Programación Entera Archivos - Página 3 de 9

Problema de Inclusión de Costos Fijos en Programación Entera

La estructura de cobro utilizadas en general por las compañías de servicios donde el cliente debe pagar un valor fijo sólo por su utilización (independiente del nivel de consumo y/o eventualmente acotado a un máximo permitido) y un valor variable proporcional al consumo, son una práctica común en el esquema de fijación de precios. Esto suele ser el caso de las compañías de luz, agua, gas, teléfono, entre otras, donde el sólo hecho de tener una red operativa genera costos para la empresa los cuales son traspasados en parte o en su totalidad a los usuarios en un cargo fijo o de mantención más un cargo variable por consumo.

El artículo que presentamos a continuación busca, desde la perspectiva del cliente, minimizar el pago asociado a una cuenta telefónica mensual a través de un modelo de Programación Entera, lo que constituye un problema de inclusión de costos fijos. Cabe destacar que la complejidad del problema es menor y dado los datos se podría resolver por simple inspección, no obstante, nuestro interés es mostrar un marco de análisis pertinente a este tipo de problemas.

Ejemplo Inclusión de Costos Fijos en Programación Entera

Tres empresas telefónicas pidieron que me suscribiera a su servicio de larga distancia dentro del país. MaBell cobra US$16 fijos por mes, más US$0,25 por minuto. PaBell cobra US$25 por mes, pero el costo por minuto se reduce a US$0,21. Y con PhoneBell, la tarifa fija es de US$18 y el costo por minuto de US$0,22. Suelo hacer un promedio de 200 minutos de llamadas de larga distancia al mes. Suponiendo que no pague el cargo fijo si no hago llamadas y que puedo repartir a voluntad mis llamadas entre las tres empresas, ¿Cómo debo repartir las llamadas entre las tres empresas para minimizar la cuenta telefónica mensual?.

Variables de Decisión:

Función Objetivo:

Donde $F_{i}$ representa el costo fijo mensual asociado a la compañía i y $V_{i}$ el costo variable por minuto de larga distancia nacional correspondiente a la compañía i. Para mayor claridad se ha marcado con color amarillo y verde los elementos de costos fijos y variables (respectivamente) en la función objetivo.

Restricciones:

Donde (1) garantiza que se satisfaga el consumo mensual de llamadas, (2) que se realizan llamadas sólo a través de la(s) compañía(s) donde se asume el cargo fijo mensual y (3) impone las condiciones de no negatividad para las variables continuas $X_{i}$ .

A continuación se muestra los resultados de la implementación computacional en Solver para el problema de telefonía que considera la inclusión de costos fijos.

La solución óptima consiste en $X_{1}=0$ , $X_{2}=0$ , $X_{3}=200$ , $Y_{1}=0$ , $Y_{2}=0$ , $Y_{3}=1$ , es decir, se utiliza exclusivamente la compañía 3 (PhoneBell) y se cursan los 200 minutos mensuales de llamadas de larga distancia a través de dicha compañía. El valor óptimo es de US$62 que representa el costo mínimo de la cuenta telefónica mensual (US$18+200*US$0,22).

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Optimización de una Red Logística de Transporte y Localización de Centros de Distribución

Los problemas de optimización que modelan el desempeño de una red logística o cadena de suministro admiten distintas extensiones que permiten representar la particularidad de distintos escenarios. Es así como en el Blog hemos abordado anteriormente el Problema de Transporte que simplemente aborda el transporte de productos desde oferentes a demandantes al mínimo costo y una extensión al mismo como el Problema de Transporte con Transbordo que incorpora intermediarios en dicho proceso con un objetivo similar. En el siguiente artículo se propone un problema de transporte con transbordo que incorpora adicionalmente la decisión de utilizar centros de distribución que operan como intermediarios entre los oferentes (plantas) y los demandantes (mercados).

Una compañía tiene una red logística que consta de dos plantas y dos centros de distribución (CD). Una de las plantas tiene una capacidad de producción de 150.000 unidades semanales y la otra de sólo 95.000 unidades semanales. Por otra parte la capacidad de despacho en cada ruta es de 65.000 unidades semanales (por ejemplo de la primera planta al segundo CD no se pueden enviar más de 65.000 unidades, lo mismo ocurre desde cualquier CD a cualquier mercado).

La compañía debe entregar sus productos semanalmente en tres mercados diferentes con demandas de 50.000, 80.000 y 45.000, respectivamente (no considerar el valor de demanda de 35.000 para el Mercado 2 que se observa en la imagen a continuación). El siguiente diagrama muestra los costos unitarios de transporte entre las distintas ubicaciones (por ejemplo el costo de transportar una unidad de la planta 1 al centro de distribución 2 cuesta $5).

