A survey of variants and extensions of the resource-constrained project scheduling problem

The resource-constrained project scheduling problem (RCPSP) consists of activities that must be scheduled subject to precedence and resource constraints such that the makespan is minimized. It has become a well-known standard problem in the context of project scheduling which has attracted numerous researchers who developed both exact and heuristic scheduling procedures. However, it is a rather basic model with assumptions that are too restrictive for many practical applications. Consequently, various extensions of the basic RCPSP have been developed. This paper gives an overview over these extensions. The extensions are classified according to the structure of the RCPSP. We summarize generalizations of the activity concept, of the precedence relations and of the resource constraints. Alternative objectives and approaches for scheduling multiple projects are discussed as well. In addition to popular variants and extensions such as multiple modes, minimal and maximal time lags, and net present value-based objectives, the paper also provides a survey of many less known concepts. --project scheduling,modeling,resource constraints,temporal constraints,networks

Resource-constrained project scheduling.

Abstract: Resource-constrained project scheduling involves the scheduling of project activities subject to precedence and resource constraints in order to meet the objective(s) in the best possible way. The area covers a wide variety of problem types. The objective of this paper is to provide a survey of what we believe are important recent in the area . Our main focus will be on the recent progress made in and the encouraging computational experience gained with the use of optimal solution procedures for the basic resource-constrained project scheduling problem (RCPSP) and important extensions. The RCPSP involves the scheduling of a project its duration subject to zero-lag finish-start precedence constraints of the PERT/CPM type and constant availability constraints on the required set of renewable resources. We discuss recent striking advances in dealing with this problem using a new depth-first branch-and-bound procedure, elaborating on the effective and efficient branching scheme, bounding calculations and dominance rules, and discuss the potential of using truncated branch-and-bound. We derive a set of conclusions from the research on optimal solution procedures for the basis RCPSP and subsequently illustrate how effective and efficient branching rules and several of the strong dominance and bounding arguments can be extended to a rich and realistic variety of related problems. The preemptive resource-constrained project scheduling problem (PRCPSP) relaxes the nonpreemption condition of the RCPSP, thus allowing activities to be interrupted at integer points in time and resumed later without additional penalty cost. The generalized resource-constrained project scheduling (GRCPSP) extends the RCPSP to the case of precedence diagramming type of precedence constraints (minimal finish-start, start-start, start-finish, finish-finish precedence relations), activity ready times, deadlines and variable resource availability's. The resource-constrained project scheduling problem with generalized precedence relations (RCPSP-GPR) allows for start-start, finish-start and finish-finish constraints with minimal and maximal time lags. The MAX-NPV problem aims at scheduling project activities in order to maximize the net present value of the project in the absence of resource constraints. The resource-constrained project scheduling problem with discounted cash flows (RCPSP-DC) aims at the same non-regular objective in the presence of resource constraints. The resource availability cost problem (RACP) aims at determining the cheapest resource availability amounts for which a feasible solution exists that does not violate the project deadline. In the discrete time/cost trade-off problem (DTCTP) the duration of an activity is a discrete, non-increasing function of the amount of a single nonrenewable resource committed to it. In the discrete time/resource trade-off problem (DTRTP) the duration of an activity is a discrete, non-increasing function of the amount of a single renewable resource. Each activity must then be scheduled in one of its possible execution modes. In addition to time/resource trade-offs, the multi-mode project scheduling problem (MRCPSP) allows for resource/resource trade-offs and constraints on renewable, nonrenewable and doubly-constrained resources. We report on recent computational results and end with overall conclusions and suggestions for future research.Scheduling; Optimal;

An efficient particle swarm optimizer with application to Man-Day project scheduling problems

