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LOGÍSTICA REVERSA CAPACITADA EM DOIS NÍVEIS - UMA ABORDAGEM UTILIZANDO ALGORITMOS GENÉTICOS

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Academic year: 2021

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LOGÍSTICA  REVERSA  CAPACITADA  EM  DOIS  NÍVEIS  -­‐  UMA  ABORDAGEM  UTILIZANDO   ALGORITMOS  GENÉTICOS  

 

Victor  Miranda  Rangel  Silva  

Instituto de Computação – Programa de Pós-Graduação em Computação Universidade Federal Fluminense

Rua Passo da Pátria, 156, 3o andar, Niterói – RJ victormrsilva@gmail.com

Alan de Freitas

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Universidade Federal de Minas Gerais Av. Antônio Carlos, 6627, Belo Horizonte – MG

alandefreitas@gmail.com

Frederico Gadelha Guimarães e Felipe Campelo Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal de Minas Gerais Av. Antônio Carlos, 6627, Belo Horizonte – MG fredericoguimaraes@ufmg.br, fcampelo@ufmg.br

RESUMO  

Logística  reversa  é  o  nome  dado  ao  retorno  de  produtos  do  cliente  ao  fornecedor,   seja   por   estar   defeituoso,   causar   dano   ao   meio   ambiente,   ou   para   reciclagem.   Neste   trabalho,   estudamos   o   problema   de   logística   reversa   capacitada   em   dois   níveis,   onde   os   clientes  tem  a  opção  de  enviar  os  produtos  ao  fornecedor  ou  para  um  ponto  de  coleta,  que   em   seguida   envia   os   produtos   de   volta   ao   fornecedor.   São   descritas   neste   trabalho   heurísticas  para  decisão  de  facilidades  abertas,  algoritmos  para  definir  como  o  roteamento   de  produtos  deve  ser  feito  e  operadores  genéticos  específicos,  bem  como  a  comparação  do   método  proposto  com  outras  heurísticas  existentes  para  resolução  do  problema.  Os  testes   mostraram  a  eficiência  do  algoritmo  genético  proposto  em  relação  às  heurísticas  existentes.   PALAVARAS  CHAVE.  Algoritmo  Genético,  Logística,  Inteligência  Artificial  

ABSTRACT  

Reverse   Logistics   refers   to   the   return   of   products   from   customers   to   manufacturers,  be  it  because  it  is  broken,  pollutes  the  environment  or  needs  to  be  recycled.   In  this  paper,  we  study  the  problem  with  two  levels,  in  which  the  products  are  transported   from   origination   points   to   the   refurbishment   sites   through   collection   sites.   We   describe   heuristics   for   deciding   locations,   algorithms   for   defining   routes   for   the   products,   and   problem-­‐specific   genetic   operators.   We   also   present   a   comparison   between   the   proposed   method  and  the  heuristics  from  the  literature.  The  results  show  that  genetic  algorithms  are   significantly  more  efficient  than  heuristics  for  this  problem.  

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1. Introdução

Anteriormente,   quando   uma   empresa   realizava   a   distribuição   de   um   produto,   assumia-­‐se  que  o  único  fluxo  a  ser  otimizado  era  o  da  distribuição  de  produtos  do  produtor   para  os  consumidores.  Porém,  há  muitos  casos  em  que  os  produtos  precisam  ser  devolvidos   para   o   produtor   para   serem   trocados,   consertados   ou   até   mesmo   reciclados.   A   logística   reversa  é  definida  como  sendo  as  atividades  que  envolvem  o  transporte  físico  do  produto   do  consumidor  final  para  o  produtor,  ou  seja,  o  fluxo  reverso  do  processo  de  distribuição   habitual.  Há  muito  tempo  a  logística  reversa  vem  tendo  destaque  cada  vez  maior,  já  que  o   custo  do  fluxo  reverso  pode  sobrepor  o  custo  de  distribuição  dos  produtos  para  os  clientes   (Min,   1989).   Além   disso,   ter   produtos   que   se   preocupam   com   questões   ecológicas   está   se   tornando  um  elemento  de  marketing  para  as  empresas  (Srivastava,  2008).    

De   acordo   com   soluções   da   literatura   (Jayaraman   et   al,   2003),   foi   estudada   uma   formulação  para  o  problema  de  logística  reversa  capacitado  em  dois  níveis  (Seção  2).    Aqui,   o   primeiro   nível   representa   locais   de   coleta   (como   depósitos),   onde   os   produtos   são   temporariamente  armazenados  até  que  sejam  enviados  para  locais  de  recondicionamento   (como  fábricas  de  reciclagem).  

