Problema integrado de dimensionamento de lotes e corte de estoque: modelagem matemática e métodos de solução

Abstract

Nesta tese, estamos interessados em tratar de maneira integrada dois conhecidos problemas da literatura. Esta integração é referida na literatura como problema integrado de dimensionamento de lotes e corte de estoque. A ideia consiste em considerar simultaneamente, as decisões relacionadas com ambos os problemas, de modo a capturar a interdependência entre estas decisões e, assim, obter uma melhor solução global. Propõe-se um modelo matemático geral para o problema integrado de dimensionamento de lotes e corte de estoque (GILSCS), que considera vários níveis de integração e nos permite classificar a literatura, em termos de modelos matemáticos, dos problemas integrados. A classificação é organizada a partir de dois principais aspectos de integração que são: a integração através dos períodos de tempo e a integração entre os níveis de produção. Em um horizonte de planejamento que considera vários períodos, o estoque fornece uma ligação entre os períodos. Esta integração, por períodos de tempo, constitui o primeiro tipo de integração. O problema geral também considera a produção em diferentes níveis: objetos são fabricados ou comprados e então são cortados para produzir peças menores e estas, por sua vez, constituem componentes para a produção dos produtos finais. A integração entre os diferentes níveis de produção consiste no segundo tipo de integração. A revisão da literatura também possibilita direcionar interessantes áreas para pesquisas futuras. O comportamento da solução para este tipo de problema, com três níveis e vários períodos, é estudado a partir do desenvolvimento de métodos de solução considerando abordagens que superam as dificuldades do problema, que consistem no alto número de padrões de corte, estruturas em vários níveis (multiestágios) e variáveis binárias de preparo. Os métodos de solução propostos para o problema GILSCS são baseados em duas abordagens conhecidas da literatura, usadas com sucesso para resolver os problemas separadamente, que são o procedimento de geração de colunas e heurísticas de decomposição do tipo relax-and-fix. Estas estratégias e suas variações são combinadas à um pacote de otimização em um estudo computacional com dados gerados aleatoriamente. Uma revisão da literatura, em termos de métodos de solução, para o problema integrado também é apresentada. Outras contribuições desta tese consistem em propor diferentes modelos matemáticos para o problema integrado, combinando modelos alternativos para cada um dos problemas separadamente. Neste estudo, o objetivo é comparar e avaliar, com um extensivo estudo computacional, a qualidade e o impacto das diferentes formulações. O outro trabalho trata de uma aplicação do problema integrado em um indústria de móveis de pequeno porte, em que restrições específicas do ambiente industrial são abordadas, como estoque de segurança e ciclos da serra. A solução obtida pelo modelo proposto é comparada com uma simulação da prática da empresa.

In this thesis, the subject of interest is in treating, in an integrated way, two wellknown problems in the literature. This integration is referred in the literature as the integrated lot-sizing and cutting stock problem. The basic idea is to consider, simultaneously, the decisions related to both problems so as to capture the interdependency between these decisions in order to obtain a better global solution. We propose a mathematical model for a general integrated lot-sizing and cutting stock (GILSCS) problem. This model considers multiple dimensions of integration and enables us to classify the current literature, in terms of mathematical models, in this field. The main classification of the literature is organized around two types of integration. In a planning horizon which consists of multiple periods, the inventory provides a link between the periods. This integration across time periods constitutes the first type of integration. The general problem also considers the production in different levels: objects are fabricated or purchased and then, they are cut to produce the pieces which are then assembled as components in the production of final products. The integration between these production levels constitutes the second type of integration. The literature review also enables us to point out interesting areas for future research. The behavior of a solution to this type of problem, with three levels of production and several time periods, is studied considering the development of solution approaches that overcome the difficulties of the problem, which are the high number of cutting patterns, multi-level structures and the binary values of the setup variables. The solution methods proposed to the GILSCS problem are based on two known strategies from the literature which are used successfully to solve the problems separately, which are the column generation procedure and decomposition heuristics based on relax-and-fix procedure. These strategies and their variations are combined into an optimization package in a computational study with randomly generated data. A literature review, in terms of solution methods, to the integrated problem, is also presented. Other contributions of this thesis consist of proposing different mathematical models for the integrated problem combining alternative models for each one of the problems separately. In this study, the aim is to compare and evaluate, with an extensive computational study, the quality and the impact of these dfifferent formulations. Another study is an application of the integrated problem in a small furniture factory, in which specific constraints related to the industrial environment are addressed, such as, safety stock level constraints and saw cycles constraints. The solution obtained from the proposed model is compared to a simulation of the common practice in the company.