New insights on integer-programming models for the kidney exchange problem

In recent years several countries have set up policies that allow exchange of kidneys between two or more incompatible patient–donor pairs. These policies lead to what is commonly known as kidney exchange programs. The underlying optimization problems can be formulated as integer programming models. Previously proposed models for kidney exchange programs have exponential numbers of constraints or variables, which makes them fairly difficult to solve when the problem size is large. In this work we propose two compact formulations for the problem, explain how these formulations can be adapted to address some problem variants, and provide results on the dominance of some models over others. Finally we present a systematic comparison between our models and two previously proposed ones via thorough computational analysis. Results show that compact formulations have advantages over non-compact ones when the problem size is large.

An integer programming framework for sequencing cutting patterns based on interval graph completion

We derived a framework in integer programming, based on the properties of a linear ordering of the vertices in interval graphs, that acts as an edge completion model for obtaining interval graphs. This model can be applied to problems of sequencing cutting patterns, namely the minimization of open stacks problem (MOSP). By making small modifications in the objective function and using only some of the inequalities, the MOSP model is applied to another pattern sequencing problem that aims to minimize, not only the number of stacks, but also the order spread (the minimization of the stack occupation problem), and the model is tested.

An integer programming model for the minimum interval graph completion problem

The minimum interval graph completion problem consists of, given a graph G = ( V, E ), finding a supergraph H = ( V, E ∪ F ) that is an interval graph, while adding the least number of edges |F| . We present an integer programming formulation for solving the minimum interval graph completion problem recurring to a characteri- zation of interval graphs that produces a linear ordering of the maximal cliques of the solution graph.

Planeamento do consumo de energia eléctrica

O objectivo deste trabalho é optimizar o planeamento de produção tendo como meta a redução do custo total da energia eléctrica consumida. Este trabalho está dividido em 3 etapas distintas: na 1ª etapa foi feito um levantamento do problema, das restrições do mesmo e da escolha do modelo para a sua resolução. Na etapa seguinte, fez-se a escolha da ferramenta a usar, que foi o Xpress, e fez-se a implementação do problema nessa mesma ferramenta. E por fim, na 3ª etapa, foi feita a validação do modelo e análise das soluções obtidas com comparações com que o era feito antes. Recorrendo a programação inteira foi desenvolvido um modelo de optimização para atingir o objectivo em causa e consequentemente foi escrito o código que reflectisse o modelo matemático. Todos os passos necessários à sua implementação foram concluídos e validados com comparação com o que antes se fazia, notando-se assim melhorias ao nível de eficiência energética na ordem dos 8%, mas também uma melhoria no aproveitamento de recursos humanos e tempo que eram despendidos para desenvolver planos de produção de forma manual. Essa melhoria temporal que se compreende entre quatro a seis horas semanais pode ser aplicada noutras actividades da empresa com maior valor acrescentado.

Modelo de otimização do espaço livre de armazenagem num silo de cereais

Este trabalho baseia-se num caso de estudo real de planeamento de operações de armazenagem num silo rural de cereais, e enquadra-se nos problemas de planeamento e programação de armazéns. Os programadores deparam-se diariamente com o problema de arranjar a melhor solução de transferência entre células de armazenagem, tentando maximizar o número de células vazias, por forma a ter maior capacidade para receber novos lotes, respeitando as restrições de receção e expedição, e as restrições de capacidade das linhas de transporte. Foi desenvolvido um modelo matemático de programação linear inteira mista e uma aplicação em Excel, com recurso ao VBA, para a sua implementação. Esta implementação abrangeu todo o processo relativo à atividade em causa, isto é, vai desde a recolha de dados, seu tratamento e análise, até à solução final de distribuição dos vários produtos pelas várias células. Os resultados obtidos mostram que o modelo otimiza o número de células vazias, tendo em conta os produtos que estão armazenados mais os que estão para ser rececionados e expedidos, em tempo computacional inferior a 60 segundos, constituindo, assim, uma importante mais valia para a empresa em causa.