Essa   formulação   do   problema   pode   ser   reduzida   para   outro   problema   NP-­‐ completo  que  possui  heurísticas  já  desenvolvidas  para  solucioná-­‐lo  (Seção  3).  Além  do  uso   das  heurísticas  conhecidas  para  o  problema,  estudou-­‐se  a  possibilidade  de  usar  algoritmos   genéticos   para   a   formulação   dada.   O   problema   pode   ser   modelado   com   o   custo,   limites   e   capacidades   de   cada   local   de   coleta   e   recondicionamento   além   do   custo   de   envio   dos   produtos  (Seção  4).  Uma  solução  para  o  problema  deve  incluir  quais  locais  serão  abertos  e   qual  o  melhor  caminho  a  ser  utilizado  para  envio  dos  produtos.  

Dada   a   formulação   para   o   problema,   foi   desenvolvida   neste   trabalho   uma   heurística   gulosa   para   decidir   quais   locais   são   abertos   (Seção   5.1),   uma   heurística   de   roteamento   para   definir   o   melhor   caminho   para   envio   dos   produtos   (Seção   5.3),   um   algoritmo  genético  e  operadores  específicos  para  evoluir  soluções  (Seção  6),  um  conjunto   de   25   instâncias   com   5   configurações   diferentes   (Seção   7.1)   e   experimentos   com   4   heurísticas  e  6  algoritmos  genéticos  para  o  problema  (Seção  7).  

Na   análise   dos   resultados   (Seção   7.3),   pode-­‐se   perceber   que   os   algoritmos   genéticos   podem   gerar   soluções   significantemente   melhores   do   que   as   heurísticas.   Com   isso,  conclui-­‐se  (Seção  8)  a  eficiência  dos  algoritmos  genéticos  para  este  problema.  

2. Fluxo de Distribuição Reversa

O   fluxo   reverso   de   produtos   é   muito   diferente   do   problema   de   distribuição   tradicional,  já  que  os  produtos  normalmente  não  podem  ser  transportados  da  mesma  forma   e  os  envios  normalmente  contêm  poucos  produtos.  O  custo  de  envio  do  consumidor  para  o   produtor  pode  ser  maior  do  que  o  caminho  inverso  (Fleishmann  et  al,  1997).  

Há   muitas   variações   deste   problema,   usando   diferentes   produtos,   níveis,   frotas   heterogêneas  e  junção  com  o  fluxo  de  distribuição  habitual  (Melo  et  al,  2009)  .  A  formulação   considerada  neste  trabalho  foca-­‐se  apenas  na  distribuição  reversa  de  um  tipo  de  produto.     Aqui,  os  produtos  estão  inicialmente  localizados  no  varejo  ou  com  os  próprios  clientes.  Em  

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seguida,   vão   para   um   local   de   coleta   ou   recondicionamento,   formando   um   problema   de   distribuição   em   dois   níveis   (Jayaraman   et   al,   2003).   Além   do   custos   de   transporte,   cada   facilidade  possui  um  custo  de  ativação  ou  abertura.  

Uma   solução   do   problema   consiste   dos   locais   de   recondicionamento   e   de   coleta   que  são  abertos  e  as  rotas  pelas  quais  os  produtos  são  entregues.  

Este   problema   tem   implicações   para   empresas   que   precisam   da   distribuição   reversa.  Elas  precisam  estar  preparadas  para  um  grande  número  de  expectativas,  riscos  e   impactos,  tornando  importantes  certas  recomendações  gerenciais  (Horvath  et  al,  2005).  

Quando  não  há  locais  de  coleta,  a  formulação  do  problema  utilizada  neste  trabalho   é   reduzida   ao   problema   conhecido   como   Capacited   Facilities   Location   Problem,   que   é   NP-­‐ Completo  (Davis;  Ray,  1969).  A  dificuldade  de  encontrar  uma  solução  ótima  para  um  grande   conjunto  de  instâncias  em  tempo  polinomial  justifica  o  uso  de  heurísticas  para  o  problema.  

