Prof. Geraldo Nunes Silva
Estas notas de aula são Basedas no livro:
“Hillier, F. S. e G. J. Lieberman. Introdução à Pesquisa Operacional, Campus, 3a ed., 1988”
Agradeço a Professora Gladys Castillo do Departamento de Matemática da Universidade de Aveiro por ter permitido a utilização de alguns slides
preparados pelo um grupo de pessoas de seu departamento
Aula de Hoje
• O método Simplex Aplicado ao problema de transporte (PT).
Definição e apresentação sobre forma de rede.
Formulação do caso equilibrado e não equilibrado.
Exemplos
Propriedades fundamentais
Problema de Transporte. Exemplo Protótipo Problema de Transporte. Exemplo Protótipo
Um dos principais produtos da firma Lactosal é o leite.
Os pacotes de leites são empacotados
em 3 fábricas e depois são distribuídos de caminhão
para quatro armazéns Conhecendo os custos de transporte, a procura prevista para cada armazém e as capacidades de produção de cada fábrica, pretende-se:
OTIMIZAR O PROGRAMA DE DISTRIBUIÇÃO DIÁRIO DO LEITE.
Problema de Transporte. Exemplo Protótipo Problema de Transporte. Exemplo Protótipo
Os dados dos custos de uma carga de leite para cada combinação fábrica-armazém e das ofertas (produção) e procuras, em cargas de caminhão/dia, são os seguintes:
24 cargas diárias de leite devem ser produzidas e
distribuídas 24 cargas diárias
de leite devem ser produzidas e
distribuídas
Custo por carga de caminhão
Armazéns
Fábricas 1 2 3 4 Oferta
1 1 2 3 4 6
2 4 3 2 4 8
3 0 2 2 1 10
Procura 4 7 6 7
Minimizar z = x11 + 2 x12 + 3 x13 + 4 x14 + 4 x21 + 3 x22 + 2 x23 + 4 x24 + 2 x32 + 2 x33 + x34
sujeito a:
x11 + x12 + x13+ x14
=
6x21 + x22 + x23+ x24
=
8 x31 + x32 + x33+ x34=
10x11 + x21 + x31
=
4x12 + x22 + x32
=
7x13 + x23 + x33
=
6 x14 + x24 + x34=
7xij 0 ( i=1,2,3; j=1,2,3,4 )
Minimizar z = x11 + 2 x12 + 3 x13 + 4 x14 + 4 x21 + 3 x22 + 2 x23 + 4 x24 + 2 x32 + 2 x33 + x34
sujeito a:
x11 + x12 + x13+ x14
=
6x21 + x22 + x23+ x24
=
8x31 + x32 + x33+ x34
=
10x11 + x21 + x31
=
4 x12 + x22 + x32=
7 x13 + x23 + x33=
6x14 + x24 + x34
=
7
xij 0 ( i=1,2,3; j=1,2,3,4 )
Formulação do Problema de Transporte.
Formulação do Problema de Transporte.
Exemplo Protótipo.
Exemplo Protótipo.
Custo por carga de camião Armazéns
10 1
2 2 0
3
7 4 4 4
4 4 1 1
7 3 2 2
6 2 3 3
Procura
8 2
6 1
Oferta Fábricas
Custo por carga de camião Armazéns
10 1
2 2 0
3
7 4 4 4
4 4 1 1
7 3 2 2
6 2 3 3
Procura
8 2
6 1
Oferta Fábricas
x11 x12 x13 x14 x21 x22 x23 x24 x31 x32 x33 x34
A= A=
Matriz de Restrições do Problema de Transporte.
Matriz de Restrições do Problema de Transporte.
Exemplo Protótipo.
Exemplo Protótipo.
A matriz das restrições do problema de transporte para o exemplo protótipo apresenta a seguinte estrutura:
Fábricas
Fábricas ArmazénsArmazéns
11 11
22 22
33 33
11 11
22 22
33 33
44 44
c11 x11
c34 x34
Problema de Transporte sob a forma de Rede.