Existe un costo fijo semanal por concepto de arriendo asociado a utilizar un centro de distribución correspondiente a $2.000 y $3.000, para el centro de distribución 1 y 2, respectivamente. El pago de dicho costo fijo habilita al centro de distribución para recibir productos de las plantas y despachar productos a los mercados (en caso de no asumir el costo fijo de un centro de distribución, éste no se podrá utilizar).

Formule y resuelva un modelo de optimización que permita escoger la política de producción y transporte de los productos, además del arriendo de centros de distribución que minimice los costos totales.

Variables de Decisión:

Parámetros:

Función Objetivo: Se desea minimizar los costos totales asociados a la logística de transporte desde las plantas a los centros de distribución, como de éstos hacia los mercados. Adicionalmente los costos de arriendo de los centros de distribución que se decidan utilizar.

Restricciones:

Capacidad de Producción de las Plantas (Semanal): la cantidad de unidades que puede enviar cada planta a los distintos centros de distribución no puede superar la capacidad de producción de la respectiva planta.

Disponibilidad de los Centros de Distribución: un centro de distribución puede recibir unidades desde las plantas en la medida que se decida su utilización (arriendo). En dicho caso se podrá recibir como máximo 130.000 unidades (2*M), en caso contrario no recibe nada.

Demanda de los Mercados: cada mercado debe recibir las unidades que demanda semanalmente desde los centros de distribución.

Máximo a Despachar en cada Ruta: en cada ruta (combinación de transporte de una planta a un centro de distribución o de un centro de distribución a un mercado) no se podrá enviar más de 65.000 unidades (representado por el parámetro M).

Balance en los Centros de Distribución: la cantidad de unidades que recibe un centro de distribución desde las plantas debe ser igual a las unidades que éste envíe a los mercados.

No Negatividad: se debe respetar las no negatividad para las variables de decisión continuas que representan la logística de transporte (eventualmente se podría exigir adicionalmente que adopten valores enteros)

La implementación del problema anterior haciendo uso de OpenSolver, permite alcanzar los resultados que se observan a continuación:

En la solución óptima de este problema de red logística de transporte y localización de centros de distribución se deben arrendar los 2 centros de distribución. La planta 1 produce 110.000 unidades semanales de las cuales envía 65.000 al centro de distribución 1 y 45.000 unidades al centro de distribución 2. Por otra parte la planta 2 produce sólo 65.000 unidades las cuales envía en su totalidad al centro de distribución 2. El centro de distribución 1 envía 50.000 unidades al mercado 1 y 15.000 unidades al mercado 2 (en el caso del centro de distribución 2, éste envía 65.000 y 45.000 unidades al mercado 2 y 3, respectivamente). Se puede apreciar que se satisfacen las condiciones anteriormente expuestas y se minimiza el costo total semanal que corresponde a $790.000 (valor óptimo).

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Problema de Arriendo de Camiones y Distribución de Carga en Programación Entera

Los problemas de optimización asociados a redes logísticas de distribución o cadenas de suministro, admiten distintas variantes que buscan representar los aspectos más relevantes de estas problemáticas. Tal es el caso del problema de localización y transporte, problema de producción y transporte, problema de transporte con transbordo, entre otros. En el siguiente artículo presentamos la formulación y resolución con Solver de Excel de un problema de arriendo de camiones y distribución de carga, que por su naturaleza se puede clasificar como un modelo de Programación Entera Mixta.

Una empresa debe transportar grava a tres construcciones. La empresa puede comprar hasta 18 toneladas de grava al norte de la ciudad (Foso 1) y hasta 14 toneladas al sur de la ciudad (Foso 2). Se necesitan 10, 5 y 10 toneladas de grava en las construcciones 1, 2 y 3, respectivamente. Los costos de transporte por tonelada desde cada foso a cada construcción y el precio de compra por tonelada de material en cada foso están dados en la siguiente tabla:

Adicionalmente, suponga que los camiones necesarios para el transporte de dicho material deben ser arrendados. Cada camión puede ser usado para llevar grava de un solo foso a una sola construcción. El arriendo de un camión es de $5 por camión. Un camión puede transportar 5 toneladas pero no tiene que ir necesariamente lleno. Formule y resuelva un modelo de programación lineal entera-mixta que permita tomar una decisión óptima del número de camiones a usar y la cantidad de material que va a transportar cada uno.

Variables de Decisión: Se debe establecer las toneladas de grava a transportar desde cada foso a cada construcción y adicionalmente especificar la cantidad de camiones utilizados para transportar grava para cada combinación origen destino.

Función Objetivo: Se busca minimizar los costos totales de compra, la logística de distribución y arriendo de camiones. En color amarillo se observan los costos de compra, con color verde los costos de transporte y con color celeste el costo de arriendo de los camiones.

Restricciones: A continuación se detallan las condiciones que deben satisfacer las variables de decisión para este problema.