Optimização do corte de chapas

O presente trabalho visa denotar a importância de ferramentas e técnicas utilizadas como apoio à tomada de decisão. Foi proposto um problema de corte cujo objectivo primordial procura minimizar o desperdício gerado resultante do processo de obtenção de um produto, utilizando um caso representativo de um produto em chapa, fabricado por uma empresa que conta três décadas de laboração contínua, proposeram-se e realizaram-se estudos no sentido de solucionar recursos causadores de desperdício. Neste trabalho aplicou-se um problema de corte bi-dimensional a uma indústria que recorre ao fabrico de produtos em chapa, por forma a minimizar o desperdício relativo ao processo utilizado. Propôs-se quatro alternativas à solução actual realizada na empresa, que passa pela disposição e combinação de vários tipos de cortes-padrão que podem ser executados nas diferentes dimensões de matéria-prima disponibilizada. Estas alternativas têm como vantagem apresentar reduções que se traduzam significativas para os custos implícitos à realização do processo produtivo. Os estudos computacionais praticados mostraram que as soluções propostas como alternativa obtiveram melhores resultados que os obtidos pela empresa, excepto num caso.

A new MILP based approach for unit commitment in power production planning

This paper presents a complete, quadratic programming formulation of the standard thermal unit commitment problem in power generation planning, together with a novel iterative optimisation algorithm for its solution. The algorithm, based on a mixed-integer formulation of the problem, considers piecewise linear approximations of the quadratic fuel cost function that are dynamically updated in an iterative way, converging to the optimum; this avoids the requirement of resorting to quadratic programming, making the solution process much quicker. From extensive computational tests on a broad set of benchmark instances of this problem, the algorithm was found to be flexible and capable of easily incorporating different problem constraints. Indeed, it is able to tackle ramp constraints, which although very important in practice were rarely considered in previous publications. Most importantly, optimal solutions were obtained for several well-known benchmark instances, including instances of practical relevance, that are not yet known to have been solved to optimality. Computational experiments and their results showed that the method proposed is both simple and extremely effective.

Stochastic short-term maintenance scheduling of GENCOs in an oligopolistic electricity market

In the proposed model, the independent system operator (ISO) provides the opportunity for maintenance outage rescheduling of generating units before each short-term (ST) time interval. Long-term (LT) scheduling for 1 or 2 years in advance is essential for the ISO and the generation companies (GENCOs) to decide their LT strategies; however, it is not possible to be exactly followed and requires slight adjustments. The Cournot-Nash equilibrium is used to characterize the decision-making procedure of an individual GENCO for ST intervals considering the effective coordination with LT plans. Random inputs, such as parameters of the demand function of loads, hourly demand during the following ST time interval and the expected generation pattern of the rivals, are included as scenarios in the stochastic mixed integer program defined to model the payoff-maximizing objective of a GENCO. Scenario reduction algorithms are used to deal with the computational burden. Two reliability test systems were chosen to illustrate the effectiveness of the proposed model for the ST decision-making process for future planned outages from the point of view of a GENCO.

Analysis of the domain of applicability of an algorithm for a resources system selection problem for Distributed/Agile/Virtual Enterprises integration

The process of resources systems selection takes an important part in Distributed/Agile/Virtual Enterprises (D/A/V Es) integration. However, the resources systems selection is still a difficult matter to solve in a D/A/VE, as it is pointed out in this paper. Globally, we can say that the selection problem has been equated from different aspects, originating different kinds of models/algorithms to solve it. In order to assist the development of a web prototype tool (broker tool), intelligent and flexible, that integrates all the selection model activities and tools, and with the capacity to adequate to each D/A/V E project or instance (this is the major goal of our final project), we intend in this paper to show: a formulation of a kind of resources selection problem and the limitations of the algorithms proposed to solve it. We formulate a particular case of the problem as an integer programming, which is solved using simplex and branch and bound algorithms, and identify their performance limitations (in terms of processing time) based on simulation results. These limitations depend on the number of processing tasks and on the number of pre-selected resources per processing tasks, defining the domain of applicability of the algorithms for the problem studied. The limitations detected open the necessity of the application of other kind of algorithms (approximate solution algorithms) outside the domain of applicability founded for the algorithms simulated. However, for a broker tool it is very important the knowledge of algorithms limitations, in order to, based on problem features, develop and select the most suitable algorithm that guarantees a good performance.

