Algoritmos e formulações matemáticas para problemas de roteamento em arcos

Orientador: Fábio Luiz UsbertiTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Problemas de roteamento em arcos têm por objetivo determinar rotas de custo mínimo que visitam um subconjunto de arcos de um grafo, com uma ou mais restrições adicionais. Esta tese estuda três problemas NP-difíceis de roteamento em arcos: (1) o problema de roteamento em arcos capacitado (CARP); (2) o problema de roteamento em arcos capacitado e aberto (OCARP); e (3) o problema do carteiro chinês com cobertura (CCPP). Apresentamos formulações matemáticas e métodos exatos e heurísticos para tratar computacionalmente esses problemas: (i) uma heurística construtiva gulosa e randomizada é proposta para o CARP; (ii) uma metaheurística de algoritmos genéticos híbrido e dois métodos de limitantes inferiores por programação linear inteira, um branch-and-cut e um baseado em redes de fluxos, são propostos para o OCARP; e (iii) um método exato branch-and-cut com desigualdades válidas e uma heurística construtiva são propostos para o CCPP. Extensivos experimentos computacionais utilizando instâncias de benchmark foram executados para demonstrar o desempenho dos métodos propostos em relação aos métodos da literatura, considerando tanto a qualidade das soluções obtidas quanto o tempo de processamento. Nossos resultados mostram que os métodos propostos são estado da arte. Os problemas estudados apresentam aplicações práticas relevantes: o CARP tem aplicações em coleta de lixo urbano e remoção de neve de estradas; o OCARP tem aplicações em roteamento de leituristas e na definição de caminhos de corte em chapas metálicas; e o CCPP tem aplicações em roteamento de leituristas com o uso de tecnologia wireless. A solução desses problemas remete à diminuição de custos logísticos, melhorando a competitividade das empresasAbstract: Arc routing problems aim to find minimum cost routes that visit a subset of arcs of a graph, with one or more side constraints. This thesis studies three NP-hard arc routing problems: (1) the capacitated arc routing problem (CARP); (2) the open capacitated arc routing problem (OCARP); and (3) the covering Chinese postman problem (CCPP). We present mathematical formulations and heuristic and exact methods to computationally solve these problems: (i) a greedy and randomized constructive heuristic is proposed for the CARP; (ii) a hybrid genetic algorithm metaheuristic and two linear integer programming lower bound methods, one based on branch-and-cut and one based on flow networks, are proposed for the OCARP; and (iii) an exact branch-and-cut method with valid inequalities and a constructive heuristic are proposed for the CCPP. Extensive computational experiments using benchmark instances were performed to demonstrate the performance of the proposed methods in comparison to the previous methods, regarding both quality of solutions and processing time. Our results show that the proposed methods are state-of-the-art. The studied problems have many relevant practical applications: the CARP has applications on urban waste collection and snow removal; the OCARP has applications on the routing of meter readers and the cutting of metal sheets; and last, the CCPP has applications on automated meter readers routing. The solution of these problems leads to the reduction of logistics costs, improving businesses competitivenessDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação2016/00315-0FAPES

Hybrid Genetic Algorithm for Multi-Period Vehicle Routing Problem with Mixed Pickup and Delivery with Time Window, Heterogeneous Fleet, Duration Time and Rest Area

