Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.

Dynamic Facility Location with Modular Capacities : Models, Algorithms and Applications in Forestry

Les décisions de localisation sont souvent soumises à des aspects dynamiques comme des changements dans la demande des clients. Pour y répondre, la solution consiste à considérer une flexibilité accrue concernant l’emplacement et la capacité des installations. Même lorsque la demande est prévisible, trouver le planning optimal pour le déploiement et l'ajustement dynamique des capacités reste un défi. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur des problèmes de localisation avec périodes multiples, et permettant l'ajustement dynamique des capacités, en particulier ceux avec des structures de coûts complexes. Nous étudions ces problèmes sous différents points de vue de recherche opérationnelle, en présentant et en comparant plusieurs modèles de programmation linéaire en nombres entiers (PLNE), l'évaluation de leur utilisation dans la pratique et en développant des algorithmes de résolution efficaces. Cette thèse est divisée en quatre parties. Tout d’abord, nous présentons le contexte industriel à l’origine de nos travaux: une compagnie forestière qui a besoin de localiser des campements pour accueillir les travailleurs forestiers. Nous présentons un modèle PLNE permettant la construction de nouveaux campements, l’extension, le déplacement et la fermeture temporaire partielle des campements existants. Ce modèle utilise des contraintes de capacité particulières, ainsi qu’une structure de coût à économie d’échelle sur plusieurs niveaux. L'utilité du modèle est évaluée par deux études de cas. La deuxième partie introduit le problème dynamique de localisation avec des capacités modulaires généralisées. Le modèle généralise plusieurs problèmes dynamiques de localisation et fournit de meilleures bornes de la relaxation linéaire que leurs formulations spécialisées. Le modèle peut résoudre des problèmes de localisation où les coûts pour les changements de capacité sont définis pour toutes les paires de niveaux de capacité, comme c'est le cas dans le problème industriel mentionnée ci-dessus. Il est appliqué à trois cas particuliers: l'expansion et la réduction des capacités, la fermeture temporaire des installations, et la combinaison des deux. Nous démontrons des relations de dominance entre notre formulation et les modèles existants pour les cas particuliers. Des expériences de calcul sur un grand nombre d’instances générées aléatoirement jusqu’à 100 installations et 1000 clients, montrent que notre modèle peut obtenir des solutions optimales plus rapidement que les formulations spécialisées existantes. Compte tenu de la complexité des modèles précédents pour les grandes instances, la troisième partie de la thèse propose des heuristiques lagrangiennes. Basées sur les méthodes du sous-gradient et des faisceaux, elles trouvent des solutions de bonne qualité même pour les instances de grande taille comportant jusqu’à 250 installations et 1000 clients. Nous améliorons ensuite la qualité de la solution obtenue en résolvent un modèle PLNE restreint qui tire parti des informations recueillies lors de la résolution du dual lagrangien. Les résultats des calculs montrent que les heuristiques donnent rapidement des solutions de bonne qualité, même pour les instances où les solveurs génériques ne trouvent pas de solutions réalisables. Finalement, nous adaptons les heuristiques précédentes pour résoudre le problème industriel. Deux relaxations différentes sont proposées et comparées. Des extensions des concepts précédents sont présentées afin d'assurer une résolution fiable en un temps raisonnable.

MA336exam00pdf

Exam questions and solutions in PDF

MA336exam01

Exam questions and solutions in LaTex

MA336exam01pdf

Exam questions and solutions in PDF

MA336exam00

Exam questions and solutions in LaTex

Modeling small-scale dairy farms in central Mexico using multi-criteria programming

Milk supply from Mexican dairy farms does not meet demand and small-scale farms can contribute toward closing the gap. Two multi-criteria programming techniques, goal programming and compromise programming, were used in a study of small-scale dairy farms in central Mexico. To build the goal and compromise programming models, 4 ordinary linear programming models were also developed, which had objective functions to maximize metabolizable energy for milk production, to maximize margin of income over feed costs, to maximize metabolizable protein for milk production, and to minimize purchased feedstuffs. Neither multicriteria approach was significantly better than the other; however, by applying both models it was possible to perform a more comprehensive analysis of these small-scale dairy systems. The multi-criteria programming models affirm findings from previous work and suggest that a forage strategy based on alfalfa, rye-grass, and corn silage would meet nutrient requirements of the herd. Both models suggested that there is an economic advantage in rescheduling the calving season to the second and third calendar quarters to better synchronize higher demand for nutrients with the period of high forage availability.

