universidade federal rural do semi-Árido departamento de ciências ambientais e tecnológicas...

Universidade Federal Rural do Semi-ÁridoDepartamento de Ciências Ambientais e TecnológicasBacharelado em Engenharia de ProduçãoProfessor: MSc. Luiz Carlos

Pesquisa OperacionalProgramação Linear

Daniel de OliveiraIsadora MendesJosé Alípio

Modelagem Matemática

1. Problemas de Modelagem Matemática têm por objetivo encontrar os valores para as variáveis de decisão que otimizam (maximizam ou minimizam) uma função objetivo respeitando um conjunto de restrições.

2. Alguns tipos de modelos de programação matemática são: Programação linear; Programação inteira; Programação não-linear; Programação dinâmica;

Programação Linear

1. A Programação Linear trata-se, então, de uma técnica de otimização com aplicações amplas e diversificadas ao nível de problemas reais.

2. Características1. Proporcionalidade2. Não Negatividade3. Aditividade4. Separabilidade

Características da Programação Linear

1. Proporcionalidade: a quantidade de recurso consumido por uma dada atividade deve ser proporcional ao nível dessa atividade na solução final do problema;

2. Não negatividade: deve ser sempre possível desenvolver dada atividade em qualquer nível não negativo e qualquer proporção de um dado recurso deve sempre ser utilizado;

Características da Programação Linear

3. Aditividade: o custo total é a soma das parcelas associadas a cada atividade;

4. Separabilidade: pode-se identificar de forma separada o custo (ou consumo de recursos) específicos das operações de cada atividade.

Componentes da Programação Linear

1. Todo modelo de programação linear tem duas características importantes:1. Função Objetivo a ser maximizada ou minimizada;2. Restrições que devem ser respeitadas;

2. Função objetivo: medida de desempenho a ser otimizada

3. Restrições: Atividades que consomem recursos em determinadas proporções, apresentadas em forma de equações ou inequações lineares, uma para cada recurso, considerando os insumos disponíveis dentro de cada atividade.

Componentes da Programação Linear

Forma Genérica:

Máx. ou Mín.:Z = C1X1 + C2X2 + ... + CnXn

(função matemática que codifica o objetivo do problema - função-objetivo)

 Sujeito a:

a11x1 + a22x2 + ... + a1nxn < b1

a21x1 + a22x2 + ... + a2nxn < b2

...am1x1 + am2x2 + ... + amnxn < bm

(funções matemáticas que codificam as principais restrições identificadas)

Componentes da Programação Linear

Forma Genérica:

• xi ≥ 0 e bj ≥ 0, para i = 1, 2, ... , n e j = 1,2, ... , m

• xi: variáveis decisórias que representam as quantidades ou recursos que se quer determinar para otimizar o resultado global;

• ci: coeficientes de ganho ou custo que cada variável é capaz de gerar;

• bj: quantidade disponível de cada recurso;

• aij: quantidade de recurso que cada variável decisória consome.

Exemplo 01

Função Objetivo

• Maximizar o lucro na produção de cadeiras do tipo Mate e Captain, sendo que os recursos são limitados.

Lucro Máximo:A margem de contribuição unitária (preço menos custo variável unitário) é de R$ 56 sobre cada cadeira Captain que é vendida e de R$ 40 sobre cada cadeira Mate.

Max Z = 56C + 40M

Restrições

1. Montar uma cadeira exige pinos longos, pinos curtos, pernas e dois tipos de assentos, que estão disponíveis em estoques limitados que não podem ser aumentados;

2. O estoque de pernas é de 760 e cada cadeira produzida utiliza quatro pernas;

Restrições

3. Para a produção, o estoque de pinos longos e curtos é de 1280 e 1600, respectivamente. Cada cadeira Captain produzida usa oito pinos longos e quatro pinos curtos, enquanto que cada Mate produzida usa quatro pinos longos e doze pinos curtos;

4. O estoque de assentos pesados e de assentos leves é de 140 e 120, respectivamente;

5. O número total de cadeiras produzidas tem de ser superior a 100 unidades.

Dados do Problema

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

320310300290280270260250240230220210200190180170160150140130120110100

908070605040302010

Captain

Mate

M < 120

Restrições• Número de assentos leves

Dados do Problema

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

320310300290280270260250240230220210200190180170160150140130120110100

908070605040302010

Captain

Mate

M < 120

C < 140

Restrições• Número de assentos leves• Número de assentos pesados

Dados do Problema

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

320310300290280270260250240230220210200190180170160150140130120110100

908070605040302010

Captain

Mate

M < 120

C < 140

C + M > 100

Restrições• Número de assentos leves• Número de assentos pesados• Produção mínima