3. Soluções

De  posse  de  um  modelo  matemático  para  o  problema,  comparou-­‐se  a  eficiência  de   10  métodos.  O  modelo  define  custos,  possíveis  locais  a  serem  abertos,  capacidade  de  cada   local,  número  de  produtos  localizados  nas  origens,  quantidade  máxima  e  mínima  para  cada   tipo   de   local   e   custo   do   transporte   de   cada   local   de   origem   para   cada   local   de   recondicionamento   através   dos   locais   de   coleta.   Diferentes   heurísticas   são   descritas   para   decidir  quais  locais  devem  ser  abertos  e  para  calcular  as  rotas  para  os  produtos.  

Dentre   os   métodos   para   decidir   quais   locais   devem   ser   abertos,   tem-­‐se   uma   heurística   gulosa   (Seção   5.1)   e   a   Heuristic   Concentration   (Rosing;   ReVelle,   1997   e   Jayaraman,  2003)  (Seção  5.2).    

Definido  quais  locais  devem  ser  abertos,  calcula-­‐se  as  rotas  que  serão  feitas  para   os  produtos  irem  dos  locais  de  origem  até  os  locais  de  recondicionamento.  Para  este  caso,   há  uma  ideia  gulosa  que  forma  uma  heurística  de  roteamento  (Seção  5.3)  ou  ainda  permite-­‐ se   definir   um   segundo   modelo   matemático   para   o   problema,   onde   os   locais   de   coleta   e   recondicionamento   são   considerados   parte   do   problema   e   a   solução   obtida   são   as   únicas   rotas  para  os  produtos  (Seção  5.4).  

Com   todas   essas   heurísticas   como   referência,   é   proposto   um   Algoritmo   Genético   (Seção  6)  que  pode  evoluir  as  soluções  geradas  por  essas  heurísticas.  

4. Modelagem do Problema

O  modelo  matemático  faz  as  seguintes  suposições  (Jayaraman  et  al,  2003):  

• Todos  os  produtos  localizados  nos  pontos  de  origem  devem  ser  devolvidos   para   locais   de   recondicionamento.   Locais   de   coleta   podem   intermediar   o   processo.  

• Uma  loja  (varejista)  é  considerada  como  ponto  de  origem.  O  cliente  estaria   inclinado  a  devolver  o  produto  para  o  ponto  de  origem  mais  próximo.  

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• Há   um   custo   para   abrir   (ou   ativar)   locais   de   coleta   e   locais   de   recondicionamento.  Há  um  limite  para  quantos  locais  devam  ser  abertos.  É   permitido   o   envio   de   produtos   diretamente   para   um   local   de   recondicionamento.  

Baseado  nessas  suposições,  o  modelo  (Jayaraman  et  al,  2003)  é  descrito  a  seguir:   • I  {i  |  i  é  um  local  de  origem}  

• J  {j  |  j  é  um  local  de  coleta}  

• K  {k  |  k  é  um  local  de  recondicionamento}.  

• 𝐶!"#  –  Custo  de  transportar  uma  unidade  do  local  de  origem  i  para  local  de   recondicionamento  k  através  do  local  de  coleta  j.  

• 𝐹!  –  Custo  de  abrir  o  local  de  coleta  j.  

• 𝐺!  –  Custo  de  abrir  o  local  de  recondicionamento  k.   • 𝑎!  –  número  de  produtos  no  local  de  origem  i.   • 𝐵!  –  Capacidade  máxima  do  local  de  coleta  j.    

• 𝐷!  –  Capacidade  máxima  do  local  de  recondicionamento  k.   • 𝑃!"#  -­‐  número  mínimo  de  locais  de  coleta  abertos.    

• 𝑃!"#  -­‐  número  máximo  de  locais  de  coleta  abertos.    

• 𝑄!"#  -­‐  número  mínimo  de  locais  de  recondicionamento  abertos.     • 𝑄!"#  -­‐  número  máximo  de  locais  de  recondicionamento  abertos.     Cada  solução  do  problema  é  definida  pelas  seguintes  variáveis  de  decisão:  

• 𝑋!"#  –  Fração  de  unidades  do  local  de  origem  i  transportadas  através  dos   locais  j  e  k  (j  =  0  é  usado  para  indicar  que  o  produto  vai  direto  para  k).   • 𝑃!  –  Indica  se  o  local  de  coleta  j  está  aberto.    

