Distribution network planning using a constructive heuristic algorithm

An optimization technique to solve distribution network planning (DNP) problem is presented. This is a very complex mixed binary nonlinear programming problem. A constructive heuristic algorithm (CHA) aimed at obtaining an excellent quality solution for this problem is presented. In each step of the CHA, a sensitivity index is used to add a circuit or a substation to the distribution network. This sensitivity index is obtained solving the DNP problem considering the numbers of circuits and substations to be added as continuous variables (relaxed problem). The relaxed problem is a large and complex nonlinear programming and was solved through an efficient nonlinear optimization solver. A local improvement phase and a branching technique were implemented in the CHA. Results of two tests using a distribution network are presented in the paper in order to show the ability of the proposed algorithm. ©2009 IEEE.

An application of a modified constructive heuristic algorithm to transmission expansion planning

Transmission expansion planning (TEP) is a non-convex optimization problem that can be solved via different heuristic algorithms. A variety of classical as well as heuristic algorithms in literature are addressed to solve TEP problem. In this paper a modified constructive heuristic algorithm (CHA) is proposed for solving such a crucial problem. Most of research papers handle TEP problem by linearization of the non-linear mathematical model while in this research TEP problem is solved via CHA using non-linear model. The proposed methodology is based upon Garver's algorithm capable of applying to a DC model. Simulation studies and tests results on the well known transmission network such as: Garver and IEEE 24-bus systems are carried out to show the significant performance as well as the effectiveness of the proposed algorithm. © 2011 IEEE.

A heuristic algorithm based on multi-assignment procedures for nurse scheduling

This paper tackles a Nurse Scheduling Problem which consists of generating work schedules for a set of nurses while considering their shift preferences and other requirements. The objective is to maximize the satisfaction of nurses' preferences and minimize the violation of soft constraints. This paper presents a new deterministic heuristic algorithm, called MAPA (multi-assignment problem-based algorithm), which is based on successive resolutions of the assignment problem. The algorithm has two phases: a constructive phase and an improvement phase. The constructive phase builds a full schedule by solving successive assignment problems, one for each day in the planning period. The improvement phase uses a couple of procedures that re-solve assignment problems to produce a better schedule. Given the deterministic nature of this algorithm, the same schedule is obtained each time that the algorithm is applied to the same problem instance. The performance of MAPA is benchmarked against published results for almost 250,000 instances from the NSPLib dataset. In most cases, particularly on large instances of the problem, the results produced by MAPA are better when compared to best-known solutions from the literature. The experiments reported here also show that the MAPA algorithm finds more feasible solutions compared with other algorithms in the literature, which suggest that this proposed approach is effective and robust. © 2013 Springer Science+Business Media New York.

Dynamic Traffic Grooming Algorithms for Reconfigurable SONET Over WDM Networks

The emergence of wavelength-division multiplexing (WDM) technology provides the capability for increasing the bandwidth of synchronous optical network (SONET) rings by grooming low-speed traffic streams onto different high-speed wavelength channels. Since the cost of SONET add–drop multiplexers (SADM) at each node dominates the total cost of these networks, how to assign the wavelength, groom the traffic, and bypass the traffic through the intermediate nodes has received a lot of attention from researchers recently. Moreover, the traffic pattern of the optical network changes from time to time. How to develop dynamic reconfiguration algorithms for traffic grooming is an important issue. In this paper, two cases (best fit and full fit) for handling reconfigurable SONET over WDM networks are proposed. For each approach, an integer linear programming model and heuristic algorithms (TS-1 and TS-2, based on the tabu search method) are given. The results demonstrate that the TS-1 algorithm can yield better solutions but has a greater running time than the greedy algorithm for the best fit case. For the full fit case, the tabu search heuristic yields competitive results compared with an earlier simulated annealing based method and it is more stable for the dynamic case.

