Optimization of an integrated lot sizing and cutting stock problem in the paper industry

CNPQ - CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOFAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOTwo important optimization problems occur in the planning and production scheduling inpaper industries: the lot sizing problem and the cutting stock problem. The lot sizing problem must determine the quantity of jumbos of different types of paper to be produced in each machine over a finite planning horizon. These jumbos are then cut in order to meet the demand of items for each period. In this paper, we deal with the integration of these two problems, aiming to minimize costs of production and inventory of jumbos, as well as the trim loss of paper generated during the cutting process. Two mathematical models for the integrated problem are considered, and these models are solved both heuristically and using an optimization package. Attempting to get lower bounds for the problem, relaxed versions of the models also have been solved. Finally, computational experiments are presented and discussed.Two important optimization problems occur in the planning and production scheduling inpaper industries: the lot sizing problem and the cutting stock problem. The lot sizing problem must determine the quantity of jumbos of different types of paper to be produced in each machine over a finite planning horizon. These jumbos are then cut in order to meet the demand of items for each period. In this paper, we deal with the integration of these two problems, aiming to minimize costs of production and inventory of jumbos, as well as the trim loss of paper generated during the cutting process. Two mathematical models for the integrated problem are considered, and these models are solved both heuristically and using an optimization package. Attempting to get lower bounds for the problem, relaxed versions of the models also have been solved. Finally, computational experiments are presented and discussed.173305320CNPQ - CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOFAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOCNPQ - CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOFAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO2010/10133-02013/07375-

Integrating two-dimensional cutting stock and lot-sizing problems

The two-dimensional cutting stock problem (2DCSP) consists in the minimization of the number of plates used to cut a set of items. In industry, typically, an instance of this problem is considered at the beginning of each planning time period, what may result in solutions of poor quality, that is, excessive waste, when a set of planning periods is considered. To deal with this issue, we consider an integrated problem, in which the 2DCSP is extended from the solution in only a single production planning period to a solution in a set of production planning periods. The main difference of the approach in this work and the ones in the literature is to allow sufficiently large residual plates (leftovers) to be stored and cut in a subsequent period of the planning horizon, which may further help in the minimization of the waste. We propose two integrated integer programming models to optimize the combined twodimensional cutting stock and lot-sizing problems, minimizing the total cost, which includes material, waste and storage costs. Two heuristics based on the industrial practice to solve the problem were also presented. Computational results for the proposed models and for the heuristics are presented and discussed.This work has been partially funded by FCT (Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia-Portugal) through project 'SearchCol: Metaheuristic search by column generation' (PTDC/EIA-EIA/100645/2008) and by Grant SFRH/BD/42259/2007

A study on the lot-sizing and cutting-stock problems in the paper production process

Orientadores: Washington Alves de Oliveira, Carla Taviane Lucke da Silva GhidiniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências AplicadasResumo: Neste estudo analisamos dois problemas clássicos da pesquisa operacional, os problemas de corte de estoque e de dimensionamento de lotes presentes no processo produtivo da indústria de papel. O trabalho foi dividido em duas partes. Na primeira, propomos uma abordagem heurística para resolver duas versões de modelo matemático para o problema de corte de estoque, a versão clássica na qual existe um único tipo de objeto em estoque com disponibilidade ilimitada, e a versão multiperíodo na qual existem mais de um tipo de objeto em estoque com disponibilidade limitada, mais de um período no horizonte de planejamento e demanda dada. Os resultados obtidos nos experimentos computacionais mostram um desempenho satisfatório da heurística, medido em relação ao tempo computacional, à perda de material, à quantidade de soluções ótimas alcançadas e na comparação com outras heurísticas da literatura. Na segunda parte do trabalho, adotamos uma abordagem multiobjetivo para o problema de dimensionamento de lotes integrado ao problema de corte de estoque. Analisamos todos os possíveis conflitos e correlações entre as diversas medidas dos custos dos dois problemas. Diferentemente da abordagem mono-objetivo apresentada na literatura conseguimos através da abordagem multiobjetivo apontar diversas soluções otimizadas com diferentes impactos no planejamento dos processos de produção de papel. Estas soluções permitem ao tomador de decisão fazer escolhas com um olhar mais analítico dos processos à partir de um conjunto maior de soluçõesAbstract: In this study we analyze the cutting stock integrated with the lot sizing problem in the paper industry. At first we propose a heuristic approach to solve two different mathematical models of the cutting stock problem. One is the standard cutting stock problem, characterized for a single type of roll available in stock in unlimited quantity. The other, known as the multiperiod multiple stock size cutting stock problem, is characterized by considering: different types of stocked rolls with unlimited availability, various periods in the planning horizon and known demands. Computational experiments led to results that show a satisfactory performance of the heuristics, measured by the computational time, reduced material loss and optimal solutions reached. Results were also compared against similar works in the literature within the subject. Following we adopted a multi-objective approach for the lot sizing problem integrated with the cutting stock problem. We analized all possible conflicts and correlations between the various cost measures from both problems. Furthermore we were able to evaluate diverse solutions through the multi-objective approach leading to different impacts on the production paper process planning. Thus, our findings will support the decision maker's choice through a larger solutions setMestradoPesquisa Operacional e Gestão de ProcessosMestra em Engenharia de Produção e de Manufatura01P-3717/2017CAPE