• 𝑄!  –  Indica  se  o  local  de  recondicionamento  k  está  aberto     A  função  objetivo  e  suas  10  restrições  são  dadas  abaixo:  

minimizar       ! ! !𝐶!"#𝑎!𝑋!"#+ !𝐹!𝑃!  +     !𝐺!𝑄!     sujeito  a:  

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2. ! ! !𝑎!𝑋!"# ≤   𝐵!  para  todo  𝑗   3. ! ! !𝑎!𝑋!"#≤   𝐷!  para  todo  𝑘  

4. 𝑋!"#   ≤   𝑃!  para  todo  𝑖, 𝑗  e  𝑘   5. 𝑋!"#   ≤   𝑄!  para  todo  𝑖, 𝑗  e  𝑘   6. 𝑃!"#   ≤   !𝑃!≤ 𝑃!"#    para  todo  𝑗   > 0   7. 𝑄!"#   ≤   !𝑄! ≤ 𝑄!"#    para  todo  𝑘   > 0   8. 0   ≤   !𝑋!"# ≤ 1     9. 0   ≤   𝑋!"# ≤ 1     10. 𝑃!   ∈  {0,  1}   11. 𝑄!   ∈  {0,  1}  

A  função  objetivo  consiste  em  minimizar  o  custo  de  enviar  produtos  e  de  abrir  os   locais  necessários  para  tal.  As  restrições  matemáticas  acima  representam  respectivamente:  

1. Todos  os  itens  são  devolvidos  para  um  local  de  recondicionamento.   2. Os  itens  enviados  através  de  cada  local  j  não  excedem  sua  capacidade.   3. Os  itens  enviados  para  cada  local  k  não  excedem  sua  capacidade.   4. Os  itens  só  são  enviados  para  j  se  j  estiver  aberto.  

5. Os  itens  só  são  enviados  para  k  se  k  estiver  aberto.  

6. Os  números  máximo  e  mínimo  de  locais  de  coleta  são  respeitados.  

7. Os   números   máximo   e   mínimo   de   locais   de   recondicionamento   são   respeitados.  

8. A  fração  de  itens  enviados  de  i  até  k  através  de  j  é  sempre  entre  0  e  1.   9. A  quantidade  de  itens  enviados  de  i  até  k  através  de  j  é  sempre  entre  0  e  1.   10. Os  locais  de  coleta  estão  apenas  fechados  ou  abertos  (0  ou  1).  

11. Os  locais  de  recondicionamento  estão  apenas  fechados  ou  abertos  (0  ou  1).   5. Heurísticas

Para  minimizar  o  custo  de  envio  dos  produtos,  deve-­‐se  primeiramente  selecionar   quais  locais  serão  abertos.  Quando  os  valores  𝑃!e  𝑄!  forem  determinados,  deve-­‐se  calcular   o  custo  mínimo  do  fluxo  para  estes  locais.  

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5.1. Heurística Gulosa

Baseada   em   um   princípio   guloso,   é   proposta   a   heurística   a   seguir   para   gerar   soluções:  

1. Ordene  todos  os  locais  de  coleta  𝑃!e  locais  de  recondicionamento  𝑄!  pela   razão  capacidade/custo.  

2. Sorteie  um  número  inteiro  entre  𝑃!"#  e  𝑃!"#  e  salve-­‐o  como  𝑃!"#$.  Sorteie   um  número  inteiro  entre  𝑄!"#  e  𝑄!"#  e  salve-­‐o  como  𝑄!"#$.  

3. Os   𝑃!"#$   locais   de   coleta   com   a   maior   razão   capacidade/custo   serão   abertos.   Os   𝑄!"#$   locais   de   recondicionamento   com   a   maior   razão   capacidade/custo  serão  abertos.  

5.2. Heuristic Concentration

Inspirado  pelo  algoritmo  de  heuristic  concentration  originalmente  proposto  para  o   problema  de  p-­‐medianas  (Rosing;  ReVelle,  1997),  uma  abordagem  similar  foi  proposta  para   este  problema  de  logística  reversa  (Jayaraman  et  al,  2003).  A  principal  ideia  por  trás  deste   procedimento  é  identificar  locais  em  potencial  que  possam  pertencer  à  solução.  Com  isso,   temos  a  seguinte  heurística:  

1. Seleção   aleatória:   seleção   aleatória   dos   possíveis   locais   de   coleta   e   recondicionamento.   Para   um   certo   número   de   iterações,   um   subconjunto   de   𝑃!"#   locais   de   coleta   e   𝑄!"#   locais   de   recondicionamento   é   escolhido   aleatoriamente   e,   com   isso,   realiza-­‐se   o   roteamento   dos   produtos   com   ajuda  de  outro  algoritmo,  como  os  apresentados  nas  seções  5.3  e  5.4.  Todas   soluções  são  salvas  e  a  melhor  solução  é  marcada.  