Problema de Transporte sob a forma de Rede.
Exemplo Protótipo.
Exemplo Protótipo.
Cargas de leite Cargas de leite Cargas de leite
Cargas de leite Unidades de um produtoUnidades de um produtoUnidades de um produtoUnidades de um produto 3 fábricas3 fábricas
3 fábricas3 fábricas m origensm origensm origensm origens 4 armazéns
4 armazéns 4 armazéns
4 armazéns n destinosn destinosn destinosn destinos Produção da fábrica
Produção da fábrica i Produção da fábrica
Produção da fábrica i aa aaii oferta da origem ii oferta da origem oferta da origem ioferta da origem iii Procura no armazém
Procura no armazém j Procura no armazém
Procura no armazém j b b bbjj procura no destinojj procura no destinoprocura no destino jprocura no destino j j j Custo de transporte
Custo de transporte por carga da fábrica por carga da fábrica i
para o armazém para o armazém j Custo de transporte Custo de transporte por carga da fábrica por carga da fábrica i
para o armazém para o armazém j
ccijij custo por unidade custo por unidade transportada da origem transportada da origem i i
para o destino para o destino jj ccijij custo por unidade custo por unidade transportada da origem transportada da origem i i
para o destino para o destino jj
Problema de Transporte.
Problema de Transporte.
Do Exemplo ao Modelo do PT
Do Exemplo ao Modelo do PT
xxijij cargas a distribuir cargas a distribuir da fábrica
da fábrica i
para o armazém para o armazém j xxijij cargas a distribuir cargas a distribuir
da fábrica da fábrica i
para o armazém para o armazém j
xxijij unidades a unidades a distribuida origem distribuida origem i i
para o destino para o destino jj
xxijij unidades a unidades a distribuida origem distribuida origem i i
para o destino para o destino jj Determinar o plano o plano
ótimo de distribuição ótimo de distribuição
diária do leite
diária do leite das fábricas pelos
armazéns tendo como objetivo a a
minimização do custo minimização do custo
total total
Determinar o plano o plano ótimo de distribuição ótimo de distribuição
diária do leite
diária do leite das fábricas pelos
armazéns tendo como objetivo a a
minimização do custo minimização do custo
total total
Determinar o plano o plano ótimo de distribuição ótimo de distribuição
desse produto
desse produto das origens pelos destinos tendo como objetivo a minimização do custo minimização do custo
total total
Determinar o plano o plano ótimo de distribuição ótimo de distribuição
desse produto
desse produto das origens pelos destinos tendo como objetivo a minimização do custo minimização do custo
total total
Problema de Transporte.
Problema de Transporte.
Do Exemplo ao Modelo do PT
Do Exemplo ao Modelo do PT
Oferta total = Procura total Oferta total = Procura total
Destino
Origem 1 2 … n1 2 … n Oferta 11
22
.. .. ..
mm
aa11
aa22
.. . . . .
aamm Procura bb1 1 bb2 2 … … bbnn aai i == bbjj
cc1111 cc1212 cc1n1n
cc2121 cc2222 cc2n2n
ccm1m1 ccm2m2 ccmnmn
x
x1111 xx1212 …… xx1n1n xx2121 xx2222 …… xx2n2n
xxm1m1 xxm2m2 …… xxmnmn
.. .. ..
.. .. ..
. .. .. .
Um problema de transporte está equilibrado se a oferta total é igual à procura total, caso
contrário está não equilibrado.
Problema de Transporte. Caso Equilibrado.
Problema de Transporte. Caso Equilibrado.
Oferta total = Procura total Oferta total = Procura total
Destin Orige o
m
1 2 3 4 1 2 3 4 Oferta
1 1 2 2 3 3
6 6
8 8 10 10 Procura 4 4
7 7
6 6
7 7 24 24 =24 =24
11 22 44
44 33 44
xx11 11 xx12 12 xx1414 xx21 21 xx22 22 xx2424
33 xx13 13
22 xx23 23
00 22 11
xx31 31 xx32 32 22 xx3434 xx33 33
Para o exemplo protótipo a oferta total é igual à procura total . Este problema está equilibrado.