Modelos e métodos de otimização para problemas de corte e empacotamento a duas dimensões

Programa Doutoral em Engenharia Industrial e de SistemasNesta tese, propõem-se modelos e métodos de otimização para problemas de corte e empacotamento a duas dimensões. Os problemas de corte e empacotamento são problemas com os quais muitas indústrias têm de lidar no decorrer do seu processo produtivo. De um modo genérico estes problemas consistem na divisão de um recurso, materiais sólidos no caso do corte e espaço utilizável no caso do empacotamento, em partes mais pequenas otimizando um determinado objetivo. Diferentes variantes e objetivos podem ser considerados dependendo das aplicações onde o problema tem origem. Devido a sua vasta aplicabilidade estes problemas têm sido muito estudados nas últimas décadas. Nesta tese, são propostos novos modelos de programação inteira com tamanho pseudo-polinomial para diferentes variantes do problema de corte bidimensional e para o problema integrado de corte bidimensional e dimensionamento de lotes. É também proposta uma aplicação de um algoritmo SearchCol (pesquisa meta-heurística por geração de colunas), que combina geração de colunas com meta-heurísticas ao problema de empacotamento bidimensional. O primeiro problema de corte estudado tem restrições de guilhotina e limitação no número de cortes (estágios) possíveis. Para este problema apresenta-se um modelo de programação inteira cujo tamanho, como se prova, e pseudo-polinomial. Neste modelo cada variável de decisão está associada com o corte de um item de uma placa ou de parte de uma placa, que resulte de cortes anteriores (placas residuais). Além das restrições de guilhotina e do número de estágios foram estudadas outras variantes do problema. O modelo de programação inteira proposto foi estendido para o problema de corte bidimensional também estagiado em que se permite a rotação dos itens, para o problema de corte em que os itens podem ser cortados de placas com tamanhos diferentes, para o problema de minimizar o tempo despendido no corte dos itens das placas, para o problema de minimizar os desperdícios e ainda para o problema de corte bidimensional onde se atribuem valores as placas residuais de sobra. O estudo dos problemas de corte não pode ser analisado de uma forma isolada no processo produtivo, al em disso resolver um problema de corte em cada período de planeamento, pode resultar em soluções de fraca qualidade, isto é, com desperdício excessivo, quando considerado um conjunto de períodos de planeamento. Com o objetivo de abordar esta característica e estudado também o problema integrado de corte bidimensional e dimensionamento de lotes. Para este problema são apresentados dois modelos de programação inteira. O problema de empacotamento bidimensional foi também estudado e para a sua resolução foi utilizado um algoritmo SearchCol, que tem por base um novo modelo de decomposição para o problema de empacotamento bidimensional. Testes computacionais foram realizados para todos os modelos de programação inteira propostos e para a aplicação do SearchCol ao problema de empacotamento bidimensional, para tal foram utilizadas instâncias reais provenientes da indústria do mobiliário e instâncias da literatura. De um modo geral, os resultados computacionais comprovam a e ciência dos modelos e métodos propostos.In this thesis, optimization models and methods are proposed for the two dimensional cutting stock and bin packing problems. The cutting and packing problems are problems that many industries have to deal during the production process. Generally these problems consist in a division of a resource in small parts, solid materials in the case of cutting and usable space in the case of packaging, in order to optimize a certain objective. Different variants and objectives may be considered depending on the applications where the problem appeared. Due to the wide applicability of these problems, they have been very studied in recent decades. In this thesis, new models of integer programming pseudo-polynomial in size are proposed for different variants of the two-dimensional cutting stock problem and for the integrated two-dimensional cutting stock and lot sizing problems. It is also proposed an application of an algorithm SearchCol (metaheuristic search by column generation), which combines column generation with meta-heuristics, to the two-dimensional bin packing problem. Firstly it is studied the two-dimensional cutting stock problem with guillotine constraints and with a limitation in the number of possible cuts (stages). For this problem, it is proposed an integer programming model, which size is proved to be pseudo-polynomial. In this model each decision variable is associated with cutting an item from a plate or from a part of a plate, resulting from previous cuts (residual plate). Besides the guillotine and the number of stages constraints, other variants of the problem have been studied. The proposed integer programming model was extended to the two-dimensional cutting stock problem also staged, which allows items rotation, for the cutting stock problem in which the items can be cut form plates with different sizes, for the problem of minimizing the time spent in the cutting process of the items from the plates, for the problem of minimizing the wastage and also for the cutting stock problem in which values are assigned to the residual plates. The study of the cutting stock problems cannot be analysed in isolated way in the production process, also solving a cutting stock problem in each planning period, can result in poor quality solutions, i.e., with excessive waste, when considered a set of planning periods. In order to address this feature, it is also studied the integrated two-dimensional cutting stock and lot-sizing problem. For this problem are proposed two integer programming models. The two-dimensional bin packing problem has also been studied and for solving it a SearchCol algorithm was used, which is based on a new decomposition model for the two-dimensional bin packing problem. Computational tests were conducted for all the proposed integer programming models and for the application of the SearchCol to the two-dimensional bin packing problem, real instances from furniture companies and instances from the literature are used. Generally, the computational results prove the efficiency of the proposed models and methods

