Permutation flow shop scheduling problem under non-renewable resources constraints

International audienceThe majority of flow shop scheduling problems considers machines as the only resource. However, in most real-life manufacturing environments, jobs for their processing on machines may require additional non-renewable resources. Considering such resources, the scheduling problem is more realistic and much harder to solve. In this paper, we investigate the permutation flow shop scheduling problem subject to non-renewable resources constraints. The objective is to find a schedule that minimises the maximum completion time. An integer linear programming model is developed. Because of the computation time constraint, we propose an approximate resolution method based on genetic algorithm. To obtain better and more robust solutions, the Taguchi method is performed for tuning the parameters and operators of the algorithm. Furthermore, a local search is proposed to enhance the searching ability. Finally, computational experiments are conducted to evaluate the performance of both mathematical model and algorithm on different configurations of non-renewable resources availability

Inteligencia computacional en la programación de la producción con recursos adicionales

[ES] En esta Tesis Doctoral se aborda el problema del taller de flujo de permutación considerando recursos adicionales renovables, que es una versión más realista del clásico problema de taller de flujo de permutación, muy estudiado en la literatura. La inclusión de los recursos ayuda a acercar el mundo académico-científico al mundo real de la industria. Se ha realizado una completa revisión bibliográfica que no se ha limitado a problemas del taller de flujo, sino que han revisado problemas similares del ámbito de scheduling que consideren recursos. En esta revisión, no se han encontrado en la literatura artículos para el problema concreto que se estudia en esta tesis. Por ello, la aportación principal de esta Tesis Doctoral es el estudio por primera vez de este problema y la propuesta y adaptación de métodos para su resolución. Inicialmente, el problema se modeliza a través de un modelo de programación lineal entera mixta (MILP). Dada la complejidad del problema, el MILP es capaz de resolver instancias de un tamaño muy pequeño. Por ello, es necesario adaptar, diseñar e implementar heurísticas constructivas y metaheurísticas para obtener buenas soluciones en un tiempo de computación razonable. Para evaluar la eficacia y eficiencia de los métodos propuestos, se generan instancias de problemas partiendo de los conjuntos más utilizados en la literatura para el taller de flujo de permutación. Se utilizan estas instancias propuestas tanto para calibrar los distintos métodos como para evaluar su rendimiento a través de experimentos computacionales masivos. Los experimentos muestran que las heurísticas propuestas son métodos sencillos que consiguen soluciones factibles de una forma muy rápida. Para mejorar las soluciones obtenidas con las heurísticas y facilitar el movimiento a otros espacios de soluciones, se proponen tres metaheurísticas: un método basado en búsqueda local iterativa (ILS), un método voraz iterativo (IG) y un algoritmo genético con búsqueda local (HGA). Todos ellos utilizan las heurísticas propuestas más eficaces como solución o soluciones iniciales. Las metaheurísticas obtienen las mejores soluciones utilizando tiempos de computación razonables, incluso para las instancias de mayor tamaño. Todos los métodos han sido implementados dentro de la plataforma FACOP (Framework for Applied Combinatorial Optimization Problems). Dicha plataforma es capaz de incorporar nuevos algoritmos de optimización para problemas de investigación operativa relacionados con la toma de decisiones de las organizaciones y está diseñada para abordar casos reales en empresas. El incorporar en esta plataforma todas las metodologías propuestas en esta Tesis Doctoral, acerca el mundo académico al mundo empresarial.