TEMA N 1.- MODELOS EN INVESTIGACIÓN OPERATIVA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI EXTENSIÓN REGIÓN CENTRO-SUR ANACO, ESTADO ANZOÁTEGUI 1.1 Modelo de transporte Asignatura: Investigación Operativa I Docente: Ing. Jesús Alonso Campos TEMA N 1.- MODELOS EN INVESTIGACIÓN OPERATIVA El problema de transporte es un tipo especial de programación lineal que, aun cuando se puede resolver por el método símplex, sus propiedades especiales ofrecen un procedimiento de solución más sencillo. Las técnicas de transporte tratan de encontrar los caminos para trasladar mercancía desde varías plantas (orígenes) a diferentes centros de almacenamiento (destinos), de tal manera que se minimice el costo de transporte. Para que los problemas puedan resolverse por el método de transporte, se deben cumplir los siguientes requisitos: a. La función objetivo y las restricciones deben ser lineales. b. Las mercancías (o recursos) a distribuir deben ser uniformes y no se pueden cambiar entre sí. c. Los coeficientes de las variables en las restricciones deben ser cero o uno. d. La suma de la capacidad de todos los orígenes debe ser igual que la capacidad de los destinos, es decir, la demanda total debe ser igual a la oferta total Método simplex para el modelo de transporte Se tiene m centros de oferta (orígenes) y n centros de demanda (destinos), a i es el número de unidades disponibles en cada centro de oferta i, y b j es el número requerido de

2 : unidades de mercancía en el centro de demanda j. Si se considera C ij como el costo unitario de transporte en la ruta del centro de oferta i al centro de demanda j, el objetivo entonces es determinar el número de unidades de mercancía que debe transportarse desde las fuentes i a los destinos j, de tal forma que se minimice el costo total de transporte. Si X ij es la cantidad transportada del centro de oferta i al centro de demanda j, entonces el modelo será: Min Z = C 11 X 11 + C 12 X C 1n X 1n + C 21 X 21 + C m1 X n1 + + C mn X mn Sujeto a: Capacidad disponible (oferta) X 11 + X X 1n a 1 X 21 + X X 2n a 2 : : : : X m1 + X m2 + + X mn a m Demanda X 11 + X X m1 b 1 X 12 + X X m2 b 2 : : : : X 1n + X 2n + + X mn b n X ij 0 i = 1, 2, 3,,n j = 1, 2, 3, m X ij : Número de unidades transportadas de origen i al destino j. C ij : Costo de transportar una unidad desde el origen i hasta el destino j. a i : Capacidad de la planta i. b j : Número de unidades requeridas por el almacén j Modelo tabular del problema de transporte n Oferta X 11 X 12 X 13 : X 1n a 1 X 21 X 22 X 23 : X 2n a 2 X 31 X 32 X 33 : X 3n a 3 : : : : : : X m1 X m2 X m3 : X mn a m Demanda b 1 b 2 b 3 b n Condiciones para resolver el modelo de transporte 1. ΣOferta = ΣDemanda 2. ΣOferta ΣDemanda: cuando esto sucede, pueden presentarse dos casos:

3 a. Cuando la oferta es mayor que la demanda (ΣOferta > ΣDemanda) En este caso, se adiciona una demanda ficticia, se le agrega esa demanda ficticia al modelo tabular, cuya demanda ficticia va a ser igual a ΣOferta - ΣDemanda y los coeficientes de los costos serán cero para cada una de las casillas. b. Cuando la oferta es menor que la demanda (ΣOferta < ΣDemanda) En este caso, se adiciona una oferta ficticia, se le agrega esa oferta ficticia al modelo tabular, cuya oferta ficticia va a ser igual a ΣDemanda - ΣOferta y los coeficientes de los costos serán cero para cada una de las casillas Métodos para la solución del problema de transporte Método de la esquina noroeste: consiste en embarcar la cantidad máxima a través de la esquina noroeste de la matriz; se analizan entonces los máximos embarques a través de las celdas restantes, moviéndose hacia la derecha y hacia abajo en la matriz, hasta que se cubran todos los renglones y columnas. Este método tiene la desventaja que la solución puede resultar bastante costosa, pues no se presta atención a los valores de los costos Método del costo mínimo: este método trata de asignar tanto como sea posible al centro de distribución que tenga el costo unitario de transporte más bajo. En el caso de que existan dos o más iguales, la elección es arbitraria. Al completarse la demanda, esta se va ajustando a las cantidades que están disponibles, a la par que se disminuye la oferta; así quedarán eliminados del problema las columnas o renglones saturados y se continúa el procedimiento de escoge el costo más pequeño, dentro del área no saturada. Si se satura el renglón y la columna simultáneamente, hay que eliminarlos los dos Método de aproximaciones de Vogel: se inicia calculando la diferencia entre el costo más bajo y el costo inmediato superior en cada renglón o columna (costos de oportunidad). El renglón o columna con la diferencia de costo más elevada (penalizaciones) se selecciona entonces para el embarque. Se embarca tanto como sea posible a través de la celda de costo mínimo en el renglón o columna seleccionados. Entonces el renglón o columna que se llena, deja de considerarse y se repite el método. Debido a la eliminación del renglón o columna, al menos una de las diferencias de renglón y columna debe calcularse nuevamente en cada paso. Si se agota la oferta y la demanda simultáneamente, se elimina uno sólo a la vez y al otro se le coloca cero. 1.2 Modelo de asignación Es una forma de programación lineal que busca asignar trabajos o trabajadores a máquinas, nuevos productos a planes de producción, etc. Los métodos de asignación como los de transporte se basan en tablas y el problema puede solucionarse con una serie de operaciones repetitivas (sumar o restar) para maximizar o minimizar). El método de asignación requiere que a cada trabajador se le asigne un y sólo un trabajo, planteando una matriz cuadrada, donde el número de renglones o filas es igual al número de columnas. El proceso de solución no es factible si se asigna un trabajador a dos o más actividades. Si el número de filas no es igual al número de columnas, se adicionan variables ficticias para obtener una tabla balanceada.