Políticas de Copyright de Publicações Científicas em Repositórios Institucionais: O Caso do INESC TEC

A progressiva transformação das práticas científicas, impulsionada pelo desenvolvimento das novas Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), têm possibilitado aumentar o acesso à informação, caminhando gradualmente para uma abertura do ciclo de pesquisa. Isto permitirá resolver a longo prazo uma adversidade que se tem colocado aos investigadores, que passa pela existência de barreiras que limitam as condições de acesso, sejam estas geográficas ou financeiras. Apesar da produção científica ser dominada, maioritariamente, por grandes editoras comerciais, estando sujeita às regras por estas impostas, o Movimento do Acesso Aberto cuja primeira declaração pública, a Declaração de Budapeste (BOAI), é de 2002, vem propor alterações significativas que beneficiam os autores e os leitores. Este Movimento vem a ganhar importância em Portugal desde 2003, com a constituição do primeiro repositório institucional a nível nacional. Os repositórios institucionais surgiram como uma ferramenta de divulgação da produção científica de uma instituição, com o intuito de permitir abrir aos resultados da investigação, quer antes da publicação e do próprio processo de arbitragem (preprint), quer depois (postprint), e, consequentemente, aumentar a visibilidade do trabalho desenvolvido por um investigador e a respetiva instituição. O estudo apresentado, que passou por uma análise das políticas de copyright das publicações científicas mais relevantes do INESC TEC, permitiu não só perceber que as editoras adotam cada vez mais políticas que possibilitam o auto-arquivo das publicações em repositórios institucionais, como também que existe todo um trabalho de sensibilização a percorrer, não só para os investigadores, como para a instituição e toda a sociedade. A produção de um conjunto de recomendações, que passam pela implementação de uma política institucional que incentive o auto-arquivo das publicações desenvolvidas no âmbito institucional no repositório, serve como mote para uma maior valorização da produção científica do INESC TEC.The progressive transformation of scientific practices, driven by the development of new Information and Communication Technologies (ICT), which made it possible to increase access to information, gradually moving towards an opening of the research cycle. This opening makes it possible to resolve, in the long term, the adversity that has been placed on researchers, which involves the existence of barriers that limit access conditions, whether geographical or financial. Although large commercial publishers predominantly dominate scientific production and subject it to the rules imposed by them, the Open Access movement whose first public declaration, the Budapest Declaration (BOAI), was in 2002, proposes significant changes that benefit the authors and the readers. This Movement has gained importance in Portugal since 2003, with the constitution of the first institutional repository at the national level. Institutional repositories have emerged as a tool for disseminating the scientific production of an institution to open the results of the research, both before publication and the preprint process and postprint, increase the visibility of work done by an investigator and his or her institution. The present study, which underwent an analysis of the copyright policies of INESC TEC most relevant scientific publications, allowed not only to realize that publishers are increasingly adopting policies that make it possible to self-archive publications in institutional repositories, all the work of raising awareness, not only for researchers but also for the institution and the whole society. The production of a set of recommendations, which go through the implementation of an institutional policy that encourages the self-archiving of the publications developed in the institutional scope in the repository, serves as a motto for a greater appreciation of the scientific production of INESC TEC