2. Heuristic   Concentration:   Os   locais   de   coleta   e   recondicionamento   mais   utilizados   nas   melhores   soluções   são   adicionados   à   melhor   solução   encontrada  na  fase  de  seleção  aleatória  e  o  problema  é  resolvido  de  forma   ótima.   Essa   nova   solução   é   comparada   à   melhor   solução   da   etapa   de   solução  aleatória.  

3. Expansão  Heurística:  adicionar  cada  local  não  utilizado  à  melhor  solução  e   resolver   o   problema.   Se   uma   solução   melhor   for   encontrada   deve-­‐se   marcá-­‐la,  mas  ainda  não  substituir  a  melhor  solução  por  esta.  Verificar  se   algum   local   não   utilizado   possui   uma   solução   melhor   do   que   a   nova   solução  encontrada.  Repetir  este  processo  até  que  não  haja  mais  locais  não   utilizados.  Parar  quando  nenhuma  solução  melhor  for  encontrada.  

5.3. Heurística de Roteamento

Com   os   locais   abertos   para   cada   nível,   deve-­‐se   agora   definir   as   rotas   em   que   os   produtos   chegarão   aos   locais   de   recondicionamento.   A   ideia   desta   heurística   consiste   em   sempre   transportar   os   produtos   através   dos   locais   que   são   mais   próximos   do   ponto   de   origem.  O  algoritmo  dessa  heurística  seria:  

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1. Dentre   as   rotas   válidas   para   os   produtos,   escolher   aquela   com   menor  custo.  

2. Enviar  a  maior  quantidade  possível  de  produtos  através  desta  rota   e  atualizar  as  capacidades.  

3. Se  ainda  houver  produtos  no  local  de  origem,  enviar  pela  próxima   melhor  rota.  Caso  contrário,  examinar  outro  local  de  origem.   Esta   abordagem   não   garante   que   a   rota   ótima   seja   encontrada,   mas   possui   a   grande  vantagem  de  ter  um  custo  computacional  mais  baixo  do  que  os  métodos  exatos.  

5.4. SIMPLEX

Enquanto   consideramos   que   os   locais   P   e   Q   não   são   variáveis   de   decisão   no   problema  de  roteamento,  tem-­‐se  a  seguinte  formulação:  

minimizar       ! ! !𝐶!"#𝑎!𝑋!"#   sujeito  a:   𝑋!"# ! ! = 1, para  todo  𝑖   𝑎!𝑋!"# ! ! ! ≤   𝐵!  para  todo  𝑗 > 0   𝑎!𝑋!"# ! ! ! ≤   𝐷!  para  todo  𝑘   0   ≤   𝑋!"# ! ≤ 1     𝑋!"#≤ 𝑃!, para  todo  𝑖, 𝑗, 𝑘   𝑋!"# ≤ 𝑄!, para  todo  𝑖, 𝑗, 𝑘   0   ≤   𝑋!"# ≤ 1    

Essa  formulação  é  um  problema  de  programação  linear  que  pode  ser  resolvido  por   um  algoritmo  SIMPLEX  para  encontrar  o  valor  ótimo  de  𝑋!"#  em  tempo  polinomial.  

6. Algoritmo Genético

Neste  trabalho,  utilizou-­‐se  uma  abordagem  baseada  em  Algoritmos  Genéticos  (AG)   (Reeves,   2010).   Para   poder   evoluir   as   soluções   de   forma   eficiente,   foram   definidos   operadores  genéticos  específicos  para  o  problema  e  as  heurísticas  apresentadas  são  usadas   como  abordagens  para  gerar  novas  soluções.  

Cada  indivíduo  da  população  é  representado  por  dois  vetores  que  representam  os   valores  de  cada  variável  P  e  Q  (Seção  4).  As  restrições  para  o  problema  são  satisfeitas  pelos   operadores  genéticos  desenvolvidos,  o  que  simplifica  a  solução  dos  problemas  pelo  AG.  Na  

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abordagem  apresentada,  o  AG  procura  por  bons  valores  de  P  e  Q,  enquanto  as  heurísticas   apresentadas  nas  seções  5.3  e  5.4  foram  usadas  para  calcular  o  valor  de  X.  