Algorithms for network design and routing problems

In this thesis we study three combinatorial optimization problems belonging to the classes of Network Design and Vehicle Routing problems that are strongly linked in the context of the design and management of transportation networks: the Non-Bifurcated Capacitated Network Design Problem (NBP), the Period Vehicle Routing Problem (PVRP) and the Pickup and Delivery Problem with Time Windows (PDPTW). These problems are NP-hard and contain as special cases some well known difficult problems such as the Traveling Salesman Problem and the Steiner Tree Problem. Moreover, they model the core structure of many practical problems arising in logistics and telecommunications. The NBP is the problem of designing the optimum network to satisfy a given set of traffic demands. Given a set of nodes, a set of potential links and a set of point-to-point demands called commodities, the objective is to select the links to install and dimension their capacities so that all the demands can be routed between their respective endpoints, and the sum of link fixed costs and commodity routing costs is minimized. The problem is called non- bifurcated because the solution network must allow each demand to follow a single path, i.e., the flow of each demand cannot be splitted. Although this is the case in many real applications, the NBP has received significantly less attention in the literature than other capacitated network design problems that allow bifurcation. We describe an exact algorithm for the NBP that is based on solving by an integer programming solver a formulation of the problem strengthened by simple valid inequalities and four new heuristic algorithms. One of these heuristics is an adaptive memory metaheuristic, based on partial enumeration, that could be applied to a wider class of structured combinatorial optimization problems. In the PVRP a fleet of vehicles of identical capacity must be used to service a set of customers over a planning period of several days. Each customer specifies a service frequency, a set of allowable day-combinations and a quantity of product that the customer must receive every time he is visited. For example, a customer may require to be visited twice during a 5-day period imposing that these visits take place on Monday-Thursday or Monday-Friday or Tuesday-Friday. The problem consists in simultaneously assigning a day- combination to each customer and in designing the vehicle routes for each day so that each customer is visited the required number of times, the number of routes on each day does not exceed the number of vehicles available, and the total cost of the routes over the period is minimized. We also consider a tactical variant of this problem, called Tactical Planning Vehicle Routing Problem, where customers require to be visited on a specific day of the period but a penalty cost, called service cost, can be paid to postpone the visit to a later day than that required. At our knowledge all the algorithms proposed in the literature for the PVRP are heuristics. In this thesis we present for the first time an exact algorithm for the PVRP that is based on different relaxations of a set partitioning-like formulation. The effectiveness of the proposed algorithm is tested on a set of instances from the literature and on a new set of instances. Finally, the PDPTW is to service a set of transportation requests using a fleet of identical vehicles of limited capacity located at a central depot. Each request specifies a pickup location and a delivery location and requires that a given quantity of load is transported from the pickup location to the delivery location. Moreover, each location can be visited only within an associated time window. Each vehicle can perform at most one route and the problem is to satisfy all the requests using the available vehicles so that each request is serviced by a single vehicle, the load on each vehicle does not exceed the capacity, and all locations are visited according to their time window. We formulate the PDPTW as a set partitioning-like problem with additional cuts and we propose an exact algorithm based on different relaxations of the mathematical formulation and a branch-and-cut-and-price algorithm. The new algorithm is tested on two classes of problems from the literature and compared with a recent branch-and-cut-and-price algorithm from the literature.

Algorithms for Finding Unitals and Maximal Arcs in Projective Planes of Order 16

The paper has been presented at the International Conference Pioneers of Bulgarian Mathematics, Dedicated to Nikola Obreshkoff and Lubomir Tschakalo ff , Sofia, July, 2006.

Cluster Analysis of Some Clases of Objects by Application of the Test Recognition Algorithms

The paper treats the task for cluster analysis of a given assembly of objects on the basis of the information contained in the description table of these objects. Various methods of cluster analysis are briefly considered. Heuristic method and rules for classification of the given assembly of objects are presented for the cases when their division into classes and the number of classes is not known. The algorithm is checked by a test example and two program products (PP) – learning systems and software for company management. Analysis of the results is presented.

Aptidão agrícola e algoritmos genéticos na organização espacial em projetos de reforma agrária

A definição das parcelas familiares em projetos de reforma agrária envolve questões técnicas e sociais. Essas questões estão associadas principalmente às diferentes aptidões agrícolas do solo nestes projetos. O objetivo deste trabalho foi apresentar método para realizar o processo de ordenamento territorial em assentamentos de reforma agrária empregando Algoritmo Genético (AG). O AG foi testado no Projeto de Assentamento Veredas, em Minas Gerais, e implementado com base no sistema de aptidão agrícola das terras.

Materialized view selection under the maintenance time constraint

A data warehouse is a data repository which collects and maintains a large amount of data from multiple distributed, autonomous and possibly heterogeneous data sources. Often the data is stored in the form of materialized views in order to provide fast access to the integrated data. One of the most important decisions in designing a data warehouse is the selection of views for materialization. The objective is to select an appropriate set of views that minimizes the total query response time with the constraint that the total maintenance time for these materialized views is within a given bound. This view selection problem is totally different from the view selection problem under the disk space constraint. In this paper the view selection problem under the maintenance time constraint is investigated. Two efficient, heuristic algorithms for the problem are proposed. The key to devising the proposed algorithms is to define good heuristic functions and to reduce the problem to some well-solved optimization problems. As a result, an approximate solution of the known optimization problem will give a feasible solution of the original problem. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Note on the blocking flow shop problem

We present some results attained with different algorithms for the Fm|block|Cmax problem using as experimental data the well-known Taillard instances.

Algorithmic Solutions for Combinatorial Problems in Resource Management of Manufacturing Environments

This thesis studies the use of heuristic algorithms in a number of combinatorial problems that occur in various resource constrained environments. Such problems occur, for example, in manufacturing, where a restricted number of resources (tools, machines, feeder slots) are needed to perform some operations. Many of these problems turn out to be computationally intractable, and heuristic algorithms are used to provide efficient, yet sub-optimal solutions. The main goal of the present study is to build upon existing methods to create new heuristics that provide improved solutions for some of these problems. All of these problems occur in practice, and one of the motivations of our study was the request for improvements from industrial sources. We approach three different resource constrained problems. The first is the tool switching and loading problem, and occurs especially in the assembly of printed circuit boards. This problem has to be solved when an efficient, yet small primary storage is used to access resources (tools) from a less efficient (but unlimited) secondary storage area. We study various forms of the problem and provide improved heuristics for its solution. Second, the nozzle assignment problem is concerned with selecting a suitable set of vacuum nozzles for the arms of a robotic assembly machine. It turns out that this is a specialized formulation of the MINMAX resource allocation formulation of the apportionment problem and it can be solved efficiently and optimally. We construct an exact algorithm specialized for the nozzle selection and provide a proof of its optimality. Third, the problem of feeder assignment and component tape construction occurs when electronic components are inserted and certain component types cause tape movement delays that can significantly impact the efficiency of printed circuit board assembly. Here, careful selection of component slots in the feeder improves the tape movement speed. We provide a formal proof that this problem is of the same complexity as the turnpike problem (a well studied geometric optimization problem), and provide a heuristic algorithm for this problem.

Optimization and Measuring Techniques for Collect-and-Place Machines in Printed Circuit Board Industry

This thesis considers optimization problems arising in printed circuit board assembly. Especially, the case in which the electronic components of a single circuit board are placed using a single placement machine is studied. Although there is a large number of different placement machines, the use of collect-and-place -type gantry machines is discussed because of their flexibility and increasing popularity in the industry. Instead of solving the entire control optimization problem of a collect-andplace machine with a single application, the problem is divided into multiple subproblems because of its hard combinatorial nature. This dividing technique is called hierarchical decomposition. All the subproblems of the one PCB - one machine -context are described, classified and reviewed. The derived subproblems are then either solved with exact methods or new heuristic algorithms are developed and applied. The exact methods include, for example, a greedy algorithm and a solution based on dynamic programming. Some of the proposed heuristics contain constructive parts while others utilize local search or are based on frequency calculations. For the heuristics, it is made sure with comprehensive experimental tests that they are applicable and feasible. A number of quality functions will be proposed for evaluation and applied to the subproblems. In the experimental tests, artificially generated data from Markov-models and data from real-world PCB production are used. The thesis consists of an introduction and of five publications where the developed and used solution methods are described in their full detail. For all the problems stated in this thesis, the methods proposed are efficient enough to be used in the PCB assembly production in practice and are readily applicable in the PCB manufacturing industry.

