cycle-based neighborhood, where flows on blocks are re-distributed according to the cycles in a conceptual residual network. A slope scaling based algorithm is developed for the complete model, and we propose a new method, called ellipsoidal search, to further improve the solution quality. Ellipsoidal search combines the good feasible solutions generated from the slope scaling, and collects the features of good solutions into an elite problem, and solves it with exact solvers. The algorithm thus takes advantage of the convergence speed of slope scaling and solution quality of ellipsoidal search, and is proven effective. The algorithm also presents an alternative for solving the simplified problem. Finally, we work on the very-large-size complete model. A hybrid heuristic is developed by integrating the ideas of previous research with column generation. We propose a new slope scaling scheme where, compared with the previous scheme, only approximate service costs instead of both service and block costs are considered. The new slope scaling scheme thus separates the block decisions and service decisions, and provide a natural decomposition of the problem. Experiments show the algorithm is good to solve real-life size instances

A Polyhedral Study of Mixed 0-1 Set

We consider a variant of the well-known single node fixed charge network flow set with constant capacities. This set arises from the relaxation of more general mixed integer sets such as lot-sizing problems with multiple suppliers. We provide a complete polyhedral characterization of the convex hull of the given set