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Tipo: Tese
Título: O problema de alocação de pontos de controle
Título em inglês: The checkpoint allocation problem
Autor(es): Figueredo, Pedro Jorge de Abreu
Orientador: Campêlo Neto, Manoel Bezerra
Coorientador: Santos, Marcio Costa
Palavras-chave em português: Programação Linear Inteira;Heurística Lagrangiana;Meta-heurística;Problema em grafos com conflitos
Palavras-chave em inglês: Integer Linear Programming;Lagrangian Heuristic;Meta-heuristic;Graph problem with conflicts
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Data do documento: 2025
Citação: FIGUEREDO, Pedro Jorge de Abreu. O problema de alocação de pontos de controle. 2025. 138 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: Introduzimos formalmente o Problema de Alocação de Pontos de Controle Multi-período com Conflitos (PAPCMC), que aloca unidades de controle indivisíveis e móveis em localizações discretas ao longo de um horizonte temporal finito, maximizando o peso total das alocações sob restrições de exclusividade, compatibilidade e deslocamento. Mostramos que PAPCMC pode ser reduzido a um Problema de Atribuição com Conflitos (Assignment Problem with Conflicts (APC)). Adicionalmente, provamos tratar-se de um problema NP-difícil, mesmo com apenas dois períodos de tempo, a partir de uma redução do problema (3,B2)-SAT. Apresentamos dois modelos de programação linear inteira alternativos para o problema: BLP1, que traduz uma solução como um conjunto independente máximo, e BLP2, que representa o PAPCMC como um problema de fluxo de custo máximo com restrições de conflito. Mostramos que BLP2 possui relaxação linear pelo menos tão forte quanto a de BLP1 e que pode ser resolvida em tempo polinomial quando todas as equipes compartilham escalas idênticas. Além disso, sua estrutura em blocos permite resolver subproblemas por equipe, inspirando heurísticas eficientes. Projetamos três heurísticas principais — Heurística Gulosa - União de Caminhos (HGC), Heurística Gulosa - União de Emparelhamentos (HGE) e Heurística Lagrangiana (HL) — além de versões inspiradas em métodos Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) e Ant Colony Optimization (ACO). Criamos um conjunto de 15198 instâncias realistas a partir de dados públicos da cidade de Nova Iorque. Nos testes com tempo limite de 2 minutos, HGC superou no valor objetivo da solução encontrada o HGE em 96,3% das instâncias; HL atingiu ótimos em mais da metade das instâncias e reduziu o gap médio para 1%. A inclusão de limite inferior dado pelas heurísticas se mostrou eficiente. O BLP2 obteve 94,1% de ótimos, cortou o tempo médio em 40% e o gap de integralidade em 35% frente ao BLP1. Mesmo com limite de 1h de execução em casos difíceis, BLP2 manteve superioridade em quantidade de ótimos encontrados. Concluímos que a incorporação dos limites inferiores das heurísticas reduz o tempo total de computação e aumenta o número de instâncias resolvidas otimamente: adote HGC quando o objetivo é encontrar ótimo e HL para melhores garantias de qualidade do limite inferior. Em virtude do desempenho global, BLP2 é a abordagem recomendada em cenários operacionais.
Abstract: We formally introduce the Multi-period Checkpoint Allocation Problem with Conflicts (PAPCMC), which allocates indivisible, mobile control units to discrete locations over a finite time horizon, maximizing the total weight of allocations under exclusivity, compatibility, and movement constraints. We show that PAPCMC can be reduced to an Assignment Problem with Conflicts (APC). Additionally, we prove that the problem is NP-hard even with only two periods, via a polynomial reduction from the (3,B2)-SAT problem. We present two alternative integer linear programming formulations for the problem: BLP1, which encodes a solution as a maximum independent set, and BLP2, which represents PAPCMC as a maximum-cost flow problem with conflict constraints. We show that BLP2 has a linear relaxation at least as tight as that of BLP1 and can be solved in polynomial time when all teams share identical schedules. Moreover, its block structure enables decomposition into per-team subproblems, inspiring efficient heuristics. We designed three main heuristics—HGC, HGE, and HL—as well as versions inspired by methods GRASP and ACO. We created a set of 15198 realistic instances based on public data from New York City. In tests with a 2-minute time limit, HGC outperformed HGE in 96.3% of the instances in terms of objective value; HL reached optimality in more than half of the instances and reduced the average gap to 1%. Incorporating the heuristics’ lower bounds proved effective. Specifically, BLP2 achieved optimal solutions in 94.1% of the instances, reduced average computation time by 40%, and decreased the integrality gap by 35% relative to BLP1. Even with a 1-hour execution limit on difficult cases, BLP2 maintained superiority in the number of optimal solutions found. We conclude that integrating lower bounds from heuristics reduces total computation time and increases the number of instances solved to optimality: adopt HGC when the goal is to find an optimal solution and HL for stronger lower-bound guarantees. Given its overall performance, BLP2 is the recommended approach in operational scenarios.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/83956
ORCID do(s) Autor(es): https://www.orcid.org/000900025281106X
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/1855062575985990
ORCID do Orientador: https://www.orcid.org/0000000329622033
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/7207626266770213
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/4258661430014987
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DCOMP - Teses defendidas na UFC

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