Escalonamento de geradores térmicos com integração de produção eólica: uma abordagem baseada em programação inteira mista

A alta e crescente participação da energia eólica na matriz da produção traz grandes desafios aos operadores do sistema na gestão da rede e planeamento da produção. A incerteza associada à produção eólica condiciona os processos de escalonamento e despacho económico dos geradores térmicos, uma vez que a produção eólica efetiva pode ser muito diferente da produção prevista. O presente trabalho propõe duas metodologias de otimização do escalonamento de geradores térmicos baseadas em Programação Inteira Mista. Pretende-se encontrar soluções de escalonamento que minimizem as influências negativas da integração de energia eólica no sistema elétrico. Inicialmente o problema de escalonamento de geradores é formulado sem considerar a integração da energia eólica. Posteriormente foi considerada a penetração da energia eólica no sistema elétrico. No primeiro modelo proposto, o problema é formulado como um problema de otimização estocástico. Nesta formulação todos os cenários de produção eólica são levados em consideração no processo de otimização. No segundo modelo, o problema é formulado como um problema de otimização determinística. Nesta formulação, o escalonamento é feito para cada cenário de produção eólica e no fim determina-se a melhor solução por meio de indicadores de avaliação. Foram feitas simulações para diferentes níveis de reserva girante e os resultados obtidos mostraram que a alta participação da energia eólica na matriz da produção põe em causa a segurança e garantia de produção devido às características volátil e intermitente da produção eólica e para manter os mesmos níveis de segurança é preciso dispor no sistema de capacidade reserva girante suficiente capaz de compensar os erros de previsão.

Problema de atribuição de vigilâncias de exames a docentes

O presente trabalho foi realizado com o intuito de resolver o problema de alocação de vigilantes a exames do Instituto Superior de Engenharia do Porto, no departamento de Engenharia Mecânica. O modelo apresentado faz a atribuição das vigilâncias de uma forma hierárquica, utilizando vários critérios, desde a regência da unidade curricular até à simples vigilância. Devido ao facto de estar implementado informaticamente, apresenta reduzidos tempos na formulação e obtenção de uma solução, o que o torna uma boa ferramenta para a criação de cenários alternativos. Em suma, o modelo proposto neste trabalho apresenta soluções de melhor qualidade, em que a distribuição de afetações é proporcional entre os docentes, e o seu tempo de obtenção é muito reduzido em comparação com a alternativa atual.

Minimization of open orders using interval graphs

In this paper we address an order processing optimization problem known as the Minimization of Open Stacks Problem (MOSP). This problem consists in finding the best sequence for manufacturing the different products required by costumers, in a setting where only one product can be made at a time. The objective is to minimize the maximum number of incomplete orders from costumers that are being processed simultaneously. We present an integer programming model, based on the existence of a perfect elimination order in interval graphs, which finds an optimal sequence for the costumers orders. Among other economic advantages, manufacturing the products in this optimal sequence reduces the amount of space needed to store incomplete orders.

Sequencing cutting patterns with colored interval graphs

The problem addressed here originates in the industry of flat glass cutting and wood panel sawing, where smaller items are cut from larger items accordingly to predefined cutting patterns. In this type of industry the smaller pieces that are cut from the patterns are piled around the machine in stacks according to the size of the pieces, which are moved to the warehouse only when all items of the same size have been cut. If the cutting machine can process only one pattern at a time, and the workspace is limited, it is desirable to set the sequence in which the cutting patterns are processed in a way to minimize the maximum number of open stacks around the machine. This problem is known in literature as the minimization of open stacks (MOSP). To find the best sequence of the cutting patterns, we propose an integer programming model, based on interval graphs, that searches for an appropriate edge completion of the given graph of the problem, while defining a suitable coloring of its vertices.

Using interval graphs in an order processing optimization problem

In this paper we address an order processing optimization problem known as minimization of open stacks (MOSP). We present an integer pro gramming model, based on the existence of a perfect elimination scheme in interval graphs, which finds an optimal sequence for the costumers orders.

Multi-criteria optimisation approach to increase the delivered power in radial distribution networks

This study proposes a new methodology to increase the power delivered to any load point in a radial distribution network, through the identification of new investments in order to improve the repair time. This research work is innovative and consists in proposing a full optimisation model based on mixed-integer non-linear programming considering the Pareto front technique. The goal is to achieve a reduction in repair times of the distribution networks components, while minimising the costs of that reduction as well as non-supplied energy costs. The optimisation model considers the distribution network technical constraints, the substation transformer taps, and it is able to choose the capacitor banks size. A case study based on a 33-bus distribution network is presented in order to illustrate in detail the application of the proposed methodology.