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

Computational studies for the open capacitated arc routing problem

Orientador: Fábio Luiz UsbertDissertação (mestrado) - 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. A solução desses problemas remete à diminuição de custos logísticos, melhorando a competitividade das empresas. O Problema de Roteamento em Arcos Capacitado e Aberto (\textit{OCARP - Open Capacitated Arc Routing Problem}) é um problema de otimização combinatória NP-difícil com aplicações práticas, como o problema de roteamento de leituristas e o problema de determinação do caminho de corte. Esta dissertação de mestrado propõe novos métodos de solução para o OCARP. São propostas uma metaheurística de algoritmos genéticos e uma formulação relaxada de programação linear inteira. Experimentos computacionais comprovam o bom desempenho dos métodos desenvolvidos em comparação aos métodos da literatura. Os resultados demonstram a redução substancial do desvio de otimalidade para todos os grupos de instâncias e parâmetros considerados durante o experimento. Em particular, cinco do total de nove grupos de instâncias foram resolvidos até a otimalidadeAbstract: Arc routing problems aim at determining the lowest cost routes visiting a subset of edges from a graph, with one or more additional constraints. The solution of these problems leads to lower logistics costs, improving business competitiveness. The Open Capacitated Arc Routing Problem (OCARP) is an NP-hard combinatorial optimization problem with practical applications, such as the meter reading routing problem and the cutting path determination problem. This master thesis proposes new solution methods for OCARP. It is proposed a genetic algorithm metaheuristic and a relaxed integer linear programming formulation. Computational experiments prove the good performance of the developed methods compared to literature methods. The results show a substantial reduction in optimality deviation for all groups of instances and parameters considered during the experiment. In particular, five from the total of nine instance groups were solved to optimalityMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação162027/2014-1CNP