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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43572
Tipo: Dissertação
Título: Exact and heuristic approaches for the pickup and delivery problem with time windows and scheduling on the edges, and for the single-machine coupled task scheduling problem with exact delays
Título(s) alternativo(s): Abordagens exatas e heurísticas para o problema de coleta e entrega com janelas de tempo e escalonamento nas arestas, e para o problema de escalonamento de tarefas acopladas em uma única máquina com atrasos exatos
Autor(es): Barbosa, Vítor Alves
Primeiro Orientador: Melo, Rafael Augusto de
metadata.dc.contributor.referee1: Melo, Rafael Augusto de
metadata.dc.contributor.referee2: Ribeiro, Celso da Cruz Carneiro
metadata.dc.contributor.referee3: Noronha, Thiago Ferreira de
Resumo: Neste trabalho, são estudados dois problemas de otimização relacionados ao roteamento e escalonamento. O primeiro estudo envolve o problema de coleta e entrega com janelas de tempo e escalonamento nas arestas (pickup and delivery problem with time windows and scheduling on the edges ─ PDPTW-SE). O desafio consiste em determinar rotas para uma frota heterogênea de veículos, a fim de transportar pedidos com locais específicos de coleta e entrega, considerando que algumas travessias exigem uma atuação sincronizada com um número limitado de máquinas e que seu uso deve ser devidamente escalonado. O objetivo é minimizar o tempo total de conclusão, respeitando restrições de capacidade, janelas de tempo e precedência. Para isso, são desenvolvidas uma formulação de programação inteira mista (mixed integer programming ─ MIP) com pré-processamento e desigualdades válidas, além de uma heurística multistart com um procedimento de melhoria baseado em programação linear (linear programming ─ LP). Também é proposto um conjunto de instâncias de teste composto por duas famílias de instâncias, representando diferentes aplicações do problema. Nos experimentos computacionais, o resolvedor com a formulação MIP resolve instâncias com até doze pedidos e encontra soluções viáveis para 95.0% das instâncias menores. A heurística, por sua vez, obtém soluções viáveis e com baixos desvios em relação às do resolvedor com a formulação MIP para todas as instâncias menores, além de ser a única abordagem proposta capaz de encontrar consistentemente soluções viáveis para as instâncias maiores com 40 e 60 pedidos. O segundo estudo envolve o problema de escalonamento de tarefas acopladas em uma única máquina (single-machine coupled-task scheduling problem ─ SMCTSP). Esse é um problema de escalonamento de trabalhos, no qual cada trabalho é composto por duas tarefas acopladas, não preemptivas, e separadas por um atraso exato. O objetivo é minimizar o tempo de conclusão da última tarefa escalonada. Para tal, o problema é modelado utilizando programação por restrições (constraint programming ─ CP). Adicionalmente, um algoritmo genético de chaves aleatórias enviesadas (biased random-key genetic algorithm ─ BRKGA) é desenvolvido incorporando um gerador de soluções iniciais (warm-start), reinicializações periódicas com diferentes intensidades, e um algoritmo de busca local. Os experimentos computacionais indicam que o BRKGA proposto fornece soluções de alta qualidade com tempos computacionais reduzidos em comparação ao modelo CP. Por outro lado, o modelo CP supera significativamente as soluções obtidas pelo BRKGA quando executado por uma hora e com execução paralela em múltiplos núcleos. Por fim, as abordagens propostas em conjunto obtém novas soluções melhores para 93.3% das instâncias ainda não resolvidas até a otimalidade pelas abordagens anteriores na literatura.
Abstract: In this work, two optimization problems related to routing and scheduling are studied. The first study addresses the pickup and delivery problem with time windows and scheduling on the edges (PDPTW-SE). The challenge lies in determining routes for a heterogeneous fleet of vehicles to transport requests with specific pickup and delivery locations, considering that some traversals require synchronized operations with a limited number of machines and their use must be properly scheduled. The objective is to minimize the total completion time while respecting capacity, time window, and precedence constraints. To this end, a mixed-integer programming (MIP) formulation with preprocessing and valid inequalities, along with a multistart heuristic with a linear programming-based improvement procedure are developed. A benchmark set of instances is also proposed, consisting of two families of instances representing different applications of the problem. In the computational experiments, the solver on the MIP formulation solves instances with up to twelve requests and finds feasible solutions for 95.0% of the smaller instances. The heuristic, in turn, obtains feasible solutions with low deviations compared to the solver on the MIP formulation for all smaller instances, in addition to be the only proposed approach to consistently find feasible solutions for the larger instances with 40 and 60 requests. The second study addresses the single-machine coupled-task scheduling problem (SMCTSP). This is a job scheduling problem in which each job consists of two coupled, non-preemptive tasks separated by an exact delay. The objective is to minimize the completion time of the last scheduled task. The problem was modeled using constraint programming (CP), and a biased random-key genetic algorithm (BRKGA) was developed, incorporating a warm-start solution generator, periodic restarts with varying intensities, and a local search algorithm. Computational experiments showed that the proposed BRKGA provides high-quality solutions with reduced computational times compared to the CP model. On the other hand, the CP model significantly outperformed the BRKGA solutions when run for one hour with multiple threads. Finally, the proposed approaches combined obtained new best solutions for 93.33% of the instances that had not yet been solved to optimality by previous approaches in the literature.
Palavras-chave: Roteamento de veículos
Escalonamento de tarefas acopladas
Programação linear inteira mista
Busca local
Programação por restrições
Algoritmo genético de chaves aleatórias enviesadas
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Idioma: eng
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Instituto de Computação - IC
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação (PGCOMP) 
Citação: BARBOSA, Vítor Alves. Exact and heuristic approaches for the pickup and delivery problem with time windows and scheduling on the edges, and for the single-machine coupled task scheduling problem with exact delays. 2025. 148 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Instituto de Computação, Universidade Federal da Bahia, Salvador (Bahia), 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43572
Data do documento: 21-Jul-2025
Aparece nas coleções:Dissertação (PGCOMP)

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