The multimode resource-constrained project scheduling problem (MRCPSP) has been confirmed to be an NP-hard problem. Particle swarm optimization (PSO) has been efficiently applied to the search for near optimal solutions to various NP-hard problems. MRCPSP involves solving two subproblems: mode assignment and activity priority determination. Hence, two PSOs are applied to each subproblem. A constriction PSO is proposed for the activity priority determination while a discrete PSO is employed for mode assignment. A least total resource usage (LTRU) heuristic and minimum slack (MSLK) heuristic ensure better initial solutions. To ensure a diverse initial collection of solutions and thereby enhancing the PSO efficiency, a best heuristic rate (HR) is suggested. Moreover, a new communication topology with random links is also introduced to prevent slow and premature convergence. To verify the performance of the approach, the MRCPSP benchmarks in PSPLIB were evaluated and the results compared to other state-of-the-art algorithms. The results demonstrate that the proposed algorithm outperforms other algorithms for the MRCPSP problems. Finally, a real-world man-day project scheduling problem (MDPSP)—a MRCPSP problem—was evaluated and the results demonstrate that MDPSP can be solved successfull

Multi-mode resource-constrained project schedule problem: metaheuristic solution procedures and extensions

Operations research (OR) heeft als doel processen binnen organisaties te verbeteren of te optimaliseren met behulp van hiervoor ontwikkelde technieken en modellen. De discipline kende zijn oorsprong tijdens WOII, toen aan de hand van wiskundige modellen de logistieke bevoorrading van militair materiaal en goederen werd gepland. In de jaren na de oorlog ontwikkelde OR zich ten volle en tot op vandaag worden technieken en procedures ontwikkeld om complexe problemen in de bedrijfswereld, de maatschappij en de industrie te analyseren en te optimaliseren. Een van de onderzoeksdomeinen waarbinnen OR actief is, is project management. Project management kan omschreven worden als het geheel van kennis, vaardigheden, tools en technieken om een project te plannen, teneinde aan alle projecteisen te voldoen. Een project kan gedefinieerd worden als een tijdelijke inspanning met als doel het cre¨eren van een uniek product of een unieke service (PMBOK). De bouw van piramides in Egypte, de ontwikkeling van een iPhoneapplicatie, het schrijven van een doctoraat, de organisatie van een verkiezingscampagne of het bouwen van een huis, het zijn allen typische voorbeelden van projecten. De voorbije jaren is het belang van project management enorm toegenomen. Tientallen boeken over project management zijn verschenen en project software pakketten zijn ontwikkeld of uitgebreid met nieuwe planningsmogelijkheden. Bovendien zijn verschillende planningsproblemen reeds uitvoerig bestudeerd in de academische literatuur en zijn talloze exacte, heuristische of metaheuristische oplossingsmethodes voorgesteld. Een van die planningsproblemen is het zogenaamde ’multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem’, waarbij getracht wordt een project in een zo kort mogelijke duurtijd te plannen, rekening houdend met de volgorderelaties tussen de verschillende activiteiten ´en met de beschikbare hernieuwbare en niet-hernieuwbare middelen. Voor elk van de activiteiten zijn er bovendien meerdere uitvoeringsmogelijkheden. Dit doctoraat is opgedeeld in twee delen. In een eerste deel worden drie metaheuristische oplossingsprocedures en een nieuwe dataset voorgesteld, terwijl in het tweede deel verschillende meer praktische concepten worden ge¨ıntroduceerd. Dit werk wordt afgesloten met een algemene conclusie en enkele suggesties voor verder onderzoek. Deel I van dit doctoraat start met een introductie van het multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem en een overzicht van de beschikbare literatuur. Aan de hand van een voorbeeld worden enkele veelgebruikte termen in de project planning literatuur voorgesteld. Vervolgens worden drie oplossingsmethodes ontwikkeld: een genetisch algoritme (GA), een artificiel immune system algoritme (AIS) en een scatter search algoritme (SS). Het voorgestelde genetisch algoritme verschilt van andere genetische oplossingsmethodes aangezien het gebruik maakt van twee populaties, ´e´en met leftjustified schedules (waarbij alle activiteiten zo vroeg mogelijk gepland worden) en ´e´en met right-justified schedules (waarbij alle activiteiten zo laat mogelijk gepland worden). Het algoritme maakt ook gebruik van een generatieschema dat is uitgebreid