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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE ROTEAMENTO DE UNIDADES MÓVEIS DE PISTONEIO JOÃO PAULO LIMA DO NASCIMENTO NATAL-RN 2010

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Page 1: METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE … · campos terrestres. Há toda uma logística no transporte de óleo e gás através de uma frota de veículos, desde sua origem

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE ROTEAMENTO DE

UNIDADES MÓVEIS DE PISTONEIO

JOÃO PAULO LIMA DO NASCIMENTO

NATAL-RN

2010

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE ROTEAMENTO DE

UNIDADES MÓVEIS DE PISTONEIO

por

JOÃO PAULO LIMA DO NASCIMENTO

GRADUADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO, UERN, 2004

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA DE PRODUÇÃO DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE

DO NORTE COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO

DO GRAU DE

MESTRE EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

DEZEMBRO, 2010

© 2010 JOÃO PAULO LIMA DO NASCIMENTO

TODOS DIREITOS RESERVADOS.

O autor aqui designado concede ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção

da Universidade Federal do Rio Grande do Norte permissão para reproduzir, distribuir,

comunicar ao público, em papel ou meio eletrônico, esta obra, no todo ou em parte, nos

termos da Lei.

Assinatura do Autor: ___________________________________________

APROVADO POR:

________________________________________________________________

Dario José Aloise (presidente, PEP/UFRN)

________________________________________________________________

Daniel Aloise (examinador, PEP/UFRN)

________________________________________________________________

Caroline Thennecy de Medeiros Rocha (examinador, PEP/UFRN)

________________________________________________________________

Josemir Araújo Neves (examinador externo, EMPARN)

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Dedico e ofereço com ternura e gratidão, o presente

trabalho, aos meus familiares e amigos.

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iv

AGRADECIMENTOS

A Deus por todo fortalecimento espiritual, luz e por todas as permissões concedidas,

indispensáveis para a conclusão deste trabalho.

Aos meus familiares e amigos, por toda formação e incansável apoio e motivação

para caminhar fortemente pelo desafio da vida.

À UFRN e ao PEP pela formação acadêmica e cidadã.

Ao meu orientador Dario José Aloise, pela força e confiança nos momentos mais

difíceis do desenvolvimento deste trabalho.

Ao meu grande amigo Allison Guedes, que me apoiou enquanto estava em missão de

estudos no Rio de Janeiro.

À CAPES, por fornecer recursos necessários enquanto atuante no PROCAD-NF, no

PEP-UFRJ.

A todos os professores do PEP-UFRJ, especialmente aos professores Samuel

Jurkiewicz e Laura Bahiense.

Meus sinceros AGRADECIMENTOS!!!

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Resumo da Dissertação apresentada à UFRN/PEP como parte dos requisitos necessários para

a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Produção.

METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE ROTEAMENTO DE

UNIDADES MÓVEIS DE PISTONEIO

JOÃO PAULO LIMA DO NASCIMENTO

Dezembro/2010

Orientador: Dario José Aloise

Curso: Pós-Graduação em Engenharia de Produção

O presente trabalho apresenta estratégias metaheurísticas baseadas no framework dos

Algoritmos Evolutivos (Genéticos e Meméticos) com a adição da técnica Vocabulary

Building para a resolução do Problema de Otimização do Emprego de Unidades Móveis de

Pistoneio (UMPs). Por se tratar de um problema NP-árduo, uma modelagem matemática é

formulada para o problema, permitindo a construção de instâncias testes que são utilizadas

para validar as metaheurísticas evolutivas desenvolvidas.

Palavras-Chave: Algoritmos Evolutivos, Vocabulary Building, Roteamento de Veículos,

Unidade Móvel de Pistoneio, Otimização Combinatória, NP-árduo.

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Abstract of Master Thesis presented to UFRN/PEP as fulfillment of requirements to the

degree of Master of Science in Production Engineering

EVOLUTIONARY METAHEURISTICS APPLIED TO ROUTING PROBLEM OF

UNITS MOBILE RECOVERY OF OIL

December/2010

Thesis Supervisor: Dario José Aloise

Program: Master of Science in Production Engineering

This paper presents metaheuristic strategies based on the framework of evolutionary

algorithms (Genetic and Memetic) with the addition of Technical Vocabulary Building for

solving the Problem of Optimizing the Use of Multiple Mobile Units Recovery of Oil (MRO

units). Because it is an NP-hard problem, a mathematical model is formulated for the

problem, allowing the construction of test instances that are used to validate the evolutionary

metaheuristics developed.

Keywords: Evolutionary Algorithms, Vocabulary Building, Vehicle Routing, Mobile Unit

Recovery of Oil, Combinatorial Optimization, NP-hard.

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SUMÁRIO

Lista de tabelas .............................................................................................................. ix

Lista de figuras ............................................................................................................... x

Lista de abreviaturas, siglas e símbolos ........................................................................... xi

Capítulo 1 - Introdução .................................................................................................. 12

1.1 Contextualização do Objeto de Estudo e Justificativa ............................................ 12

1.2 Apresentação do Problema.................................................................................... 12

1.3 Objetivos ............................................................................................................. 13

1.3.1 Geral ........................................................................................................... 13

1.3.2 Específicos.................................................................................................. 13

1.4 Hipóteses .............................................................................................................. 14

1.5 Metodologia ......................................................................................................... 14

1.6 Estrutura do Trabalho ........................................................................................... 14

Capítulo 2 – O Problema de Roteamento de Unidades Móveis de Pistoneio - PRUMP .... 16

2.1 A Produção de Petróleo na Bacia Potiguar ........................................................... 16

2.2 Descrição do Problema ......................................................................................... 20

2.3 Formulação Matemática........................................................................................ 22

2.3.1 Maximização da Produção .......................................................................... 23

2.3.2 Minimização de Tempos de Percurso .......................................................... 26

2.4 Problemas Correlatos ............................................................................................ 27

2.4.1 Problema do Caixeiro Viajante.................................................................... 27

2.4.2 O Problema da Orientação – PO .................................................................. 30

2.4.3 O Problema do Caixeiro Viajante Coletor de Prêmios ................................. 32

2.4.4 O Problema de Roteamento de Veículos ..................................................... 32

2.5 Complexidade....................................................................................................... 35

2.6 Trabalhos já Realizados ........................................................................................ 37

Capítulo 3 – Algoritmos Evolutivos e Vocabulary Building ............................................ 38

3.1 Algoritmos Genéticos ........................................................................................... 38

3.1.1 Princípios .................................................................................................... 38

3.1.2 Definições ................................................................................................... 39

3.1.2.1 Cromossomo e Genes ............................................................................ 39

3.1.2.2 População e Gerações ............................................................................ 40

3.1.2.3 Seleção .................................................................................................. 41

3.1.2.4 Operadores Genéticos ............................................................................ 43

3.1.2.4.1 Cruzamento .................................................................................... 43

3.1.2.4.2 Mutação ......................................................................................... 45

3.1.3 Estrutura ..................................................................................................... 47

3.2 Algoritmos Meméticos ......................................................................................... 48

3.3 Vocabulary Building ............................................................................................. 51

Capítulo 4 – Metaheurísticas aplicadas ao PRUMP ......................................................... 53

4.1 Algoritmo Genético Puro (AGP) ........................................................................... 53

4.1.1 Estrutura dos Cromossomos e Genes ........................................................... 53

4.1.2 População .................................................................................................. 55

4.1.3 Gerações .................................................................................................... 55

4.1.4 Função de Aptidão ...................................................................................... 55

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4.1.5 Seleção ....................................................................................................... 57

4.1.6 Operação de Cruzamento ............................................................................ 58

4.1.7 Operação de Mutação.................................................................................. 59

4.2 Algoritmo Memético (AM) ................................................................................... 60

4.3 Vocabulary Building (VB) .................................................................................... 63

Capítulo 5 – Testes Computacionais e Resultados Obtidos .............................................. 68

5.1 Caracterização e Metodologia ............................................................................... 68

5.2 Testes Preliminares: instâncias de 11 Poços .......................................................... 70

5.3 Testes realizados com instâncias de 99 Poços ....................................................... 73

Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros .......................................... 78

6.1 Conclusões ........................................................................................................... 78

6.2 Sugestões para Trabalhos Futuros ......................................................................... 78

Referências Bibliográficas .............................................................................................. 80

Apêndice......................................................................................................................... 85

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ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Semelhanças e diferenças entre o PCV e o PRUMP .....................................30

Tabela 4.1 – Matriz de Adjacências para Exemplo ...........................................................56

Tabela 5.1 – Testes para obtenção dos valores dos parâmetros do AG ..............................69

Tabela 5.2 – Comparação de Resultados Exatos e Heurísticos para as instâncias ITP11 ...71

Tabela 5.3 – Comparação de Resultados Exatos e Heurísticos para as instâncias IP99 ......75

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x

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Bacia Potiguar ............................................................................................. 17

Figura 2.2 – Unidade Móvel de Pistoneio ........................................................................ 18

Figura 2.3 – Esquema Gráfico de um Campo Terrestre ................................................... 19

Figura 2.4 – Representação gráfica dos caminhos yijk ...................................................... 25

Figura 2.5 – Prova da equação da ordem do caminho yijk................................................. 26

Figura 2.6 – PRV transformado num PCV ampliado ....................................................... 35

Figura 2.7 – Classes de Problemas .................................................................................. 36

Figura 3.1 – Exemplo de Cromossomo para o PCV ......................................................... 40

Figura 3.2 – Crossover de um ponto ................................................................................ 44

Figura 3.3 – Crossover de dois pontos ............................................................................. 44

Figura 3.4 – Crossover Unifome usando Máscara ............................................................ 45

Figura 3.5 – Esquema do Cromossomo de Mutação ........................................................ 46

Figura 3.6 – Esquema da Troca de Posição...................................................................... 46

Figura 3.7 – Inversão de Genes ....................................................................................... 46

Figura 3.8 – Estrutura básica do AG desenvolvido no trabalho ........................................ 48

Figura 3.9 – Operadores de recombinação e mutação agindo como estratégias de

diversificação junto a AMs. ............................................................................................. 49

Figura 3.10 – Estrutura Geral de um AM......................................................................... 51

Figura 4.1 – Exemplo de Cromossomo para 3 UMPs ...................................................... 54

Figura 4.2 – Grafo com rotas para 3 UMPs ..................................................................... 54

Figura 4.3 – Cromossomos com produção e tempos de jornada ....................................... 57

Figura 4.4 – Cruzamento entre Cromossomos ................................................................. 58

Figura 4.5 – Mutação ...................................................................................................... 60

Figura 4.6 – Processo de Busca Local do AM ................................................................. 61

Figura 4.7 – Estrutura de um Vocábulo ........................................................................... 63

Figura 4.8 – Exemplos de Vocábulos .............................................................................. 64

Figura 4.9 – Inserção de Vocábulos ................................................................................. 66

Figura 5.1 – Malha com 11 poços.................................................................................... 72

Figura 5.2 – Malha com 99 poços.................................................................................... 74

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LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

AG – Algoritmo Genético

AGP – Algoritmo Genético Puro

AM – Algoritmo Memético

AM+VB – Algoritmo Memético com Vocabulary Building

BSW – Basic Sediment and Water

ETO – Estação de Tratamento de Óleo

GLP – Gás Liquefeito de Petróleo

GRASP – Greedy Randomized Adaptive Search Procedures

NP – Nondeterministic Polynomial

NPC – NP-Completo

PCV – Problema do Caixeiro Viajante

PCVCP – Problema do caixeiro Viajante Coletor de Prêmios

PO – Problema de Orientação

POE-UMP – Problema do Emprego de Unidades Móveis de Pistoneio

PRUMP – Problema de Roteamento das Unidades Móveis de Pistoneio

PRV – Problema de Roteamento de Veículos

PSRV – Problema de Sequenciamento e Roteamento de Veículos

PSV – Problema de Sequenciamento de Veículos

TCPU – Tempo de Processamento Computacional

UMP – Unidade Móvel de Pistoneio

VB – Vocabulary Building

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Capítulo 1

[Introdução]

1.1 Contextualização do Objeto de Estudo e Justificativa

Atualmente, é importante para qualquer empresa se manter competitiva no mercado

global, a perfeita utilização de seus recursos, investir em pesquisas em seu setor de atuação

e evitar gastos desnecessários. Não diferente, a PETROBRAS ao longo de décadas vem

investindo em tecnologias de produção e exploração de petróleo no Brasil, otimizando seus

recursos para melhor desenvolver seus produtos.

A exploração de petróleo no Brasil acontece tanto em campos terrestres assim

como em campos marítimos. Nesse trabalho, é dada ênfase à exploração de petróleo em

campos terrestres. Há toda uma logística no transporte de óleo e gás através de uma frota

de veículos, desde sua origem nos campos de exploração até o consumidor final que deve

ser considerada.

Otimizando-se toda a logística do transporte terrestre condutor do petróleo tem-se

ganhos maiores na produção total, uma vez que se economiza com os gastos provenientes

do transporte e a obtenção do produto se dá em menos tempo.

1.2 Apresentação do Problema

Os poços terrestres de petróleo da bacia potiguar são explorados há cerca de 30

anos, onde na maioria é empregado o método de elevação artificial, correspondendo a

cerca de 98% dos poços. Um desses métodos é a utilização de veículos equipados para

coleta e transporte de petróleo denominados por Unidade Móvel de Pistoneio – UMP.

Estes veículos se encontram inicialmente num depósito de onde partem em busca dos

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poços para pistoneio, e após conclusão de suas respectivas jornadas, retornam ao depósito

de origem. O problema consiste em traçar as melhores rotas para cada veículo de forma

que seja maximizada toda a produção de petróleo respeitando-se suas jornadas de trabalho.

Na literatura, este problema é conhecido por: Problema de Otimização do Emprego de

Unidades Móveis de Pistoneio – POE-UMP. Neste trabalho, o problema abordado será

denominado por Problema de Roteamento de Unidades Móveis de Pistoneio – PRUMP,

pela ênfase à aplicação a mais de uma UMP.

1.3 Objetivos

Os objetivos deste trabalho estão subdivididos em objetivo geral e objetivos

específicos.

1.3.1 Geral

O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de Algoritmos Evolutivos

e técnicas heurísticas aplicadas a uma frota de veículos do PRUMP.

1.3.2 Específicos

Com a implementação dos Algoritmos Evolutivos para o PRUMP com múltiplos

veículos, será possível atender os seguintes objetivos específicos:

Consolidar um método heurístico que solucione o PRUMP com mais de um

veículo;

Aplicar instâncias utilizadas em métodos exatos para comparação;

Abrir caminho para pesquisas, desenvolvimento e aperfeiçoamento de

métodos heurísticos para o PRUMP com mais de um veículo.

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14

1.4 Hipóteses

Acredita-se que através de um método heurístico seja possível aproximar-se em

tempo viável das soluções ótimas obtidas através dos métodos exatos que para instâncias

muitos maiores leva-se um tempo demasiado.

1.5 Metodologia

O desenvolvimento deste trabalho foi realizado em etapas, as quais são:

Contextualização do Problema abordado;

Revisão da literatura acerca do problema de estudo;

Adaptação de modelos matemáticos propostos para o PRUMP;

Revisão e contextualização de Algoritmos Evolutivos e outras heurísticas;

Definição de Algoritmos Genético e Memético e a técnica Vocabulary

Building para o PRUMP;

Implementação na linguagem de programação C++ das metaheurísticas

propostas;

Desenvolvimento e comparação de resultados usando instâncias simuladas.

1.6 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho se encontra organizado em capítulos:

O capítulo 2 aborda todo o referencial teórico acerca do PRUMP, apresentando sua

formulação matemática e definições, comparando com outros problemas correlatos

existentes na literatura.

O capítulo 3 discute os conceitos sobre Algoritmos Evolutivos (Genético e

Memético) e a técnica Vocabulary Building.

O capítulo 4 apresenta os conceitos e definições da implementação das

metaheurísticas utilizadas no trabalho.

O capítulo 5 apresenta os testes computacionais realizados com instâncias de

exemplo criadas para validação dos métodos heurísticos desenvolvidos. Instâncias

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15

utilizadas em trabalhos anteriores acerca do POE-UMP foram utilizadas para efeitos de

comparação com suas soluções obtidas através de métodos exatos.

O capítulo 6 discute as conclusões obtidas e apresenta as sugestões para trabalhos

futuros.

Ao final as referências bibliográficas são listadas.

Um apêndice contendo os gráficos de comparação das evoluções das

metaheurísticas aplicadas ao PRUMP é apresentado ao final.