Problema de Transporte.Caso equilibrado.
Problema de Transporte.Caso equilibrado.
Exemplo protótipo
Exemplo protótipo
mi
n j
ij ij
x c z
1 1
n
j
i
ij
a
x
1
0 x
ijm i 1 , 2 ,..., ,
n j 1 , 2 ,..., ,
Minimizar sujeito a:
restrições de oferta
n j 1 , 2 ,..., ,
m
i
j
ij
b
x
1
restrições de procura
m i 1 , 2 ,..., ,
Problema de Transporte.
Problema de Transporte.
Formulação como problema de PL.
Formulação como problema de PL.
Origens
Origens Destinos Destinos
c11 x11
cij xij
cmn xmn
a a
11a a
iia a
mmb b
11b b
jjb b
nn11 11
ii ii
mm mm
.. .
.. .
11 11
jj jj
nn nn
.. .
.. .
Esta figura ilustra o problema de transporte sob a forma de rede representados por nós e arcos.
Os nós representam as origens e os destinos e
os arcos representam os percursos das origens aos destinos através dos quais o produto pode ser transportado.
Problema de transporte sob a forma de rede.
Problema de transporte sob a forma de rede.
O problema de transporte apresenta uma estrutura especial evidenciada pela
disposição das restrições:
A matriz dos coeficientes das restrições é apenas constituída por uns (1)
e zeros (0) . Cada variável xij tem como
coeficientes apenas 2 uns : um na linha associada à origem i e
outro na linha relativa ao destino j
A matriz dos coeficientes das restrições é apenas constituída por uns (1)
e zeros (0) . Cada variável xij tem como
coeficientes apenas 2 uns : um na linha associada à origem i e
outro na linha relativa ao destino j
x11 x12 ... x1n x21 x22 ... x2n … xm1 xm2 ... xmn
A= A=
. .. .. .
.. . . . .
restrições dos destinos restrições das
origens
Problema de Transporte.
Problema de Transporte.
Estrutura especial da matriz de restrições.
Estrutura especial da matriz de restrições.
Destin Orige o
m
1 2 … n 1 2 … n n+1 n+1 Ofert a 1 1
2 2
. . .. . .
m m
a a
11a a
22.. . . ..
a a
mmProcura b b
1 1b b
2 2… … b b
nn aai i -- bbjjcc1111 cc12 12 cc1n 1n cc2121 cc22 22 cc2n 2n
ccm1 m1 ccm2m2 ccmnmn xx11 11 xx12 12 … … xx1n 1n
xx21 21 xx22 22 … … xx2n 2n
xxm1 m1 xxm2 m2 … … xxmn mn
.. .. ..
.. . .. .
.. . .. .
00 00
00
xx1 n+1 1 n+1 xx2 n+12 n+1
xxm n+1 m n+1
Adicionar destino fictício
Problema de Transporte.
Problema de Transporte.
Oferta total superior à procura total
Oferta total superior à procura total
Oferta total superior à procura total.
Oferta total superior à procura total.
Exemplo 1: Plano de Produção.
Exemplo 1: Plano de Produção.
Uma multinacional produz aviões comerciais para diversas companhias de aviação. A última etapa no processo de
produção é a produção de motores seguido da sua instalação no avião.
Para cumprir os contratos estabelecidos deve ser determinado o plano ótimo de produção dos motores para os próximos quatro meses.
os custos em milhões de dólares
Oferta total superior à procura total.
Oferta total superior à procura total.
Exemplo 1: Plano de Produção.
Exemplo 1: Plano de Produção.
Os dados para o plano da produção para os quatro meses futuros são os seguintes:
Mês Instalações programadas
Produção máxima
Custo unitário de produção
Custo unitário de
armazenamento
1 10 25 1.08
2 15 35 1.11 0.015
3 25 30 1.10 0.015
4 20 10 1.13 0.015
Oferta total superior à procura total.
