04231 Abstracts Collection -- Scheduling in Computer and Manufacturing Systems

During 31.05.-04.06.04, the Dagstuhl Seminar 04231 "Scheduling in Computer and Manufacturing Systems" was held in the International Conference and Research Center (IBFI), Schloss Dagstuhl. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available

An exact decomposition approach for the real-time Train Dispatching problem (v.2)

-Trains movements on a railway network are regulated by official timetables. Deviations and delays occur quite often in practice, demanding fast re-scheduling and re-routing decisions in order to avoid conflicts and minimize overall delay. This is the real-time train dispatching problem. In contrast with the classic ""holistic"" approach, we show how to decompose the problem into smaller subproblems associated with the line and the stations. The decomposition is the basis for a master-slave solution algorithm, in which the master problem is associated with the line and the slave problem is associated with the stations. The two subproblems are modeled as mixed integer linear programs, with their specific sets of variables and constraints. Similarly to the classical Bender's decomposition approach, the slave and the master communicate through suitable feasibility cuts in the variables of the master. By applying our approach to a number of real-life instances from single and double-track lines in Italy, we were able to (quickly) find optimal or near-optimal solutions, with impressive improvements over the performances of the current operating control systems. The new approach will be put in operation in such lines for an extensive on-field test-campaign as of April 2013. Follows SINTEF Technical Report A2327

Domain-independent local search for linear integer optimization

Integer and combinatorial optimization problems constitute a major challenge for algorithmics. They arise when a large number of discrete organizational decisions have to be made, subject to constraints and optimization criteria. This thesis describes and investigates new domain-independent local search strategies for linear integer optimization. We introduce WSAT(OIP), an integer local search method which operates on an algebraic problem representation. WSAT(OIP) generalizes Walksat, a successful local search procedure for propositional satisfiability (SAT), to more expressive constraint systems. For this purpose, we introduce over-constrained integer programs (OIPs), a constraint class which is closely related to integer programs. OIP allows for a natural generalization of the principles of SAT local search to integer optimization. Further, it will be shown that OIPs are a special case of integer linear programs and permit combinations with linear programming for bound computation, initialization by rounding, search space reduction, and feasibility testing. The representation is similar enough to integer programs to make use of existing algebraic modeling languages as front-end to a local search solver. To improve performance on realistic problems, WSAT(OIP) incorporates strategies from Tabu Search. We experimentally investigate WSAT(OIP) for a variety of realistic integer optimization problems from the domains of time tabling, sports scheduling, radar surveillance, course assignment, and capacitated production planning. The experimental design examines efficiency, scaling (with increasing problem size and constrainedness), and robustness. The results demonstrate that integer local search can outperform or compete with state-of-the-art integer programming (IP) branch-and-bound and constraint programming (CP) approaches to these problems in finding near-optimal solutions. Key findings of our empirical study include that integer local search is able to solve difficult constraint problems from time-tabling and sports scheduling when cast into a 0-1 representation, which are beyond the scope of IP branch-and-bound strategies and for which devising robust constraint programs is a non-trivial task. For several realistic optimization problems (0-1 integer and finite domain) we show that integer local search exhibits graceful runtime scaling with increasing problem size and constrainedness. It can therefore significantly outperform IP branch-and-bound strategies on large or tightly constrained problems in finding near-optimal solutions. The problems under consideration are mostly beyond the limitations of a previous general-purpose simulated annealing strategy for 0-1 integer programs.Ganzzahlige und kombinatorische Optimierungsprobleme stellen eine schwierige Herausforderung im Gebiet der Algorithmen dar. Sie treten auf, wenn eine große Anzahl diskreter organisatorischer Entscheidungen unter Berücksichtigung von Constraints und Optimierungskriterien zu treffen sind. Diese Arbeit beschreibt und untersucht neue, domänenunabhängige Strategien der lokalen Suche zur ganzzahligen linearen Optimierung. Wir beschreiben WSAT(OIP), eine Strategie "ganzzahliger lokaler Suche\u27;, die auf einer algebraischen Problemrepräsentation operiert. WSAT(OIP) verallgemeinert Walksat, eine erfolgreiche Prozedur lokaler Suche für das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT), auf ausdrucksstärkere Constraint-Systeme. Für diesen Zweck führen wir die Klasse der "Over-constrained Integer Programs\u27;(OIPs) ein, eine Constraint-Klasse, die eng mit ganzzahligen Programmen verwandt ist. OIPs erlauben einerseits eine natürliche Verallgemeinerung der Prinzipien von lokaler Suche für SAT. Andererseits sind sie ein Spezialfall der ganzzahligen linearen Programme und ermöglichen die Kombination mit linearer Programmierung zur Berechnung von Schranken, Initialisierung durch Rundung, Suchraum-Reduktion und für Gültigkeits-Tests. OIPs sind ganzzahligen Programmen ähnlich, so daß existierende algebraische Modellierungssprachen als Eingabeschnittstelle für einen Problemlöser benutzt werden können, der auf lokaler Suche basiert. Um die Performanz auf realistischen Problemen zu verbessern, ist WSAT(OIP) mit Strategien der Tabu-Suche ausgestattet. Wir führen eine experimentelle Untersuchung von WSAT(OIP) auf einer Reihe von realistischen ganzzahligen Constraint- und Optimierungsproblemen durch. Die Probleme stammen aus den Domänen Zeitplan-Erstellung, Sport-Ablaufplanung, Radar- Überwachung, Kurs-Zuteilung und Produktions-Planung. Das experimentelle Design untersucht Effizienz, Skalierung mit zunehmender Problemgröße und stärkeren Constraints sowie Robustheit. Die Ergebnisse zeigen, daß ganzzahlige lokale Suche bezüglich Performanz auf diesen Problemklassen zeitgemäße Ansätze der ganzzahligen Programmierung und der Constraint-Programmierung beim Finden nahe-optimaler Lösungen schlägt oder mit ihnen konkurriert. Kernergebnisse der empirischen Untersuchung sind, daß ganzzahlige lokale Suche in der Lage ist, schwierige Constraint-Probleme der Zeitplan-Erstellung und Sport-Ablaufplanung in einer 0-1 Repräsentation zu lösen, die außerhalb der Grenzen der ganzzahligen linearen Programmierung liegen, und für die die Entwicklung eines robustes Constraint-Programms eine nicht-triviale Aufgabe darstellt. Für mehrere realistische Optimierungsprobleme (ganzzahlig 0-1 und endliche Bereiche)zeigen wir, daß ganzzahlige lokale Suche eine günstige Skalierung der Laufzeit mit zunehmender Problemgröße und Constrainedness aufweist. Dadurch zeigt das Verfahren auf großen Problemen und auf Problemen mit starken Constraints deutlich bessere Performanz für das Finden nahe-Lösungen als die Branch-and-Bound Strategie der ganzzahligen Programmierung. Die untersuchten Probleme liegen zumeist außerhalb der Grenzen einer existierenden Simulated Annealing Strategie für allgemeine lineare 0-1 Programme