Most logistics industries are improving their technology and innovation in competitive markets in order to serve the various needs of customers more efficiently. However, logistics management costs are one of the factors that entrepreneurs inevitably need to reduce, so that goods and services are distributed to a number of customers in different locations effectively and efficiently. In this research, we consider the multi-period vehicle routing problem with mixed pickup and delivery with time windows, heterogeneous fleet, duration time and rest area (MVRPMPDDR). In the special case that occurs in this research, it is the rest area for resting the vehicle after working long hours of the day during transportation over multiple periods, for which with confidence no research has studied previously. We present a mixed integer linear programming model to give an optimal solution, and a meta-heuristic approach using a hybrid genetic algorithm with variable neighborhood search algorithm (GAVNS) has been developed to solve large-sized problems. The objective is to maximize profits obtained from revenue after deducting fuel cost, the cost of using a vehicle, driver wage cost, penalty cost and overtime cost. We prepared two algorithms, including a genetic algorithm (GA) and variable neighborhood search algorithm (VNS), to compare the performance of our proposed algorithm. The VNS is specially applied instead of the mutation operator in GA, because it can reduce duplicate solutions of the algorithms that increase the difficulty and are time-consuming. The numerical results show the hybrid genetic algorithm with variable neighborhood search algorithm outperforms all other proposed algorithms. This demonstrates that the proposed meta-heuristic is efficient, with reasonable computational time, and is useful not only for increasing profits, but also for efficient management of the outbound transportation logistics system

Cutting path as a Rural Postman Problem: solutions by Memetic Algorithms

The Rural Postman Problem (RPP) is a particular Arc Routing Problem (ARP) which consistsof determining a minimum cost circuit on a graph so that a given subset of required edges is traversed. TheRPP is an NP-hard problem with significant real-life applications. This paper introduces an originalapproach based on Memetic Algorithms - the MARP algorithm - to solve the RPP and, also deals with aninteresting Industrial Application, which focuses on the path optimization for component cuttingoperations. Memetic Algorithms are a class of Metaheuristics which may be seen as a population strategythat involves cooperation and competition processes between population elements and integrates "socialknowledge", using a local search procedure. The MARP algorithm is tested with different groups ofinstances and the results are compared with those gathered from other publications. MARP is also used inthe context of various real-life applications

An Initial Value Calibration Method for the Wheel Force Transducer Based on Memetic Optimization Framework

Some initial values of the wheel force transducer (WFT) change after being mounted in the vehicle. The traditional static calibration is inadequate to fully obtain these initial values. Aiming to this problem, an online initial value calibration method is proposed. The method does not require any additional calibration equipment or manual operation and just requires the vehicle mounted with the WFT to be driven on a flat road with constant speed. In this way, an initial value mode is constructed and then converted to an optimization problem. To solve this problem and acquire the right initial value, an improved Memetic framework based on particle swarm optimization (PSO) and Levenberg-Marquardt (LM) is adopted. To verify the effect of the proposed method, the real WFT data is used and the comparative test is carried out. The experiment result shows that the proposed method is superior to the traditional one and can improve the measurement accuracy effectively

Metaheuristics for the Minimum Time Cut Path Problem with Different Cutting and Sliding Speeds

The problem of efficiently cutting smaller two-dimensional pieces from a larger surface is recurrent in several manufacturing settings. This problem belongs to the domain of cutting and packing (C&P) problems. This study approached a category of C&P problems called the minimum time cut path (MTCP) problem, which aims to identify a sequence of cutting and sliding movements for the head device to minimize manufacturing time. Both cutting and slide speeds (just moving the head) vary according to equipment, despite their relevance in real-world scenarios. This study applied the MTCP problem on the practical scope and presents two metaheuristics for tackling more significant instances that resemble real-world requirements. The experiments presented in this study utilized parameter values from typical laser-cutting machines to assess the feasibility of the proposed methods compared to existing commercial software. The results show that metaheuristic-based solutions are competitive when addressing practical problems, achieving increased performance regarding the processing time for 94% of the instances

Proposta de um modelo matemático para o problema de roteamento em arcos capacitado e periódico

