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ORCID:  http://orcid.org/0009-0006-8695-8544
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Algoritmo evolutivo multiobjetivo para o escalonamento de produção com restrição na indústria farmacêutica
Alternate title (s): Multi-objective evolutionary algorithm for constrained scheduling of production in the pharmaceutical industry
Author: Kohara, Debora Toshie
First Advisor: Martins, Luiz Gustavo Almeida
First coorientator: Oliveira, Gina Maira Barbosa de
First member of the Committee: Delbem, Alexandre Cláudio Botazzo
Second member of the Committee: Gabriel, Paulo Henrique Ribeiro
Summary: O escalonamento de bateladas em processos químicos em ambientes reais, por exemplo com variabilidade de demanda e restrições de vendas perdidas, tem sido investigados. Sendo tipicamente não lineares com funções de avaliação com alto custo computacional, dificultando a convergência de soluções. São caracterizados por múltiplos objetivos e restrições conflitantes entre si, aumentando a complexidade da exploração de soluções viáveis. Isto dificulta a adoção de certas técnicas, porém os Algoritmos Evolutivos Multiobjetivo (MOEA) têm sido explorados devido aos seus operadores flexíveis e eficientes, aplicáveis a diversos problemas não lineares multiobjetivo. Neste trabalho, novas estratégias de inicialização da população, seleção de indivíduos e mutação baseada em busca local são incorporadas a um MOEA, baseado no NSGA-II, aplicadas ao escalonamento de bateladas em uma linha de produção da indústria farmacêutica como um problema multiobjetivo com restrições. A qualidade das soluções não-dominadas foi avaliada, considerando o número de soluções válidas (NS) e métricas multiobjetivo, tais como: hipervolume (hv), taxa de erro (E) e distância geracional invertida (IGD+). Resultados experimentais mostraram que a abordagem evolutiva melhorou significativamente o modelo de referência, tanto em ambientes estáticos (onde um único conjunto de demandas é usado na avaliação), quanto dinâmicos (onde as demandas mudam ao longo das gerações do MOEA). Nos ambientes estáticos, nossa abordagem, em comparação à referência, melhorou 23,3% na média do E, 82,5% no IGD+, 0,3% no hv e teve uma piora de 30,2% no NS, enquanto que nos ambientes dinâmicos, melhorou em 38,7% no E, 83,7% no IGD+, 86,6% no NS e 0,8% no hv. Observamos que a integração de uma busca local ao operador de mutação reduziu em 10,5% no E, 0,1% no IGD+, 0,1% no hv e 10,7% no NS, comparado com o algoritmo que adota apenas a inicialização e o método de seleção propostos. A análise de dominância indicou que a busca local no número de bateladas é eficaz em cenários dinâmicos.
Abstract: Batch scheduling in chemical processes under real-world conditions, such as demand variability and lost sales constraints, has been investigated. These problems are typically non-linear with computationally expensive evaluation functions, making solution convergence challenging. They are characterized by multiple conflicting objectives and constraints, increasing the complexity of exploring viable solutions. This complicates the adoption of certain techniques, but Multiobjective Evolutionary Algorithms (MOEAs) have been explored due to their flexible and efficient operators, applicable to various non-linear multiobjective problems. In this work, new strategies for population initialization, individual selection, and local search-based mutation are incorporated into an NSGA-II-based MOEA, applied to batch scheduling in a pharmaceutical production line as a multiobjective constrained problem. The quality of non-dominated solutions was evaluated considering the number of valid solutions (NS) and multiobjective metrics such as hypervolume (hv), error rate (E), and inverted generational distance (IGD+). Experimental results showed that the evolutionary approach significantly improved the reference model in both static environments (where a single demand set is used for evaluation) and dynamic environments (where demands change over MOEA generations). In static environments, our approach, compared to the reference, improved by 23.3% the average of E, 82.5% in IGD+, 0.3% in hv, and had a 30.2% deterioration in NS. In dynamic environments, it improved by 38.7% in E, 83.7% in IGD+, 86.6% in NS, and 0.8% in hv. We observed that integrating local search into the mutation operator reduced E by 10.5%, IGD+ by 0.1%, hv by 0.1%, and NS by 10.7%, compared to the algorithm using only the proposed initialization and selection methods. Dominance analysis indicated that local search in the number of batches is effective in dynamic scenarios.
Keywords: Otimização Multiobjetivo com restrição
Algoritmos Genéticos Multiojetivos
Escalonamento de Bateladas
Manufatura Farmacêutica
Constrained Multiobjective Optimization
Multiobjective Genetic Algorithms
Batch Scheduling
Pharmaceutical Manufacturing
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Subject: Computação
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação
Quote: KOHARA, Debora Toshie. Algoritmo evolutivo multiobjetivo para o escalonamento de produção com restrição na indústria farmacêutica. 2025. 153 f. Dissertação (Mestrado em Ciências da Computação) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.637.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.637
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44694
Date of defense: 30-Aug-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
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