4 1.2.1 Aplicación del método húngaro para la solución del modelo de asignación La estructura especial del modelo de asignación hace posible crear un método de solución bastante eficiente llamado método húngaro, el cual se describe a continuación: a. Para encontrar los costos de oportunidad para cada columna se resta el costo mínimo de cada una, de los demás costos de la misma columna. b. Se resta el costo mínimo de cada renglón a los costos de la columna correspondiente. También se puede cambiar el orden, primero renglones y luego columnas. c. Trazar una línea recta en cada columna o renglón que tenga valor cero. Se debe trazar el mínimo de líneas rectas para cubrir todos los valores cero de renglón y columna. Si el mínimo de líneas rectas es igual al número de columnas o renglones, la solución es óptima. d. Asignar cada renglón y columna donde haya sólo un valor cero. e. Si se necesitan menos de m líneas, encuentre el menor elemento no cero, llámelo k, en la matriz de costos reducidos, que no está cubierto por las líneas dibujadas, ahora reste k, de cada elemento no cubierto de la matriz de costos reducidos y sume k a cada elemento de la matriz de costos reducidos cubierto por dos líneas, regrese al paso 3 (trazar las líneas). 1.3 Modelo de transbordo El modelo de transbordo consiste en enviar bienes (cantidades) desde un punto i a únicamente destinos finales j. El envío no se produce entre orígenes o entre destinos, tampoco entre destinos a orígenes. El modelo de trasbordo nos demuestra que resulta mas económico (minimizar costos) enviar a través de nodos intermedios o transitorios antes de llegar al punto de destino final Clases de nodos a. Nodos de oferta pura: Solo actúan como origen o envían. b. Nodos de demanda pura: Solo actúan como destino o reciben. c. Nodos de transbordo: Actúan como origen y destino a la vez, o reciben y envían. Nota importante: en el modelo de transbordo, la cantidad de flujo saliente debe ser exactamente igual a la cantidad de flujo entrante (equilibrar oferta y demanda).

5 1.4 Ejercicios para resolver en clase: Modelo de transporte 1. Una empresa producirá tres productos nuevos. En este momento, cinco de sus plantas tienen exceso de capacidad de producción. El costo unitario respectivo de fabricación del primer producto será de $31, $29, $32, $28 y $29, en las plantas 1, 2, 3, 4 y 5. El costo unitario de fabricación del segundo producto será de $45, $41, $46, $42 y $43 en las plantas respectivas 1, 2, 3, 4 y 5; y para el tercer producto será de $38, $35 y $40 en las plantas respectivas 1, 2 y 3, pero las plantas 4 y 5 no pueden fabricar este producto. Los pronósticos de ventas indican que la producción diaria debe ser 600, 1000 y 800 unidades de los productos 1, 2 y 3, respectivamente. Las plantas 1, 2, 3, 4 y 5 tienen capacidades para producir 400, 600, 400, 600 y 1000 unidades diarias, sin importar el producto o combinación de productos. Suponga que cualquier planta que tiene capacidad y posibilidad de fabricarlos podrá producir cualquier combinación de productos en cualquier cantidad. La gerencia desea asignar los nuevos productos a las plantas con el mínimo costo total de fabricación. a. Formule este problema como un problema de transporte construyendo la tabla de parámetros adecuada. b. Obtenga una solución óptima para este problema, empleando los métodos vistos en clase. 2. Una empresa produce motores eléctricos pequeños para cuatro fabricantes de instrumentos, en cada una de sus tres plantas. Los costos de producción por unidad varían según las ubicaciones debido a diferencias en el equipo de producción y en el rendimiento de los obreros. Los costos de producción por unidad y la capacidad mensual de producción se indican en la siguiente tabla: Planta Costo de producción Capacidad mensual de por unidad producción (unidades) A $ B $ C $ Los pedidos de clientes que deben producirse el siguiente mes se muestran en la tabla que se muestra a continuación: Cliente Demanda (unidades) El costo de abastecimiento de estos clientes varía de una planta a otra. El costo de transporte por unidad aparece en la tabla adjunta:

