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Problema de Asignación de Horas Académicas a Profesores aplicado a una Universidad Online

El desarrollo de las tecnologías de información ha favorecido un crecimiento sostenido en la oferta académica de las instituciones de educación superior, lo cual ha permitido sumar a la tradicional formación presencial la posibilidad de obtener grados académicos a través de una formación no presencial (online). En este contexto, en la actualidad existen numerosas “Universidades Online” las cuales deben programar horas de apoyo académico de sus distintos cursos por parte de los profesores o docentes hacia los alumnos, con el objetivo de favorecer la comprensión de los contenidos.

Problema de Asignación de Horas Académicas a Profesores

En el siguiente artículo consideraremos un problema de asignación para cubrir las necesidades de apoyo académico para un curso de Economía. Asumiremos que se desea tener exactamente un profesor de turno (para responder preguntas de los alumnos en tiempo real a través de un foro o chat) de Lunes a Viernes de 08:00 AM hasta las 23:00 PM. Los Sábados y Domingo también se desea ofrecer el servicio pero de 08:00 AM hasta las 20:00 PM. Actualmente se cuenta con 10 profesores que cuentan con los conocimientos necesarios para desarrollar los servicios de tutorias y su remuneración (en dólares por hora) depende básicamente de la experiencia en el curso y grado académico. Adicionalmente, debido a los compromisos que tienen dichos profesores con otros cursos de la Universidad, han manifestado su disponibilidad máxima (en horas) para atender los distintos requerimientos según se detalla en la siguiente tabla:

Por ejemplo el profesor 1 recibe un salario de 50 dólares la hora y puede trabajar como máximo 5 horas el Lunes, 6 horas el Miércoles y Viernes, 3 horas el Sábado y 2 horas el Domingo. Los días Martes y Jueves el profesor 1 no tiene disponibilidad de tiempo. En base a esta información la Universidad desea determinar una asignación de horas académicas a los profesores de modo de cubrir las necesidades de atención de alumnos al menor costo posible al mismo tiempo de garantizar un mínimo de 5 horas por profesor a la semana. Para enfrentar dicha situación formularemos el siguiente modelo de Programación Lineal:

Variables de Decisión:

Con i=1,…,10 representando a los profesores y j=1,…,7 los días de la semana don j=1 es el día Lunes y j=7 el día Domingo.

Parámetros:

Función Objetivo:

Se busca minimizar los costos totales de la asignación que considera la ponderación para cada profesor de la cantidad de horas que trabaja durante la semana por el salario por hora (en dólares).

Restricciones:

Se debe cumplir con la cantidad de horas para cada día de la semana (15 horas para cada día de Lunes a Viernes y 12 horas para el Sábado y Domingo).

Se desea asignar al menos 5 horas académicas semanales a cada profesor.

Se debe respetar la disponibilidad horaria de los profesores durante la semana.

Condiciones de no negatividad para las variables de decisión.

Luego de implementar computacionalmente el modelo de optimización con Solver de Excel se obtiene la siguiente solución óptima con valor óptimo V(P)=US$4.639.

El siguiente tutorial de nuestro canal de Youtube muestra la resolución del problema anterior:

Problema de Asignación de Capacidad de un Avión (Programación Lineal)

La industria de transporte de pasajeros enfrenta diariamente el problema de determinar cómo asignar de forma eficiente su capacidad de transporte al momento de ofrecer distintos tipos de tarifas a sus clientes para una ruta específica. Para ello se debe considerar de forma simultanea los ingresos por venta asociados a cada tipo de tarifa, una estimación de demanda de los clientes por dichas tarifas y la capacidad del medio de transporte en términos de la cantidad de asientos.

El siguiente problema considera la formulación y resolución computacional de un Problema de Asignación de capacidad de un avión para una empresa de transporte aéreo. La complejidad del problema y el nivel de detalle de la información se ha simplificado para fines académicos.

Problema de Asignación de Capacidad de un Avión

Consideremos una línea aérea que realiza la ruta Santiago (Chile) a Bogotá (Colombia) con escala en Lima (Perú). Para dicha ruta utiliza un avión con capacidad de 200 pasajeros. El departamento de ventas ha estimado los precios de mercado (en dólares) para las combinaciones de origen destino de 3 tipos de tarifas que actualmente ofrece la empresa: “Tarifa Y” (primera clase), “Tarifa B” (estándar) y “Tarifa C” (turista).