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16

Capítulo 2

[O Problema de Roteamento de Unidades Móveis de

Pistoneio - PRUMP]

2.1 A Produção de Petróleo na Bacia Potiguar

O petróleo é a principal fonte de energia na atualidade. Composto por

hidrocarbonetos faz parte de diversos produtos do nosso dia-a-dia. Além dos combustíveis,

ele também está presente em fertilizantes, plásticos, tintas, borracha, entre outros. De

origem fóssil, o petróleo levou milhões de anos para se formalizar nas rochas sedimentares.

No Brasil, a maior parte das reservas situa-se nos campos marítimos, alcançando

profundidades maiores do que as dos demais países produtores (PETROBRAS, 2010).

No Nordeste, precisamente nos estados do Ceará e Rio Grande do Norte, juntos

produz-se cerca 103 mil barris de petróleo por dia, sendo 85% dessa produção dos campos

terrestres. São quatro milhões de metros cúbicos (m³) por dia, transportados em 556

quilômetros (km) de oleodutos e 542 km de gasoduto e a região também apresenta mais de

500 km de rede elétrica de alta tensão (PETROBRAS, 2010).

No Rio Grande do Norte são fabricados três produtos: gás natural (3,76 milhões de

m³/dia), GLP (Gás Liquefeito de Petróleo – 334 toneladas/dia) e óleo diesel (4,5 mil

barris/dia – 1 barril equivale a 159 litros). Há 23 plataformas marítimas, 62 campos

terrestres, cerca de 5000 poços e 67 estações coletoras (PETROBRAS, 2010).

A produção envolve cinco segmentos da indústria: exploração, explotação,

transporte, refino e distribuição. A exploração consiste em estudos antecipados acerca do

local para a produção, que irão determinar a viabilidade econômica de se extrair petróleo

daquele lugar. A explotação ocorre quando existe viabilidade econômica na extração de

petróleo e utiliza técnicas de perfuração através do uso de sondas, oferecendo um

revestimento metálico ou de concreto para o poço. O transporte do petróleo pode ser

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17

realizado através de bombeamento por tubulações marítimas e terrestres, ou transportados

por carretas e navios para as refinarias. Nas refinarias, existe um complexo de tubulações,

tanques, vasos, torres, compressoras dentre todo um conjunto que fracionam e processam o

petróleo em seus derivados, tais como o gás de cozinha, querosene, combustível de

automóveis, óleos lubrificantes, material para asfaltos, dentre muitos. E finalmente, a partir

das refinarias os derivados do petróleo, são distribuídos aos centros consumidores, tais

como mercados e postos de combustíveis.

Um poço de petróleo é resultante da perfuração vertical realizada com propósitos

de extração e medem de cinco a sete polegadas na Bacia Potiguar (região que compreende

campos de poços para extração situados no Rio Grande do Norte e Ceará, ver Figura 2.1).

Um poço contém elementos pressurizados tais como óleo, água (geralmente salobra) e gás

natural. Desses, apenas o óleo e o gás são comercializáveis. A água também é extraída para

que o poço possa ser realimentado de maneira mais eficiente. A pressão exercida sobre

estes fluídos de um poço implicam em sua capacidade de surgência.

Figura 2.1 – Bacia Potiguar.

Fonte: (Aloise et al., 2009).

Um poço é surgente quando possui energia sob forma potencial suficiente para

elevar o óleo até um ponto para sua captação (elevação natural). Devido à pressão ser alta

nesses poços, é comum o uso de válvulas para controle de uma vazão desejada. Quando o

poço não possui tal pressão suficiente para elevação, sendo necessário o uso de

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equipamentos que são capazes de fazer o bombeamento do óleo até a superfície (elevação

artificial), são classificados como não surgentes (BARROS, 2001 apud NEVES, 2000). Os

métodos de elevação artificial são métodos de bombeio em que se adiciona pressão ao

fluido para que ele possa vencer as perdas de cargas. São empregados diversos tipos de

processos mecânicos para fazer com que o petróleo tenha condições de chegar à superfície,

cada um se diferenciando de acordo com suas particularidades.

A quantidade de petróleo é finita. Devido a esse fator, a produção num dado poço

irá diminuir até chegar ao seu fim e o poço abandonado (fechado), devido a manutenção

dos equipamentos para bombeio. não serão mais justificáveis (economicamente inviáveis).

No decorrer do tempo, a constante produção faz com que poços surgentes se tornem não

surgentes (bombeáveis), e estes por sua vez, se tornam pistoneáveis, com baixa produção

de petróleo, pois não necessitam mais de um equipamento permanente para bombeamento.

Os poços pistoneáveis são explotados por veículos equipados com acessórios para elevação

de fluídos, denominado Unidade Móvel de Pistoneio (UMP).

As UMPs são utilizadas para explotação em poços com baixa produção de petróleo

devido ao seu baixo custo em comparação ao uso de equipamentos fixos. Portanto, seu

custo é compensado pela produção sobre os vários poços percorridos em sua jornada de

trabalho. Ao chegar num determinado poço, é montado todo o equipamento necessário

para a explotação do petróleo. É introduzido um copo de pistoneio suspenso por um cabo

de aço e, assim, viabiliza-se a retirada do fluido por levantamento em ações repetidas até

que se chegue ao limite de capacidade do poço, ou seja, num nível bastante baixo.

Esvaziado um poço, o conjunto é desconectado e então se desloca para outro mais adiante

(Figura 2.2).

Figura 2.2 – Unidade Móvel de Pistoneio.

Fonte: (Aloise et al., 2009).

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19

Diariamente, é definido para cada UMP um trajeto contendo poços para pistoneio.

Estes poços situam-se numa região denominado Campo de Produção. Os vários poços

espalhados por um campo terrestre são, via de regra, todos acessíveis através de estradas,

de modo que é aceitável considerar que de um poço qualquer se chega a qualquer outro

pelas estradas, formando um conjunto conexo. Na Figura 2.3, é ilustrado um exemplo do

esquema de um campo terrestre. Neste esquema, os círculos são poços de petróleo,

enquanto o quadrado simboliza a ETO ( Estação de Tratamento de Óleo ). As linhas

correspondem aos trechos de estradas que interligam os nós ( poços ou ETO ) entre si. A

ETO é o local para onde converge toda a produção desse campo.

Figura 2.3 – Esquema Gráfico de um Campo Terrestre.

Fonte: (Barros, 2001).

A UMP se destina a operar exclusivamente nos poços disponíveis para pistoneio,

admitindo-se a possibilidade de que os demais poços possam servir como pontos de

passagem ou nós de transbordo, já que podem estar no caminho entre dois ou mais poços

de interesse. Embora um único poço disponível para pistoneio possa representar uma

pequena quantidade mensal de óleo produzido, quando esse valor é comparado com o

universo do campo, o somatório do que se pode produzir quando são considerados todos os

poços pistoneáveis pode ser significativo, justificando-se o uso da UMP. Além disso, a

tendência natural de esgotamento de uma jazida sugere que o amadurecimento dos poços

Poços não disp. p/ Pistoneio

ETO

Poços disponíveis p/ Pistoneio

ETO

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encaminha-os à condição futura de poços pistoneáveis, aumentando-lhes a importância.

Na Bacia Potiguar, os poços pistoneáveis representam 4 % do total (BARROS, 2001).

2.2 Descrição do Problema

As UMPs têm que extrair óleo dos poços pistoneáveis. Portanto, devem atender a

um ou mais poços durante um dia de operação. O mais importante não é passar por muitos

poços, mas operar sobre um conjunto deles que proporcione um bom retorno em termos de

total de óleo produzido. Idealmente, o objetivo deve ser o de buscar produzir o máximo

possível de óleo a cada dia de trabalho. Isso caracteriza o problema

como sendo de otimização.

Porém, toda essa operação de pistoneio se encontra sujeita a um conjunto definido

de restrições que implicam na delimitação direta ou indiretamente da produção total num

campo de produção. Portanto, há um número finito de combinações possíveis baseado na

decisão de qual trajeto deve ser percorrido para se ter uma maior produção, respeitando-se

as restrições existentes. Trata-se, portanto de um problema de otimização sujeito a

restrições. No presente trabalho, o problema é conhecido por Problema de Roteamento de

Unidades Móveis de Pistoneio (PRUMP).

Para um melhor entendimento do problema, as principais restrições são discutidas

nos tópicos seguintes:

A quantidade de UMPs: neste trabalho, é definido um número m que se refere à

quantidade disponível de UMPs para pistoneio para um determinado campo de

produção. Quanto mais unidades disponíveis, maior será a produção obtida dentro

de uma jornada de trabalho. A inclusão de novas UMPs ao problema implica um

aumento no consumo de combustível utilizado pelas mesmas, mas que é diluído

devido a uma maior produção, sendo, portanto desconsiderado neste trabalho.

Alguns trabalhos anteriores consideraram apenas uma única UMP para pistoneio.

Para mais detalhes acerca desses trabalhos, consultar Aloise et al. (2009).

Quantidade de Depósitos: um campo de produção terrestre pode conter uma ou

mais estações de coleta de fluidos. As estações podem apresentar diversas funções

e, em princípio, podem estar localizadas em qualquer ponto do campo de petróleo.

Neste trabalho, é considerado apenas um único depósito, conhecido por estação

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21

central com função de ETO. As UMPs iniciam nesse depósito, dirigem-se aos

poços designados e depois retornam ao depósito de origem, onde deixam todo

fluido extraído.

A capacidade de transporte de uma UMP: uma UMP possui um pequeno tanque

que suporta até 5 m3 de óleo. Entretanto, para que se possa lhe dar maior eficiência,

utiliza-se um caminhão-tanque de apoio, cuja função é a de remover da UMP os

fluidos já pistoneados e transportá-los para a ETO, de modo a garantir que o tanque

da UMP nunca estará cheio, ou seja, capacidade ilimitada. Essa é a forma

considerada neste trabalho para efeitos de simplificação do modelo.

Jornada diária de uma UMP: cada UMP deve seguir o percurso fechado que lhe é

destinado, respeitando o tempo total de sua jornada de trabalho. Então cada UMP k

possui uma jornada de trabalho (Lk). Nos campos da Bacia Potiguar, para efeitos

deste trabalho, as jornadas diárias são de 8 ou 16 horas (Lk = 480 minutos ou 960

minutos, respectivamente). Durante o percurso de uma UMP k, depois de concluído

o pistoneio de um poço i, passa-se a outro poço j. Não se pode pistonear mais poços

ultrapassando o limite Lk. Uma rota a ser cumprida em certo dia, em princípio, não

conterá todos os poços. Os poços que não forem explotados num dia qualquer

poderão ser objeto de atuação das UMPs nos dias subseqüentes, dependendo do

grau de atratividade que apresentem.

O tempo do trajeto de uma UMP k de um poço i para um poço j (tij): o tempo

que a UMP k gasta para se deslocar entre os poços ou entre um poço e a ETO deve

ser considerado para compor o tempo total da rota a ser cumprida e este, por sua

vez, é limitado pela jornada diária Lk. Por transportar equipamentos, uma UMP é

um veículo pesado, e mesmo em estradas de asfalto, sua velocidade média

registrada foi de 12 km/h (200m/min). Portanto, admitindo-se uma velocidade

média, é possível montar uma matriz de distâncias e convertê-las em medidas de

tempo, ou seja, tempo de deslocamento de uma UMP entre cada poço ou de um

poço para a ETO, definida no modelo como tij.

Tempo de atuação de uma UMP k num poço i: a ação de uma UMP k sobre um

poço i qualquer corresponde ao esvaziamento desse poço e o tempo que dura essa

ação que consiste em três etapas chamadas de Tempo de montagem, Tempo de

operação e Tempo de desmontagem. Pare este trabalho adota-se a soma dos tempos

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dessas três etapas, que será definido como t’i (tempo total de atuação de uma UMP

k num poço i).

Fator BSW de um poço: o óleo extraído de um poço não está sozinho. Na

verdade, ele faz parte de uma mistura composta de água (salobra) e outros

sedimentos. Logo, o fator BSW (Basic Sediment and Water) indica a taxa de água e

sedimentos composta do volume extraído. Essa taxa varia de 0 a 100%, quanto

mais próxima de 100% mais impuro estaria o óleo. É considerado um fator médio

nos trabalhos acerca do POE-UMP. Neste trabalho, adotou-se uma simplificação

utilizada em Aloise et al. (2009) em que pi = vi * (1 - BSWi), onde pi se refere ao

total de produção de óleo puro obtida no poço i equivalente ao produto do volume

estimado vi pela taxa BSW do poço i.

Os caminhos existentes entre os poços (estradas), os poços e o depósito (ETO) são

modelados como um grafo onde os vértices são os poços, sendo o depósito o vértice

inicial de índice zero (p0), e os caminhos existentes entre cada vértice são os arcos. A

seguir um resumo das definições apresentadas anteriormente é apresentado.

Dados de entrada:

m – número de UMP’s;

n – número total de poços;

pi – produção de óleo no poço i;

t’i – tempo de operação (montagem, explotação e desmontagem) no poço i;

Lk – jornada de trabalho definida para uma UMP k;

tij – tempo de trajeto entre os poços i e j.

2.3 Formulação Matemática

Neste trabalho são revisitados dois modelos matemáticos para o PRUMP. No

subitem 2.3.1 uma formulação para a maximização da produção de óleo é apresentada

(NEVES; DIDIER, 2007). No subitem 2.3.2, uma formulação para a minimização de

tempos de percurso após a obtenção da produção ótima foi desenvolvida de acordo com

Aloise, Santos e Duhamel (2009). Para ambos os modelos, são válidas as seguintes

variáveis de decisão:

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23

Variáveis de decisão:

=

2.3.1 Maximização da Produção

Seja

P – produção diária total a ser obtida (m³),

é definido a seguir o seguinte modelo matemático para a maximização de óleo:

Maximização da produção para m UMPs:

sujeito a:

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24

A função objetivo (2.1) maximiza a produção de óleo obtida pelas m UMPs num

campo de produção com n poços em um único dia. O total produzido P é apresentando

na unidade de medida de volumes (m³).

Toda a produção diária está sujeita a um conjunto de restrições. A restrição (2.2)

limita o tempo total de produção das UMPs (tempo de operação mais tempo de trajeto

entre os poços) a uma jornada diária atribuída a cada UMP k. As restrições (2.3) e (2.4)

condicionam o números de entrada e saída de arcos de um poço. Caso ele seja

pistoneado por uma UMP k (xik = 1), haverá apenas um arco entrando e outro saindo

para este poço. Caso contrário, não haverá qualquer arco entrando ou saindo desse

poço. As restrições (2.5) e (2.6) limitam a apenas um arco entrando e saindo do

depósito (ETO). As restrições (2.7) configuram apenas uma UMP para cada poço. As

restrições (2.8) e (2.9), em atuação conjunta com as restrições de (2.3) a (2.7), ajudam a

descartar possíveis subciclos ou sub-rotas inválidas. E as restrições (2.10) configuram

como variáveis binárias xik e rijk, e as variáveis inteiras yijk como não-negativa.

As variáveis yijk representam o caminho a ser percorrido a partir de i para j, por uma

UMP k numa solução, sabendo que yijk não pode ser negativa ( ). Por exemplo,

seja uma solução para duas UMPs, em que y011 = 1, y121 = 2, y201 = 3, y032 = 1, y342 = 2 e

y402 = 3. De acordo com esses valores, a UMP1, a partir do depósito, visita o poço 1, e

logo em seguida o poço 2, retornando ao depósito. A UMP2 inicia no depósito, e visita

os poços 3 e 4, retornando ao depósito. Estes caminhos desenvolvidos pelas UMPs 1 e

2, com base nos seus valores yijk, são representados na Figura 2.4.

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25

Figura 2.4 – Representação gráfica dos caminhos yijk.

Fonte: Autor.

Em (2.9), representa o valor limite de poços presentes numa sub-rota, sem que a

soma dos tempos t’i não ultrapassem Lk, para uma UMP k. O valor de é obtido

colocando-se em ordem crescente os valores t’i de cada poço i, até ter-se .

Por exemplo, sejam os tempos de operação t’1 = 120, t’2 = 50, t’3 = 40 e t’4 = 60, para

uma jornada Lk = 240. Somando-se em ordem crescente, temos um limite = 3, pois se

pode ter até 3 poços, sem ultrapassar a jornada Lk = 240: t’3 + t’2 + t’4 = 150 < Lk. Ao

acrescentar o tempo do quarto poço (t’1) à soma (t’3 + t’2 + t’4), o valor final seria igual

a 290, que ultrapassa o valor Lk = 240, portanto, não sendo permitido um valor para

. Em outras palavras, para este exemplo, pode-se visitar até 3 poços, sem

ultrapassar o limite da jornada Lk. O valor máximo para uma variável yijk será + 1, se a

rota rijk for escolhida (rjik = 1).