6 Hacia Desde A $3 $2 $5 $7 B $6 $4 $8 $3 C $9 $1 $5 $4 La gerencia de la empresa debe decidir cuantas unidades se debe producir en cada planta y qué porción de la demanda de cada cliente se surtirá desde cada una de ellas. Se desea minimizar el costo total de producir y transportar los motores para los clientes. a. Formule este problema como un problema de transporte construyendo la tabla de parámetros adecuada. b. Obtenga una solución óptima para este problema, empleando los métodos vistos en clase. 3. Suponga que Inglaterra, Francia y España producen todo el trigo, cebada y avena en el mundo. La demanda mundial de trigo requiere 125 millones de acres (tierra) a la producción de este cereal. De igual manera, se necesitan 60 millones de acres para cebada y 75 millones de acres para avena. La cantidad total de tierra disponible en Inglaterra, Francia, y España es 70, 110 y 80 millones de acres. El número de horas de mano de obra necesarias para producir un acre de trigo en los respectivos países es 18, 13 y 16 horas. La producción de un acre de cebada requiere 15, 12 y 12 horas de mano de obra y la producción de un acre de avena requiere 12, 10 y 16 horas de mano de obra en Inglaterra, Francia y España. El costo de mano de obra por hora en cada país es de $9.00, $7.20 y $9.90 para la producción de trigo, $8.10, $9.00 y $8.40 para la de cebada y $6.90, $7.50 y $6.30 para la avena. El problema es asignar de la tierra en cada país de manera que se cumpla con los requerimientos de alimentación en el mundo y se minimice el costo total de mano de obra. a. Formule este problema como un problema de transporte, construyendo la tabla de parámetros adecuada. b. Obtenga una solución óptima para este problema, empleando cualquiera de los métodos vistos en clase. Modelo de asignación 1. Una empresa adquirió cuatro máquinas nuevas de diferentes tipos. Existen cinco sitios disponibles dentro del taller en donde se podría instalar una máquina. Algunos de ellos son más adecuados que otros para ciertas máquinas en particular por su cercanía a los centros de trabajo que tendrían un flujo intenso de trabajo hacia y desde estas máquinas. Cabe destacar que no habrá flujo de trabajos entre las nuevas máquinas. Por lo tanto, el objetivo es asignar las nuevas máquinas a los lugares disponibles de manera que se minimice el costo total del manejo de materiales, partiendo de la tabla que se muestra a continuación, la cual recoge los costos estimados por unidad de tiempo del manejo de materiales en cuestión, con cada una de las máquinas en los sitios respectivos.

7 Máquinas Localidades Aplique el método húngaro para asignar de forma óptima las máquinas a las respectivas localidades. 2. Considere el problema de asignar cuatro operadores a cuatro máquinas. En la tabla que se muestra seguidamente se dan los costos de asignación en unidades monetarias: Máquinas Localidades El operador 1 no puede ser asignado a la máquina 3. Asimismo, el operador 3 no puede ser asignado a la máquina 4. Obtenga la solución óptima empleando el método húngaro. 3. Se usarán cuatro barcos cargueros para transportar bienes de un puerto a otros cuatro puertos (numerados 1, 2, 3 y 4). Se puede usar cualquier barco para hacer cualquiera de los cuatro viajes. Sin embargo, dadas algunas diferencias entre los barcos y las cargas, el costo total de carga, transporte y descarga de bienes para las distintas combinaciones de barcos y puertos varía mucho. Estos costos se muestran en la siguiente tabla: Barco Puerto $500 $400 $600 $700 2 $600 $600 $700 $500 3 $700 $500 $700 $600 4 $500 $400 $600 $600 El objetivo es asignar los barcos a los puertos en una correspondencia uno a uno de manera que se minimice el costo total de los cuatro envíos. Por lo tanto, formule este problema como un problema de asignación y obtenga la solución óptima. Modelo de transbordo La siguiente red representa las rutas de transporte desde los nodos 1 y 2 a los nodos 5, 6 y 7, pasando por los nodos 3 y 4. Los costos unitarios de transporte se muestran sobre los arcos respectivos:

8 a. Escriba el modelo de programación lineal asociado. b. Escriba el modelo de transbordo asociado, especificando el tamaño del amortiguamiento y las cantidades de oferta y demanda. c. Obtenga una solución óptima para la red, mediante la aplicación del método de aproximaciones de Vogel. d. Replantee la red con los resultados obtenidos y determine cuál es la ruta más óptima. e. Convierta el modelo de transbordo de la parte b en un modelo regular de transporte, exactamente con dos fuentes y tres destinos. f. Demuestre cómo la solución de la parte e proporciona una solución factible a la red original.