Adicionalmente y según información histórica de esta ruta, la línea aérea ha estimado el número máximo de pasajes que los clientes demandarán por cada combinación de tarifa en un tramo del vuelo. Por ejemplo la demanda máxima esperada para el tramo Santiago (SCL) a Bogota (BOG) en la Tarifa B es de 35 tickets.

Con esta información la línea aérea desea determinar cómo asignar la capacidad del avión de modo de ofrecer un determinado número de pasajes para cada tipo de tarifa en un tramo del vuelo. Para ello definiremos el siguiente modelo de Programación Lineal:

Variables de Decisión:

Donde i=1,2,3 representa los distintos tipos de tarifa (Y, B y C, respectivamente) y j=1,2,3 las combinaciones de origen destino (SCL-LIM, LIM-BOG y SCL-BOG, respectivamente).

Parámetros:

Al utilizar una notación con parámetros podemos representar el modelo de optimización de forma compacta.

Función Objetivo:

Restricciones:

Se ofrece para cada tarifa en las combinaciones origen destino un número de tickets que no supere la demanda máxima del mercado.

Para cada tramo del vuelo se debe respetar la capacidad total del avión de 200 pasajeros.

Cuando el avión despega desde Santiago con destino Lima lleva pasajeros con destino tanto a Lima como Bogotá. Por tanto independiente de la tarifa que cada uno de estos pasajeros haya pagado (por ello la sumatoria en las tarifas) no pueden superar la capacidad total del avión. Lo anterior esta garantizado por la primera restricción de capacidad.

La segunda restricción de capacidad es para el tramo desde Lima a Bogotá, donde se consideran adicionalmente los pasajeros que vienen desde Santiago.

Finalmente se definen las condiciones de no negatividad.

Al resolver con Solver el problema anterior se alcanza la siguiente solución óptima que determina cuántos pasajes debería ofertar la línea aérea para cada combinación de tarifa y origen destino.

El valor óptimo del problema que representa los ingresos totales (en dólares) asociados a la solución óptima propuesta es de US$158.340.

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Problema de Asignación aplicado a un Portal de Anuncios de Trabajos

En el siguiente artículo abordaremos un caso aplicado respecto a una situación real donde un sitio web de búsqueda de empleos en España desea determinar qué anuncios publicar en una zona preferente de exhibición dentro de su portal. Para ello será necesario formular y resolver un modelo de Programación Entera que corresponde a un caso particular del problema de asignación descrito en artículos anteriores.

Consideramos como premisa que existen más anuncios que espacios publicitarios y por tanto se debe decidir cuáles de ellos incorporar con el objetivo de maximizar el retorno de la asignación pero al mismo tiempo satisfacer una serie de criterios adicionales que se deseen imponer. Una representación de la situación descrita se resume en la tabla a continuación:

Por ejemplo el Aviso N°1 corresponde a un anuncio de trabajo en Madrid en la Categoría I, el cual fue publicado hace 15 días (antigüedad) y que provee un retorno estimado de 100 unidades monetarias. Por supuesto los datos son ficticios, no obstante, permite visualizar la extensión de esta problemática a una situación de esta naturaleza. Asumiremos adicionalmente que se desean cumplir las siguientes condiciones en la asignación:

Seleccionar un Máximo de 5 Anuncios (entre los 10 candidatos posibles).
El tiempo promedio de Publicación de los Anuncios que se seleccionen no debe superar los 7[días].
Por razones estratégicas se debe publicar al menos un Anuncio de Madrid.
Se impone un máximo de 2 Anuncios de la Categoría II.
Se impone un mínimo de 1 Anuncio de la Categoría I.
Se impone un mínimo de 1 Anuncio de la Categoría II.
Se impone un mínimo de 1 Anuncio de la Categoría III.

Un modelo de Programación Entera que permite encontrar una asignación para la situación descrita es el siguiente:

Variables de Decisión: Permite dar respuesta al problema de selección de anuncios publicitarios a incluir en la zona preferente. (i=1,…,10)

Función Objetivo: Maximizar el retorno total de la asignación, donde Ri es el retorno (en U.M.) asociadas al anuncio i.

Restricciones: Satisfacer las condiciones expuestas. Se detallan a continuación en el mismo orden en el que fueron detalladas. (Ti representa el tiempo de publicación (en días) del anuncio i).