Se  houver  algum  caso  em  que  as  capacidades  dos  locais  não  são  suficientes  para   receber  os  produtos  dos  locais  de  origem,  a  aptidão  destas  soluções  inviáveis  é  penalizada   de  modo  a  ser  sempre  pior  do  que  das  soluções  viáveis.  

Os  valores  finais  de  aptidão  dos  indivíduos  são  obtidos  pelo  seu  rank  (Kreinovich   et  al,  1993).  Uma  seleção  estocástica  (Runarsson;  Yao,  2000)  é  usada  para  decidir  quais  pais   vão  gerar  filhos.  

Além   das   funções   de   aptidão,   os   operadores   genéticos   também   são   importantes   para   implicitamente   filtrar   soluções   (Freitas;   Guimarães,   2011).   Neste   trabalho   foi   usado   um  operador  de  cruzamento  que  mantém  abertos  os  locais  que  possivelmente  podem  levar   a  bons  valores  de  aptidão.  O  operador  funciona  da  seguinte  forma:  

1. O   número   de   locais   abertos   pelos   filhos   goal   é   um   número   inteiro   proporcional  à  aptidão  de  cada  pai  P  na  forma   !"#!!!!!"#!!!

!"#!!!"#! +  0,5 .  

2. 𝐴 = 𝑃!∪   𝑃!  e  𝐵 =   𝑃!∪   𝑃!   −   𝑃!∩   𝑃!    

3. Adicionar  elementos  de  B  em  A  aleatoriamente  até  que  |A|  =  goal  

A   mutação   utilizada   neste   trabalho   se   resume   a   abrir   ou   fechar   um   local   aleatoriamente,  respeitando-­‐se  os  limites  para  P  e  Q.  

A  probabilidade  inicial  de  acontecer  um  cruzamento  para  cada  indivíduo  ind  foi  de   𝑐𝑝!"#  = 90%   enquanto   a   probabilidade   inicial   de   mutação   foi   de   𝑚𝑝!"#  = 5%.   Estes   valores  foram  adaptados  (Whitacre,  2007)  a  cada  geração  para  cada  indivíduo.  

O  algoritmo  genético  utilizou  uma  população  de  40  indivíduos  que  foi  inicializada   aleatoriamente,   utilizando   a   heurística   gulosa   (Seção   5.1)   ou   a   Heuristic   Concentration   (Seção  5.2).  

7. Metodologia

7.1. Instâncias Utilizadas

Para   gerar   as   instâncias,   os   locais   de   origem,   recondicionamento   e   coleta   foram   dispostos  aleatoriamente  em  um  quadrado  100  x  100.  Então,  baseando-­‐se  em  um  método   existente   para   geração   de   instâncias   (Jayaraman   et   al,   2003),   os   seguintes   valores   foram   utilizados:  

• 𝐹!= 0.1 1, 10000 +   𝐵! 0, 10   • 𝐺! = 0.1( 1, 25000 +   𝐷! 0, 100 )  

• 𝐶!"#= Distância  euclidiana  de  i  para  j  e  de  j  para  k   • 𝑎! = [0, 500],  𝐵!= 0, 6000 ,  𝐷! = 0, 30000  

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Os  parâmetros  |I|,  |J|,  |K|,  𝑃!"#  e  𝑄!"#  foram  configurados  para  gerar  5  conjuntos   de  instâncias.  Os  parâmetros  𝑃!"#  e  𝑄!"#  são  iguais  a  1.  Os  valores  para  cada  conjunto  de   instância  estão  na  Tabela  1.  As  instâncias  utilizadas  nesse  trabalho  estão  disponíveis  com  os   autores1.     |I|   |J|   |K|   𝑃!"#   𝑄!"#   Conjunto  1   30   14   12   4   2   Conjunto  2   40   20   15   6   4   Conjunto  3   50   30   20   6   4   Conjunto  4   70   30   20   6   4   Conjunto  5   100   40   30   8   4   Tabela  1:  Instâncias   7.2. Resultados Computacionais

Para  avaliar  o  desempenho  dos  métodos  baseados  no  AG  em  comparação  com  as   outras  heurísticas  utilizadas  na  solução  do  problema  de  distribuição  reversa  em  dois  níveis,   foi   realizado   um   experimento   comparativo   consistindo   na   aplicação   de   11   diferentes   métodos   em   25   instâncias   do   problema,   5   para   cada   conjunto   de   instâncias   descritos   na   Tabela  1.  

