Simple heuristics for the assembly line worker assignment and balancing problem

We propose simple heuristics for the assembly line worker assignment and balancing problem. This problem typically occurs in assembly lines in sheltered work centers for the disabled. Different from the well-known simple assembly line balancing problem, the task execution times vary according to the assigned worker. We develop a constructive heuristic framework based on task and worker priority rules defining the order in which the tasks and workers should be assigned to the workstations. We present a number of such rules and compare their performance across three possible uses: as a stand-alone method, as an initial solution generator for meta-heuristics, and as a decoder for a hybrid genetic algorithm. Our results show that the heuristics are fast, they obtain good results as a stand-alone method and are efficient when used as a initial solution generator or as a solution decoder within more elaborate approaches.

Hybrid Algorithms for Routing and Assignment Wavelengths in Optical Networks

This paper presents a strategy for the solution of the WDM optical networks planning. Specifically, the problem of Routing and Wavelength Allocation (RWA) in order to minimize the amount of wavelengths used. In this case, the problem is known as the Min-RWA. Two meta-heuristics (Tabu Search and Simulated Annealing) are applied to take solutions of good quality and high performance. The key point is the degradation of the maximum load on the virtual links in favor of minimization of number of wavelengths used; the objective is to find a good compromise between the metrics of virtual topology (load in Gb/s) and of the physical topology (quantity of wavelengths). The simulations suggest good results when compared to some existing in the literature.

Self-optimization module for scheduling using case-based reasoning

Metaheuristics performance is highly dependent of the respective parameters which need to be tuned. Parameter tuning may allow a larger flexibility and robustness but requires a careful initialization. The process of defining which parameters setting should be used is not obvious. The values for parameters depend mainly on the problem, the instance to be solved, the search time available to spend in solving the problem, and the required quality of solution. This paper presents a learning module proposal for an autonomous parameterization of Metaheuristics, integrated on a Multi-Agent System for the resolution of Dynamic Scheduling problems. The proposed learning module is inspired on Autonomic Computing Self-Optimization concept, defining that systems must continuously and proactively improve their performance. For the learning implementation it is used Case-based Reasoning, which uses previous similar data to solve new cases. In the use of Case-based Reasoning it is assumed that similar cases have similar solutions. After a literature review on topics used, both AutoDynAgents system and Self-Optimization module are described. Finally, a computational study is presented where the proposed module is evaluated, obtained results are compared with previous ones, some conclusions are reached, and some future work is referred. It is expected that this proposal can be a great contribution for the self-parameterization of Metaheuristics and for the resolution of scheduling problems on dynamic environments.

A hybrid intelligent system for distributed dynamic scheduling

This chapter addresses the resolution of dynamic scheduling by means of meta-heuristic and multi-agent systems. Scheduling is an important aspect of automation in manufacturing systems. Several contributions have been proposed, but the problem is far from being solved satisfactorily, especially if scheduling concerns real world applications. The proposed multi-agent scheduling system assumes the existence of several resource agents (which are decision-making entities based on meta-heuristics) distributed inside the manufacturing system that interact with other agents in order to obtain optimal or near-optimal global performances.

MASDScheGATS: a prototype system for dynamic scheduling

A manufacturing system has a natural dynamic nature observed through several kinds of random occurrences and perturbations on working conditions and requirements over time. For this kind of environment it is important the ability to efficient and effectively adapt, on a continuous basis, existing schedules according to the referred disturbances, keeping performance levels. The application of Meta-Heuristics and Multi-Agent Systems to the resolution of this class of real world scheduling problems seems really promising. This paper presents a prototype for MASDScheGATS (Multi-Agent System for Distributed Manufacturing Scheduling with Genetic Algorithms and Tabu Search).

Swarm intelligence for scheduling: a review

Swarm Intelligence generally refers to a problem-solving ability that emerges from the interaction of simple information-processing units. The concept of Swarm suggests multiplicity, distribution, stochasticity, randomness, and messiness. The concept of Intelligence suggests that problem-solving approach is successful considering learning, creativity, cognition capabilities. This paper introduces some of the theoretical foundations, the biological motivation and fundamental aspects of swarm intelligence based optimization techniques such Particle Swarm Optimization (PSO), Ant Colony Optimization (ACO) and Artificial Bees Colony (ABC) algorithms for scheduling optimization.

Cooperative intelligent system for manufacturing scheduling

Hybridization of intelligent systems is a promising research field of computational intelligence focusing on combinations of multiple approaches to develop the next generation of intelligent systems. In this paper we will model a Manufacturing System by means of Multi-Agent Systems and Meta-Heuristics technologies, where each agent may represent a processing entity (machine). The objective of the system is to deal with the complex problem of Dynamic Scheduling in Manufacturing Systems.

Aspectos de aprendizagem em optimização

A optimização e a aprendizagem em Sistemas Multi-Agente são consideradas duas áreas promissoras mas relativamente pouco exploradas. A optimização nestes ambientes deve ser capaz de lidar com o dinamismo. Os agentes podem alterar o seu comportamento baseando-se em aprendizagem recente ou em objectivos de optimização. As estratégias de aprendizagem podem melhorar o desempenho do sistema, dotando os agentes da capacidade de aprender, por exemplo, qual a técnica de optimização é mais adequada para a resolução de uma classe particular de problemas, ou qual a parametrização é mais adequada em determinado cenário. Nesta dissertação são estudadas algumas técnicas de resolução de problemas de Optimização Combinatória, sobretudo as Meta-heurísticas, e é efectuada uma revisão do estado da arte de Aprendizagem em Sistemas Multi-Agente. É também proposto um módulo de aprendizagem para a resolução de novos problemas de escalonamento, com base em experiência anterior. O módulo de Auto-Optimização desenvolvido, inspirado na Computação Autónoma, permite ao sistema a selecção automática da Meta-heurística a usar no processo de optimização, assim como a respectiva parametrização. Para tal, recorreu-se à utilização de Raciocínio baseado em Casos de modo que o sistema resultante seja capaz de aprender com a experiência adquirida na resolução de problemas similares. Dos resultados obtidos é possível concluir da vantagem da sua utilização e respectiva capacidade de adaptação a novos e eventuais cenários.

Simulação de um Pool Simétrico com validação técnica do despacho provisório e apresentação de medidas corretivas baseadas num despacho ótimo

Os mercados de energia elétrica são atualmente uma realidade um pouco por todo o mundo. Contudo, não é consensual o modelo regulatório a utilizar, o que origina a utilização de diferentes modelos nos diversos países que deram início ao processo de liberalização e de reestruturação do sector elétrico. A esses países, dado que a energia elétrica não é um bem armazenável, pelo menos em grandes quantidades, colocam-se questões importantes relacionadas com a gestão propriamente dita do seu sistema elétrico. Essas questões implicam a adoção de regras impostas pelo regulador que permitam ultrapassar essas questões. Este trabalho apresenta um estudo feito aos mercados de energia elétrica existentes um pouco por todo o mundo e que o autor considerou serem os mais importantes. Foi também feito um estudo de ferramentas de otimização essencialmente baseado em meta-heurísticas aplicadas a problemas relacionados com a operação dos mercados e com os sistemas elétricos de energia, como é o exemplo da resolução do problema do Despacho Económico. Foi desenvolvida uma aplicação que simula o funcionamento de um mercado que atua com o modelo Pool Simétrico, em que são transmitidas as ofertas de venda e compra de energia elétrica por parte dos produtores, por um lado, e dos comercializadores, consumidores elegíveis ou intermediários financeiros, por outro, analisando a viabilidade técnica do Despacho Provisório. A análise da viabilidade técnica do Despacho Provisório é verificada através do modelo DC de trânsito de potências. No caso da inviabilidade do Despacho Provisório, por violação de restrições afetas ao problema, são determinadas medidas corretivas a esse despacho, com base nas ofertas realizadas e recorrendo a um Despacho Ótimo. Para a determinação do Despacho Ótimo recorreu-se à meta-heurística Algoritmos Genéticos. A aplicação foi desenvolvida no software MATLAB utilizando a ferramenta Graphical User Interfaces. A rede de teste utilizada foi a rede de 14 barramentos do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). A aplicação mostra-se competente no que concerne à simulação de um mercado com tipo de funcionamento Pool Simétrico onde são efetuadas ofertas simples e onde as transações ocorrem no mercado diário, porém, não reflete o problema real relacionado a este tipo de mercados. Trata-se, portanto, de um simulador básico de um mercado de energia cujo modelo de funcionamento se baseia no tipo Pool Simétrico.

Análise do Desempenho de Técnicas de Otimização no Problema de Escalonamento

A optimização nas aplicações modernas assume um carácter fortemente interdisciplinar, relacionando-se com a necessidade de integração de diferentes técnicas e paradigmas na resolução de problemas reais complexos. O problema do escalonamento é recorrente no planeamento da produção. Sempre que uma ordem de fabrico é lançada, é necessário determinar que recursos serão utilizados e em que sequência as atividades serão executadas, para otimizar uma dada medida de desempenho. Embora ainda existam empresas a abordar o problema do escalonamento através de simples heurísticas, a proposta de sistemas de escalonamento tem-se evidenciado na literatura. Pretende-se nesta dissertação, a realização da análise de desempenho de Técnicas de Optimização, nomeadamente as meta-heurísticas, na resolução de problemas de optimização complexos – escalonamento de tarefas, particularmente no problema de minimização dos atrasos ponderados, 1||ΣwjTj. Assim sendo, foi desenvolvido um protótipo que serviu de suporte ao estudo computacional, com vista à avaliação do desempenho do Simulated Annealing (SA) e o Discrete Artificial Bee Colony (DABC). A resolução eficiente de um problema requer, em geral, a aplicação de diferentes métodos, e a afinação dos respetivos parâmetros. A afinação dos parâmetros pode permitir uma maior flexibilidade e robustez mas requer uma inicialização cuidadosa. Os parâmetros podem ter uma grande influência na eficiência e eficácia da pesquisa. A sua definição deve resultar de um cuidadoso esforço experimental no sentido da respectiva especificação. Foi usado, no âmbito deste trabalho de mestrado, para suportar a fase de parametrização das meta-heurísticas em análise, o planeamento de experiências de Taguchi. Da análise dos resultados, foi possível concluir que existem vantagem estatisticamente significativa no desempenho do DABC, mas quando analisada a eficiência é possível concluir que há vantagem do SA, que necessita de menos tempo computacional.

The crew-scheduling module in the GIST system

The public transportation is gaining importance every year basically duethe population growth, environmental policies and, route and streetcongestion. Too able an efficient management of all the resources relatedto public transportation, several techniques from different areas are beingapplied and several projects in Transportation Planning Systems, indifferent countries, are being developed. In this work, we present theGIST Planning Transportation Systems, a Portuguese project involving twouniversities and six public transportation companies. We describe indetail one of the most relevant modules of this project, the crew-scheduling module. The crew-scheduling module is based on the application of meta-heuristics, in particular GRASP, tabu search and geneticalgorithm to solve the bus-driver-scheduling problem. The metaheuristicshave been successfully incorporated in the GIST Planning TransportationSystems and are actually used by several companies.

Kuljetustensuunnittelu- ja reitinoptimointiohjelmiston kaupallistamiseen vaikuttavat keskeiset ominaisuudet

Ajoneuvojen reititystä on tutkittu 1950-luvulta asti, alunperin etsiessä polttoainekuljetuksille optimaalisinta reittiä varastolta useille palveluasemille. Siitä lähtien ajoneuvon reititystehtäviä on tutkittu akateemisesti ja niistä on muodostettu kymmeniä erilaisia variaatioita. Tehtävien ratkaisumenetelmät jaetaan tyypillisesti tarkkoihin menetelmiin sekä heuristiikkoihin ja metaheuristiikkoihin. Konetehon ja heuristiikoissa käytettävien algoritmien kehittymisen myötä reitinoptimointia on alettu tarjota kaupallisesti. CO-SKY-projektin tavoitteena on kaupallistaa web-pohjainen tai toiminnanohjausjärjestelmään integroitava ajoneuvon reititys. Diplomityössä tutkitaan kuljetustensuunnittelu- ja reitinoptimointiohjelmistojen kaupallistamiseen vaikuttavia keskeisiä ominaisuuksia. Ominaisuuksia on tarkasteltu: 1) erityisesti pk-kuljetusyritysten tarpeiden ja vaatimusten pohjalta, ja 2) markkinoilla olevien ohjelmistojen tarjontaa arvioiden. Näiden pohjalta on myös pyritty arvioimaan kysynnän ja tarjonnan kohtaamista. Pilottiasiakkaita haastattelemalla ohjelmistolle on kyetty asettamaan vaatimuksia, mutta samalla on kuultu käyttäjien mielipiteitä optimoinnista. Lukuisia logistiikkaohjelmistojen tarjoajia on haastateltu logistiikkamessuilla sekä Suomessa että Saksassa. Haastattelujen perusteella on saatu käsitys kyseisistä ohjelmista sekä optimoinnin tarjonnasta että kysynnästä. Akateeminen tutkimus aiheesta on laajaa, koskien niin teknistä toteutusta kuin myös (kysely-)tutkimuksia tarjolla olevien ohjelmistojen ominaisuuksista ja laadusta. Kuljetusyritysten tarpeissa on vaihtelua yritys- ja alakohtaisesti. Perusongelmat ovat samoja, joita reitinoptimoinnin akateemisessa tutkimuksessa käsitellään ja joita kaupalliset ohjelmistot pystyvät ratkaisemaan. Vaikka reitinoptimoinnilla saatavat hyödyt ovat mitattavissa, suunnittelu etenkin pk-yrityksissä tehdään pääosin yhä käsin. Messuhaastattelujen ja loppukäyttäjien mielipiteiden perusteella voidaan todeta kaupallisten ratkaisujen olevan suunniteltu isommille kuljetusyrityksille: tyypillisen it-projektin hinta, käyttöönottoaika ja asennus sekä ratkaisun takaisinmaksuaika vaikuttavat pk-yritysten hankintapäätökseen. Kaupallistamiseen liittyen haasteet liittyvät erityisesti segmentointiin ja markkinointiin asiakasarvon todentamisen ja sen välittämisen kautta.

Conception des réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Généralement, les problèmes de conception de réseaux consistent à sélectionner les arcs et les sommets d’un graphe G de sorte que la fonction coût est optimisée et l’ensemble de contraintes impliquant les liens et les sommets dans G sont respectées. Une modification dans le critère d’optimisation et/ou dans l’ensemble de contraintes mène à une nouvelle représentation d’un problème différent. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de conception d’infrastructure de réseaux maillés sans fil (WMN- Wireless Mesh Network en Anglais) où nous montrons que la conception de tels réseaux se transforme d’un problème d’optimisation standard (la fonction coût est optimisée) à un problème d’optimisation à plusieurs objectifs, pour tenir en compte de nombreux aspects, souvent contradictoires, mais néanmoins incontournables dans la réalité. Cette thèse, composée de trois volets, propose de nouveaux modèles et algorithmes pour la conception de WMNs où rien n’est connu à l’ avance. Le premiervolet est consacré à l’optimisation simultanée de deux objectifs équitablement importants : le coût et la performance du réseau en termes de débit. Trois modèles bi-objectifs qui se différent principalement par l’approche utilisée pour maximiser la performance du réseau sont proposés, résolus et comparés. Le deuxième volet traite le problème de placement de passerelles vu son impact sur la performance et l’extensibilité du réseau. La notion de contraintes de sauts (hop constraints) est introduite dans la conception du réseau pour limiter le délai de transmission. Un nouvel algorithme basé sur une approche de groupage est proposé afin de trouver les positions stratégiques des passerelles qui favorisent l’extensibilité du réseau et augmentent sa performance sans augmenter considérablement le coût total de son installation. Le dernier volet adresse le problème de fiabilité du réseau dans la présence de pannes simples. Prévoir l’installation des composants redondants lors de la phase de conception peut garantir des communications fiables, mais au détriment du coût et de la performance du réseau. Un nouvel algorithme, basé sur l’approche théorique de décomposition en oreilles afin d’installer le minimum nombre de routeurs additionnels pour tolérer les pannes simples, est développé. Afin de résoudre les modèles proposés pour des réseaux de taille réelle, un algorithme évolutionnaire (méta-heuristique), inspiré de la nature, est développé. Finalement, les méthodes et modèles proposés on été évalués par des simulations empiriques et d’événements discrets.

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.

Identification d’une architecture à base de composants dans une application orientée objets à l’aide d’une analyse dynamique

Un système, décrit avec un grand nombre d'éléments fortement interdépendants, est complexe, difficile à comprendre et à maintenir. Ainsi, une application orientée objet est souvent complexe, car elle contient des centaines de classes avec de nombreuses dépendances plus ou moins explicites. Une même application, utilisant le paradigme composant, contiendrait un plus petit nombre d'éléments, faiblement couplés entre eux et avec des interdépendances clairement définies. Ceci est dû au fait que le paradigme composant fournit une bonne représentation de haut niveau des systèmes complexes. Ainsi, ce paradigme peut être utilisé comme "espace de projection" des systèmes orientés objets. Une telle projection peut faciliter l'étape de compréhension d'un système, un pré-requis nécessaire avant toute activité de maintenance et/ou d'évolution. De plus, il est possible d'utiliser cette représentation, comme un modèle pour effectuer une restructuration complète d'une application orientée objets opérationnelle vers une application équivalente à base de composants tout aussi opérationnelle. Ainsi, La nouvelle application bénéficiant ainsi, de toutes les bonnes propriétés associées au paradigme composants. L'objectif de ma thèse est de proposer une méthode semi-automatique pour identifier une architecture à base de composants dans une application orientée objets. Cette architecture doit, non seulement aider à la compréhension de l'application originale, mais aussi simplifier la projection de cette dernière dans un modèle concret de composant. L'identification d'une architecture à base de composants est réalisée en trois grandes étapes: i) obtention des données nécessaires au processus d'identification. Elles correspondent aux dépendances entre les classes et sont obtenues avec une analyse dynamique de l'application cible. ii) identification des composants. Trois méthodes ont été explorées. La première utilise un treillis de Galois, la seconde deux méta-heuristiques et la dernière une méta-heuristique multi-objective. iii) identification de l'architecture à base de composants de l'application cible. Cela est fait en identifiant les interfaces requises et fournis pour chaque composant. Afin de valider ce processus d'identification, ainsi que les différents choix faits durant son développement, j'ai réalisé différentes études de cas. Enfin, je montre la faisabilité de la projection de l'architecture à base de composants identifiée vers un modèle concret de composants.