Resumo: O Problema de Roteamento em Arcos Capacitado e Periódico (PCARP) é uma das variantes dos Problemas de Roteamento em Arcos em que cada arco tem uma demanda geralmente associada a uma frequência ao longo de um horizonte de tempo bem definido. Para solucioná-lo é necessário fazer um planejamento de modo que todas as demandas sejam atendidas da melhor maneira possível sem exceder a capacidade dos carros que farão os atendimentos. É um problema recente e pouco explorado na literatura, porém com grande aplicabilidade em contextos reais como coleta de lixo, atividades de monitoramento, inspeção e manutenção. O objetivo geral é apresentar uma modelagem matemática capaz de resolver um problema que tem a essência de todo PCARP, mas apresenta características diferenciadas das já propostas na literatura por causa de fatos como: não necessitar voltar a um depósito ao final de um dia e poder atrasar algum atendimento se necessário. Para isso foi feito um levantamento bibliográfico dos problemas que mais se assemelham e analisadas as diferenças entre os mesmos. Finalmente, o modelo proposto foi implementado, alcançando bons resultados com poucos atrasos em diferentes estruturas de grafos. Palavras-chave: Problema de Roteamento em Arcos Capacitado e Periódico. Problemas de Roteamento em Arcos. Modelagem Matemática

Truckload Shipment Planning and Procurement

This dissertation presents three issues encountered by a shipper in the context of truckload transportation. In all of the studies, we utilize optimization techniques to model and solve the problems. Each study is inspired from the real world and much of the data used in the experiments is real data or representative of real data. The first topic is about the freight consolidation in truckload transportation. We integrate it with a purchase incentive program to increase truckload utilization and maximize profit. The second topic is about supporting decision making collaboration among departments of a manufacturer. It is a bi-objective optimization model. The third topic is about procurement in an adverse market. We study a modification of the existing procurement process to consider the market stochastic into marking decisions. In all three studies, our target is to develop effectively methodologies to seek optimal answers within a reasonable amount of time

Uma proposta de modelagem matemática para um problema de roteirização periódica em arcos capacitados com múltiplas tarefas

Orientador : Dr. Cassius Tadeu ScarpinTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 23/03/2016Inclui referências : f. 95-100Resumo: Considerando o grande número de acidentes e incidentes ocorridos em barragens nos últimos anos, fez se necessário o desenvolvimento de políticas relacionadas à segurança de barragens. A segurança de uma barragem exige um esforço significativo para se evitar algum tipo de dano. Uma das estratégias está relacionada ao plano de instrumentação e monitoramento das barragens. O monitoramento exige, da equipe técnica, a leitura dos dados dos instrumentos de auscultação a fim de acompanhamento periódico da barragem, isto é, a equipe percorre as galerias regularmente coletando os dados dos instrumentos de auscultação respeitando a periodicidade de cada instrumento. Percebeu-se que o plano de monitoramento da barragem pode ser modelado através de um problema de programação matemática, mais precisamente, por um problema de roteirização periódica em arcos capacitados (PCARP). O PCARP é considerado uma generalização do clássico problema de roteirização em arcos capacitados (CARP) devido a duas características: período de planejamento maior que uma unidade de tempo, de modo que os veículos fazem diversas viagens e as frequências de visitas estão associadas aos arcos a serem servidos ao longo do horizonte de planejamento. Para o problema de monitoramento de barragem, a frequência de visitas ao longo do horizonte de tempo não está associada ao arco, mas ao instrumento do qual se pretende coletar os dados. A proposta apresenta um novo problema de roteirização periódica em arcos capacitados com múltiplas tarefas, e a formulação de um modelo matemático. As principais características apresentadas são: Múltiplas tarefas a serem realizadas em cada arco e frequências distintas para realizar cada uma das tarefas; frota heterogênea, posto que a leitura só possa ocorrer se o leiturista possuir o aparelho adequado para coleta dos dados; flexibilidade de mais de um leiturista passar por um mesmo arco em um mesmo dia. O modelo matemático foi implementado e exemplos didáticos foram gerados aleatoriamente para validar o modelo proposto. Para avaliar a proposta na perspectiva da segurança de barragens, com a finalidade de padronizar as leituras e a determinação de itinerários fixos, foi realizado uma aplicação no trecho "A" da hidrelétrica de ITAIPUAbstract: Considering the large number of accidents and incidents in dams in recent years, it was necessary to the development of policies related to dam safety. The safety of a dam requires a significant effort to avoid any harm. One of the strategies is related to instrumentation and monitoring plan of the dams. Monitoring requires the crew to read the data of sounding instruments to dam periodic monitoring, that is, the team goes through the galleries regularly collecting data from auscultation instruments respecting the periodicity of each instrument. It was noticed that the dam monitoring plan can be modeled through a mathematical programming problem, more precisely, he problem of monitoring was made by a Periodic Capacitated Arc Routing Problem (PCARP). The PCARP is considered as a generalization of the classic capacitated arc routing problem (CARP) due to two characteristics planning period longer than a time unit, so that several vehicles are traveling and the frequency of visits associated arcs to be served over the planning horizon. To the dam monitoring problem the frequency of visits over the time horizon is not associated with the arc, but the instrument which is intended to collect the data. The proposal presents a new problem of periodic routing in capacitated arcs with multiple tasks and the formulation of an accurate mathematical model. The main features are presented: Multiples tasks to be performed for each distinct arc and frequency to perform each tasks, heterogeneous fleet, since the reading can only occur if the meter reader have the instrumentation to collect data, flexibility of more than one meter reader go through the same arc on the same day. To evaluate the proposal in view of dam safety with standardize the purpose of reads and the determination of fixed itineraries was carried out an application in the stretch A of the ITAIPU hydroelectric