The constrained compartmentalized knapsack problem: mathematical models and solution methods

The constrained compartmentalized knapsack problem can be seen as an extension of the constrained knapsack problem. However, the items are grouped into different classes so that the overall knapsack has to be divided into compartments, and each compartment is loaded with items from the same class. Moreover, building a compartment incurs a fixed cost and a fixed loss of the capacity in the original knapsack, and the compartments are lower and upper bounded. The objective is to maximize the total value of the items loaded in the overall knapsack minus the cost of the compartments. This problem has been formulated as an integer non-linear program, and in this paper, we reformulate the non-linear model as an integer linear master problem with a large number of variables. Some heuristics based on the solution of the restricted master problem are investigated. A new and more compact integer linear model is also presented, which can be solved by a branch-and-bound commercial solver that found most of the optimal solutions for the constrained compartmentalized knapsack problem. On the other hand, heuristics provide good solutions with low computational effort. (C) 2011 Elsevier BM. All rights reserved.

Job rotation in assembly lines employing disabled workers

In this paper we consider the programming of job rotation in the assembly line worker assignment and balancing problem. The motivation for this study comes from the designing of assembly lines in sheltered work centers for the disabled, where workers have different task execution times. In this context, the well-known training aspects associated with job rotation are particularly desired. We propose a metric along with a mixed integer linear model and a heuristic decomposition method to solve this new job rotation problem. Computational results show the efficacy of the proposed heuristics. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Programação estocástica para fundos de pensão

Nesta dissertação discutiremos modelos e métodos de soluções de programação estocástica para resolver problemas de ALM em fundos de pensão. Apresentaremos o modelo de (Drijver et al.), baseado na programação estocástica multiestágios inteira-mista. Um estudo de caso para um problema de ALM será apresentado usando simulação de cenários.

Utilização de modelos de programação não-linear para sistematização de terras para irrigação em áreas regulares

Objetivou-se com este trabalho, desenvolver modelos de programação não-linear para sistematização de terras, aplicáveis para áreas com formato regular e que minimizem a movimentação de terra, utilizando o software GAMS para o cálculo. Esses modelos foram comparados com o Método dos Quadrados Mínimos Generalizado, desenvolvido por Scaloppi & Willardson (1986), sendo o parâmetro de avaliação o volume de terra movimentado. Concluiu-se que, ambos os modelos de programação não-linear desenvolvidos nesta pesquisa mostraram-se adequados para aplicação em áreas regulares e forneceram menores valores de movimentação de terra quando comparados com o método dos quadrados mínimos.

Modelo de programação linear para seleção de pulverizadores agrícolas de barras

A seleção de pulverizadores agrícolas que se adaptem às necessidades da propriedade, é um processo trabalhoso, sendo uma das etapas mais importantes dentro do processo produtivo. O objetivo do presente trabalho foi o de desenvolver e utilizar um modelo de programação linear para auxiliar na seleção de pulverizadores agrícolas de barras, baseado no menor custo horário do equipamento. Foram utilizadas as informações técnicas referentes a 20 modelos de pulverizadores disponíveis no mercado, sendo quatro autopropelidos, oito de arrasto e oito do tipo montado. A análise de sensibilidade dos componentes dos custos operacionais mostrou que as taxas de reparo e depreciação foram os fatores que mais interferiram na variação do custo horário do conjunto trator-pulverizador. O modelo matemático desenvolvido facilitou a realização da análise de sensibilidade que foi processada em um tempo muito pequeno.

Distribuição da carga hidráulica em linhas de derivação otimizadas por programação linear

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Optimised placement of control and protective devices in electric distribution systems through reactive tabu search algorithm

Optimised placement of control and protective devices in distribution networks allows for a better operation and improvement of the reliability indices of the system. Control devices (used to reconfigure the feeders) are placed in distribution networks to obtain an optimal operation strategy to facilitate power supply restoration in the case of a contingency. Protective devices (used to isolate faults) are placed in distribution systems to improve the reliability and continuity of the power supply, significantly reducing the impacts that a fault can have in terms of customer outages, and the time needed for fault location and system restoration. This paper presents a novel technique to optimally place both control and protective devices in the same optimisation process on radial distribution feeders. The problem is modelled through mixed integer non-linear programming (MINLP) with real and binary variables. The reactive tabu search algorithm (RTS) is proposed to solve this problem. Results and optimised strategies for placing control and protective devices considering a practical feeder are presented. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Primary power distribution systems planning taking into account reliability, operation and expansion costs

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)