Em (2.8) são definidas as ordens de percurso yijk para uma UMP k. Se um poço xi é

pistoneado por uma UMP k (xik = 1), então a diferença entre as somas dos valores dos

percursos yijk que saem do poço i ( ) com os que entram no mesmo poço i

( ), ambas as somas com i≠j, é igual ao valor xik. Por exemplo, seja o percurso

da UMP1 já ilustrado na Figura 2.4. Para i = 1, tem-se y121 – y011 = x11. Para i = 2, tem-

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se y201 – y121 = x21. Substituindo pelos valores da ordem do caminho, tem-se, para i = 1

e i = 2 respectivamente: 2 – 1 = 1 e 3 – 2 = 1, satisfazendo o conjunto de equações

(2.8). Esta prova é ilustrada na Figura 2.5.

Figura 2.5 – Prova da equação da ordem do caminho yijk.

Fonte: Autor.

2.3.2 Minimização de Tempos de Percurso

Em Aloise, Santos e Duhamel (2009) foi proposta para o POE-UMP uma

formulação matemática multi-objetivo para uma única UMP em duas fases. Na primeira, o

modelo matemático descreve a fase de maximização da produção de petróleo e, na

segunda, o modelo descreve a fase de minimização de tempos de percurso das rotas,

considerando a produção ótima obtida na primeira fase.

Com base nesses modelos matemáticos, é proposta a formulação matemática para

minimização dos tempos de percurso para o PRUMP:

Seja

T – a soma dos tempos mínimos de percurso (minutos),

o seguinte modelo matemático descreve a minimização dos tempos de percurso:

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Minimização dos tempos de percurso:

sujeito a:

Em (2.11) o objetivo é minimizar os tempos de percurso pelas m UMP(s). Para este

objetivo, as restrições de (2.3) a (2.10) também são consideradas e a restrição (2.12)

garante que a produção obtida P seja igual à produção ótima P* da fase anterior, a de

maximização da produção de óleo.

2.4 Problemas Correlatos

Na literatura são encontrados outros problemas semelhantes ao PRUMP. Estes

problemas serão discutidos em cada um dos subitens seguintes.

2.4.1 Problema do Caixeiro Viajante

O PRUMP possui semelhanças com o Problema do caixeiro Viajante (PCV)

descrito na literatura. Semelhanças essas que contribuem para a compreensão do problema

proposto. O PCV enuncia que dado um conjunto de cidades interligadas por ruas, estradas,

canais, etc., de maneira que nenhuma esteja isolada das demais, um viajante partindo de

uma dessas cidades deve percorrer por todas sem repetir qualquer cidade, voltando à

cidade de partida. Esse caminho deve ser feito com o menor custo possível, admitindo-se

que as ligações entre as cidades tenham custos. Esse problema é modelado como um grafo

orientado, onde as cidades seriam os nós e as suas ligações seriam os arcos. A solução para

o problema é um ciclo hamiltoniano de menor custo possível.

Proposto inicialmente em 1934 por Hassler Whitney durante um seminário na

Universidade de Princenton, época em que algoritmos computacionais para resolução de

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problemas matemáticos ainda estavam surgindo (FLOOD, 1956). Somente no final da

década de 1940 que J. B. Robinson implementou o PCV computacionalmente em

programação linear (APPLEGATE et al., 2007). Mas a primeira formulação matemática

foi apresentada somente em 1954 por Dantzig, Fulkerson e Johnson (LAPORTE, 1997):

Sujeito a:

A função objetivo (2.13) visa a minimização dos custos (cij) das rotas envolvidas

(xij) na solução ótima do PCV. A restrição (2.14) garante que há apenas uma entrada para a

cidade j. A restrição (2.15) garante que há apenas uma saída partindo de uma cidade i. A

restrição (2.16) configura a variável xij como binária. E por fim o conjunto de restrições em

(2.17) define um vetor x que possui todo o percurso ao longo da rota partindo de um nó

inicial até ele mesmo, assegurando que cada nó seja visitado e sem sub-rotas.

Uma formulação matemática em representação matricial foi proposta por Hung e

Wang (2003):

Sujeito a:

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29

Em (2.18) cT = (c11, c12, c13, ..., c1n, cn1, cn2, cn3, ..., cnn) é um vetor de coeficientes

de custos. O vetor decisão é x = (x11, x12, x13, ..., x1n, xn1, xn2, xn3, ..., xnn). O vetor b possui

2n elementos iguais a 1. E a matriz tem a seguinte forma geral:

onde I é uma matriz identidade nxn e Bi, para i = 1, 2, ..., n, são nxn matrizes de zeros,

exceto a i-ésima linha que possui 1 em todas as posições. Em (2.21) é definido um

conjunto de restrições para a formação correta de um ciclo hamiltoniano, assim como

descrito em (2.17).

A estrutura do PCV se assemelha com o PRUMP. Os poços são as cidades e os

caminhos entre os poços são as ligações existentes entre as cidades. A UMP é o viajante,

que deve partir de um ponto inicial (depósito ou ETO) e traçar um caminho entre os poços

e depois retornar ao ponto de partida. Em ambos, sub-rotas não são aceitas como solução

válida. Mas há uma diferença quanto ao número de cidades visitadas. No PCV o viajante

deve passar por todas as cidades sem repeti-las e retornar ao seu ponto de origem, sem

nenhuma restrição de tempo. Em contrapartida uma UMP não precisa obrigatoriamente

passar por todos os poços, pois a mesma não pode ultrapassar um tempo estabelecido, ou

seja, sua jornada de trabalho Lk.

No caso do PCV, a única solução é uma rota completa, que envolva todas as

cidades. Já no PRUMP, devido a não exigência de ter que percorrer todos os poços, aquela

que inicia e retorna ao depósito é aceita como solução. Essa situação ocorre com

freqüência, uma vez que fica inviável visitar todos os poços disponíveis para pistoneio

devido ao limite da jornada de trabalho para cada UMP.

No PCV os custos a serem considerados são o que se encontram associados às

distâncias entre cada cidade. Para obter uma solução ótima, o viajante deverá preferir um

trajeto de menor custo possível. De maneira análoga uma UMP deverá traçar uma rota

mínima, visando obter o menor tempo possível no trajeto entre os poços. Mas há outro

custo a considerar. Trata-se do tempo de operação em cada poço. Dependendo do volume a

ser extraído em cada poço, proporcionalmente há um custo convertido em tempo. Esse

tempo também é restrito devido à jornada de trabalho. A seguir a Tabela 2.1 resume as

semelhanças e diferenças entre o PCV e o PRUMP:

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Semelhanças e diferenças entre o PCV e o PRUMP

Item PCV PRUMP

Estrutura Geral nós: cidades; arestas: caminhos

N cidades interligadas

nós: poços; arestas: caminhos

N poços pistoneáveis interligados

Cidades (poços) a visitar Visita todas, começa e termina na

mesma cidade

Não precisa ser todos os poços,

mas um sub-conjunto que comece

e termine na ETO

Custos Há custos somente nas arestas Além de haver custo nas arestas

(caminhos), há nos poços (tempo

de operação)

Sub-rotas Não aceita sub-rotas como solução Qualquer sub-rota que atenda a

restrição da jornada Lk e que

contenha a ETO

Prêmios ----------- Produção de óleo em cada poço

Função Objetivo Minimizar os custos Maximizar a produção de óleo

Tabela 2.1 – Semelhanças e diferenças entre o PCV e o PRUMP

Fonte: Adaptado de (Barros, 2001).

2.4.2 Problema de Orientação - PO

Definido um conjunto de pontos com valores associados, dos quais inclui o ponto

inicial e final, o objetivo consiste em percorrer um caminho por esses pontos a fim de

maximizar a pontuação total, restringida por um limite de tempo TMAX (equivalente à

distância máxima). Nem todos os pontos são percorridos devido a essa restrição. O

Problema de Orientação (PO) é equivalente ao PCV com relaxação de tempo, porém no

PCV todos os pontos são visitados.

É denotado um conjunto V de pontos valorados e um conjunto E de arestas que

interligam os pontos, constituindo um grafo completo G = {V, E}. Cada ponto i possui uma

pontuação Si ≥ 0, com exceção dos pontos inicial e final. A distância entre os pontos i e j é

denotado por dij, possuindo um custo não negativo. Considerando estas definições, uma

formulação matemática para o PO é apresentada a seguir (TASGETIREN, 2002):

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Sujeito a:

O PO possui aplicações em roteamento de veículos e na programação de tarefas,

discutidos por Golden, Assad e Dahl (1984). Golden, Levy e Vohra (1987), além de

demonstrarem que o PO é NP-Difícil, também aplicaram o PO um problema de

roteirização de veículos no qual veículos equipados com tanques para transporte de óleo

são encaminhados para estações de serviços em diferentes locais. A pontuação total do

percurso é maximizada, minimizando-se a distância percorrida, respeitando-se a restrição

para o limite de tempo Tmax. Alguns problemas de programação de tarefas utilizando PO

foram modelados por Balas (1989). Problemas estes que utilizam várias combinações de

aplicação de produtos para o planejamento da produção, maximizando o lucro e sem violar

as restrições de tempo e produção. Keller (1989) aprimorou o seu problema de venda

multiobjetivo como PO em que há um “trade-off” entre a maximização do potencial de

recompensa e a minimização dos custos de viagem. Kantor e Rosewein (1992)

apresentaram o PO com janelas de tempo em que um ponto só pode ser visitado dentro de

um intervalo de tempo especificado. Abordagem esta que pode ser aplicada na coleta de

lixo industrial, bancos, correios e serviços de entregas e roteamento de ônibus escolar.

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2.4.3 O Problema do Caixeiro Viajante Coletor de Prêmios

Conhecido por Prize Collecting Traveling Salesman Problem, o Problema do

Caixeiro Viajante Coletor de Prêmios (PCVCP) trata-se do problema que dado um

conjunto com N cidades, um viajante ganha um prêmio wk para cada cidade k visitada e

paga uma penalidade pl para cada cidade l não visitada. Em seu percurso o viajante deve

obter uma premiação mínima wo minimizando os custos cij entre as cidades. Balas (1989)

formulou o PCVCP como um grafo dirigido completo G’ = (N, A):

Sujeito a:

onde G’(y, x) é um subgrafo de G’ que representa um caminho dirigido fechado, sendo x e

y nós e arcos, respectivamente.

O PCVCP possui aplicações em problemas de formação de lâminas de aço nas

indústrias siderúrgicas, escalonamento e sequenciamento de tarefas, roteamento de

veículos, dentre outros. Possui complexidade da classe NP-Difícil, tendo em média três

vezes mais instâncias possíveis que o PCV para um mesmo número de vértices.

2.4.4 O Problema de Roteamento de Veículos

É um dos problemas mais estudados na literatura, sendo formulado pela primeira

vez por Dantzig e Ramser (1959), que na ocasião aplicaram ao problema da distribuição de

gasolina em postos de combustíveis. O Problema de Roteamento de Veículos (PRV)

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consiste no atendimento a um conjunto de cidades i (i=1, 2, 3, ..., n), com demandas qi e

uma frota M de veículos inicialmente situados num depósito, que devem percorrer estas

cidades atendendo suas respectivas demandas respeitando-se suas capacidades Q,

minimizando os custos (cij) com as rotas escolhidas entre as cidades i e j. Ao final todos os

veículos devem retornar ao depósito origem.

Matematicamente o PRV é modelado como um grafo não-dirigido G=(V, A), onde

V = {v0, v1, ..., vn} são os vértices que correspondem às cidades, sendo v0 o depósito, e A =

{(vi, vj): vi, vj V, i < j} as arestas que representam as rotas entre as cidades. Cada vértice

do grafo possui um valor qi que corresponde à demanda numa cidade i. Os custos entre as

cidades i e j são representados por cij. Há uma frota com M veículos possuindo capacidade

total Q.

Sujeito a:

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34

A função objetivo (2.34) é minimizar os custos com as rotas escolhidas de cada

veículo k. O conjunto de restrições (2.35) e (2.36) limitam a apenas um veículo a visitar

uma mesma cidade. As restrições (2.37) impedem a estagnação dos veículos, dando vazão

ao fluxo na rede. Em (2.38) um veículo k irá somente percorrer uma rota. O limite das

cargas dos veículos é controlado através das restrições (2.39). Em (2.40) o custo da rota

percorrida por cada veículo k é limitado. As variáveis de decisão são definidas em (2.41). E

por fim em (2.42) o conjunto de restrições evita a formação de ciclos sem o depósito v0,

sendo S o conjunto de todos os subciclos contendo v0.

Esta formulação matemática define o PRV básico, em que os veículos devem

apenas minimizar os custos dos percursos entre as cidades visitadas. Mas na literatura há

outros tipos de PRV, dentre os quais se destacam: o Problema de Sequenciamento de

Veículos (PSV) em que é importante a sequência das cidades a serem atendidas; e o

Problema de Sequenciamento e Roteamento de Veículos (PSRV) em que além de uma

precedência entre as cidades a serem atendidas, são definidas janelas de tempo para cada

cidade (PIMENTA, 2001).

Além dos PSV e PSRV, outros tipos de PRV podem se diferenciar por terem frotas

homogêneas ou heterogêneas, múltiplos depósitos ou apenas um, se uma mesma cidade

pode ou não ser atendida por mais de um veículo, dentre outros tipos de restrições que

tornam o problema mais complexo de ser resolvido.

O PRV pode ainda ser visto como um PCV com os pontos de partida replicados, ou

seja, onde as origens de cada veículo são replicadas de forma que o fechamento das rotas

se transforme num PCV ampliado, como ilustrado na Figura 2.6.

No exemplo da Figura 2.6 uma instância exemplo para o PRV contendo três rotas e

um depósito e comum foi transformada numa instância ampliada para o PCV.

O PRUMP tratado neste trabalho é similar ao PRV básico, contendo apenas um

único depósito, uma frota homogênea, mas com capacidade ilimitada devido ao apoio de

um veículo com tanque para armazenamento de óleo, e as demandas em cada cidade do

PRV se referem à quantidade de óleo disponível para pistoneio em cada poço.

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Figura 2.6 – PRV transformado num PCV ampliado.

Fonte: Autor.

2.5 Complexidade

Os problemas apresentados no subitem 2.4 são de otimização combinatória, ou seja,

dentre um conjunto de soluções possíveis, procura-se encontrar a solução ótima atendendo

a todos os critérios envolvidos. Por outro lado, os problemas de decisão admitem como

solução uma resposta SIM ou uma resposta NÃO. Para cada problema de otimização existe

um problema de decisão equivalente e para encontrá-lo deve-se impor um limite sobre o

valor a ser otimizado. Por exemplo, dado um problema de otimização em que se deve

encontrar num grafo não-orientado uma clique de tamanho máximo, o seu problema de

decisão equivalente seria nesse mesmo grafo saber se existe (SIM ou NÃO) uma clique de

tamanho maior ou igual a K.

Os problemas de decisão são resolvidos através de um algoritmo, que ao tratar uma

instância do problema, retorna um valor positivo (SIM) ou negativo (NÃO) como resposta

ao problema. Se o consumo de tempo deste algoritmo for limitado por uma função

polinomial relativo ao tamanho da instância, este algoritmo é dito polinomial e é

considerado rápido. Caso contrário, é considerado não-polinomial e lento.

Os problemas que são resolvidos por algoritmos polinomiais são pertencentes à

classe P e são considerados tratáveis. Entretanto, problemas em que um algoritmo

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polinomial não consegue resolver são considerados não-polinomiais e intratáveis. Muitos

dos problemas de decisão atuais ainda não se encontram definidos em P ou fora de P.

Outra classe de problemas de decisão é a NP – Nondeterministic Polynomial – que

correspondem ao conjunto de problemas com verificadores polinomiais. Um verificador

polinomial é um algoritmo que testa um certificado (solução com valor positivo) em tempo

polinomial. Em outras palavras, problemas NP são verificáveis polinomialmente. Todo

problema P de decisão encontra-se em NP.

Os problemas mais difíceis em NP são denominados por NPC (NP-Completo). Esta

classe de problema foi demonstrada por Stephen Cook e Leonid Levin,

independentemente, no ano de 1970. Se qualquer problema NPC puder ser resolvido em

tempo polinomial, então qualquer problema em NPC possui solução polinomial. Daí se

encontra em aberto a questão de “P = NP?” que é um dos desafios do milênio que vale um

milhão de dólares (CLAY MATHEMATICS INSTITUTE, 2010). A Figura 2.7 resume as

classes de problemas discutidas:

Figura 2.7 – Classes de Problemas.