met een methode die de gekozen mode van een activiteit tracht te optimaliseren door te kiezen voor de mode die resulteert in de laagst mogelijke eindtijd voor die activiteit. De artificial immune system procedure is gebaseerd op de principes van het menselijke immuun systeem. Wanneer ziektekiemen het menselijke lichaam binnendringen zullen de antigenen die in staat zijn om de ziektekiemen te bestrijden, zich vermenigvuldigen om op die manier zo snel mogelijk de ziekte te doen verdwijnen. Ditzelfde principe wordt toegepast in deze oplossingsmethode, die bovendien een procedure bevat om op een gecontroleerde manier de initi¨ele populatie te genereren. Deze procedure is gebaseerd op experimentele resultaten die een link aantonen tussen bepaalde karakteristieken van de gekozen modes en de uiteindelijke duurtijd van het project. Een laatste algoritme is een scatter search procedure. Deze procedure maakt gebruik van verschillende verbeteringsmethodes die elk aangepast zijn aan de specifieke karakteristieken van de verschillende hernieuwbare en niet-hernieuwbare middelen. De procedure wordt aan de hand van parameters die de beperktheid van de middelen aangeeft, gestuurd in de richting van de meest effici¨ente verbeteringsmethode en op die manier wordt een zo optimaal mogelijke oplossing gezocht. Elk van de voorgestelde procedures behaalde uitstekende resultaten op de bestaande benchmark datasets. Deze sets vertonen evenwel enkele beperkingen gezien de huidige evolutie in de ontwikkeling van metaheuristische oplossingsmethodes. Om die reden werd een nieuwe, verbeterde dataset ontwikkeld, die onderzoekers in staat moet stellen om hun oplossingen te vergelijken met andere procedures. Om een vergelijking te kunnen maken tussen alle bestaande oplossingsmethodes hebben we elk algoritme dat beschikbaar is in de literatuur gecodeerd en getest op de bestaande en nieuwe datasets. Door alle testen uit te voeren op eenzelfde computer en met eenzelfde stopcriterium zijn we in staat geweest een duidelijke en faire vergelijking te maken. Onze voorgestelde algoritmes performeren bovendien uitstekend. In het tweede deel van dit doctoraat worden een aantal uitbreidingen onder de loep genomen. Zo wordt in het eerste hoofdstuk van dit tweede deel de invloed nagegaan van het onderbreken van activiteiten: activiteiten kunnen dan op elke tijdstip stopgezet worden om later, zonder bijkomende kost, herstart te worden. De introductie van deze uitbreiding leidt tot een significante daling van de gemiddelde duurtijd van een project vergeleken met de situatie waarin geen onderbrekingen toegelaten worden. Een andere uitbreiding is de introductie van leereffecten in een projectomgeving. Hierbij wordt verondersteld dat een persoon effici¨enter wordt naarmate hij of zij langer aan een activiteit werkt. Dit leerconcept wordt vanuit drie verschillende zijdes bekeken. Ten eerste wordt nagegaan wat de invloed is van de introductie van het leerconcept op de totale duurtijd van een project en worden de verschillende parameters die hierop een invloed hebben geanalyseerd. Ten tweede bekijken we welke foutenmarge er moet aangenomen worden wanneer men geen rekening houdt met het leerconcept en tot slot achterhalen we dat door het tijdig incorporeren van de leereffecten significante verbeteringen kunnen gerealiseerd worden. In het laatste deel van dit doctoraat wordt het genetisch algoritme uit deel I gebruikt om de planning van een audit kantoor te optimaliseren. In deze planning dienen audit teams toegewezen te worden aan verschillende audit taken. Er kan duidelijk aangetoond worden dat met het gebruik van optimalisatietechnieken significante verbeteringen kunnen gemaakt worden in de planning van de audit teams. De bijdrage van dit doctoraat is drievoudig. Ten eerste werden drie stateof-the-art algoritmes gepresenteerd die in staat zijn om het multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem op een heel effici¨ente manier op te lossen. Bovendien werd telkens specifieke project informatie gebruikt om de effici¨entie van de procedure te verhogen. Ten tweede werden verschillende stappen ondernomen om dit probleem uit te breiden naar meer realistische planningsproblemen. Het toelaten van het onderbreken van activiteiten en de introductie van leereffecten leidden tot nieuwe inzichten in het onderzoek van project planning. Tot slot wordt met de ontwikkeling van een nieuwe dataset onderzoekers aangemoedigd om hun resultaten te vergelijken met die van andere procedures. Met deze nieuwe dataset is tevens de basis gelegd voor verder onderzoek van dit interessante planning

Flexible jobshop scheduling problem with resource recovery constraints.

Objectives and methods of study: The general objective of this research is to study a scheduling problem found in a local brewery. The main problem can be seen as a parallel machine batch scheduling problem with sequence-dependent setup times, resource constraints, precedence relationships, and capacity constraints. In the first part of this research, the problem is characterized as a Flexible Job-shop Scheduling Problem with Resource Recovery Constraints. A mixed integer linear formulation is proposed and a large set of instances adapted from the literatura of the Flexible Job-shop Scheduling Problem is used to validate the model. A solution procedure based on a General Variable Neighborhood Search metaheuristic is proposed, the performance of the procedure is evaluated by using a set of instances adapted from the literature. In the second part, the real problem is addressed. All the assumptions and constraints faced by the decision maker in the brewery are taken into account. Due to the complexity of the problem, no mathematical formulation is presented, instead, a solution method based on a Greedy Randomize Adaptive Search Procedure is proposed. Several real instances are solved by this algorithm and a comparison is carried out between the solutions reported by our GRASP and the ones found through the procedure followed by the decision maker. The computational results reveal the efficiency of our method, considering both the processing time and the completion time of the scheduling. Our algorithm requires less time to generate the production scheduling (few seconds) while the decision maker takes a full day to do it. Moreover, the completion time of the production scheduling generated by our algorithm is shorter than the one generated through the process followed by the decision maker. This time saving leads to an increase of the production capacity of the company. Contributions: The main contributions of this thesis can be summarized as follows: i) the introduction of a variant of the Flexible Job-shop Scheduling Problem, named as the Flexible Job-shop Scheduling Problem with Resource Recovery Constraints (FRRC); ii) a mixed integer linear formulation and a General Variable Neighborhood Search for the FRRC; and iii) a case study for which a Greedy Randomize Adaptive Search Procedure has been proposed and tested on real and artificial instances. The main scientific products generated by this research are: i) an article already published: Sáenz-Alanís, César A., V. D. Jobish, M. Angélica Salazar-Aguilar, and Vincent Boyer. “A parallel machine batch scheduling problem in a brewing company”. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 87, no. 1-4 (2016): 65-75. ii) another article submitted to the International Journal of Production Research for its possible publication; and iii) Scientific presentations and seminars

Controllable Processing Times in Project and Production Management: Analysing the Trade-Off between Processing Times and the Amount of Resources

The amount of resources assigned to a task highly influences its processing time. Traditionally, different functions have been used in the literature in order to map the processing time of the task with the amount of resources assigned to the task. Obviously, this relation depends on several factors such as the type of resource and/or decision problem under study. Although in the literature there are hundreds of papers using these relations in their models or methods, most of them do not justify the motivation for choosing a specific relation over another one. In some cases, even wrong justifications are given and, hence, infeasible or nonappropriated relations have been applied for the different problems, as we will show in this paper. Thus, our paper intends to fill this gap establishing the conditions where each relation can be applied by analysing the relations between the processing time of a task and the amount of resources assigned to that task commonly employed in the production and project management literature