Al implementar computacionalmente el problema con Solver de Excel se obtiene la siguiente solución óptima que otorga un valor óptimo de 465[U.M]. Con ello la empresa debería implementar los anuncios 1, 4, 5, 6 y 8.

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UNIDAD 2: ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD EN PROGRAMACIÓN LINEAL UTILIZANDO EL MÉTODO GRÁFICO
UNIDAD 3: RESOLVER UN MODELO DE PROGRAMACIÓN LINEAL CON SOLVER DE EXCEL
UNIDAD 4: INTERPRETACIÓN DE LOS INFORMES DE SENSIBILIDAD OBTENIDOS CON SOLVER DE EXCEL
UNIDAD 5: MÉTODO SIMPLEX
UNIDAD 6: MÉTODO SIMPLEX DE 2 FASES
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Ejemplo del Problema del Camino Más Corto en Programación Entera

El Problema del Camino más Corto (o ruta más barata) consiste en encontrar una ruta o camino óptimo entre un nodo fuente y un nodo destino, los cuales están enlazados a través de una red con arcos que poseen un cierto atributo, el cual puede ser costo, distancia, tiempo, etc.

La Programación Entera permite abordar de forma eficiente este tipo de problemas, en especial cuando la cantidad de nodos y rutas posibles resulta ser un número significativo. Utilizar en estos casos un enfoque intuitivo de resolución es tedioso y de no ser exhaustivo no garantiza la identificación de la mejor alternativa o ruta.

Consideremos el siguiente diagrama donde los números asignados a cada uno de los arcos representan la distancia en kilómetros de un nodo a otro. Se desea encontrar la ruta con la distancia mínima para ir del nodo 1 al nodo 8.

El tamaño reducido de la red anterior permite encontrar el camino más corto simplemente enumerando las distintas alternativas que comenzando en el nodo 1 permita llegar al nodo 8. De esta forma las rutas posibles son:

Ruta 1-2-5-7-8: 4+8+17+9=38[km]
Ruta 1-3-4-7-8: 3+12+20+9=44[km]
Ruta 1-3-4-6-8: 3+12+2+22=39[km]
Ruta 1-3-4-8: 3+12+15=30[km]
Ruta 1-3-6-8: 3+4+22=29[km]

La ruta o camino más corto esta dada por la secuencia 1-3-6-8 con una distancia total de 29[km].

A continuación se formula un modelo de Programación Entera que permite extender este tipo de resultados a un problema de estas características:

Variables de Decisión:

Función Objetivo: Minimizar la distancia total en [km] dada por la siguiente expresión:

Restricciones:

La primera restricción (1) garantiza que sólo un nodo (entre el 2 y el 3) pueda ser el que se visita a continuación de comenzar en el nodo 1.
La restricción (2) determina que si se visito el nodo 2 después del nodo 1, entonces necesariamente el nodo 5 será visitado después del nodo 2.
La restricción (3) permite verificar que si el nodo 3 fue visitado luego del nodo 1, entonces a continuación se visita el nodo 4 o el nodo 6 (sólo uno de ellos).
La restricción (4) establece que si el nodo 5 fue visitado luego del nodo 2, entonces el nodo 7 debe ser visitado luego del nodo 5.
La restricción (5) garantiza que si el nodo 4 fue visitado luego del nodo 3, entonces a continuación se visita uno de los siguientes nodo: 7, 8 o 6.
La restricción (6) indica que si el nodo 6 fue visitado inmediatamente luego de estar en el nodo 3 o 4, a continuación se visita el nodo 8.
La restricción (7) determina que si el nodo 7 fue visitado inmediatamente luego de estar en el nodo 4 o 5, a continuación se visita el nodo 8.
Finalmente la restricción (8) asegura que ya sea el nodo 7, 4 o 6 sea el último en visitar previo a terminar la ruta en el nodo 8.

Al implementar en Solver el problema del Camino más Corto o Ruta Mínima anterior se alcanzan los siguientes resultados:

Donde se corrobora que la ruta más corta (solución óptima) corresponde al camino 1-3-6-8 con una distancia total de 29[km] (valor óptimo).

El tutorial a continuación disponible en nuestro canal de Youtube muestra en detalle la implementación y resolución computacional de este problema: