Exact Algorithms for Different Classes of Vehicle Routing Problems

We deal with five problems arising in the field of logistics: the Asymmetric TSP (ATSP), the TSP with Time Windows (TSPTW), the VRP with Time Windows (VRPTW), the Multi-Trip VRP (MTVRP), and the Two-Echelon Capacitated VRP (2E-CVRP). The ATSP requires finding a lest-cost Hamiltonian tour in a digraph. We survey models and classical relaxations, and describe the most effective exact algorithms from the literature. A survey and analysis of the polynomial formulations is provided. The considered algorithms and formulations are experimentally compared on benchmark instances. The TSPTW requires finding, in a weighted digraph, a least-cost Hamiltonian tour visiting each vertex within a given time window. We propose a new exact method, based on new tour relaxations and dynamic programming. Computational results on benchmark instances show that the proposed algorithm outperforms the state-of-the-art exact methods. In the VRPTW, a fleet of identical capacitated vehicles located at a depot must be optimally routed to supply customers with known demands and time window constraints. Different column generation bounding procedures and an exact algorithm are developed. The new exact method closed four of the five open Solomon instances. The MTVRP is the problem of optimally routing capacitated vehicles located at a depot to supply customers without exceeding maximum driving time constraints. Two set-partitioning-like formulations of the problem are introduced. Lower bounds are derived and embedded into an exact solution method, that can solve benchmark instances with up to 120 customers. The 2E-CVRP requires designing the optimal routing plan to deliver goods from a depot to customers by using intermediate depots. The objective is to minimize the sum of routing and handling costs. A new mathematical formulation is introduced. Valid lower bounds and an exact method are derived. Computational results on benchmark instances show that the new exact algorithm outperforms the state-of-the-art exact methods.

Lossless filter for multiple repeats with bounded edit distance

Background: Identifying local similarity between two or more sequences, or identifying repeats occurring at least twice in a sequence, is an essential part in the analysis of biological sequences and of their phylogenetic relationship. Finding such fragments while allowing for a certain number of insertions, deletions, and substitutions, is however known to be a computationally expensive task, and consequently exact methods can usually not be applied in practice. Results: The filter TUIUIU that we introduce in this paper provides a possible solution to this problem. It can be used as a preprocessing step to any multiple alignment or repeats inference method, eliminating a possibly large fraction of the input that is guaranteed not to contain any approximate repeat. It consists in the verification of several strong necessary conditions that can be checked in a fast way. We implemented three versions of the filter. The first is simply a straightforward extension to the case of multiple sequences of an application of conditions already existing in the literature. The second uses a stronger condition which, as our results show, enable to filter sensibly more with negligible (if any) additional time. The third version uses an additional condition and pushes the sensibility of the filter even further with a non negligible additional time in many circumstances; our experiments show that it is particularly useful with large error rates. The latter version was applied as a preprocessing of a multiple alignment tool, obtaining an overall time (filter plus alignment) on average 63 and at best 530 times smaller than before (direct alignment), with in most cases a better quality alignment. Conclusion: To the best of our knowledge, TUIUIU is the first filter designed for multiple repeats and for dealing with error rates greater than 10% of the repeats length.

Uma metaheurística para a programação de projectos com multi-modos e recursos limitados

Este artigo apresenta uma nova abordagem (MM-GAV-FBI), aplicável ao problema da programação de projectos com restrições de recursos e vários modos de execução por actividade, problema conhecido na literatura anglo-saxónica por MRCPSP. Cada projecto tem um conjunto de actividades com precedências tecnológicas definidas e um conjunto de recursos limitados, sendo que cada actividade pode ter mais do que um modo de realização. A programação dos projectos é realizada com recurso a um esquema de geração de planos (do inglês Schedule Generation Scheme - SGS) integrado com uma metaheurística. A metaheurística é baseada no paradigma dos algoritmos genéticos. As prioridades das actividades são obtidas a partir de um algoritmo genético. A representação cromossómica utilizada baseia-se em chaves aleatórias. O SGS gera planos não-atrasados. Após a obtenção de uma solução é aplicada uma melhoria local. O objectivo da abordagem é encontrar o melhor plano (planning), ou seja, o plano que tenha a menor duração temporal possível, satisfazendo as precedências das actividades e as restrições de recursos. A abordagem proposta é testada num conjunto de problemas retirados da literatura da especialidade e os resultados computacionais são comparados com outras abordagens. Os resultados computacionais validam o bom desempenho da abordagem, não apenas em termos de qualidade da solução, mas também em termos de tempo útil.

Reducing the number of membership functions in linguistic variables

Dissertation presented at Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia in fulfilment of the requirements for the Masters degree in Mathematics and Applications, specialization in Actuarial Sciences, Statistics and Operations Research

Median problems in networks

The P-median problem is a classical location model par excellence . In this paper we, firstexamine the early origins of the problem, formulated independently by Louis Hakimi andCharles ReVelle, two of the fathers of the burgeoning multidisciplinary field of researchknown today as Facility Location Theory and Modelling. We then examine some of thetraditional heuristic and exact methods developed to solve the problem. In the third sectionwe analyze the impact of the model in the field. We end the paper by proposing new lines ofresearch related to such a classical problem.

A simple optimised search heuristic for the job-shop scheduling problem

This paper presents a simple Optimised Search Heuristic for the Job Shop Scheduling problem that combines a GRASP heuristic with a branch-and-bound algorithm. The proposed method is compared with similar approaches and leads to better results in terms of solution quality and computing times.

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.

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.

Méthodes exactes et heuristiques pour le problème de tournées de véhicules avec fenêtres de temps et réutilisation de véhicules

Cette thèse porte sur les problèmes de tournées de véhicules avec fenêtres de temps où un gain est associé à chaque client et où l'objectif est de maximiser la somme des gains recueillis moins les coûts de transport. De plus, un même véhicule peut effectuer plusieurs tournées durant l'horizon de planification. Ce problème a été relativement peu étudié en dépit de son importance en pratique. Par exemple, dans le domaine de la livraison de denrées périssables, plusieurs tournées de courte durée doivent être combinées afin de former des journées complètes de travail. Nous croyons que ce type de problème aura une importance de plus en plus grande dans le futur avec l'avènement du commerce électronique, comme les épiceries électroniques, où les clients peuvent commander des produits par internet pour la livraison à domicile. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous présentons d'abord une revue de la littérature consacrée aux problèmes de tournées de véhicules avec gains ainsi qu'aux problèmes permettant une réutilisation des véhicules. Nous présentons les méthodologies générales adoptées pour les résoudre, soit les méthodes exactes, les méthodes heuristiques et les méta-heuristiques. Nous discutons enfin des problèmes de tournées dynamiques où certaines données sur le problème ne sont pas connues à l'avance. Dans le second chapitre, nous décrivons un algorithme exact pour résoudre un problème de tournées avec fenêtres de temps et réutilisation de véhicules où l'objectif premier est de maximiser le nombre de clients desservis. Pour ce faire, le problème est modélisé comme un problème de tournées avec gains. L'algorithme exact est basé sur une méthode de génération de colonnes couplée avec un algorithme de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources. Pour résoudre des instances de taille réaliste dans des temps de calcul raisonnables, une approche de résolution de nature heuristique est requise. Le troisième chapitre propose donc une méthode de recherche adaptative à grand voisinage qui exploite les différents niveaux hiérarchiques du problème (soit les journées complètes de travail des véhicules, les routes qui composent ces journées et les clients qui composent les routes). Dans le quatrième chapitre, qui traite du cas dynamique, une stratégie d'acceptation et de refus des nouvelles requêtes de service est proposée, basée sur une anticipation des requêtes à venir. L'approche repose sur la génération de scénarios pour différentes réalisations possibles des requêtes futures. Le coût d'opportunité de servir une nouvelle requête est basé sur une évaluation des scénarios avec et sans cette nouvelle requête. Enfin, le dernier chapitre résume les contributions de cette thèse et propose quelques avenues de recherche future.

La résolution du problème de formation de cellules dans un contexte multicritère

Les techniques de groupement technologique sont aujourd’hui utilisées dans de nombreux ateliers de fabrication; elles consistent à décomposer les systèmes industriels en sous-systèmes ou cellules constitués de pièces et de machines. Trouver le groupement technologique le plus efficace est formulé en recherche opérationnelle comme un problème de formation de cellules. La résolution de ce problème permet de tirer plusieurs avantages tels que la réduction des stocks et la simplification de la programmation. Plusieurs critères peuvent être définis au niveau des contraintes du problème tel que le flot intercellulaire,l’équilibrage de charges intracellulaires, les coûts de sous-traitance, les coûts de duplication des machines, etc. Le problème de formation de cellules est un problème d'optimisation NP-difficile. Par conséquent les méthodes exactes ne peuvent être utilisées pour résoudre des problèmes de grande dimension dans un délai raisonnable. Par contre des méthodes heuristiques peuvent générer des solutions de qualité inférieure, mais dans un temps d’exécution raisonnable. Dans ce mémoire, nous considérons ce problème dans un contexte bi-objectif spécifié en termes d’un facteur d’autonomie et de l’équilibre de charge entre les cellules. Nous présentons trois types de méthodes métaheuristiques pour sa résolution et nous comparons numériquement ces métaheuristiques. De plus, pour des problèmes de petite dimension qui peuvent être résolus de façon exacte avec CPLEX, nous vérifions que ces métaheuristiques génèrent des solutions optimales.

Algorithmes heuristiques et exacts pour le problème de l’ensemble dominant connexe minimum.

Dans ce mémoire, nous abordons le problème de l’ensemble dominant connexe de cardinalité minimale. Nous nous penchons, en particulier, sur le développement de méthodes pour sa résolution basées sur la programmation par contraintes et la programmation en nombres entiers. Nous présentons, en l’occurrence, une heuristique et quelques méthodes exactes pouvant être utilisées comme heuristiques si on limite leur temps d’exécution. Nous décrivons notamment un algorithme basé sur l’approche de décomposition de Benders, un autre combinant cette dernière avec une stratégie d’investigation itérative, une variante de celle-ci utilisant la programmation par contraintes, et enfin une méthode utilisant uniquement la programmation par contraintes. Des résultats expérimentaux montrent que ces méthodes sont efficaces puisqu’elles améliorent les méthodes connues dans la littérature. En particulier, la méthode de décomposition de Benders avec une stratégie d’investigation itérative fournit les résultats les plus performants.

Can we measure terrestrial photosynthesis from space directly, using spectral reflectance and fluorescence?

Attempts to estimate photosynthetic rate or gross primary productivity from remotely sensed absorbed solar radiation depend on knowledge of the light use efficiency (LUE). Early models assumed LUE to be constant, but now most researchers try to adjust it for variations in temperature and moisture stress. However, more exact methods are now required. Hyperspectral remote sensing offers the possibility of sensing the changes in the xanthophyll cycle, which is closely coupled to photosynthesis. Several studies have shown that an index (the photochemical reflectance index) based on the reflectance at 531 nm is strongly correlated with the LUE over hours, days and months. A second hyperspectral approach relies on the remote detection of fluorescence, which is a directly related to the efficiency of photosynthesis. We discuss the state of the art of the two approaches. Both have been demonstrated to be effective, but we specify seven conditions required before the methods can become operational.

Infinite symmetries in the Skyrme model

We show that the Skyrme theory possesses a submodel with an infinite number of local conserved currents. The constraints leading to the submodel explore a decomposition of SU(2) with a complex field parametrizing the symmetric space SU(2)/U(1) and a real field in the direction of U(1). We demonstrate that the Skyrmions of topological charges ii belong to such integrable sector of the theory. Our results open ways to the development of exact methods, compensating for the non-existence of a BPS type sector in the Skyrme theory. (C) 2001 Published by Elsevier B.V. B.V.

Bayesian approximations in randomized response model

Practical Bayesian inference depends upon detailed examination of posterior distribution. When the prior and likelihood are conjugate, this is easily carried out; however, in general, one must resort to numerical approximation. In this paper, our aim is to solve, using MAPLE, the Bayesian paradigm, for a very special data collecting procedure, known as the randomized-response technique. This allows researchers to obtain sensitive information while guaranteeing privacy to respondents. This approach intends to reduce false responses on sensitive questions. Exact methods and approximations will be compared from the accuracy point of view as well as for the computational effort.

Problem of assignment cells to switches in a cellular mobile network via beam search method

The problem of assigning cells to switches in a cellular mobile network is an NP-hard optimization problem. So, real size mobile networks could not be solved by using exact methods. The alternative is the use of the heuristic methods, because they allow us to find a good quality solution in a quite satisfactory computational time. This paper proposes a Beam Search method to solve the problem of assignment cell in cellular mobile networks. Some modifications in this algorithm are also presented, which allows its parallel application. Computational results obtained from several tests confirm the effectiveness of this approach to provide good solutions for medium- and large-sized cellular mobile network.