Oferta total superior à procura total.
Exemplo 1: Plano de Produção.
Exemplo 1: Plano de Produção.
Este problema pode ser reformulado como um problema de transporte, tomando como:
Origem i - produção de motores no mês i
(i =1,2,3,4)
Destino j - instalação de motores no mês j
(j=1,2,3,4)
xij - quantidades de motores produzidos no mês i a serem instalados no mês j
xij = 0, se i>j (primeiro produzir, depois instalar)
cij - custo por unidade de produção e armazenamento
cij= M, se i>j, como não existe custo real associado com estes dados, podem ser penalizados com um M arbitrariamente grande.
x11 + x12 + x13+ x14 25 x21 + x22 + x23+ x24 35 x31 + x32 + x33+ x34 30 x41 + x42 + x43+ x44 10
Como estas restrições são de desigualdade é preciso introduzir variáveis de folga para converte-las em restrições de igualdade.
Isto significa que é preciso introduzir um destino fictício, em que as variáveis de folga representam a capacidade de produção não utilizada em cada mês . Como estas restrições são de desigualdade é preciso introduzir variáveis de
folga para converte-las em restrições de igualdade.
Isto significa que é preciso introduzir um destino fictício, em que as variáveis de folga representam a capacidade de produção não utilizada em cada mês .
Oferta total superior à procura total.
Oferta total superior à procura total.
Exemplo 1. Restrições de ofertas.
Exemplo 1. Restrições de ofertas.
As restrições de oferta correspondem à produção de motores para cada mês i. Estas restrições são de desigualdade
limitadas pela capacidade máxima de produção por mês.
0.015 1.10
30 25
3
10 35 25 Produção
máxima
1.13 1.11 1.08 Custo unitário de produção
20 15 10 Instalações programadas
0.015 4
0.015 2
1
Custo unitário de armazenamento Mês
0.015 1.10
30 25
3
10 35 25 Produção
máxima
1.13 1.11 1.08 Custo unitário de produção
20 15 10 Instalações programadas
0.015 4
0.015 2
1
Custo unitário de armazenamento Mês
x11 + x21 + x31+ x41 = 10 x12 + x22 + x32+ x42 = 15 x13 + x23 + x33+ x43 = 25 x14 + x24 + x34+ x44 = 20
Como é impossível produzir motores num mês determinado para serem instalados num mês anterior, todas as variáveis de decisão correspondentes
a i >j devem ser nulas. Para obter isto, é preciso penalizar os custos correspondentes a estas variáveis com um M arbitrariamente grande, tal
como no método do “big M”.
Como é impossível produzir motores num mês determinado para serem instalados num mês anterior, todas as variáveis de decisão correspondentes
a i >j devem ser nulas. Para obter isto, é preciso penalizar os custos correspondentes a estas variáveis com um M arbitrariamente grande, tal
como no método do “big M”.
Oferta total superior à procura total.
Oferta total superior à procura total.
Exemplo 1. Restrições de procuras.
Exemplo 1. Restrições de procuras.