Será   usada   a   seguinte   notação   para   os   algoritmos   comparados   nesse   trabalho:   Algoritmo   Guloso   (Gr),   Heuristic   Concentration   (CH),   heurística   de   roteamento   (RH),   roteamento  Simplex  (SR),  Algoritmos  Genéticos  (GA),  população  inicial  aleatória  (RS).  Neste   experimento  foram  comparadas  quatro  heurísticas  não-­‐evolucionárias  e  sete  AG,  conforme   descrito  na  Tabela  2.  Dez  replicações  do  experimento  foram  realizadas  com  o  objetivo  de   investigar   a   existência   de   diferenças   de   desempenho   médio   ao   longo   das   25   instâncias   usadas.   O   desempenho   dos   métodos   foi   definido   como   sendo   o   valor   da   função   objetivo   obtido  ao  final  de  cada  rodada  algorítmica.  Para  a  heurística  gulosa,  (A  e  B),  o  critério  de   parada   utilizado   foi   a   convergência   do   método.   Para   a   CH,   a   fase   de   Seleção   Aleatória   foi   executada  100  vezes,  e  o  critério  de  parada  também  foi  a  convergência  do  método  após  a   fase   de   Expansão   Heurística.   Finalmente,   o   critério   de   parada   utilizado   para   os   GAs   foi   o   tempo   de   execução,   estabelecido   como   30   segundos.   Os   valores   finais   médios   alcançados   por  cada  método  em  cada  conjunto  de  instâncias  são  descritos  na  Tabela  3.  

Método   Meta-­‐Heurística   Heurística   Roteamento  

A     Gr   +  RH   B     Gr   +  SR   C     CH   +  RH   D     CH   +  SR   E   GA   +  RS   +  RH   F   GA   +  RS   +  SR   G   GA   +  Gr   +  RH                                                                                                                             1  http://www.alandefreitas.com/ptbr/downloads/instancias-­‐de-­‐problemas.php  

(10)

H   GA   +  Gr   +  SR  

I   GA   +  CH   +  RH  

J   GA   +  CH   +  SR  

K   GA22   +  RS   +  RH  

Tabela  2:  Métodos  Comparados   Conjunto   Instâncias   Método   A   Método   B   Método   C   Método   D   Método   E   Método   F   Método   G   Método   H   Método   I   Método   J   Método   K   1   0,1088   0,0876   0,0222   0,0515   0,0010   0,0010   0,0011   0,0011   0,0011   0,0010   0,0012   2   0,0026   0,0024   0,0029   0,0029   0,0011   0,0016   0,0011   0,0017   0,0011   0,0016   0,0019   3   0,4873   0,0044   0,0054   0,0053   0,0019   0,0024   0,0019   0,0024   0,0019   0,0024   0,0028   4   0,2266   0,8976   0,0028   0,0026   0,0015   0,0016   0,0015   0,0016   0,0015   0,0016   0,0018   5   3,0399   4,3570   0,0047   0,0048   0,0030   0,0030   0,0031   0,0031   0,0030   0,0030   0,0034  

Tabela  3:  Valores  Médios  da  Função  Objetivo  (x  10!)  

O   tipo   de   investigação   descrito   acima   requer   um   planejamento   experimental   conhecido   como   Análise   de   Variância   de   fator   único   (ANOVA).   Neste   planejamento   os   métodos   de   otimização   são   definidos   como   níveis   do   fator   experimental   Método,   e   as   instâncias  como  um  fator  de  blocagem,  cujos  efeitos  serão  removidos  de  forma  a  permitir   uma   comparação   dos   métodos   ao   longo   de   todos   os   problemas   (Montgomery,   2008).   A   ordem   das   observações   foi   definida   aleatoriamente   para   todas   as   replicações,   de   forma   a   minimizar   tendenciosidades   temporais   nos   dados,   devidas   à   possível   co-­‐ocorrência   de   outros   processos   em   execução   no   computador.   Para   todos   os   testes   foi   estabelecido   um   nível  de  significância  de  95%.  Todas  as  análises  estatísticas  foram  realizadas  utilizando-­‐se  o   ambiente  R  (R  Development  Core  Team,  2011).  

7.3. Análise dos Resultados

Após   uma   análise   preliminar   utilizando-­‐se   a   ANOVA   paramétrica   (teste   F),   observou-­‐se   um   desvio   moderado   de   normalidade   dos   resíduos.   Dado   que   o   tamanho   amostral  utilizado  neste  estudo  foi  moderadamente  baixo  (n=10  para  cada  combinação  de   instância   e   método),   optou-­‐se   pela   utilização   do   teste   de   Friedman   (Montgomery   and   Runger,   2006),   que   representa   uma   alternativa   não   dependente   da   premissa   de   normalidade  dos  resíduos.  

Os   resultados   deste   teste   foram   altamente   significativos   (p   <   2.2e-­‐16),  indicando   que   ao   menos   alguns   dos   métodos   testados   apresentam   diferenças   significativas   de   desempenho   entre   as   instâncias   testadas.   Para   investigar   quais   os   métodos   responsáveis  

                                                                                                                         

2  Algoritmo  Genético  proposto  por  (Costa,  2007),  com  a  seguinte  configuração:  Seleção  de  

torneio  binário,  crossover  de  fusão,  mutação  de  troca  de  nodos,  troca  de  apenas  metade  da  geração   anterior,  tamanho  da  população  de  2.|J|,  probabilidade  de  crossover  de  0,5,  probabilidade  de  mutação   de  0,1.  

(11)

por   esta   diferença,   estimadores   pontuais   e   intervalos   de   confiança   simultâneos   para   os   ranks  médios  de  cada  algoritmo  foram  obtidos  utilizando-­‐se  métodos  de  bootstrap  (Davison   and   Hinkley,   1997).   Os   intervalos   de   confiança   obtidos   foram   ajustados   utilizando-­‐se   a   correção  de  Bonferroni  (Montgomery,  2008),  e  são  mostrados  na  Figura  1.  

A  partir  de  uma  análise  dos  intervalos  de  confiança  ilustrados  na  Figura  1,  pode-­‐se   observar   que   os   métodos   testados   podem   ser   divididos   em   quatro   grupos,   em   ordem   decrescente  de  desempenho  médio:  (i)  algoritmos  genéticos  hibridizados  com  a  heurística   de  roteamento;  (ii)  algoritmos  genéticos  com  roteamento  simplex;  (iii)  algoritmo  genético   de   Costa   et   al,   com   inicialização   aleatória   e   heurística   de   roteamento;   (iv)   heurísticas.   É   interessante   notar   que   as   técnicas   de   inicialização   da   população   nos   AGs   não   parecem   exercer   qualquer   influência   significativa   no   desempenho   final   dos   mesmos,   quando   integrado   ao   longo   de   múltiplos   problemas.   em   termos   de   desempenho   médio,   métodos   baseados  em  AG  foram  significativamente  superiores  às  heurísticas,  e  aqueles  utilizando  a   heurística   de   roteamento   apresentaram   vantagem   significativa   sobre   os   que   utilizaram   simplex.  

8. Conclusão e Trabalhos Futuros

Comparando  as  técnicas  utilizadas  para  o  problema  de  distribuição  reversa  em  dois   níveis,   foi   possível   observar   que   o   uso   de   algoritmos   genéticos   pode   melhorar   significantemente  os  resultados  quando  comparados  às  outras  heurísticas  estudadas.  

A  inicialização  da  população  inicial  com  métodos  diferentes  não  parece  influenciar   a   performance   dos   algoritmos   genéticos.   Por   outro   lado,   a   utilização   da   heurística   de   roteamento   apresentou   resultados   bastante   promissores,   embora   este   estudo   não   tenha   sido  elaborado  de  forma  a  explorar  exaustivamente  esta  questão.  

Ideias  para  trabalhos  futuros  incluem  o  uso  de  GAs  para  o  cálculo  de  roteamento,   avaliação  de  outros  operadores  genéticos,  testes  em  instâncias  maiores  e  com  maior  tempo   limite,  e  a  exploração  dos  efeitos  dos  diferentes  parâmetros  do  GA.    

9. Agradecimentos

Este   trabalho   foi   realizado   com   o   apoio   financeiro   da   CAPES,   CNPq   (projeto   472446/2010-­‐0)  e  FAPEMIG  (projeto  APQ-­‐04611-­‐10).  

Referências

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(12)

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Referências

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