Fonte: Autor.

O PCV, discutido no subitem 2.4.1, é considerado na literatura como NP-Completo

(ou NP-Difícil) (APPLEGATE et al., 2007). Se um problema NP-Difícil puder ser

transformado em tempo polinomial num outro problema, este também será NP-Difícil.

Verifica-se em Barros (2001) que o POE-UMP, por se tratar de uma generalização do PCV

e outras variantes (PO e PCVCP), trata-se de um problema pertencente à classe NP-Difícil.

O POE-UMP é um caso particular do PRUMP, pois este último possui para cada UMP um

POE-UMP. Logo, considerando que a generalização de um problema será tão difícil ou

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mais que o seu caso particular, o PRUMP possui complexidade NP-Difícil, sendo um dos

problemas mais difíceis da classe NP. Pois o mesmo pode ser reduzido em tempo

polinomial num POE-UMP, caso observado quando se tem apenas uma UMP no

roteamento.

2.6 Trabalhos já Realizados

Os primeiros trabalhos acerca do POE-UMP surgiram no ano 2000, através dos

trabalhos de Aloise et al. (2000a), Aloise et al. (2000b), Aloise et al. (2000c), Aloise et al.

(2000d) e Neves (2000).

Até o ano de 2002, tem-se aplicado ao POE-UMP as metaheurísticas AG, Greedy

Randomized Adaptive Search Procedures (GRASP) e Colônia de Formigas, como pode ser

verificado em Neves (2000), Barros (2001), Santos et al. (2001) e Aloise et al. (2002).

Recentemente, o PRUMP foi modelado como um problema de otimização

combinatória multiobjetivo (EHRGOTT, 2005; COLLETE; SIARRY, 2003), ou seja, em

que mais de um objetivo (ou critério) devem ser satisfeitos para o problema. Em Santos,

Duhamel e Aloise (2008) e Aloise, Santos e Duhamel (2009) pode-se verificar que além do

objetivo de maximizar a produção total de petróleo, um segundo objetivo é a minimização

do tempo total da jornada de trabalho de cada UMP.

Até este presente trabalho, o desenvolvimento de um Algoritmo Evolutivo ao POE-

UMP se aplicou a uma única UMP. Neste trabalho, são aplicadas heurísticas evolutivas

para a resolução do POE-UMP com mais de uma UMP, ou seja, para uma frota de veículos

(PRUMP).

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38

Capítulo 3

[Algoritmos Evolutivos e Vocabulary Building]

3.1 Algoritmos Genéticos

3.1.1 Princípios

O homem vem se inspirando na natureza para buscar soluções para alguns

problemas em seu cotidiano. Exemplos são algumas invenções tais como o avião

(pássaros), o submarino (peixes), as redes neurais (cérebro humano), dentre outros. Nesse

contexto, surgiu por volta do século XIX o princípio da Seleção Natural, do naturalista

britânico Charles Robert Darwin, onde na natureza os seres vivos mais adaptados ao

ambiente têm mais chances de sobrevivência frente aos demais. A medicina e ciências

afins vêm mapeando toda a informação genética humana, relacionando deste modo cada

gene de cada cromossomo às características que eles representam nos indivíduos

(hereditárias, físicas ou funcionais). O projeto Genoma é um bom exemplo de investimento

na pesquisa genética. Criado em 1990, tem por objetivo o mapeamento do genoma

humano, o que contribuirá para o entendimento acerca de diversas doenças e sua possível

cura (GENOMA, 2005).

Partindo da ideia do homem se basear em princípios naturais para resolução de

problemas, especificamente em métodos evolutivos e nos mecanismos da genética, aliado

ao grande desenvolvimento de técnicas computacionais, foram criados algoritmos capazes

de oferecer boas soluções em tempo viável para grandes e complexos problemas

numéricos. Esses algoritmos são conhecidos na literatura por Algoritmos Genéticos

(DAVIS, 1991; GOLDBERG, 1989). Baseiam-se em fundamentos no processo da seleção

natural proposto por Darwin e nos mecanismos da genética. Eles trabalham com uma

população de indivíduos (soluções), onde cada possui certo grau de “aptidão”, que pode

aumentar no decorrer de sucessivas gerações sob ação de operações genéticas tais como

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recombinação e mutação. Após a última geração apenas os indivíduos mais “adaptados”

sobrevivem (LEMONGE, 1999).

3.1.2 Definições

Como discutido anteriormente, os Algoritmos Genéticos (AG) são inspirados na

teoria evolucionista de Darwin. A solução de um problema resolvido por um AG é

desenvolvida ao longo de um número pré-determinado de gerações. Ao final da execução

de um AG, espera-se que se tenha chegado a uma solução ótima ou próxima o bastante.

Inicialmente tem-se um conjunto de soluções (cromossomos) que constituem uma

população. As soluções de uma população são utilizadas para gerar uma nova população,

que se espera que seja melhor que a anterior. O processo de geração de uma solução

melhor, mais adaptada, se dá através de algumas operações, implementadas de acordo com

a estrutura de problema abordado. Essas operações são as que modificam a estrutura dos

cromossomos (mutação e cruzamento ou recombinação), criando melhores cromossomos.

A seguir são apresentadas as definições dos elementos presentes nos AGs.

3.1.2.1 Cromossomos e Genes

Os cromossomos consistem, em cadeias de caracteres, representando alguma

informação relativa às variáveis do problema. Cada cromossomo representa deste modo

uma solução do problema. Sua estrutura está relacionada diretamente com a estrutura do

problema em si. A unidade básica de um cromossomo é um gene, que pode ser binário ou

multivalorado. No primeiro caso, o cromossomo possui uma codificação binária {0, 1} e

seu número de representações diferentes é da ordem de 2n, sendo n o seu tamanho. Um

cromossomo multivalorado possui um número maior de representação por gene, possuindo

uma faixa de representação da ordem de Mn, onde M se refere ao tamanho do alfabeto

(número de representações por gene) e n o tamanho do cromossomo.

Cada gene de um cromossomo representa uma variável ou unidade de uma solução

para o problema. Seu valor pode indicar uma decisão a se tomar dentro do contexto do

problema. Então, para um cromossomo de tamanho n, uma combinação de genes

representa um valor de custo ou lucro para uma solução. Por exemplo, uma representação

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de cromossomo para o problema do caixeiro viajante, cada gene poderia indicar uma

cidade a ser visitada, de acordo com a ordem definida. A Figura 3.1 ilustra uma

representação de cromossomo para o PCV e uma rota definida de acordo com a ordem dos

genes.

Figura 3.1 – Exemplo de Cromossomo para o PCV.

Fonte: Autor.

3.1.2.2 População e Gerações

Uma população consiste num conjunto de cromossomos. Cada cromossomo

representa uma solução, logo temos um conjunto de soluções, cada uma com um valor. No

início da execução de um AG, é configurada uma população inicial, que na maioria das

vezes é formada seguindo um critério aleatório. Porém algumas vezes uma solução

heurística é utilizada para gerar uma população inicial, tal como um critério de escolha

guloso, com soluções mais interessantes (GOLDBERG, 1989).

Definida uma população inicial, os indivíduos desta irão ser avaliados durante um

número pré-definido de etapas. Essas etapas são denominadas de Gerações. A cada geração

espera-se uma população cada vez mais próxima da solução ótima para o problema.

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O tamanho de uma população (número de indivíduos) afeta o desempenho global e

a eficiência do AG. Se criada uma população pequena, haverá pouca cobertura no espaço

de busca das soluções. Porém se criada uma população maior, previne a convergência

prematura para ótimos locais, entretanto, demanda um tempo maior de processamento.

3.1.2.3 Seleção

São responsáveis pela preservação dos melhores indivíduos nas gerações seguintes,

baseando-se no princípio da “sobrevivência dos mais fortes”. Em contrapartida os

indivíduos com menor aptidão são descartados.

Computacionalmente, os indivíduos são diretamente selecionados da população aos

pares para a reprodução, sendo seus herdeiros implantados na próxima geração. Inúmeros

esquemas de seleção já foram propostos e implementados na prática dos AGs, alguns não

sendo biologicamente plausíveis (BLICKLE e THIELE, 1995). Na seqüência, alguns dos

mais empregados na literatura são discutidos:

Método da Roleta: uma probabilidade de seleção é calculada de acordo com a

aptidão de cada indivíduo. Uma forma de quantificar a probabilidade pi do i-ésimo

indivíduo xi da população vir a ser selecionado para reprodução é o cálculo

proporcional ao seu valor da função de aptidão: fi = f (xi). Uma das formas para se

efetuar este cálculo seria (HOLLAND, 1975):

onde fi é assumida positiva e n o tamanho da população. Então cada indivíduo da

população é representado proporcionalmente ao seu índice de aptidão. Assim, os

indivíduos com alta aptidão recebem uma porção maior da roleta, enquanto que os

de menor aptidão ocuparão uma porção relativamente menor da roleta. Deste modo,

realiza-se o lançamento n vezes da roleta, dependendo do tamanho da população, e

escolhem-se para a população temporária aqueles indivíduos por ela sorteados. Por

ser fortemente dependente da função de aptidão, este método possui uma

desvantagem de produzir um grande número de cópias de um bom cromossomo, o

que faz diminuir a diversidade da população. Esta falha pode ocasionar uma

convergência prematura do algoritmo para um ótimo local. Por outro lado, quando

a evolução está avançada, onde as aptidões não diferem muito entre si, observa-se

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uma estagnação do algoritmo, isto é, uma baixa pressão de seleção entre aptidões

parecidas.

Método do Torneio: são escolhidos aleatoriamente x indivíduos da população, dos

quais é selecionado aquele com o maior valor da função de aptidão. Esse processo é

repetido tantas vezes quanto for o número de indivíduos da população intermediária

a ser gerada. Sua escolha aleatória não provê uma convergência prematura da

solução, inibindo também a estagnação do método.

Método do Ranking: os indivíduos da população são ordenados de acordo com seus

valores da função de adaptação. Esta ordenação é chamada de ranking. A cada

indivíduo é associado um peso, proporcional à sua posição no ranking. Assim, o

indivíduo mais adaptado terá mais chance de ser escolhido para a próxima

população, pois a ele será atribuído o maior peso. Analogamente, o indivíduo

menos adaptado terá a menor chance de escolha.

Amostragem Universal Estocástica (Stochastic Universal Sampling): semelhante ao

método da roleta, mas difere na quantidade de indivíduos selecionados. Neste

método, um conjunto contendo k indivíduos (k>2) é escolhido dentre todos os

indivíduos de uma população. Indivíduos com maior aptidão possuem mais chances

de serem escolhidos, sendo possível na escolha haver várias repetições de si

mesmos.

Elitismo: este método seleciona um número k (k≥1) melhores indivíduos de uma

população. Geralmente aplicado em conjunto com outros métodos de seleção, o

elitismo preserva os cromossomos com maior aptidão, protegendo-os dos

operadores genéticos mutação e recombinação. Sua principal vantagem é o fato de

garantir a convergência, ou seja, caso o ótimo global seja descoberto durante o

processo de busca, o algoritmo genético deve convergir para tal solução. Sua

desvantagem é a possibilidade de forçar a busca, pela presença de mais uma cópia

do melhor indivíduo, na direção de algum ponto ótimo local que tenha sido

descoberto antes do global, embora normalmente um algoritmo genético escape de

tais armadilhas. Uma alternativa é guardar separadamente a melhor solução

encontrada durante a evolução, para no final da execução designá-la como o

indivíduo ótimo encontrado, mesmo que ele não esteja presente na última geração

da execução.

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Randômico: esta técnica seleciona aleatoriamente um dos pais da população para

reprodução. Por não avaliar a função de aptidão dos cromossomos, garante uma

grande diversificação. Porém, há a desvantagem de se extrair cromossomos com

baixa aptidão para a reprodução.

3.1.2.4 Operadores Genéticos

Os métodos de seleção discutidos anteriormente têm a finalidade de escolher os

indivíduos que irão passar por uma operação genética que irá gerar novos indivíduos na

população seguinte, mantendo as melhores características da população anterior. Os

operadores genéticos são responsáveis pela diversificação da população possibilitando a

inserção de indivíduos melhores que sua geração anterior. A cada geração, é esperado que

os novos indivíduos tenham funções de aptidão bem próximas da solução ótima para o

problema.

A seguir, são discutidos os operadores genéticos: Cruzamento (Crossover) e

Mutação:

3.1.2.4.1 Cruzamento

Este operador tem por finalidade cruzar dois ou mais indivíduos pais e criar novos

indivíduos (filhos) com a herança genética de seus pais. Também é conhecido como

Recombinação ou Crossover (SIVANANDAM e DEEPA, 2008) e funciona definindo

pontos de cortes para troca de informações genéticas (genes) entre os cromossomos pais.

Existem várias definições de onde e como devem ser inseridos os pontos de corte. A seguir

são discutidos os mais empregados:

Um-ponto: um ponto de cruzamento é escolhido e, a partir dele, as informações

genéticas dos pais são trocadas, conforme demonstrado na Figura 3.2. Nesta figura,

a linha tracejada indica a altura do ponto de corte. Note que duas regiões de genes

de mesmo tamanho de cada cromossomo pai são trocadas entre si e são gerados

cromossomos com uma nova configuração de genes:

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Figura 3.2 – Crossover de um ponto

Fonte: (SIVANANDAM e DEEPA, 2008).

Dois-pontos: agora dois pontos de corte são definidos e conseqüentemente haverá

três regiões de genes em cada cromossomo pai. A adição de pontos de cortes pode

reduzir o desempenho do AG. Mas, em contrapartida, o espaço de busca é

explorado profundamente (SIVANANDAM e DEEPA, 2008). A Figura 3.3

demonstra o uso do crossover com dois pontos de corte. Nesta figura, foram

escolhidas as regiões centrais de cada cromossomo pai a serem trocadas, mas sem

problema algum poder-se-ia trocar as regiões das duas extremidades, caso fosse

esse o critério adotado:

Figura 3.3 – Crossover de dois pontos

Fonte: (SIVANANDAM e DEEPA, 2008).

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Multi-pontos: são definidos n pontos de cortes dividindo os cromossomos pais em

n+1 regiões. Fica a critério do programador do AG definir se haverá trocas a partir

da primeira ou segunda região, ou se será feito de modo aleatório.

Uniforme: nenhum ponto de corte é definido. É criada uma máscara do tamanho

dos cromossomos pais que contém uma codificação binária que indica quais genes

copiar de cada pai para formar um filho. Então para cada bit 1 na máscara, será

copiado o gene do pai 1 na posição correspondente, caso contrário será copiado o

gene do pai 2. A Figura 3.4 ilustra o uso da máscara binária.

Outras maneiras de inserção de pontos de corte podem ser encontradas em

Sivanandam e Deepa (2008).

Figura 3.4 – Crossover Unifome usando Máscara

Fonte: (Sivanandam e Deepa, 2008).

3.1.2.4.2 Mutação

Após a operação de cruzamento, discutida no subitem anterior, ocorre a operação

de mutação sobre alguns indivíduos selecionados aleatoriamente da população. Esta

operação é importante para a diversificação genética da população, alterando

arbitrariamente um ou mais genes de um cromossomo escolhido. Dessa forma, mantém-se

a probabilidade de se chegar a qualquer ponto do espaço de busca, evitando estagnar em

possíveis ótimos locais. Este operador é aplicado aos indivíduos com uma probabilidade

dada pela taxa de mutação Pm. Geralmente, utiliza-se um valor baixo para Pm (assim como

acontece na genética natural), pois se é utilizado uma taxa maior, a busca pela solução se

torna essencialmente aleatória. Essa taxa varia de 0% a 100% e define a probabilidade de

mutação de um cromossomo.

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Porém, há outras maneiras de se definir a taxa de mutação de um cromossomo e o

modo como é feito, dentre os quais alguns são discutidos a seguir:

Definindo-se um cromossomo de mutação: um cromossomo de mutação (mutation

chromosome) é gerado aleatoriamente. Trata-se de um cromossomo com

codificação binária, contendo zeros (0) e uns (1). Em cada ocorrência de um bit 1, a

posição correspondente no cromossomo pai é trocada pelo bit inverso. A Figura 3.5

demonstra esse esquema:

Figura 3.5 – Esquema do Cromossomo de Mutação

Fonte: (SIVANANDAM e DEEPA, 2008).

Troca de posição: dois genes são escolhidos aleatoriamente num cromossomo e são

trocados de posição. Ou seja, como visto na Figura 3.6 os genes da segunda e sexta

posição, sentido esquerda para a direita, são trocados de lugar:

Figura 3.6 – Esquema da Troca de Posição

Fonte: (SIVANANDAM e DEEPA, 2008).

Inversão: uma posição aleatória no cromossomo é determinada e os genes próximos

são invertidos. Na Figura 3.7 são escolhidos para inversão os dois últimos genes:

Figura 3.7 – Inversão de Genes

Fonte: (SIVANANDAM e DEEPA, 2008).

Portanto, a definição da operação Mutação e sua taxa de probabilidade implicam na

alteração de alguns indivíduos de uma nova população, podendo ou não sair de ótimos

locais para uma solução melhor. Se definida de forma aleatória, poderá melhor varrer todo

o espaço de busca, porém poderá destruir indivíduos que representam boas soluções. Por

isso é preferível que seja realizada aproveitando-se melhor a estrutura do problema, para

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que seja possível ganhar a cada geração soluções melhores cada vez mais próximas de uma

solução ótima.

3.1.3 Estrutura

Por se tratar de um algoritmo, um AG possui uma execução sequencial e finita

(CORMEM ET AL, 2002). Dessa forma, inicialmente um AG armazena dados de entrada,

processa estes dados durante certo tempo e gera uma saída com resultados. Na literatura

são encontradas diversas estruturas de AGs, mas todas seguem uma base genérica como

apresentada na Figura 3.8.

Inicialmente, um AG cria aleatoriamente ou através de algum método de construção

guloso, uma população p com base nos dados de entrada (parâmetros do problema). O

passo seguinte é o cálculo da função de aptidão (Fa) de cada indivíduo da população

inicialmente criada. O valor de Fa é comparado ao valor objetivo (SO), caso este seja

conhecido, e se forem iguais, o algoritmo encerra, atingindo seu objetivo. Caso contrário, o

algoritmo prossegue para um processo de evolução que consiste em várias etapas,

encerrando quando se chega ao objetivo ou um número máximo de gerações (LGmax) é

atingido. Durante cada etapa do processo evolutivo, operações genéticas (seleção,

cruzamento e mutação) são realizadas nos cromossomos da população, e ao final é

esperada uma nova população com maior valor Fa que a anterior, definindo assim a

evolução genética.

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Figura 3.8 – Estrutura básica do AG desenvolvido no trabalho.

Fonte: Autor.

3.2 Algoritmos Meméticos

Os Algoritmos Meméticos (AM) pertencem à classe dos algoritmos evolutivos que

além de possuírem os métodos de seleção e operadores genéticos tais como crossover e

mutação encontrados no AGs, trabalham com o conceito de evolução cultural onde os

próprios indivíduos, denominados de agentes, trocam informações culturais entre si

adquiridas ao longo de sua existência (MOSCATO e NORMAN, 1992). Os AMs são

amplamente estudados e possuem grande aplicabilidade a vários problemas de otimização

encontrados na literatura, segundo Moscato e Cotta (2003).

A primeira vez que o termo “Algoritmo Memético” foi utilizado na literatura consta

do ano de 1989 por Moscato, num trabalho com o título “On Evolution, Search,

Optimization, Genetic Algorithms and Martial Arts: Towards Memetic Algorithms”

aplicado ao PCV para teste de resultados. Por sua vez o termo “memético” deriva do termo

“meme” (unidade de informação) e foi idealizado por Richard Dawkins por volta da

década de 70. Em AMs os memes são transferidos entre os agentes de uma população sem

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que transcorra uma geração. Entende-se dessa forma que os agentes estão

recebendo/transmitindo informações culturais entre si que são adaptadas da melhor

maneira possível para cada indivíduo.

A principal diferença entre genes e memes está no processo de transmissão aos seus

descendentes. Os genes, no processo de evolução, são transmitidos de forma que os

descendentes gerados herdem características e habilidades presentes em seus progenitores.

Já quando o meme é transmitido, ele será adaptado pela entidade que o recebe, com base

no seu conhecimento e para melhor atender às suas necessidades. Com isso, a informação

memética é transmitida de modo mais rápido e flexível que a genética.

O mecanismo que permite a transmissão da informação memética é a introdução de

um (ou mais) operador (es) de busca local. A idéia principal de um AM é explorar a

vizinhança das soluções obtidas por um AG e caminhar em busca do ótimo local (para

cada solução) antes de retornar para o AG e continuar o processo.

De acordo com Merz e Freisleben (1999), num AM os operadores de recombinação

(crossover) e mutação agem como estratégias de diversificação. Os indivíduos da

população podem estar localizados numa região do espaço de busca contendo um ótimo

local, conhecida por “base de atração do ótimo local”. Utilizando a informação contida na

população, novos pontos de partida podem ser descobertos após a busca local. Os

operadores de recombinação e mutação podem gerar indivíduos da população localizados

em bases de atração de ótimos locais ainda não explorados, de modo que um novo pico

deva ser alcançado, no caso da maximização (Figura 3.9), ou um vale deva ser explorado,

no caso da minimização.

Figura 3.9 – Operadores de recombinação e mutação agindo como estratégias de

diversificação junto a AMs.

Fonte: (CONCILIO, 2000).

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A busca local começa com um indivíduo e tenta continuamente encontrar

melhores elementos dentre os vizinhos, sendo S todo o espaço de busca. Em outras

palavras, a finalidade será remeter esse indivíduo para um local onde a função de fitness

tenha um valor melhor que o atual. Essa busca deverá ser realizada até que uma condição

de parada seja satisfeita, sendo que essa condição deve ser atendida sempre que o processo

de busca não tenha mais a capacidade de melhorar a solução atual. Em Concilio (2000), é

apresentado um pseudocódigo genérico representativo de uma busca local:

Em Moscato (1999), encontra-se a seguinte definição formal para a busca local:

seja um domínio computacional de entrada , tendo um conjunto de

respostas correspondentes. Faz-se necessário a garantia de um subconjunto que

esteja contido em que identifica as soluções válidas de . Um algoritmo soluciona

se para a sua entrada apresentar como saída qualquer , caso

contrário ele apresenta que não existe solução . A otimização combinatória

trata-se de um tipo especial de problema de busca em que cada tem um conjunto

de cardinalidade finita e cada solução possui um valor de fitness

. A busca nesse tipo de problema será responsável por encontrar uma solução

válida que maximize o fitness . Na Figura 3.10, é apresentado um

fluxograma definindo de forma geral uma estrutura para AMs:

Procedimento busca local

início

repita

final verdade

para i 1 até número de indivíduos faça

início

elemento indivíduo(i) aplicar busca local (elemento)

se fitness é melhor então final falso

fim

até final

fim

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Figura 3.10 – Estrutura Geral de um AM.

Fonte: (NETO, 2009).

3.3 Vocabulary Building

A Vocabulary Building (VB) trata-se de uma técnica de otimização e foi idealizada

por Glover (1992), dentro do contexto de Path Relinking. Em Glover e Laguna (1993),

essa técnica foi implementada dentro da metaheurística Busca Tabu. Na década de 90,

Rochat e Taillard (1995) e Kelly e Xu (1995) possuem trabalhos com aplicações com VB

em PRV. A partir de 1997 surgem várias outras publicações acerca da VB: Glover e

Laguna (1998); Scholl, Klein e Domschke (1998); Glover (1999); Glover, Laguna e Marti

(2000); Glover (2003).

Trabalhos mais recentes acerca da VB encontram-se: em Guedes e Aloise (2006),

que aplicaram VB num Algoritmo Memético – AM para o Problema do Caixeiro Viajante

Assimétrico; em Soares (2008), que utilizou VB num algoritmo Busca Tabu para o

Problema de Atribuição de Localidades em Anéis DH/SONET; em Silva (2008) que

aplicou VB num Algoritmo Memético e Genético para o mesmo problema anteriormente; e

em Neto (2009), que aplicou VB num Algoritmo Memético para o PCV Assimétrico.

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Durante o processamento dos algoritmos evolutivos, populações contendo um

conjunto de indivíduos representam as soluções correntes numa determinada geração. Cada

solução apresenta um valor de fitness que a classifica diante das outras como sendo melhor

ou pior. Nas melhores soluções, pode haver a existência de estruturas parciais comuns que

as tornam boas soluções para o problema. Em busca dessas boas estruturas parciais pode-se

chegar a um vocábulo que está presente na maioria das melhores soluções. Define-se por

vocábulo um elemento importante para a obtenção de soluções de boa qualidade. Sua

estrutura depende do problema a qual está inserido, por exemplo, se o problema a ser

tratado for o PRV, um vocábulo seria um conjunto de arestas com custo mínimo. A partir

desses vocábulos, é possível chegar a combinações mais complexas e úteis. Está técnica

também requer uma estrutura para armazenar os vocábulos identificados como úteis. Esse

conjunto de vocábulos recebe o nome de “Pool ou Coleção de vocábulos” que funciona

como uma espécie de memória adaptativa, ou seja, sofre modificações no decorrer da

busca (GUEDES; ALOISE, 2006). Pois a cada momento, soluções parciais distintas podem

ser de diferente atratividade. Por esta razão, é interessante que o Pool mantenha somente as

que forem mais promissoras dentro do processo de busca.

No subitem 4.3, serão discutidos os detalhes da implementação da técnica

Vocabulary Building aplicada ao PRUMP.

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Capítulo 4

[Metaheurísticas aplicadas ao PRUMP]

O presente capítulo trata do desenvolvimento e definições dos Algoritmos

Evolutivos e Vocabulary Building para o Problema de Roteamento de Unidades Móveis de

Pistoneio – PRUMP com uma frota com m veículos.

4.1 Algoritmo Genético Puro (AGP)

4.1.1 Estrutura dos Cromossomos e Genes

A estrutura de cromossomo adotada para o PRUMP possui uma estrutura

semelhante à de uma matriz, mas cada linha pode ter um tamanho diferente. No entanto,

cada linha se trata de um vetor dinâmico, onde para cada é alocado um tamanho relativo ao

número de poços visitados pela UMP correspondente. Portanto, o tamanho ou quantidade

de colunas para cada linha podem se diferenciar, pois cada UMP pode visitar uma

quantidade igual, maior ou menor de poços em relação às outras UMPs. O número m de

UMPs é fornecido como parâmetro de entrada, dessa forma tem-se o número de linhas do

cromossomo definido. Em momento de execução do AG, uma nova coluna para cada linha

é alocada, quando um novo poço é inserido na rota de uma UMP. Cada linha contém os

números dos poços a serem visitados, e cada UMP inicia do depósito e retorna ao mesmo,

ou seja, são considerados os percursos até o depósito. As Figuras 4.1 e 4.2, demonstram,

respectivamente, um exemplo de representação de cromossomo com 3 UMPs, para uma

instância de 15 poços e seu grafo com as rotas traçadas.

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Figura 4.1 – Exemplo de Cromossomo para 3 UMPs.

Fonte: Autor.

Figura 4.2 – Grafo com rotas para 3 UMPs.

Fonte: Autor.

Na Figura 4.1, o cromossomo contém três rotas. Na primeira linha, a rota definida

para a UMP 1 é 9-7-1-8 e 10. Na segunda linha, a rota definida para a UMP 2 é 5-6 e 11. E

por fim, na terceira linha, a rota definida para a UMP 3 é 2-4-15-13 e 12. As respectivas

rotas foram traçadas num grafo como demonstrado na Figura 4.2. De acordo com essa

figura, observa-se que os poços 3 e 14 não são visitados. Pois devido às restrições de

jornada de trabalho Lk, de cada UMP k, e também à produção pi, em cada poço, alguns

poços podem não ser visitados.

Cada cromossomo é alimentado com os genes que correspondem aos números de

cada poço disponível para pistoneio. Foi desenvolvido no AG, outro vetor dinâmico para

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cada cromossomo, que contém a numeração de cada poço disponível para pistoneio. No

momento em que é alocado um novo poço, numa determinada rota do cromossomo de uma

UMP, a numeração relativa a esse poço é excluída do vetor de poços disponíveis. Dessa

forma, sabem-se quais poços ainda não foram pistoneados pelas UMPs.

4.1.2 População

A formação da população inicial no AG é feita totalmente aleatória, procurando

abranger o máximo possível todo o espaço de busca. Mas, para cada UMP, é configurado

um número aproximado entre si de poços visitados, dessa forma inicialmente evita-se que

uma UMP possua um número elevado de poços visitados em relação à outra UMP,

garantindo certo equilíbrio na quantidade de poços visitados e distribuindo melhor a

quantidade de produção por UMP. Mas essa estratégia apenas se trata de um artifício na

formação inicial de soluções, não havendo qualquer problema na solução final, pois o

números de poços visitados por cada UMP dependerá de suas respectivas jornadas de

trabalho (Lk).

4.1.3 Gerações

Cada ciclo do AG corresponde a uma geração. A cada geração operações de

seleção, cruzamento e mutação são feitas com os cromossomos da população. Isso acarreta

uma modificação para melhor na estrutura global da população. A determinação do

número de gerações para o AG é também uma parâmetro de entrada e influi no

desempenho do mesmo.

4.1.4 Função de Aptidão

A função de aptidão é responsável por avaliar cada cromossomo de uma população.

Cada cromossomo contém as informações sobre a produção de óleo obtida numa rota por

cada UMP e a soma dos tempos de operação e de percurso da mesma. O objetivo do

PRUMP é obter para cada UMP uma produção máxima possível, não ultrapassando a sua

jornada Lk. Com base nesse objetivo a função de aptidão desenvolvida para avaliar cada

cromossomo irá classificar os cromossomos com base em seu valor de produção por rota,

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56

mas sendo válidos aqueles que possuírem tempos de operação e de trajeto não superior às

suas jornadas Lk. Esta função é definida a seguir:

Em (4.1), a função Fa força a seleção de cromossomos com mais produção. Este é o

critério a ser considerado durante o ordenamento dos cromossomos por valor de fitness.

Por exemplo, considerando uma instância com nove poços, numerados de 1 a 9, com as

respectivas produções pi = {2, 5, 4, 4, 1, 6, 3, 2, 6} em m³ de óleo e os tempos de atuação

por poço t’i = {40, 100, 80, 80, 20, 120, 60, 40, 120} em minutos, com i = 1, ..., 9. Sejam

os tempos de trajeto entre os poços em minutos representados numa matriz de adjacências

(tij) na Tabela 4.1:

Matriz de Adjacências para Exemplo

tij 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0 12 15 6 4 20 ∞ ∞ ∞ ∞

1 12 0 15 10 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞

2 15 15 0 ∞ ∞ ∞ 25 ∞ ∞ ∞

3 6 10 ∞ 0 ∞ 40 ∞ ∞ ∞ ∞

4 4 ∞ ∞ ∞ 0 11 18 20 ∞ ∞

5 20 ∞ ∞ 40 11 0 ∞ ∞ ∞ 10

6 ∞ ∞ 25 ∞ 18 ∞ 0 4 8 ∞

7 ∞ ∞ ∞ ∞ 20 ∞ 4 0 5 4

8 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 8 5 0 ∞

9 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 10 ∞ 4 ∞ 0 Tabela 4.1 – Matriz de Adjacências para Exemplo

Fonte: Autor.

A primeira linha e primeira coluna representam os dados do depósito e é um

número muito grande, indicando que não há rota entre os poços i e j, aplicado para esse

exemplo. Considerando esses dados de entrada, os cromossomos (a) e (b) ilustrados na

Figura 4.3 apresentam, respectivamente, valores de produção P(a) = 27 e P(b) = 26.

Estes cromossomos (a e b) contêm cada, duas rotas (UMP1 e UMP2). A UMP 1 do

cromossomo (a) possui produção de óleo igual a 6m³ com jornada de 148 minutos. E sua

UMP 2 possui produção igual a 21m³ e jornada de 498 minutos. Para o cromossomo (b)

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57

temos que sua UMP 1 possui produção igual a 20m³ com jornada de 477 minutos. Sua

UMP 2 possui produção igual a 6m³ com jornada 222 minutos.

Comparando os cromossomos, percebe-se que (a) é melhor que (b), por ter valor de

produção maior (P(a) > P(b)). Logo, num ordenamento de cromossomos, (a) possuiria

precedência em relação à (b).

Figura 4.3 – Cromossomos com produção e tempos de jornada.

Fonte: Autor.