Short-Term Resource Allocation and Management

Almost all sectors of the economy, such as, government, healthcare, education, ship repair, construction, and manufacturing require project management. A key component of project management deals with scheduling of tasks such that limited resources are utilized in an effective manner. Current research on resource constrained project-scheduling has been classified as: a) Single project with single mode for various tasks, b) Single project with multiple task modes, c) Multiple projects with single task mode, and d) Multiple projects with multiple task modes.;This work extends the current multi-project, multi-mode scheduling techniques. The resources can be renewable, and non-renewable. In addition, it focuses on short term scheduling, that is, scheduling on an hourly, daily, or weekly basis. Long term scheduling assumes a stable system, that is, resources, priorities, and other constraints do no change during the scheduling period. In this research, short term scheduling assumes a dynamic system, that is, resources, priorities, and other constraints change over time.;A hybrid approach is proposed to address the dynamic nature of the problem. It is based on discrete event simulation and a set of empirical rules provided by the project manager. The project manager is assumed to be highly knowledgeable about the project. He/she is regarded as an integral part of the system. Such an approach is better suited to deal with real world scheduling. The proposed approach does not seek to provide a single optimum solution, instead, it generates a series of feasible solutions, along with the impact of each solution on schedule and cost.;Two project case studies dealing with finding an optimum solution were selected from the literature. The proposed technique was applied to the data set in these studies. In both cases the proposed approach found the optimum solution. The model was then applied to two additional problems to test the features that could not be tested on the dataset from the literature.;As for practical implications, the proposed approach enhances the decision making process, by providing more resource allocation flexibility, and results in improved solutions in terms of total project duration and cost. From an academic viewpoint, this research enriches the existing literature, as it provides an extension of the resource constrained project scheduling problems, a discrete event simulation and four cases studies which highlights relevant issues to model properly the complexity of real-life projects

Four decades of research on the open-shop scheduling problem to minimize the makespan

One of the basic scheduling problems, the open-shop scheduling problem has a broad range of applications across different sectors. The problem concerns scheduling a set of jobs, each of which has a set of operations, on a set of different machines. Each machine can process at most one operation at a time and the job processing order on the machines is immaterial, i.e., it has no implication for the scheduling outcome. The aim is to determine a schedule, i.e., the completion times of the operations processed on the machines, such that a performance criterion is optimized. While research on the problem dates back to the 1970s, there have been reviving interests in the computational complexity of variants of the problem and solution methodologies in the past few years. Aiming to provide a complete road map for future research on the open-shop scheduling problem, we present an up-to-date and comprehensive review of studies on the problem that focuses on minimizing the makespan, and discuss potential research opportunities

A critical analysis of job shop scheduling in context of industry 4.0

Scheduling plays a pivotal role in the competitiveness of a job shop facility. The traditional job shop scheduling problem (JSSP) is centralized or semi-distributed. With the advent of Industry 4.0, there has been a paradigm shift in the manufacturing industry from traditional scheduling to smart distributed scheduling (SDS). The implementation of Industry 4.0 results in increased flexibility, high product quality, short lead times, and customized production. Smart/intelligent manufacturing is an integral part of Industry 4.0. The intelligent manufacturing approach converts renewable and nonrenewable resources into intelligent objects capable of sensing, working, and acting in a smart environment to achieve effective scheduling. This paper aims to provide a comprehensive review of centralized and decentralized/distributed JSSP techniques in the context of the Industry 4.0 environment. Firstly, centralized JSSP models and problem-solving methods along with their advantages and limitations are discussed. Secondly, an overview of associated techniques used in the Industry 4.0 environment is presented. The third phase of this paper discusses the transition from traditional job shop scheduling to decentralized JSSP with the aid of the latest research trends in this domain. Finally, this paper highlights futuristic approaches in the JSSP research and application in light of the robustness of JSSP and the current pandemic situation