Domain-independent local search for linear integer optimization

Integer and combinatorial optimization problems constitute a major challenge for algorithmics. They arise when a large number of discrete organizational decisions have to be made, subject to constraints and optimization criteria. This thesis describes and investigates new domain-independent local search strategies for linear integer optimization. We introduce WSAT(OIP), an integer local search method which operates on an algebraic problem representation. WSAT(OIP) generalizes Walksat, a successful local search procedure for propositional satisfiability (SAT), to more expressive constraint systems. For this purpose, we introduce over-constrained integer programs (OIPs), a constraint class which is closely related to integer programs. OIP allows for a natural generalization of the principles of SAT local search to integer optimization. Further, it will be shown that OIPs are a special case of integer linear programs and permit combinations with linear programming for bound computation, initialization by rounding, search space reduction, and feasibility testing. The representation is similar enough to integer programs to make use of existing algebraic modeling languages as front-end to a local search solver. To improve performance on realistic problems, WSAT(OIP) incorporates strategies from Tabu Search. We experimentally investigate WSAT(OIP) for a variety of realistic integer optimization problems from the domains of time tabling, sports scheduling, radar surveillance, course assignment, and capacitated production planning. The experimental design examines efficiency, scaling (with increasing problem size and constrainedness), and robustness. The results demonstrate that integer local search can outperform or compete with state-of-the-art integer programming (IP) branch-and-bound and constraint programming (CP) approaches to these problems in finding near-optimal solutions. Key findings of our empirical study include that integer local search is able to solve difficult constraint problems from time-tabling and sports scheduling when cast into a 0-1 representation, which are beyond the scope of IP branch-and-bound strategies and for which devising robust constraint programs is a non-trivial task. For several realistic optimization problems (0-1 integer and finite domain) we show that integer local search exhibits graceful runtime scaling with increasing problem size and constrainedness. It can therefore significantly outperform IP branch-and-bound strategies on large or tightly constrained problems in finding near-optimal solutions. The problems under consideration are mostly beyond the limitations of a previous general-purpose simulated annealing strategy for 0-1 integer programs.Ganzzahlige und kombinatorische Optimierungsprobleme stellen eine schwierige Herausforderung im Gebiet der Algorithmen dar. Sie treten auf, wenn eine große Anzahl diskreter organisatorischer Entscheidungen unter Berücksichtigung von Constraints und Optimierungskriterien zu treffen sind. Diese Arbeit beschreibt und untersucht neue, domänenunabhängige Strategien der lokalen Suche zur ganzzahligen linearen Optimierung. Wir beschreiben WSAT(OIP), eine Strategie "ganzzahliger lokaler Suche';, die auf einer algebraischen Problemrepräsentation operiert. WSAT(OIP) verallgemeinert Walksat, eine erfolgreiche Prozedur lokaler Suche für das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT), auf ausdrucksstärkere Constraint-Systeme. Für diesen Zweck führen wir die Klasse der "Over-constrained Integer Programs';(OIPs) ein, eine Constraint-Klasse, die eng mit ganzzahligen Programmen verwandt ist. OIPs erlauben einerseits eine natürliche Verallgemeinerung der Prinzipien von lokaler Suche für SAT. Andererseits sind sie ein Spezialfall der ganzzahligen linearen Programme und ermöglichen die Kombination mit linearer Programmierung zur Berechnung von Schranken, Initialisierung durch Rundung, Suchraum-Reduktion und für Gültigkeits-Tests. OIPs sind ganzzahligen Programmen ähnlich, so daß existierende algebraische Modellierungssprachen als Eingabeschnittstelle für einen Problemlöser benutzt werden können, der auf lokaler Suche basiert. Um die Performanz auf realistischen Problemen zu verbessern, ist WSAT(OIP) mit Strategien der Tabu-Suche ausgestattet. Wir führen eine experimentelle Untersuchung von WSAT(OIP) auf einer Reihe von realistischen ganzzahligen Constraint- und Optimierungsproblemen durch. Die Probleme stammen aus den Domänen Zeitplan-Erstellung, Sport-Ablaufplanung, Radar- Überwachung, Kurs-Zuteilung und Produktions-Planung. Das experimentelle Design untersucht Effizienz, Skalierung mit zunehmender Problemgröße und stärkeren Constraints sowie Robustheit. Die Ergebnisse zeigen, daß ganzzahlige lokale Suche bezüglich Performanz auf diesen Problemklassen zeitgemäße Ansätze der ganzzahligen Programmierung und der Constraint-Programmierung beim Finden nahe-optimaler Lösungen schlägt oder mit ihnen konkurriert. Kernergebnisse der empirischen Untersuchung sind, daß ganzzahlige lokale Suche in der Lage ist, schwierige Constraint-Probleme der Zeitplan-Erstellung und Sport-Ablaufplanung in einer 0-1 Repräsentation zu lösen, die außerhalb der Grenzen der ganzzahligen linearen Programmierung liegen, und für die die Entwicklung eines robustes Constraint-Programms eine nicht-triviale Aufgabe darstellt. Für mehrere realistische Optimierungsprobleme (ganzzahlig 0-1 und endliche Bereiche)zeigen wir, daß ganzzahlige lokale Suche eine günstige Skalierung der Laufzeit mit zunehmender Problemgröße und Constrainedness aufweist. Dadurch zeigt das Verfahren auf großen Problemen und auf Problemen mit starken Constraints deutlich bessere Performanz für das Finden nahe-Lösungen als die Branch-and-Bound Strategie der ganzzahligen Programmierung. Die untersuchten Probleme liegen zumeist außerhalb der Grenzen einer existierenden Simulated Annealing Strategie für allgemeine lineare 0-1 Programme