[CA] En aquesta Tesi Doctoral s'aborda el problema del taller de flux de permutació considerant recursos addicionals renovables, que és una versió més realista del clàssic problema de taller de flux de permutació, molt estudiat a la literatura. La inclusió dels recursos ajuda a apropar el món acadèmic-científic al món real de la indústria. S'ha realitzat una revisió bibliogràfica completa que no s'ha limitat a problemes del taller de flux, sinó que ha revisat problemes similars de l'àmbit de scheduling que considerin recursos. En aquesta revisió, no s'ha trobat a la literatura articles per al problema concret que s'estudia en aquesta tesi. Per això, l'aportació principal d'aquesta Tesi Doctoral és l'estudi per primera vegada d'aquest problema i la proposta i l'adaptació de mètodes per resoldre'ls. Inicialment, el problema es modelitza mitjançant un model de programació lineal sencera mixta (MILP). Donada la complexitat del problema, el MILP és capaç de resoldre instàncies d'un tamany molt petita. Per això, cal adaptar, dissenyar i implementar heurístiques constructives i metaheurístiques per obtenir bones solucions en un temps de computació raonable. Per avaluar l'eficàcia i l'eficiència dels mètodes proposats, es generen instàncies de problemes partint dels conjunts més utilitzats a la literatura per al taller de flux de permutació. S'utilitzen aquestes instàncies proposades tant per calibrar els diferents mètodes com per avaluar-ne el rendiment a través d'experiments computacionals massius. Els experiments mostren que les heurístiques proposades són mètodes senzills que aconsegueixen solucions factibles de manera molt ràpida. Per millorar les solucions obtingudes amb les heurístiques i facilitar el moviment a altres espais de solucions, es proposen tres metaheurístiques: un mètode basat en cerca local iterativa (ILS), un mètode voraç iteratiu (IG) i un algorisme genètic híbrid (HGA). Tots ells utilitzen les heurístiques proposades més eficaces com a solució o solucions inicials. Les metaheurístiques obtenen les millors solucions utilitzant temps de computació raonables, fins i tot per a les instàncies més grans. Tots els mètodes han estat implementats dins de la plataforma FACOP (Framework for Applied Combinatorial Optimization Problems). Aquesta plataforma és capaç d'incorporar nous algorismes d'optimització per a problemes de recerca operativa relacionats amb la presa de decisions de les organitzacions i està dissenyada per abordar casos reals a empreses. El fet d'incorporar en aquesta plataforma totes les metodologies proposades en aquesta Tesi Doctoral, apropa el món acadèmic al món empresarial.[EN] In this Doctoral Thesis, the permutation flowshop problem is addressed considering additional renewable resources, which is a more realistic version of the classic permutation flowshop problem, widely studied in the literature. The inclusion of resources helps to bring the academic-scientific world closer to the real world of industry. A complete bibliographic review has been carried out that has not been limited to flow shop problems, but has reviewed similar problems in the scheduling field that consider resources. In this review, no articles have been found in the literature for the specific problem studied in this thesis. Therefore, the main contribution of this Doctoral Thesis is the study for the first time of this problem and the proposal and adaptation of methods for its resolution. Initially, the problem is modeled through a mixed integer linear programming (MILP) model. Given the complexity of the problem, the MILP is capable of solving very small instances. Therefore, it is necessary to adapt, design and implement constructive heuristics and metaheuristics to obtain good solutions in a reasonable computation time. In order to evaluate the effectiveness and efficiency of the proposed methods, problem instances are generated starting from the sets most used in the literature for the permutation flowshop. These proposed instances are used both to calibrate the different methods and to evaluate their performance through massive computational experiments. Experiments show that proposed heuristics are simple methods that achieve feasible solutions very quickly. To improve the solutions obtained with the heuristics and facilitate movement to other solution spaces, three metaheuristics are proposed: a method based on iterated local search (ILS), an iterative greedy method (IG) and a hybrid genetic algorithm (HGA). All of them use the most effective proposed heuristics as initial solution or solutions. Metaheuristics get the best solutions using reasonable computation times, even for the largest instances. All the methods have been implemented within the FACOP platform (Framework for Applied Combinatorial Optimization Problems). Said platform is capable of incorporating new optimization algorithms for operational research problems related to decision-making in organizations and it is designed to address real cases in companies. Incorporating in this platform all the methodologies proposed in this Doctoral Thesis, brings the academic world closer to the business world.Alfaro Fernández, P. (2023). Inteligencia computacional en la programación de la producción con recursos adicionales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19889