As restrições de procura correspondem ao plano de
instalação para cada mês
j
. Estas restrições são de igualdade, correspondendo ao número de instalações requisitadas para cada mês.0.015 1.10
30 25
3
10 35 25 Produção
máxima
1.13 1.11 1.08 Custo unitário de produção
20 15 10 Instalações programadas
0.015 4
0.015 2
1
Custo unitário de armazenamento Mês
0.015 1.10
30 25
3
10 35 25 Produção
máxima
1.13 1.11 1.08 Custo unitário de produção
20 15 10 Instalações programadas
0.015 4
0.015 2
1
Custo unitário de armazenamento Mês
3030 Destino
Origem 1 2 3 4 1 2 3 4 55 Oferta
11 22 33 44
2525 3535 3030 1010 Procura 10 10 1515 25 25 2020 3030
1.080 1.080
xx1111 xx1212 xx1414 xx2121 xx2222 xx2424
xx1515 xx2525 1.095
1.095 1.1101.110 1.1251.125 xx1313
M
M 1.1101.110 1.1251.125 1.1401.140 xx2323
M
M MM 1.1001.100 1.1151.115 xx3131 xx3232 xx3333 xx3434 xx3535
MM MM MM 1.1301.130 xx4141 xx4242 xx4343 xx4444 xx4545
00 00 00 00
Este problema reformulado como problema de transporte apresenta o seguinte quadro:
Os custos são calculados tomando os dados dos custos
de produção e de
armazenamento. Por exemplo para a variável xx24 24 que
representa o número de motores produzidos no mês 22
a serem instalados no mês 4, 4, o custo correspondente c24 = 1.11 + 0.015+0.015
=1.140
Os custos são calculados tomando os dados dos custos
de produção e de
armazenamento. Por exemplo para a variável xx24 24 que
representa o número de motores produzidos no mês 22
a serem instalados no mês 4, 4, o custo correspondente c24 = 1.11 + 0.015+0.015
=1.140
Como a oferta total é superior à procura total foi adicionado um destino fictício com uma procura igual a: Oferta Total -Procura Total = 100 -70 = 30 u.
Oferta total superior à procura total.
Oferta total superior à procura total.
Exemplo 1. Quadro do problema de transporte.
Exemplo 1. Quadro do problema de transporte.
Destin Orige o
m
1 2 … n 1 2 … n Oferta
1 1
2 2
.. . . ..
m m m+1 m+1
a a
11a a
22.. .. . .
a a
mmProcura b b
1 1b b
2 2… … b b
nn b b
j j- - a a
iicc11 11 cc1212 cc1n1n cc21 21 cc2222 cc2n2n
ccm1 m1 ccm2 m2 ccmnmn xx11 11 xx12 12 … … xx1n 1n
xx21 21 xx22 22 … … xx2n 2n
xxm1 m1 xxm2 m2 … … xxmn mn
.. .. ..
.. . .. .
.. . .. .
xxm+1,1 m+1,1 00 xxm+1,2 m+1,2 00 xx 00
m+1,n m+1,n
… …
Origem fictícia
Problema de Transporte.
Problema de Transporte.
Oferta total inferior à procura total
Oferta total inferior à procura total
Oferta total inferior à procura total Oferta total inferior à procura total
Exemplo 2: distribuição de recursos de agua.
Exemplo 2: distribuição de recursos de agua.
Uma empresa administra a distribuição de água de uma região. Para isto é preciso canalizar a água de 3 rios que estão situados fora da região e distribui-la para 4 cidades.
Agora o gerente da empresa pretende distribuir toda a água disponível dos 3 rios para as 4 cidades, de forma a pelo menos satisfazer as necessidades essenciais de cada uma, minimizando o custo total.
Os dados dos custos e requerimentos para o plano de distribuição de água são os seguintes:
os custos por unidade de medida.
A cidade 3 tem uma fonte independente da água que satisfaz as suas necessidades mínimas
A cidade 3 tem uma fonte independente da água que satisfaz as suas necessidades mínimas
O rio 3 não pode fornecer a cidade 4, o que significa nos termos do problema de transporte que este percurso é impossível.
Neste caso é preciso penalizar este percurso com um M arbitrariamente grande.
O rio 3 não pode fornecer a cidade 4, o que significa nos termos do problema de transporte que este percurso é impossível.
Neste caso é preciso penalizar este percurso com um M arbitrariamente grande.
A cidade 4 aceita toda a água que seja possível enviar além da sua necessidade mínima de 10 u.m.
A cidade 4 aceita toda a água que seja possível enviar além da sua necessidade mínima de 10 u.m.
Oferta total inferior à procura total Oferta total inferior à procura total
Exemplo 2: distribuição de recursos de água.
Exemplo 2: distribuição de recursos de água.
Cidade
Rio
1 2 3 4 Fornece
1 16 13 22 17 50
2 14 13 19 15 60
3 19 20 23 - 50
Necessidades
mínimas 30 70 0 10
Procura 50 70 30
Oferta total inferior à procura total Oferta total inferior à procura total
Exemplo 2: distribuição de recursos de água.