Dados do Problema

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

320310300290280270260250240230220210200190180170160150140130120110100

908070605040302010

Captain

Mate

M < 120

C < 140

C + M > 100 4C + 4M < 760

Restrições• Número de assentos leves• Número de assentos pesados• Produção mínima• Número de pernas

Dados do Problema

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

320310300290280270260250240230220210200190180170160150140130120110100

908070605040302010

Captain

Mate

M < 120

C < 140

C + M > 100 4C + 4M < 760

8C + 4M < 1280

Restrições• Número de assentos leves• Número de assentos pesados• Produção mínima• Número de pernas• Pinos longos

Dados do Problema

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

320310300290280270260250240230220210200190180170160150140130120110100

908070605040302010

Captain

Mate

M < 120

C < 140

C + M > 100 4C + 4M < 760

8C + 4M < 1280

4C + 12M < 1600

Restrições• Número de assentos leves• Número de assentos pesados• Produção mínima• Número de pernas• Pinos longos• Pinos curtos

Dados do Problema

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

320310300290280270260250240230220210200190180170160150140130120110100

908070605040302010

Captain

Mate

M < 120

C < 140

C + M > 100 4C + 4M < 760

8C + 4M < 1280

4C + 12M < 1600

Restrições• Número de assentos leves• Número de assentos pesados• Produção mínima• Número de pernas• Pinos longos• Pinos curtos

Dados do Problema

Solução Ótima

↑ Variáveis e restrições = ↑ Robusticidade do programa;

1. Caso Delta Airlines:• Especificação de tipos de frotas;• 40 mil restrições e 60 mil variáveis.

2. Problemas de médio e pequeno portes;

3. Ferramenta Solver.

Softwares

Exemplo 02

• Maximizar o lucro semanal da produção de dois tipos de brinquedos de madeira (soldados e trens), considerando os custos de mão-de-obra e matéria-prima.– Soldado (S):

• Preço de venda: R$ 27;• MP: R$ 10;• MO: R$ 14.

– Trem (T):• Preço de venda: R$ 21;• MP: R$ 9;• MO: R$ 10.

• Receita por semana = 27*S + 21*T• Custos de MP = 10*S + 9*T• Custos de MO = 14*S + 10*T• LUCRO = (27*S + 21*T) - (10*S + 9*T) - (14*S + 10*T) = 3S + 2T

Função Objetivo

Restrições

• Tipos de mão-de-obra:– Acabamento;– Carpintaria;

• Soldado:– 2 horas de A e 1 hora de C;

• Trem:– 1 hora de A e 1 hora de C;

• Não mais que 100 horas semanais de acabamento;– Total de h de A/semana = 2S + 1T ≤ 100

• Não mais que 80 horas semanais de carpintaria;– Total de h de C/semana = 1S + 1T ≤ 80

• Não mais que 40 soldados por semana.– S ≤ 40

Descrição das equações

Exemplo 03

Exemplo

1. Uma empresa fabrica dois produtos A e B. Cada um deste produtos requer uma certa quantidade de tempo na linha de montagem e ainda mais algum para a sua finalização. Cada produto do tipo A necessita de 5 horas na linha de montagem e de 2 horas para a finalização. Cada produto de tipo B necessita de 3 horas na linha de montagem e de 4 horas para a finalização. Numa semana, a empresa dispõe de 108 horas para a linha de montagem e 60 horas para a finalização. Toda a produção é vendida. O lucro de cada produto é de R$ 120,00 para o produto A e de R$ 210,00 para o B. Quantas unidades, por semana, dos produtos A e B se devem produzir, de modo a que o lucro seja máximo?

Exemplo

MONTAGEM FINALIZAÇÃO LUCROA 5 2 120

B 3 4 210

DISPONIBILIDADE 108 60 -

Exemplo

Exemplo

1. Teorema

Dado um problema de programação linear, se S for a região admissível e for limitada então existe um máximo e mínimo em S e cada um destes ocorre pelo menos num dos vértices da região.

Se S não for limitada, então pode não existir nem máximo nem mínimo. Mas se existir ele encontra-se num vértice de S.

Exemplo

X Y L = 120x + 210yO 0 0 0

A 21,6 0 2592

B 18 6 3420

C 0 15 3150

Curiosidade

Bibliografia

1. CAIXETA-FILHO, José Vicente. Pesquisa Operacional: técnicas de otimização aplicadas a sistema agroindustriais. 2 ed. São Paulo: Atlas, 2004.

2. GOLDBARG, Marco Cesar; LUNA, Henrique Pacca L. Otimização combinatória e programação linear: modelos e algortimos. Rio de Janeiro: Campus, 2000. 5ª tiragem.

3. MOORE, Jeffrey H.; WEATHERFORD, Larry R. Tomada de decisão em administração com planilhas eletrônicas. 6 ed. Porto Alegre: Bookman, 2005.