Demanda de las Construcciones: cada construcción (1, 2 y 3, respectivamente) debe recibir las toneladas de grava.

Capacidad de Abastecimiento de los Fosos: la cantidad de toneladas de grava que cada foso puede despachar a las distintas construcciones no puede superar el máximo de compra.

Capacidad de Transporte de los Camiones: cada camión puede transportar como máximo 5 toneladas de grava. En consecuencia las toneladas de grava que como máximo se pueden transportar en cada combinación origen destino estará limitada a la cantidad de camiones contratados en dicho trayecto. Por ejemplo, si se arriendan 2 camiones para transportar grava desde el foso 1 a la construcción 1 (el lector podrá apreciar que en efecto eso es lo que sucede en la solución óptima que se detalla más abajo) la cantidad máxima a transportar serán 10 toneladas.

No Negatividad y Enteros: el número de camiones contratados para transportar grava en cada combinación origen destino necesariamente deberá ser un número entero mayor o igual a cero.

No Negatividad: las toneladas de grava a transportar desde cada foso a cada construcción deberá respetar las condiciones de no negatividad (se permite transportar fracciones de tonelada de grava).

Al implementar el modelo de optimización anterior haciendo uso de Solver de Excel se alcanza la siguiente solución óptima y valor óptimo.

Se observa que se arriendan en total 5 camiones (por un total de $25 por concepto de costo de arriendo): 2 camiones para llevar grava del foso 1 a la construcción 1 (transportando 10 toneladas), un camión para llevar grava del foso 2 a la construcción 2 (transportando 5 toneladas), un camión para transportar grava del foso 1 a la construcción 3 (transportando 5 toneladas) y un camión del foso 2 a la construcción 3 (transportando 5 toneladas). En consecuencia el costo de transporte total es de $90, asumiendo adicionalmente un costo de compra de $270. Finalmente el costo total (valor óptimo) es de $385 (sumatoria de los costos de arriendo de camiones, costo de transporte y costo de compra).

Problema de Inversión y Selección de Proyectos

Los modelos de Programación Entera constituyen una alternativa eficiente para apoyar la toma de decisiones en aquellos problemas donde se debe implementar (o no) una alternativa o curso de acción que no admite soluciones intermedias. Tal es el caso del Problema de Selección de Cartera de Proyectos donde no es razonable, por ejemplo, si se destina la mitad de los fondos requeridos para un proyecto, asumir que de éste se obtendrá la mitad de sus beneficios o Valor Presente Neto (VPN). Dicho de otro modo, el cumplimiento del supuesto de la proporcionalidad de la Programación Lineal no es adecuado.

El problema que se presenta a continuación aborda estos aspectos y adicionalmente se busca proponer distintas alternativas al momento de establecer las restricciones o condiciones del problema.

Problema de Inversión y Selección de Proyectos

Una empresa está pensando invertir en cuatro proyectos diferentes, cada proyecto se finaliza a lo más en 3 años. Los flujos de caja requeridos en cada año junto con el Valor Presente Neto (VPN) de cada proyecto, concluidos los años de ejecución, y las disponibilidades de recursos financieros se resumen en la siguiente tabla:

Interesa determinar en cuáles proyectos invertir de modo de conseguir el mayor VPN de la inversión.

Variables de Decisión: Se desea determina en cuáles proyectos invertir de las 4 alternativas posibles.

Función Objetivo: Maximizar la sumatoria del Valor Presente Neto (VPN) de los proyectos en los cuales se decida invertir.

Restricciones: Se proponen 3 escenarios para definir las restricciones del problema.

Alternativa 1: Reinvirtiendo el dinero no utilizado en un período, es decir, el dinero que eventualmente quede disponible al final del año 1 y año 2 se puede considerar como parte del presupuesto disponible para el año siguiente. Lo anterior se representa a través de las variables $s_{1}$ y $s_{2}$ , respectivamente.

La implementación computacional del problema haciendo uso de Solver de Excel nos entrega los siguientes resultados:

Se debe invertir en los proyectos 1 y 4. El VPN total es de $51.

Alternativa 2: Sin invertir el dinero no utilizado en un período, pero utilizando el retorno de los proyectos concluidos.

En este caso se debe invertir en los proyectos 1, 2 y 4, alcanzando un VPN total de $69.

Alternativa 3: Reinvirtiendo el dinero no utilizado en un período y también el retorno de los proyectos concluidos.

En este caso la solución óptima y valor óptimo es equivalente al escenario planteado en la Alternativa 3.

Cabe destacar que la Alternativa 3 es la que provee mayor flexibilidad (en cuanto a los presupuestos para inversión) en comparación a las Alternativas 1 y 2, en consecuencia era razonable esperar en este caso que el VPN total de la Alternativa 3 sea mayor o igual que los VPN de las Alternativas 1 y 2.