Cell Production System Design: A Literature Review

Purpose In a cell production system, a number of machines that differ in function are housed in the same cell. The task of these cells is to complete operations on similar parts that are in the same group. Determining the family of machine parts and cells is one of the major design problems of production cells. Cell production system design methods include clustering, graph theory, artificial intelligence, meta-heuristic, simulation, mathematical programming. This article discusses the operation of methods and research in the field of cell production system design. Methodology: To examine these methods, from 187 articles published in this field by authoritative scientific sources, based on the year of publication and the number of restrictions considered and close to reality, which are searched using the keywords of these restrictions and among them articles Various aspects of production and design problems, such as considering machine costs and cell size and process routing, have been selected simultaneously. Findings: Finally, the distribution diagram of the use of these methods and the limitations considered by their researchers, shows the use and efficiency of each of these methods. By examining them, more efficient and efficient design fields of this type of production system can be identified. Originality/Value: In this article, the literature on cell production system from 1972 to 2021 has been reviewed

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

Combinatorial Approximation Algorithms: Guaranteed Versus Experimental Performance

VIII+99hlm.;24c

New Characterizations and Efficient Local Search for General Integer Linear Programming

Integer linear programming (ILP) models a wide range of practical combinatorial optimization problems and has significant impacts in industry and management sectors. This work proposes new characterizations of ILP with the concept of boundary solutions. Motivated by the new characterizations, we develop an efficient local search solver, which is the first local search solver for general ILP validated on a large heterogeneous problem dataset. We propose a new local search framework that switches between three modes, namely Search, Improve, and Restore modes. We design tailored operators adapted to different modes, thus improving the quality of the current solution according to different situations. For the Search and Restore modes, we propose an operator named tight move, which adaptively modifies variables' values, trying to make some constraint tight. For the Improve mode, an efficient operator lift move is proposed to improve the quality of the objective function while maintaining feasibility. Putting these together, we develop a local search solver for integer linear programming called Local-ILP. Experiments conducted on the MIPLIB dataset show the effectiveness of our solver in solving large-scale hard integer linear programming problems within a reasonably short time. Local-ILP is competitive and complementary to the state-of-the-art commercial solver Gurobi and significantly outperforms the state-of-the-art non-commercial solver SCIP. Moreover, our solver establishes new records for 6 MIPLIB open instances. The theoretical analysis of our algorithm is also presented, which shows our algorithm could avoid visiting unnecessary regions and also maintain good connectivity of targeted solutions.Comment: 36 pages, 2 figures, 7 table