Caso a jornada de trabalho Lk definida para alguma UMP k for ultrapassada, o

cromossomo é descartado pela função de aptidão e recalculado um novo cromossomo

válido. Neste exemplo da Figura 4.3, se a UMP 2 do cromossomo (b) tivesse um limite de

jornada de trabalho L2 = 180 minutos, (b) seria descartado, pois essa UMP apresentou uma

jornada de trabalho total igual a 222 minutos, superior ao L2.

4.1.5 Seleção

A cada nova geração, cromossomos de uma população são selecionados para

reprodução e mutação. Dentre os métodos discutidos no subitem 3.1.2.3, são adotados para

esse trabalho, os métodos de seleção “elitismo” e “ranking”. Dessa forma, os melhores

cromossomos (10% deles) são mantidos (copiados para a próxima geração) por elitismo e,

na parte restante, é aplicado o método ranking para que seja efetuada a operação de

cruzamento entre os cromossomos selecionados.

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58

4.1.6 Operação de Cruzamento

Neste trabalho, a operação de cruzamento ocorre da seguinte maneira: pares de

cromossomos são selecionados para reprodução através do método de seleção “Ranking”,

onde serão criados novos cromossomos (filhos) com base nas informações genéticas

contidas nos cromossomos pais. As sequências dos genes em cada cromossomo

representam as rotas desenvolvidas para cada UMP. Nesta operação, são definidos dois

setores aleatoriamente em rotas distintas de cada par de cromossomos. Então, os genes

selecionados são trocados entre si, formando dois novos cromossomos. A cada inserção

dos genes num novo cromossomo, um teste de verificação é feito em busca de corrigir

possíveis repetições de rotas num mesmo cromossomo, o que violaria a restrição de que

cada poço só é visitado por uma única UMP. Se houver algum gene inserido que seja um

mesmo já existente no cromossomo, ele será substituído por outro gene no vetor de poços

disponíveis associado ao cromossomo. A Figura 4.4 demonstra a operação de cruzamento

descrita anteriormente sendo realizada com um par de cromossomos exemplos.

Figura 4.4 – Cruzamento entre Cromossomos.

Fonte: Autor.

Na Figura 4.4, há dois cromossomos pais (Pai1 e Pai2) com três rotas cada. Em

“Pai1” são selecionados dois trechos para cruzamento: “4-2-9” em rota 1 e “15-8” em rota

2. Em “Pai2” outros dois trechos são selecionados: “6-14” na rota 2 e “20-19-17” na rota 3.

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A operação de cruzamento realiza a troca entre os trechos selecionados: “4-2-9” com “20-

19-17”; e “15-8” com “6-14”. O cromossomo resultante “Filho1” possuirá a maioria dos

genes de “Pai1”, mas com os trechos oriundos de “Pai2”. Mas, ao receber os trechos “20-

19-17” e “6-14”, verificou-se que os genes de números 6, 14 e 17, já estavam presentes em

“Filho1”. Em cada cromossomo, não pode haver genes repetidos, pois cada poço é somente

visitado por uma única UMP, sabendo que cada gene representa um poço numa rota de

uma UMP. A solução para corrigir esse problema, é substituir os genes dos trechos

selecionados, que estão violando essa restrição, por genes que estão num “vetor de poços

disponíveis”, que cada cromossomo possui. Este vetor possui somente os genes que não

estão presentes no cromossomo, permitindo a inserção de genes que não vão violar a

restrição de que, em cada cromossomo, não pode haver genes repetidos. Os genes que

possuem uma numeração entre aspas, foram trocados por genes no vetor associado de

poços disponíveis, após inserção do trecho selecionado. Este processo de troca de trechos,

descrito anteriormente, também se aplica à formação do cromossomo “Filho2”, que possui

em sua maioria, genes provenientes de “Pai2”.

4.1.7 Operação de Mutação

No presente trabalho, a operação de Mutação seleciona aleatoriamente alguns

cromossomos e aplica uma ligeira modificação em suas estruturas. Isto contribui para a

diversidade da população e fuga de ótimos locais, maior abrangência do espaço de busca.

Num cromossomo, uma rota é escolhida ao acaso e dela é removido um gene que será

inserido numa outra rota do mesmo cromossomo. Dessa forma, tem-se o tamanho das rotas

de cada UMP alteradas. Outra forma desta operação é trocar algum gene por algum dos

outros guardados no vetor de poços disponíveis associado ao cromossomo. A Figura 4.5,

ilustra o processo de Mutação sendo aplicado individualmente a dois cromossomos

distintos.

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Figura 4.5 – Mutação.

Fonte: Autor.

De acordo com a figura 4.5, no cromossomo (a) é selecionado último gene (7) para

ser removido e adicionado à segunda rota, como percebido em (a’). De forma similar, na

segunda rota do cromossomo (b) é selecionado o gene 3 que irá ser removido e inserido na

terceira rota, como observado em (b’). Portanto, o operador de mutação altera os tamanhos

das rotas das UMPs.

4.2 Algoritmo Memético (AM)

Assim como o AG, o AM é também um algoritmo evolutivo e em particular possui

semelhanças com o primeiro. Um AM possui em sua estrutura as fases de seleção,

avaliação, crossover e mutação, além de sua fase característica que trata da busca local.

Portanto, o AM aqui proposto se utiliza de boa parte da implementação do AG,

acrescentando o procedimento busca local para os indivíduos da população.

Os indivíduos da população em AMs são denominados por agentes, uma vez que os

mesmos possuem autonomia para melhorar seu valor de fitness. A cada geração, os agentes

interagem com si mesmos ou com outros agentes da população em busca de soluções

ótimas localmente. A este processo se dá o nome de Evolução Cultural, uma vez que há

trocas ou absorção de informações culturais (memes) entre os indivíduos. Neste trabalho o

processo de busca local é realizado após as operações genéticas (cruzamento e mutação).

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Para realizar a busca local no AM proposto, foi necessário definir as estruturas de

vizinhança para que se possa partir para o melhoramento do valor de fitness dos

indivíduos. Foram definidas duas estruturas de vizinhança: insereGene() e otimizaRota().

A primeira realiza para cada indivíduo a inserção de um gene de maior produção

proveniente do vetor de poços não pistoneados, visando obter um aumento na produção de

óleo de cada indivíduo. Na segunda, após a realização da primeira busca local, há uma

reestruturação das rotas entres genes (poços), aplicada individualmente para melhorar o

valor (minimizar) do custo da rota.

O método insereGene() recebe como parâmetro o indivíduo selecionado

aleatoriamente e substitui o gene proveniente do vetor de poços disponíveis pelo gene de

menor produção no indivíduo. Cada gene está associado a um poço visitado que por sua

vez possui um valor de produção associado. Antes da efetiva substituição de genes, é

verificada a distância do gene para cada um dos genes do indivíduo a receber a cópia. Caso

essa distância ultrapasse o tempo de jornada de trabalho para alguma UMP, logo é

descartado e selecionado o próximo melhor gene do vetor de poços disponíveis. Após a

inserção, o método otimizaRota() refaz as ligações entre cada gene em busca de melhorar o

custo com as rotas, mantendo os mesmos genes. A Figura 4.6 ilustra esse processo de

busca local utilizado no AM proposto:

Figura 4.6 – Processo de Busca Local do AM.

Fonte: Autor.

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A Figura 4.6 tem como exemplo um cromossomo (indivíduo da população) de duas

UMPs (1 e 2) inicialmente com rotas configuradas como: UMP1 = {4-7-11-15} e UMP2 =

{1-9}, em ambas incluindo a ETO. No método insereGene() é verificado no vetor de poços

disponíveis do cromossomo em exemplo o poço de maior produção e que o caminho até

ele não ultrapasse a jornada de trabalho da UMP. Nesse exemplo foi escolhido o poço de

número 12 que irá substituir o poço de menor produção no cromossomo (poço 9). Após a

inserção, o cromossomo apresenta um valor de fitness maior (P > x). Em seguida o método

otimizaRota() tenta melhorar a rota do mesmo cromossomo diminuindo seu custo. Este

método escolhe aleatoriamente duas rotas (tij) (duas arestas no grafo associado) que são

eliminadas caso existam outras duas rotas que refaçam a ligação mantendo o ciclo que

contribuam para a diminuição do custo total da rota para aquela UMP (Tk). Esse método

trata-se de uma heurística de melhoramento e é conhecida na literatura por heurística 2-Opt

(CROES, 1958). Nesse exemplo, para a UMP1, foram removidas as rotas {4-15} e {11-7}

e adicionadas as novas rotas {4-11} e {15-7}. Para a UMP2 não há como aplicar a

heurística 2-Opt, por ter apenas uma rota. Mas nesse caso o algoritmo pode verificar a

existência de outra rota alternativa passando por outros poços que minimize o custo de

rota. No exemplo foi verificado a passagem pelo poço de número 10 entre os poços 1 e 12.

Em ambas as situações as heurísticas para otimização de rotas contribuíram para a

diminuição do custo de rota para cada UMP (T1, T2 < x) e aumentando o valor de

produção (P) com a inserção do poço 10 para a UMP2.

Este processo de busca local melhora consideravelmente o fitness de cada

cromossomo. Logo após a execução dos métodos de busca local, inicia-se uma nova

iteração do algoritmo. É aplicado o método de Avaliação de fitness em cada cromossomo e

logo após é aplicado o método de seleção, que irá guardar 10% dos melhores cromossomos

para a próxima geração. Dessa forma, com a aplicação dos métodos de busca local e de

seleção, somando-se aos métodos que diversificam toda a população, há garantias de

soluções melhores a cada iteração do algoritmo.

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63

4.3 Vocabulary Building (VB)

A técnica Vocabulary Building tem por objetivo guardar os melhores vocábulos

numa espécie de pool (vetor dinâmico contendo vocábulos) que simula uma memória

adaptativa. Os melhores indivíduos de uma população podem possuir boas soluções

parciais que se aplicadas a outras podem melhorar seus respectivos fitness. Um vocábulo

para o PRUMP representa então um determinado trecho de uma rota para uma UMP que é

boa em termos de tamanho mínimo e possui um alto valor de produção total dos poços

presentes nesse trecho da rota.

Portanto, em cada vocábulo é importante registrar além da sequência da sub-rota,

seu valor de produção (Fv – soma das produções dos poços presentes na sub-rota) e seu

valor de custo (Tv – soma dos tempos de operação e de percurso entre os poços). Seguindo

essa ideia, uma estrutura de vocábulo para o PRUMP é apresentada na Figura 4.7:

Figura 4.7 – Estrutura de um Vocábulo.

Fonte: Autor.

Na Figura 4.7, o valor de fitness do vocábulo (Fv) é representado na primeira

posição (da esquerda para a direita) do vetor que representa um vocábulo. Este valor é

calculado sendo a soma das produções dos poços presentes na sub-rota, como aplicado na

Fórmula (4.1) para cálculo de fitness de um cromossomo no subitem 4.1.4. Na segunda

posição, o (Tv) representa o valor do tamanho daquela sub-rota, sendo a soma dos tempos

de percurso e de operação. Tv é o segundo critério para ordenamento dos vocábulos, do

menor para o maior, quando o Fv de dois ou mais vocábulos são iguais. As demais

posições guardam os números dos poços. A sequência da rota é definida pela ordem (da

esquerda para a direita) iniciando e retornando à ETO. Na Figura 4.8 são ilustrados dois

exemplos de vocábulos e suas respectivas sub-rotas.

O primeiro vocábulo (Exemplo a) possui valor de fitness igual a 17 e de tempo

igual a 399, com sequência {2-1-5}. O segundo exemplo (Exemplo b) possui valor de

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fitness igual a 15 e tempo igual a 390, com sequência {1-2-3-7}. Comparando seus valores

de fitness, o vocábulo (a) é melhor que o vocábulo (b), por possuir um valor de fitness

maior que o outro. Ambos estão alocados num pool de boas soluções parciais.

Figura 4.8 – Exemplos de Vocábulos.

Fonte: Autor.

Inicialmente o Pool de vocábulos está vazio. Após a Avaliação da população, é

aplicada aos 10% melhores indivíduos a técnica VB, pois os mesmos devem possuir bons

trechos. O método registraVocabulo() tem por função verificar em cada cromossomo os

melhores trechos e guardá-los no Pool. Este método recebe como entrada o cromossomo a

ser verificado.

É interessante manter no Pool vocábulos não muito grandes. Dessa forma pode-se

facilmente inserir os vocábulos nas outras estruturas cromossômicas que apresentem

menores valores de fitness. Portanto, o tamanho do vocábulo é definido até a metade do

tamanho da rota completa para uma UMP. E seu tamanho mínimo é 2, ou seja, uma rota

entre dois poços i e j. A seguir é apresentado um pseudocódigo para o método

registraVocabulo().

Neste método o tamanho da atual rota completa da UMP é conhecido para que a

partir dele possa ser calculado o tamanho máximo do vocábulo. Considerando os limites,

aleatoriamente é definido o tamanho do vocábulo a ser procurado na rota da UMP. Se por

exemplo, o tamanho definido para o vocábulo for 3, dentro da rota completa da UMP será

procurada a melhor sequência de três poços que possui o melhor valor de fitness. Logo,

esse vocábulo é adicionado no Pool. Este processo se repete para cada rota contida no

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cromossomo. Neste trabalho foi definido um tamanho máximo para o pool de até 50

vocábulos. Portanto, quando houver já preenchido todo o pool de vocábulos, o que

apresentar menor fitness será substituído por um novo vocábulo de fitness maior.

Após a atualização do Pool de vocábulos, entra em execução o método

insereVocabulos() que irá inserir vocábulos num conjunto específico de cromossomos da

população. São escolhidos para inserção de vocábulos os 50% cromossomos com menor

valor de fitness. O objetivo é inserir bons trechos de rotas para as UMPs desses

cromossomos. Esse método recebe como parâmetro a lista de vocábulos (pool) e o

cromossomo a ser avaliado. Maiores detalhes de implementação são apresentados no

seguinte pseudocódigo para este método:

O método insereVocabulos() irá analisar cada rota do cromossomo procurando

encontrar uma sub-rota de mesmo tamanho do vocábulo para que seja substituída por este

último. A sub-rota a ser substituída será a que oferecer menos valor de fitness para o

cromossomo. Outra condição para inserção do vocábulo na rota é que na mesma não haja

Método registraVocabulo

Entrada: cromossomo s S

Saída: Pool de vocábulos atualizado

início

para i=0 até N_UMPs faça

tam_vocabulo tam(s(UMP i))/2

tam_vocabulo random(tam_vocabulo)

vocabulos verificaVocabulo(tam_vocabulo, UMP i) adicionaVocabulosNoPool(vocabulos)

fim-para

fim

Método insereVocabulos

Entrada: Pool de vocábulos, cromossomo s S

Saída: Cromossomo s atualizado

início para i=0 até N_UMPs faça

para j=0 até tam_pool faça

tam_voc Pool(j).getTamVocabulo()

boolean melhor comparaVoc(Pool(j), tam_voc) if melhor então

insereVocabuloNaRota()

fim-para

fim-para

fim

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poços duplicados após a inserção. É feita uma verificação no método comparaVoc() antes

da inserção. Caso a inserção implique em duplicação de poços na rota, um próximo

vocábulo é selecionado da lista. Se não houver implicações na inserção da rota, a mesma

irá contribuirá para o melhoramento do fitness para aquela rota (ganho de produtividade e

diminuição dos tempos de percurso e de operação sobre os poços).

A Figura 4.9 ilustra o procedimento de inserção de um vocábulo proveniente de um

pool de vocábulos num cromossomo exemplo. Inicialmente o cromossomo possui um valor

de produção igual a 39 m³ de óleo. Deve-se somente inserir um vocábulo quando sua

inserção promover um aumento no valor de produção do cromossomo, ou seja, melhorar

seu fitness. No momento da execução do método insereVocabulos(), para a UMP 1 do

cromossomo exemplo, é verificado que a inserção do vocábulo {5-6} de Fv = 8 e Tv = 186

que promove um aumento de 7 m³ de óleo na produção do cromossomo (elevando para 46

m³).

Figura 4.9 – Inserção de Vocábulos.

Fonte: Autor.

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67

O método insereVocabulos() prossegue verificando para outras rotas das outras

UMPs do cromossomo uma possível inserção de vocábulos que possa promover um

aumento de fitness.

A técnica VB tem promovido a melhora das soluções no decorrer do processamento

do AM. Sua grande vantagem é guardar “trechos” de boas soluções para que a partir destas

se possam construir outras boas soluções para o problema proposto. No capítulo seguinte

(capítulo 5) são apresentados resultados de testes realizados com diversas instâncias

utilizando os algoritmos e heurísticas discutidas aqui neste capítulo.