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.

Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.

Groupage et protection du trafic dynamique dans les réseaux WDM

Avec les nouvelles technologies des réseaux optiques, une quantité de données de plus en plus grande peut être transportée par une seule longueur d'onde. Cette quantité peut atteindre jusqu’à 40 gigabits par seconde (Gbps). Les flots de données individuels quant à eux demandent beaucoup moins de bande passante. Le groupage de trafic est une technique qui permet l'utilisation efficace de la bande passante offerte par une longueur d'onde. Elle consiste à assembler plusieurs flots de données de bas débit en une seule entité de données qui peut être transporté sur une longueur d'onde. La technique demultiplexage en longueurs d'onde (Wavelength Division Multiplexing WDM) permet de transporter plusieurs longueurs d'onde sur une même fibre. L'utilisation des deux techniques : WDM et groupage de trafic, permet de transporter une quantité de données de l'ordre de terabits par seconde (Tbps) sur une même fibre optique. La protection du trafic dans les réseaux optiques devient alors une opération très vitale pour ces réseaux, puisqu'une seule panne peut perturber des milliers d'utilisateurs et engendre des pertes importantes jusqu'à plusieurs millions de dollars à l'opérateur et aux utilisateurs du réseau. La technique de protection consiste à réserver une capacité supplémentaire pour acheminer le trafic en cas de panne dans le réseau. Cette thèse porte sur l'étude des techniques de groupage et de protection du trafic en utilisant les p-cycles dans les réseaux optiques dans un contexte de trafic dynamique. La majorité des travaux existants considère un trafic statique où l'état du réseau ainsi que le trafic sont donnés au début et ne changent pas. En plus, la majorité de ces travaux utilise des heuristiques ou des méthodes ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. Dans le contexte de trafic dynamique, deux difficultés majeures s'ajoutent aux problèmes étudiés, à cause du changement continuel du trafic dans le réseau. La première est due au fait que la solution proposée à la période précédente, même si elle est optimisée, n'est plus nécessairement optimisée ou optimale pour la période courante, une nouvelle optimisation de la solution au problème est alors nécessaire. La deuxième difficulté est due au fait que la résolution du problème pour une période donnée est différente de sa résolution pour la période initiale à cause des connexions en cours dans le réseau qui ne doivent pas être trop dérangées à chaque période de temps. L'étude faite sur la technique de groupage de trafic dans un contexte de trafic dynamique consiste à proposer différents scénarios pour composer avec ce type de trafic, avec comme objectif la maximisation de la bande passante des connexions acceptées à chaque période de temps. Des formulations mathématiques des différents scénarios considérés pour le problème de groupage sont proposées. Les travaux que nous avons réalisés sur le problème de la protection considèrent deux types de p-cycles, ceux protégeant les liens (p-cycles de base) et les FIPP p-cycles (p-cycles protégeant les chemins). Ces travaux ont consisté d’abord en la proposition de différents scénarios pour gérer les p-cycles de protection dans un contexte de trafic dynamique. Ensuite, une étude sur la stabilité des p-cycles dans un contexte de trafic dynamique a été faite. Des formulations de différents scénarios ont été proposées et les méthodes de résolution utilisées permettent d’aborder des problèmes de plus grande taille que ceux présentés dans la littérature. Nous nous appuyons sur la méthode de génération de colonnes pour énumérer implicitement les cycles les plus prometteurs. Dans l'étude des p-cycles protégeant les chemins ou FIPP p-cycles, nous avons proposé des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire. Nous avons utilisé une méthode de décomposition hiérarchique du problème qui nous permet d'obtenir de meilleurs résultats dans un temps raisonnable. Comme pour les p-cycles de base, nous avons étudié la stabilité des FIPP p-cycles dans un contexte de trafic dynamique. Les travaux montrent que dépendamment du critère d'optimisation, les p-cycles de base (protégeant les liens) et les FIPP p-cycles (protégeant les chemins) peuvent être très stables.