Exemplo 2: distribuição de recursos de água.
Este problema pode ser reformulado como um problema de transporte, tomando como:
Origem i – o rio i (i =1,2,3)
Destino j – a cidade j (j=1,2,3,4)
xij - quantidade de água a enviar do rio i para a cidade j
cij - custo unitário da distribuição da água do rio i para a cidade j
x11 + x12 + x13+ x14 = 50 x21 + x22 + x23+ x24 = 60 x31 + x32 + x33+ x34 = 50
Oferta total inferior à procura total Oferta total inferior à procura total Exemplo 2. Restrições de ofertas.
Exemplo 2. Restrições de ofertas.
As restrições de oferta correspondem às restrições dos rios (origens). Como deverá ser distribuída toda a água disponível dos 3 rios, estas 3 restrições são de igualdade, uma para
cada rio.
10 0
70
Necessidades 30
mínimas
- 15 17 4
50 23
20 19
3
70 13 13 2
30 19 22 3
50 14 16 1
Procura
60 2
50 1
Fornece Cidade
Rio
10 0
70
Necessidades 30
mínimas
- 15 17 4
50 23
20 19
3
70 13 13 2
30 19 22 3
50 14 16 1
Procura
60 2
50 1
Fornece Cidade
Rio
x11 + x21 + x31 50
Cidade 1
Cidade 1: procura > necessidade Cidade 1
Cidade 1: procura > necessidade
x11 + x21 + x31 30 limite inferiorlimite inferior limite superior limite superior
Cidade 2
Cidade 2: procura = necessidade Cidade 2
Cidade 2: procura = necessidade
x12 + x22 + x32 = 70 x13+ x23 + x33 30
Cidade 3
Cidade 3: procura > necessidade Cidade 3
Cidade 3: procura > necessidade
limite superior limite superior
Cidade 4
Cidade 4: procura > necessidade Cidade 4
Cidade 4: procura > necessidade
x14 + x24 + x34 10 limite inferiorlimite inferior
x14 + x24 + x34 60 limite superiorlimite superior O limite superior para a cidade 4 pode ser calculado
como a diferença entre a oferta total (50+ 60+50=160) e a soma das necessidades mínimas para as restantes
cidades (30+ 70 =100) 160 - 100 = 60160 - 100 = 60 unidades.
(a quantidade máxima que pode receber a cidade 4 )
Oferta total inferior à procura total Oferta total inferior à procura total Exemplo 2. Restrições de procura.
Exemplo 2. Restrições de procura.
As restrições de procura determinam a quantidade de água que deve ser fornecida a cada cidade, e têm limites superiores e inferiores (exceto a cidade 2, onde coincidem a procura com a necessidade
mínima).
10 0
70
Necessidades 30
mínimas
- 15 17 4
50 23
20 19
3
70 13 13 2
30 19 22 3
50 14 16 1
Procura
60 2
50 1
Fornece Cidade
Rio
10 0
70
Necessidades 30
mínimas
- 15 17 4
50 23
20 19
3
70 13 13 2
30 19 22 3
50 14 16 1
Procura
60 2
50 1
Fornece Cidade
Rio
Cidades
Origem 1 2 1 2 3 4 3 4 Oferta Rio 1
Rio 1 Rio 2 Rio 2 Rio 3 Rio 3 Rio Rio FicticioFicticio
5050 6060 5050
5050 Procura 50 50 7070 30 30 6060
1616 1313 1717
1414 1313 1515
00 00 00
xx1111 xx1212 xx1414 xx2121 xx2222 xx2424
xx4141 xx4242 xx4444 2222
xx1313
1919 xx2323
1919 2020 MM
xx3131 xx3232 2323 xx3434 xx3333
00 xx4343
Como a oferta total é inferior à procura total foi adicionada uma origem fictícia com uma oferta igual a:
Procura Total -Oferta Total = 210 -160 = 50 unidades.