Notar que el conjunto de las soluciones factibles es finito. Esto ocurrirá generalmente con los problemas de Programación Entera (puros). En el ejemplo, el número de soluciones factibles no supera el número de las soluciones binarias del problema (variables restringidas sólo a valores 0 o 1) que son $2^{4}=16$ , dado el número de variables utilizadas, de hecho las soluciones factibles son menos de 16 pues en particular $x_{i}=1$ para i=1,2,3,4 no satisface las disponibilidades de capital en cualquiera de las tres alternativas.

Problema de Generación Eléctrica mediante Programación Entera Mixta

Una de las particularidades de los modelos de Programación Entera es que permiten incorporar en la representación matemática costos fijos que no son proporcionales al nivel de actividad en un sistema. Tal sería el caso, por ejemplo, de una empresa que desea determinar lotes de compra de un producto dado, en los que incurre en costos fijos asociados a la gestión de compra (independiente del volumen de unidades compradas dentro de los límites máximos impuestos por el proveedor) y costos variables (proporcionales) a la cantidad de unidades compradas. En este contexto se presenta a continuación un problema de generación de energía eléctrica donde se debe determinar la utilización y actividad de generadores que busca satisfacer requerimientos proyectados de energía de un día particular.

EGE abastece de electricidad a tres ciudades. La compañía dispone de cuatro generadores que son utilizados para proporcionar la potencia eléctrica requerida. El generador principal es empleado las 24 horas del día y no es materia de planificación en este problema.

Los otros tres generadores (que llamaremos 1, 2 y 3) están disponibles para generar la potencia adicional cuando se requiera. Considerar que se incurre en un costo de arranque cada vez que uno de estos generadores comienza a operar.

Los costos de arranque son de $6.000 para el generador 1, de $5.000 para el generador 2 y de $4.000 para el generador 3. Estos generadores se utilizan (por separado) únicamente de la siguiente manera: se puede poner en operación a las 6am y funcionar 8 horas (hasta las 2pm) o 16 horas (hasta las 10pm), o puede ponerse en funcionamiento a las 2pm y funcionar 8 horas (hasta las 10pm).

Los pronósticos para mañana indican la necesidad de contar con 3.200 MW adicionales entre las 6am y las 2pm, necesidad que se eleva a 5.700 MW entre las 2pm y las 10pm. El generador 1 puede proporcionar hasta 2.400 MW, el 2 hasta 2.100 MW y el 3 hasta 3.300MW. El costo por MW utilizado durante un periodo de 8 horas es de $8 en el caso del generador 1, $9 en el de el generador 2 y $7 en el caso del generador 3.

Formule y resuelva un modelo de Programación Entera Mixta para determinar los niveles óptimos de operación de cada generador para el día de mañana que minimice los costos totales satisfaciendo los requerimientos adicionales de potencia eléctrica.

Variables de Decisión:

Si bien se podría considerar cierta similitud en la definición de $Y_{it}$ y $Z_{it}$ , su utilización se justifica dado que el costo fijo de arranque se debe asociar precisamente a dicho concepto (puesta en marcha de un generador) el cual se produce (en caso de ser utilizado) sólo una vez durante el período de planificación.

Función Objetivo:

Se busca minimizar los costos fijos asociados al arranque de los generadores más el costo variable que resulte de la cantidad de MW aportados por éstos al sistema en los 2 tramos o períodos de planificación.

Restricciones:

Capacidad Generadores: La cantidad de MW que aporta cada generador al sistema no puede superar su capacidad máxima disponible (en caso que se emplee) en cada uno de los períodos de planificación.

Demanda MW: En conjunto los generadores deben aportar la cantidad de MW adicionales para cada tramo horario, es decir, de 6am a 2pm y de 2pm a 10pm.

Relación Arranque Funcionamiento: Un generador sólo podrá ser empleado si arranco en el período de planificación actual o inmediatamente anterior, en caso contrario el generador no arranca (y por tanto no funciona en ninguno de los 2 períodos).

No Negatividad: La cantidad que aporta cada generador en los 2 tramos horarios de 8 horas debe ser mayor o igual a 0 (MW).

Al implementar el modelo anterior haciendo uso de Solver se alcanzan los siguientes resultados:

Notar que sólo arranca el generador 1 (a las 2 pm) y el generador 3 (a las 6 am). El generador 2 no arranca (y en consecuencia no se emplea) durante todo el día. El generador aporta 2.400 MW de 2pm a 10 pm, en tanto el generador 3 aporta con 3.200 MW de 6 am a 2 pm y 3.3o0 MW de 2 pm a 10 pm, respetando en cada caso las capacidadidas disponibles y satisfaciendo los requerimientos de demanda. Finalmente el costo óptimo (mínimo) es de $74.700.