FAULT-TOLERANT FAMILIES OF PRODUCTION PLANS: MATHEMATICAL MODEL, COMPUTATIONAL COMPLEXITY AND BRANCH AND BOUND ALGORITHMS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The design of fault-tolerant production and supply systems is one of the priority areas of development of modern operations research. The traditional approach to modeling such systems is based on the use of probabilistic models describing the choice of a possible scenario of actions in the event of failures in the production or transport network. Along with a number of advantages, this approach has a wellknown drawback. The occurrence of failures of an unknown nature that can jeopardize the operability of the entire modeled system significantly complicates its application. In this paper, we introduce the minimax problem of constructing fault-tolerant production plans (Reliable Production Process Design Problem, RPPDP), the purpose of which is to ensure the smooth functioning of a distributed production system with minimal guaranteed costs. It is shown that the RPPDP problem is NP-hard in the strong sense and remains intractable under fairly specific conditions. To find exact and approximate solutions with accuracy estimates for this problem, branch and bound methods have been developed based on the proposed compact model of mixed integer linear programming (MILP) and the author’s heuristics of adaptive large neighborhood search (ALNS) within the framework of extensions of the well-known Gurobi MIP-solver. High performance and complementarity of the proposed algorithms have been confirmed by the results of numerical experiments conducted on an open library of test examples developed by the authors, containing adapted problem statements from the PCGTSPLIB library.

About the authors

Yu. Yu. Ogorodnikov

Krasovskii Institute of Mathematics and Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: yogorodnikov@imm.uran.ru
Yekaterinburg, 620108 Russia

R. A. Rudakov

Krasovskii Institute of Mathematics and Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: r.a.rudakov@gmail.com
Yekaterinburg, 620108 Russia

D’ M. Khachay

KEDGE Business School

Email: daniil.khachai@kedgebs.com
Talence, France

M. Yu. Khachay

Krasovskii Institute of Mathematics and Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: mkhachay@imm.uran.ru
Yekaterinburg, 620108 Russia

References

  1. Schilling L., Seuring S. Linking the digital and sustainable transformation with supply chain practices // Int. J. Prod. Res. 2023. https://doi.org/10.1080/00207543.2023.2173502
  2. Fan Y., Schwartz F., Vob S., Woodruff D. L. Catastrophe insurance and flexible planning for supply chain disruption management: a stochastic simulation case study // Int. J. Prod. Res. 2023. https://doi.org/10.1080/00207543.2023.2176179
  3. Fortune S., Hopcroft J., Wyllie J. The directed subgraph homeomorphism problem // Theor. Comput. Sci. 1980. V. 10. N 2. P. 111–121.
  4. Eilam-Tzoreff T. The disjoint shortest paths problem // Discret. Appl. Math. 1998. V. 85. N 2. P. 113–138.
  5. Ferone D., Festa P., Guerriero F., Laganà D. The constrained shortest path tour problem // Comput. Oper. Res. 2016. V. 74. P. 64–77.
  6. Ferone D., Festa‘P., Guerriero F. An efficient exact approach for the constrained shortest path tour problem // Optim. Methods Softw. 2020. V. 35. N 1. P. 1–20.
  7. Martin S., Magnouche Y., Juvigny C., Leguay J. Constrained shortest path tour problem: branch-and-price algorithm // Comp. Oper. Res. 2022. V. 144. P. 105819. https://doi.org/10.1016/j.cor.2022.105819
  8. Saksena J. P., Kumar S. The routing problem with ’k’ specified nodes // Oper. Res. 1966. V. 14. N 5. P. 909–913.
  9. Kudriavtsev A., Khachay D., Ogorodnikov Y., Ren J., Shao S. C., Zhang D., Khachay M. The shortest simple path problem with a fixed number of must-pass nodes: a problem-specific branch-and-bound algorithm // LNCS. 2021. V. 12931. P. 198–210.
  10. Andrade R. C. d. New formulations for the elementary shortest-path problem visiting a given set of nodes // Eur. J. Oper. Res. 2016. V. 254. N 3. P. 755–768.
  11. Gutin G., Punnen A. P. The Traveling Salesman Problem and Its Variations. B.: Springer. 2007.
  12. Papadimitriou C. Euclidean TSP is NP-complete // Theor. Comput. Sci. 1977. V. 4. P. 237–244.
  13. Khachay M., Ukolov S., Petunin A. Problem-Specific Branch-and-Bound Algorithms for the Precedence Constrained Generalized Traveling Salesman Problem // LNCS. 2021. V. 13078. P. 136–148.
  14. Chentsov A. G., Khachai M. Y., Khachai D. M. An exact algorithm with linear complexity for a problem of visiting megalopolises // Proc. Steklov Inst. Math. 2016. V. 295. N 1. P. 38–46.
  15. Khachai M. Y., Neznakhina E. D. Approximation schemes for the Generalized Traveling Salesman Problem // Proc. Steklov Inst. Math. 2017. V. 299. Suppl. 1. P. 97–105.
  16. Khachay M., Neznakhina K. Complexity and approximability of the Euclidean Generalized Traveling Salesman Problem in grid clusters // Ann. Math. Artif. Intell. 2020. V. 88. N 1. P. 53–69.
  17. Khachay M., Kudriavtsev A., Petunin A. PCGLNS: A heuristic solver for the Precedence Constrained Generalized Traveling Salesman Problem // LNCS. 2020. V. 12422. P. 196–208.
  18. Morin T. L., Marsten R. E. Branch-and-bound strategies for dynamic programming // Oper. Res. 1976. V. 24. N 4. P. 611–627.
  19. Khachai D., Sadykov R., Battaia O., Khachay M. Precedence Constrained Generalized Traveling Salesman Problem: Polyhedral study, formulations, and branch-and-cut algorithm // Eur. J. Oper. Res. 2023. V. 309. N 2. P. 488–505.
  20. Salman R., Ekstedt F., Damaschke P. Branch-and-bound for the Precedence Constrained Generalized Traveling Salesman Problem // Oper. Res. Lett. 2020. V. 48. N 2. P. 163–166.
  21. Gurobi Optimization. Gurobi optimizer reference manual (2021), https://www.gurobi.com/ documentation/9.5/refman/index.html
  22. Ropke S., Pisinger D. An adaptive large neighborhood search heuristic for the pickup and delivery problem with time windows // Transp. Sci. 2006. V. 40. P. 455–472.
  23. Kalateh Ahani I., Salari M., Hosseini S. M., Iori M. Solution of minimum spanning forest problems with reliability constraints // Comput. Ind. Eng. 2020. Vol. 142. P. 106365. https://doi.org/10.1016/j.cie.2020.106365
  24. Smith S. L., Imeson F. GLNS: An effective large neighborhood search heuristic for the Generalized Traveling Salesman Problem // Comp. Oper. Res. 2017. V. 87. P. 1–19.
  25. Gendreau M., Potvin J.-Y. Handbook of Metaheuristics. Cham: Springer. 2019.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».