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Capítulo 5

[Testes Computacionais e Resultados Obtidos]

5.1 Caracterização e Metodologia

Foi desenvolvido um Algoritmo Genético – AG fundamentado nas definições

apresentadas no capítulo 4. O objetivo deste algoritmo é obter soluções para o PRUMP

considerando uma frota k de UMPs. A implementação do AG proposto para resolução do

PRUMP se deu através do uso da linguagem de programação C++ por ser mais rápida em

tempo de processamento e por suportar o paradigma Orientação a Objetos, que possibilita

uma fácil e eficiente implementação se baseando em comportamentos e atributos de

entidades contidas no problema abordado do presente trabalho.

Para simular um Algoritmo Memético –AM, foi implementado um módulo de

busca local e inserido no AG, aproveitando-se da estrutura do mesmo. Outro módulo para

aplicação da técnica Vocabulary Building – VB foi desenvolvido e inserido no AM.

Os parâmetros utilizados para o AG foram:

Tamanho da População(M): 30 cromossomos

Taxa de Crossover: 80%

Taxa de Mutação: 10%

Número de Gerações: 200

Para se chegar a estes valores definidos como parâmetros para o AG proposto,

foram feitas diversas simulações, para cada uma das instâncias utilizadas nesse trabalho,

diferenciado-se os valores para os parâmetros “Tamanho da População” e “Número de

Gerações”. Os melhores resultados em termos de soluções e tempos de processamento

(TCPU) influenciaram na escolha de determinado valor para algum parâmetro. A Tabela

5.1 possui os detalhes dos testes realizados para a escolha dos parâmetros do AG.

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Testes para obtenção dos valores dos parâmetros do AG

N.gerações/Tam. População M = 10 M = 20 M = 30 M = 40 M = 50 M = 100

50 gerações 5,94% 21,09% 34,81% 36,82% 39,66% 41,22%

100 gerações 15,77% 28,45% 42,03 47,41% 48,36% 50,18%

200 gerações 24,88% 41,85% 66,67% 61,38% 62,91% TCPU>60

min

300 gerações 34,64% 43,12% 58,11% 59,89% TCPU>60

min TCPU>60

min

500 gerações TCPU>60

min TCPU>60

min TCPU>60

min TCPU>60

min TCPU>60

min TCPU>60

min Tabela 5.1 – Testes para obtenção dos valores dos parâmetros do AG.

Fonte: Autor.

As combinações de parâmetros que ocasionaram um TCPU maior que 60 minutos,

foram descartados. A combinação de parâmetros que mais resultou em maior percentual de

otimalidade foi: N. gerações = 200 e M = 30, sendo responsável por 66,67% de

otimalidade na execução das metaheurísticas AGP, AM e AM+VB.

Para validação do modelo e do algoritmo proposto, instâncias do PRUMP foram

utilizadas. Cada instância simula um campo de extração de petróleo contendo n poços

disponíveis para pistoneio. Portanto, são parâmetros de entrada para os métodos de

resolução:

n: número de poços;

m: número de UMPs;

Lk[m]: vetor de jornadas de trabalhos de cada UMP;

p[n]: vetor de valores de produção dos poços disponíveis para pistoneio;

t[n]: vetor de tempos de operação dos poços disponíveis para pistoneio;

tij[n+1, n+1]; matriz de distâncias (tempos de percursos) entre cada poço,

incluindo a ETO.

As instâncias foram submetidas a dois tipos de métodos de resolução: método exato

e métodos heurísticos. Para resolução através de um método exato foi utilizado o software

ILOG CPLEX 11.210 (versão full licenciada para a Universidade Federal do Rio Grande

do Norte) que possui algoritmos exatos para tratar problemas de otimização de

programação linear inteira mista. Métodos de resolução exatos proporcionam, num

determinado tempo relacionado ao tamanho da instância, uma solução ótima global. Para

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resolução através de métodos heurísticos, é aplicado o AG desenvolvido em três

categorias: Algoritmo Genético Puro (AGP); Algoritmo Genético com busca local

(Algoritmo Memético – AM) e Algoritmo Memético com a técnica Vocabulary Building

(AM+VB). Os resultados obtidos através de métodos heurísticos são próximos da solução

ótima ou, em alguns casos, é igual ao ótimo obtido através de um método exato. A

vantagem que se tem ao usar métodos heurísticos trata-se do tempo de processamento

computacional que é bem menor quando comparado ao de um método exato. Os resultados

de cada um dos métodos são comparados em termos de tempo de processamento e solução

obtida.

As instâncias trabalhadas se dividem em dois grupos: instâncias testes com 11

poços (ITP11) e instâncias com 99 poços (IP99), que simulam um campo real. As

instâncias com 11 poços foram criadas pelo autor do presente trabalho com objetivos de

testes de validação do modelo (formulação matemática para o PRUMP) e do AG proposto.

As instâncias com 99 poços foram adaptadas dos trabalhos de dissertação de mestrado de

Neves (2000) e Barros (2001).

Todos os testes (métodos exatos e heurísticos) foram realizados numa mesma

máquina. As configurações do computador utilizado são:

Sistema Operacional Linux (Ubuntu versão 9.10, kernel 2.6.31-22)

CPU QUAD CORE (4 núcleos) com freqüência de 2.4 GHZ

Memória RAM DDR2 com capacidade para 2GB

5.2 Testes Preliminares: instâncias de 11 Poços

As comparações dos resultados obtidos através do método exato e das execuções

das metaheurísticas propostas para as instâncias de 11 poços (ITP11) estão listados na

Tabela 5.2:

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71

Tabela de Comparação de Resultados para cinco instâncias ITP11

INSTÂNCIAS

Método Exato AGP AM AM+VB

P*(m³) TCPU(s) T*k P(m³)

(gap%) TCPU(s) Tk

P(m³)

(gap%) TCPU(s) Tk

P(m³)

(gap%) TCPU(s) Tk

ITP11-

M1-A

UMP1

L1=480

min

18 0.02 466

min

18

(0,00)

6.35 466

min

18

(0,00)

15.01 466

min

18

(0,00)

22.00 466

min

ITP11-

M1-B

UMP1

L1=960

min

35 0.08 955

min

35

(0,00)

8.78 955

min

35

(0,00)

16.99 955

min

35

(0,00)

24.78 955

min

ITP11-

M2-A

UMP1

L1=480

min 33 0.34

466

min 33

(0,00)

11.03

466

min 33

(0,00)

21.66

466

min 33

(0,00)

22.55

466

min

UMP2

L2=480

min

445

min

445

min

445

min

445

min

ITP11-

M2-B

UMP1

L1=480

min 46 0.09

449

min 46

(0,00)

11.84

449

min 46

(0,00)

19.09

449

min 46

(0,00)

23.76

449

min

UMP2

L2=960

min

873

min

873

min

873

min

873

min

ITP11-

M3-A

UMP1

L1=480

min

46 0.79

420

min

46

(0,00)

15.42

420

min

46

(0,00)

26.12

420

min

46

(0,00)

34.90

420

min

UMP2

L2=480

min

480

min

480

min

480

min

480

min

UMP3

L3=480

min

472

min

472

min

472

min

472

min

Tabela 5.2 – Comparação de Resultados Exatos e Heurísticos para as instâncias ITP11

Fonte: Autor.

O grupo de instâncias de 11 poços (ITP11) consiste de 5 instâncias, com

configurações diferenciadas de número de UMPs (m) utilizadas e suas respectivas jornadas

de trabalho (Lk):

ITP11-M1-A: 1 UMP com jornada de trabalho L1 = 480 minutos;

ITP11-M1-B: 1 UMP com jornada de trabalho L1 = 960 minutos;

ITP11-M2-A: 2 UMPs com jornadas de trabalho L1 = L2 = 480 minutos;

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72

ITP11-M2-B: 2 UMPs com jornadas de trabalho L1 = 480 minutos e L2 =

960 minutos;

ITP11-M3-A: 3 UMPs com jornadas de trabalho L1 = L2 = L3 = 480

minutos.

De acordo com o observado na Tabela 5.2, todos os métodos heurísticos (AGP, AM

e AM+VB) atingiram a solução ótima. Seus tempos de processamento (TCPU) ocorreram

todos em menos de 1 minuto. É observado, na maioria dos casos, que os tempos de

execução do AGP são menores quando comparados aos tempos de execução do AM, e este

por sua vez possui TCPU menores que o AG+VB. Isto se deve a adição de heurísticas de

busca local e de melhoramento, tais como o procedimento de busca local para o AM,

discutido no subitem 4.2 e a técnica VB discutida no subitem 4.3. Estes tempos quando

comparados aos tempos do método exato, são bem maiores, sendo, portanto preferível

utilizar para essas instâncias (ITP11) o método exato que possibilita um resultado ótimo

em menos de 1 segundo.

Vale ressaltar que as instâncias ITP11 são pequenas, contendo apenas 11 poços,

como observado na Figura 5.1. Para instâncias maiores, os métodos heurísticos propostos

no presente trabalho são mais eficazes quando considerados seus tempos de

processamento, como discutido no subitem 5.3 para as instâncias IP99.

Figura 5.1 – Malha com 11 poços.

Fonte: Autor.

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73

Uma observação do ponto de vista econômico identificada através dos resultados

expressos na Tabela 5.2 é que, para este campo, contendo 11 poços, faz-se necessário para

total cobertura (explotação de todos os 11 poços) apenas duas UMPs, uma com jornada L1

= 480 minutos e a outra com jornada L2 = 960 minutos. Essa informação é importante para

a tomada de decisão, por exemplo, na quantidade ideal de UMPs a ser utilizada para

explotação num campo de petróleo. Se o problema envolver custos por cada UMP

utilizada, o tomador de decisão evitará utilizar uma quantidade de UMPs desnecessária,

obtendo economias.

O método exato tem por objetivos procurar maximizar a produção (P) e minimizar

o tamanho das rotas (Tk) de cada UMP, não restringindo o limite de uma jornada de

trabalho (Lk). Porém, os métodos heurísticos propostos, principalmente o AM e AM+VB,

podem também durante sua execução, tentar melhorar o valor de cada rota presente na

solução, além de buscarem por soluções que apresentem valor de produção próximo do

ótimo. Esses resultados ótimos (produção e tempo de percurso) foram alcançados na

Tabela 5.2 para todas as instâncias ITP11.

5.3 Testes Realizados com instâncias de 99 poços

Para efeitos de proximidade com o problema real, foi aproveitada aqui neste

trabalho uma malha de 99 poços proveniente dos trabalhos de dissertação de Neves (2000)

e Barros (2001). Trata-se de uma representação de um grafo com 99 poços e arestas

valoradas representando os tempos de percurso (tij) entra cada poço. A Figura 5.2 apresenta

a malha com 99 poços simulando um campo real de petróleo:

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74

Figura 5.2 – Malha com 99 poços.

Fonte: (NEVES, 2000).

Considerando a Figura 5.2, foi definido neste trabalho que cada poço está

disponível para pistoneio que é representado através de um número que varia de 1 para 99.

A ETO é o nó de número zero (0). Foram configuradas sete instâncias diferenciando no

número de UMPs (m) e em suas respectivas jornadas de trabalho (Lk):

IP99-M1-A: 1 UMP com o jornada de trabalho L1 = 480 minutos;

IP99-M1-B: 1 UMP com jornada de trabalho L1 = 960 minutos;

IP99-M2-A: 2 UMPs com jornadas de trabalho L1 = L2 = 480 minutos;

IP99-M2-B: 2 UMPs com jornadas de trabalho L1 = 480 minutos e L2 =

960 minutos;

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75

IP99-M2-C: 2 UMPs com jornadas de trabalho L1 = L2 = 960 minutos;

IP99-M3-A: 3 UMPs com jornadas de trabalhos L1 = L2 = L3 = 480 minutos;

IP99-M3-B: 3 UMPs com jornadas de trabalho L1 = L2 = L3 = 960 minutos;

Os valores de produção obtidos, em cada uma dessas instâncias IP99, são

apresentados na Tabela 5.3 e comparados com os resultados obtidos através das

metaheurísticas desenvolvidas para este problema:

Tabela de Comparação de Resultados para cinco instâncias IP99

INSTÂNCIAS

Método Exato AGP AM AM+VB

P*(m³) TCPU(s) T*k

P(m³)

(gap%)

TCPU(s) Tk

P(m³)

(gap%)

TCPU(s) Tk

P(m³)

(gap%)

TCPU(s) Tk

IP99-

M1-A

UMP1

L1=480 min

14 6.05 420

14

(0,00)

548.61 420

14

(0,00)

846.00 420

14

(0,00)

972.13 420

IP99-

M1-B

UMP1

L1=960 min

28.70 93.37 946

28.70

(0,00)

580.12 946

28.70

(0,00)

901.86 946

28.70

(0,00)

953.44 946

IP99-

M2-A

UMP1

L1=480 min

27.70 161.9

476

26.70

(3,61)

623.00

436

27.70

(0,00)

876,97

476

27.70

(0,00)

954.19

476

UMP2

L2=480 min

464 464 464 464

IP99-

M2-B

UMP1

L1=480

min 42.70 648.16

464

34,20

(19,90)

585.97

396

38.7

(9,37)

814.32

412

38.7

(9,37)

916.62

464

UMP2

L2=960

min

946 930 946 856

IP99-

M2-C

UMP1

L1=960 min

56.50 39601

934

49.20

(12,92)

598.49

844

53

(6,19)

863.71

934

56.50

(0,00)

1025.00

934

UMP2

L2=960 min

954 856 858 954

IP99-

M3-A

UMP1

L1=480 min

37.70 4408.3

464

36.2

(3,98)

718.92

464

37

(1,86)

996.74

464

37

(1,86)

1163.03

464

UMP2

L2=480 min

476 436 484 484

UMP3

L3=480 min

416 336 416 416

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76

Tabela de Comparação de Resultados para cinco instâncias IP99 (continuação)

INSTÂNCIAS

Método Exato AGP AM AM+VB

P(m³) TCPU(s) Tk

P(m³)

(gap%)

TCPU(s) Tk

P(m³)

(gap%)

TCPU(s) Tk

P(m³)

(gap%)

TCPU(s) Tk

IP99-

M3-B

UMP1

L1=960 min

81* 466867

960**

66.5

(17,90)

815.84

908

71.5

(11,73)

1082.00

908

75

(7,41)

1235.39

908

UMP2

L2=960 min

954** 858 858 954

UMP3

L3=960 min

934** 762 934 934

Tabela 5.3 – Comparação de Resultados Exatos e Heurísticos para as instâncias TP99.

Fonte: Autor.

Todos os resultados referentes às metaheurísticas foram selecionados dentre os

melhores obtidos após uma série de sucessivas execuções para as mesmas instâncias

consideradas. Pois devido ao mecanismo aleatório das metaheurísticas na geração dos

resultados, considerar uma ou um número pequeno de execuções para uma mesma

instância é insuficiente para provar o seu desempenho. Portanto, na Tabela 5.3 estão os

melhores resultados obtidos das metaheurísticas (AGP, AM e AM+VB).

Mais uma vez é observado que a adição de heurísticas de busca local e de melhorias

(AM e AM+VB) tendem a melhorar o valor da produção, mesmo que consumam uma

parcela de tempo um pouco maior, quando comparado ao AGP. Destacam-se os resultados

obtidos através da metaheurística AM+VB, onde de sete instâncias, em quatro foram

atingidos a solução ótima (nas instâncias IP99-M1-A, IP99-M1-B, IP99-M2-A e IP99-M2-

C), e para as demais atingiram gaps num intervalo de 1,86% a 9,37%.

Na Tabela 5.3, percebe-se que os tempos de execução (TCPU) obtidos do método

exato são melhores que os tempos das metaheurísticas para as instâncias até duas UMPs,

mas com tempos diferentes de jornada de trabalho Lk (IP99-M2-B). Mas a partir da

instância IP99-M2-C os TCPU obtidos para o método exato são muito grandes, variando

de 1 hora para mais de 5 dias. O melhor resultado de produção obtida (P) para a instância

IP99-M3-B foi de 81 m3, sendo este um valor aproximativo da solução ótima, com gap de

1,36%. A não obtenção da solução ótima para essa instância através do método exato se

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77

deve a problemas de “estouro de memória” ocorrido durante a execução. Portanto, a

execução teve que ser abortada e foi registrada a melhor solução encontrada. Na fase de

minimização, ainda para a instância IP99-M3-B, os tempos obtidos para cada UMP não

são ótimos. São os tempos Tk realizados por cada UMP, considerando o valor de produção

ótima P = 81 m³. De mesma forma, houve problemas com estouro de memória na obtenção

dos tempos mínimos para essa instância.

