Análise de estruturas de vizinhança para o problema de sequenciamento de máquinas paralelas não relacionadas com tempos de preparação
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Eduardo Contijo Carrano
Lucas de Souza Batista
Lucas de Souza Batista
Resumo
O uso de heurísticas baseadas em busca local é bastante comum para otimizar os problemas de sequenciamento de máquinas paralelas, principalmente aqueles que consideram
os tempos de preparação da máquina (setup). Com isso, as estruturas de vizinhança
desempenham um papel essencial na capacidade dessas heurísticas de explorar adequadamente o espaço de soluções. Este trabalho apresenta uma análise exploratória e
estatística para caracterização de seis estruturas de vizinhança comumente utilizadas
na solução do problema de sequenciamento de máquinas paralelas não relacionadas com
tempos de preparação dependentes da sequência e da máquina, buscando a minimização
do makespan como objetivo principal. As seis estruturas de vizinhança são exploradas
em diferentes estágios de busca de várias instâncias do problema de sequenciamento,
com a busca sendo conduzida usando uma implementação própria de um Simulated
Annealing, que é o estado da arte para solucionar essa classe de problema. Os resulta-
dos obtidos são usados para avaliar e modelar a qualidade relativa dessas vizinhanças
em termos de melhoria esperada de um único movimento em diferentes pontos ao longo
do procedimento de busca. Os resultados dessa análise indicam a superioridade de uma
vizinhança em relação às demais. Com os resultados obtidos nessa análise estatística,
foi desenvolvido um modelo de regressão linear para predizer a utilidade esperada de
cada função de vizinhança e, com isso determinar a probabilidade de escolher cada
uma das funções de vizinhança ao longo das iterações do Simulated Annealing. Os
resultados obtidos com a modificação na escolha das vizinhanças foi superior à versão
original. A partir deste experimento, a proposição de novas heurísticas baseadas em
busca local pode aproveitar a análise realizada neste trabalho para priorizar a escolha
das vizinhanças e quando utilizá-las ao longo do processo de otimização para acelerar
a convergência para melhores soluções.
Abstract
Local search heuristics are usually employed in the optimization of parallel machine
scheduling problems, particularly those in which setup times are considered. Neighborhood structures represent a central aspect of these heuristics, enabling them to adequately explore the search space. This work presents an exploratory statistical analysis
of six neighborhood structures commonly used for the unrelated parallel machine scheduling problem with sequence dependent setup times, in which the main objective is
the minimization of the makespan. The neighborhood structures are equipped on a
specific implementation of Simulated Annealing that is considered state-of-the-art for
this particular problem, and are explored at different stages of the search. The results
indicate the superiority of one neighborhood concerning the others. Besides, the results
obtained are used to fit a regression model capable of providing quantitative guidelines
for the selection of each structure at different stages of the search. The resulting model
is used to devise a modified version of the Simulated Annealing in which an adaptive approach for neighborhood selection is employed when solving instances belonging
to this particular problem class. The results obtained with the modified Simulated
Annealing overcome the original one. From the experiment, the proposition of new
heuristics based on local search can take advantage of the analysis performed in this
paper to prioritize the choice of neighborhoods and when to use them.
Assunto
Engenharia elétrica, Heurística, Otimização
Palavras-chave
Máquinas paralelas, Makespan, Simulated Annealing
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