Heuristic and exact algorithms for the dominating cycle problem

Orientadores: Fábio Luiz Usberti, Celso CavellucciDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Esta dissertação dedicou-se ao estudo de uma generalização do Problema do Caixeiro Viajante (TSP), denominada Problema do Ciclo Dominante (DCP). Essa generalização consiste na composição de dois problemas NP-difíceis: o TSP e o Problema do Conjunto k-Dominante em Grafos (k-DSP). O objetivo do DCP consiste em encontrar um ciclo de custo mínimo em um grafo não-direcionado, partindo de um vértice origem, tal que cada vértice do grafo ou pertence ao ciclo ou está a uma distância de até k de um vértice do ciclo. A motivação de estudo do DCP consiste em sua aplicação para um problema de roteamento, onde empresas que atuam como fornecedores de energia, gás ou água, possuem empregados responsáveis por registrar o consumo de clientes dispersos geograficamente. Considera-se que esses empregados, denominados leituristas, possuem aparelhos de medição remota, com raio de alcance pré-definido. Com esses aparelhos, os leituristas não precisam visitar cada cliente; basta que em suas rotas de leitura todos os clientes estejam no raio de alcance do aparelho. Esta dissertação apresentou um método heurístico e um método exato para solução do DCP. O método heurístico é baseado na metaheurística GRASP (Greedy Randomized Adaptive Search Procedure). Um algoritmo Branch-and-Cut é proposto como método exato para o DCP. Os métodos, heurístico e exato, são testados com um conjunto representativo de instâncias e os resultados obtidos são comparados, avaliando a eficiência de cada método no que diz respeito aos desvios de otimalidadeAbstract: This dissertation studies a generalization of the Travelling Salesman Problem (TSP), called the Dominating Cycle Problem (DCP). This generalization is a composition of two NP-hard problems: the TSP and the k-Dominating Set Problem in Graphs (k-DSP). The aim of the DCP is to find a minimum cost cycle in an undirected graph, from a source vertex, such that each vertex in the graph either belongs to the cycle, or is at a distance of up to k of some vertex in the cycle. The DCP is motivated by its application to a routing problem, where utilities that act as energy, gas or water suppliers, have employees responsible for recording the consumption of geographically dispersed customers. It is considered that these employees, called meter readers, have remote measurement devices, with pre-defined range. With these devices, meter readers do not need to visit each client; it suffices that all clients are within the device range from the reading routes. This dissertation presented a heuristic method and an exact method for the solution of the DCP. The heuristic method is based on GRASP (Greedy Randomized Adaptive Search Procedure). A Branch-and-Cut algorithm is proposed as the exact method for the DCP. The methods, heuristic and exact, are tested with a representative set of instances and the obtained results are compared, evaluating the efficiency of each method with respect to deviations from optimalityMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação13641421406901CAPESFuncam