Entretanto, os tempos (TCPU) obtidos a partir da instância IP99-M2-C, através das

execuções das metaheurísticas desenvolvidas para o PRUMP, são bem menores quando

comparados com os tempos obtidos através do método exato para essas mesmas instâncias.

Portanto, para instâncias maiores, que condizem com a realidade trabalhada pela Petrobras,

algoritmos aproximativos respondem melhor que os algoritmos exatos, principalmente pelo

fator tempo de execução computacional. De acordo com a Tabela 5.3, o tempo máximo

para uma metaheurística obter um resultado próximo do ótimo, foi de 1235,39 segundos,

ou seja, 20 minutos e meio, para a instância IP99-M3-B. Para essa mesma instância, o

método exato obteve uma resposta, próximo do ótimo, em 466867 segundos, ou seja, em

mais de cinco dias.

No apêndice, estão os gráficos de comparações das evoluções das metaheurísticas

AGP, AM e AM+VB, aplicadas a cada uma das instâncias utilizadas nesse trabalho.

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78

Capítulo 6

[Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros]

6.1 Conclusões

Neste trabalho, foram realizados estudos para solucionar o Problema de

Roteamento de várias Unidades Móveis de Pistoneio – PRUMP com frota igual ou

superior a um veículo através das Metaheurísticas Algoritmo Genético – AG, Algoritmo

Memético – AM e Algoritmo Memético com a técnica Vocabulary Building – AM+VB

com o objetivo de promover a maximização da produção de óleo em campos petrolíferos

terrestres que contenham poços pistoneáveis.

Foram desenvolvidas na linguagem de programação C++ as metaheurísticas

propostas e as mesmas foram aplicadas às instâncias criadas especialmente para fins de

testes. Outras instâncias foram obtidas através de trabalhos de dissertação correlatos que

simulam o problema real. Resultados satisfatórios foram obtidos com o uso das

metaheurísticas.

Através dos resultados obtidos, chegou-se à conclusão de que para instâncias

maiores, os métodos heurísticos possibilitam um menor tempo de resposta para uma

solução quando comparados com o método exato.

6.2 Sugestões para Trabalhos Futuros

O PRUMP por ser uma variante de problemas correlatos existentes na literatura,

tais como o PCV, possui vasta aplicabilidade aos problemas que envolvam roteamento e

logística de veículos e de tarefas. Sugere-se então a aplicação a outros problemas

correlatos.

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79

Para campos de extração de petróleo vastos, com centenas de poços, seria

interessante a modelagem matemática do PRUMP com múltiplos depósitos.

Outro ponto interessante para pesquisa seria desenvolver um AG Multiobjetivo para

o PRUMP, uma vez que foi verificado que o mesmo possui dois objetivos: maximizar a

produção total de petróleo e minimizar o tempo de atuação de cada UMP. Funções de

Pareto podem ser aplicadas para um estudo detalhado.

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80

Referências Bibliográficas

ALOISE, D. J.; BARROS, C. A.; NEVES, J. A.; SOUZA, M. C. Um Algoritmo Genético

para uma Variante do Problema de Orientação. Congreso Latino Americano en

Investigacion de Operaciones. 4-8 set 2000. Cidade do México, México. 2000(a).

ALOISE, D. J.; MOURA, L. S. S.; ASSMAN, B. W.; BARROS, C. A; NEVES, J. A.

Otimização do Emprego da Unidade Móvel de Pistoneio na Exploração de Campos

Petrolíferos de Poços Não Surgentes. Rio Oil & Gas Expo and Conference. 16-19 out

2000. Instituto Brasileiro de Petróleo. Rio de Janeiro (RJ), Brasil. 2000(b).

ALOISE, D. J.; NEVES, J. A.; BARROS, C. A.; MOURA, L. S. S.; ASSMANN, B. W.

Um Algoritmo Genético na Otimização do Emprego da Unidade Móvel de Pistoneio.

XXXII Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional. 18-20 out 2000. Universidade

Federal de Viçosa / SOBRAPO. Viçosa (MG), Brasil. 2000(c).

ALOISE, D. J.; BARROS, C. A.; NEVES, J. A.; MOURA, L. S. S.; ASSMANN, B. W.;

SOUZA, M. C. Otimização do Emprego da Unidade Móvel de Pistoneio através de

GRASP. XXXII Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional. 18-20 out 2000.

Universidade Federal de Viçosa / SOBRAPO. Viçosa (MG), Brasil. 2000(d).

ALOISE, D.; ALOISE, D. J. ;OCHI, L. S.; MAIA, R. S.; BITTENCOURT, V. G. Uma

colônia de formigas para o problema de explotacão de petróleo e otimização de rotas

de unidades móveis de pistoneio. Congresso Brasileiro de Automática, Natal, Brazil, pp.

1232–1237. 2002.

ALOISE, D. J.; SANTOS, A. C.; DUHAMEL, C. Formulações multiobjetivos para um

problema de coleta de petróleo em campos maduros. XLI Simpósio Brasileiro de

Pesquisa Operacional, Porto Seguro, p.1143-1154, 2009.

APPLEGATE, D. L.; BIXBY, R. E.; CHVÁTAL, V.; COOK, W. J. The Traveling

Salesman Problem: a computational study. Princenton University Press, Princenton, New

Jersey, USA. 2007.

BALAS, E. The prize collecting traveling salesman problem. Networks. vol.19, 621-

636. 1989.

BARROS, C. A. Uma aplicação de grasp na otimização do emprego da unidade móvel

de pistoneio. Master’s thesis, Universidade Federal do Rio Grande do Norte,

Departamento de Informática, Natal, Brasil. 2001.

BLICKLE, T.; THIELE, L. A Comparison of Selection Schemes used in Genetic

Page 82: METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE … · campos terrestres. Há toda uma logística no transporte de óleo e gás através de uma frota de veículos, desde sua origem

81

Algorithms. Report No. 11, Computer Engineering and Communication Networks Lab

(TIK), Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurich, 1995.

[CLAY MATHEMATICS INSTITUTE] P vs NP Problem. Disponível em:

<http://www.claymath.org/millennium/P_vs_NP/>. Acesso em: 11 Jun. 2010.

COLLETTE, Y; SIARRY, P. Multiobjective Optimization. Berlim: Springer, 2003.

CONCILIO, R. Contribuições à Solução de Problemas de Escalonamento pela

Aplicação Conjunta de Computação Evolutiva e Otimização com Restrições.

Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, Departamento de

Engenharia de Computação e Automação Industrial, Campinas, Brasil. 2000.

CORMEM, T. H.; LEISERSON, C. E.; RIVEST, R. L.; STEIN, C. Algoritmos: teoria e

prática. 2 ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2002.

CROES, G. A. A method for solving traveling salesman problems. Operations Res. 6,

pp., 791-812. 1958.

DANTZIG, G. B.;RAMSER, R. H. The Truck Dispatching Problem. Management

Science. vol. 6. pp. 80-91. 1959.

DAVIS, L. Handbook of Genetic Algorithms. Van Nostrand Reinhold, New York, 1991.

EHRGOTT, M. Multicriteria Optimization. 2. ed. Berlim: Springer, 2005.

FLOOD, M. M. The Traveling-Salesman Problem. Operations Research, vol. 4, n. 1, pp.

61-75, fevereiro. 1956.

[GENOMA] A descoberta do DNA e o projeto genoma. Rev. Assoc. Med. Bras., São

Paulo, v. 51, n. 1, Feb. 2005 . Disponível em:

<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-

42302005000100001&lng=en&nrm=iso>. Acesso em: 01 Set. 2010.

GLOVER, F. New Ejection Chain and Alternating Path Methods for Traveling

Salesman Problems. In: Computer Science and Operations Research: New Developments

in Their Interfaces [editado por R. Sharda, O. Balci e S. Zenios], Cambridge: Elsevier,

449-509. 1992.

GLOVER, F.;LAGUNA, M. Tabu Search. In: Modern Heuristic Techniques for

Combinatorial Problems [editado por C. Reeves], Oxford: Blackwell Scientific Publishing,

71-140. 1993.

Page 83: METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE … · campos terrestres. Há toda uma logística no transporte de óleo e gás através de uma frota de veículos, desde sua origem

82

GLOVER, F.; LAGUNA, M. Tabu search. Massachusetts: Kluwer Academic Publishers.

1998.

GLOVER, F. Scatter Search and Path Relinking. In: New Ideas in Optimization [editado

por D. Corne, M. Dorigo e F. Glover], London: McGraw Hill, 297-319. 1999.

GLOVER, F; LAGUNA, M.; MARTI, R. Fundamentals of Scatter Search and Path

Relinking. Control and Cybernetics, 29(3), 653-684. 2000.

GLOVER, F. Tutorial on Surrogate Constraint Approaches for Optimization in

Graphs. Journal of Heuristics, 9(3), 175-228. 2003.

GOLDBERG, D. E. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine

Learning. Adison-Wesley, USA, 1989.

GOLDEN B. L.; ASSAD A.; DAHL R. Analysis of a large-scale vehicle routing

problem with inventory component. Large Scale Systems, Vol. 7, 181-190. 1984

GOLDEN B.L.; LEVY L.; VOHRA R. The orienteering problem. Naval Research

Logistics, Vol. 34, 307-318. 1987.

GUEDES, A. B. da C.; ALOISE. D. J. Um algoritmo memético para o problema do

caixeiro viajante assimétrico: Uma abordagem baseada em vocabulary building.

Sociedade Brasileira de Pesquisa operacional – SBPO. 2006.

HOLLAND, J. H. Adaptation in Natural and Artificial Systems. University of

Michigan Press, Ann Arbor, 1975.

HUNG, D. L.; WANG, J. Digital Hardware Realization of a Recurrent Neural

Network for solving the Assignment Problem. Neurocomputing 51, pp. 447-461. 2003.

KANTOR, M.; ROSENWEIN, M. The orienteering problem with time windows.

Journal of Operational Research Society, Vol. 43, No. 6, 629-635. 1992.

KELLER, P. Algorithms to solve the orienteering problem: a comparison. European

Journal of Operational of Research, Vol. 41, 224-231. 1989.

KELLY, J.P.; XU, J. Tabu Search and Vocabulary Building for Routing Problems.

Technical Report. Graduate School of Business Administration, University of Colorado at

Boulder. 1995.

LAPORTE, G. Recent Advances in Routing Algorithms. Groupe d’études et de

recherche en analyse des décisions - GERAD. Rapports de Recherche HEC - École des

Hautes Études Commerciales. 1997.

LEMONGE, A. C. C. Aplicação de Algoritmos Genéticos em Otimização Estrutural.

Page 84: METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE … · campos terrestres. Há toda uma logística no transporte de óleo e gás através de uma frota de veículos, desde sua origem

83

Tese de Doutorado do Programa de Engenharia Civil, COPPE / UFRJ, Rio de Janeiro,

Junho de 1999.

MERZ, P.; FREISLEBEN, B. A comparison of memetic algorithms, tabu search, and

ant colonies for the quadratic assignment problem. Angeline, P., editor, Congress on

Evolutionary Computation (CEC’99), p. 2063–2070, Piscataway, NJ. IEEE Press. 1999.

MOSCATO, P; NORMAN, M. G. A ’memetic’ approach for the traveling salesman

problem. Valero, M.; Onate, E.; Jane, M.; Larriba, J. L. e Suarez, B., editors,

Implementation of a Computational Ecology for Combinatorial Optimization on Message-

Passing Systems, Parallel Computing and Transputer Applications, p. 187–194,

Amsterdam. IOS Press. 1992.

MOSCATO, P. Memetic Algorithms: A Short Introduction, in Corne, D., Dorigo, M. &

Glover, F. (eds.) New Ideas in Optimization, McGraw-Hill, pp. 219-234. 1999.

MOSCATO, P.; COTTA, C. Una introduccion a los algoritmos memeticos. Revista

Iberoamericana de Inteligencia Artificial, v. 19, p. 131–148. 2003.

NETO, J. S. S. Aplicação Das Técnicas Path-Relinking e Vocabulary Building na

Melhoria de Performance do Algoritmo Memético para o Problema do Caixeiro

Viajante Assimétrico. Dissertação de Mestrado – Programa de Pós-Graduação em

Engenharia de Produção, UFRN. 2009.

NEVES, J. A. Uma aplicação de Algoritmo Genético na Otimização do Emprego da

Unidade Móvel de Pistoneio. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio

Grande do Norte, Departamento de Informática e Matemática Aplicada, Natal, Brasil.

2000.

NEVES, J. A.; DIDIER, M. A. C. Modelagem de Problemas em Programação Linear

Inteira. In: VII Encontro Regional de Matemática Aplicada – ERMAC, 2007, Recife, PE.

Anais... Recife: SBMAC, 2007.

PETROBRAS. Fontes de Energia: Petróleo. Disponível em: <

http://www.petrobras.com.br/pt/energia-e-tecnologia/fontes-de-energia/petroleo/ >. Acesso

em: 10 ago. 2010.

PIMENTA, D. J. Algoritmo de Otimização para o Problema de Roteamento de

Veículos no Transporte Conjunto de Cargas e de Passageiros. Escola de Engenharia da

Universidade Federal de Minas Gerais, Dissertação de Mestrado. Departamento de

Engenharia Elétrica, Belo Horizonte, Brasil. 2001.

ROCHAT, Y.; TAILLARD, E. Probabilistic Diversification and Intensification in

Local Search for Vehicle Routing. Journal of Heuristics, 1(1), 147-167. 1995.

Page 85: METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE … · campos terrestres. Há toda uma logística no transporte de óleo e gás através de uma frota de veículos, desde sua origem

84

SANTOS, A. C.; ALOISE, D. J.; BARROS, C. A.; SOUZA, M. C.; NORONHA, T. F. Um

algoritmo GRASP reativo aplicado ao problema do emprego da unidade móvel de

pistoneio. Proceedings of the XXXIII Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional,

Campos do Jordão, SP, pp. 247–258. 2001.

SANTOS, A. C.; DUHAMEL; C.; ALOISE, D. J. Modeling the mobile oil recovery

problem as a multiobjective vehicle routing problem. Book Series Communications in

Computer and Information Science, Vol. 14, pp. 283–293. 2008.

SCHOLL, A.; KLEIN, R.; DOMSCHKE, W. Pattern Based Vocabulary Building for

Effectively Sequencing Mixed-Model Assembly Lines. Journal of Heuristics, 4(4), 359-

381. 1998.

SILVA, A. C. G. Busca Heurística Através de Algoritmo Genético e Memético com

Construção de Vocábulos para o Problema de Atribuição de Localidades a Anéis

SONET. Dissertação de Mestrado– Programa de Pós-Graduação em engenharia de

Produção, UFRN. 2008.

SIVANANDAM, S. N.; DEEPA, S.N. Introduction to Genetic Algorithms. 1 ed.

Springer. 2008.

SOARES, W. K. da S. Heurísticas Usando Construção de Vocabulário Aplicadas ao

Problema da Atribuição de Localidades a Anéis em Redes SONET/SDH. Dissertação

de Mestrado – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, UFRN. 2008.

TASGETIREN, M. Fatih. A Genetic Algorithm with an Adaptive Penalty Function for

the Orienteering Problem. Journal of Economic and Social Research 4 (2), pp. 1-26.

2002.

Page 86: METAHEURÍSTICAS EVOLUTIVAS PARA O PROBLEMA DE … · campos terrestres. Há toda uma logística no transporte de óleo e gás através de uma frota de veículos, desde sua origem

85

Apêndice

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86

GRÁFICOS DE EVOLUÇÃO DAS METAHEURÍSTICAS APLICADAS AO

PRUMP

02468

101214161820

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

ITP11-M1-A

AGP

AM

AM+VB

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

ITP11-M1-B

AGP

AM

AM+VB

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87

0

5

10

15

20

25

30

35

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

ITP11-M2-A

AGP

AM

AM+VB

05

101520253035404550

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

ITP11-M2-B

AGP

AM

AM+VB

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88

05

101520253035404550

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

ITP11-M3-A

AGP

AM

AM+VB

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

IP99-M1-A

AGP

AM

AM+VB

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89

0

5

10

15

20

25

30

35

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

IP99-M1-B

AGP

AM

AM+VB

0

5

10

15

20

25

30

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

IP99-M2-A

AGP

AM

AM+VB

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90

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

IP99-M2-B

AGP

AM

AM+VB

0

10

20

30

40

50

60

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

IP99-M2-C

AGP

AM

AM+VB

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91

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

IP99-M3-A

AGP

AM

AM+VB

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Fitness

N. gerações

IP99-M3-B

AGP

AM

AM+VB