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Otimização e Pesquisa Operacional

A matemática que traz resultados para indústrias de móveis

Pesquisa auxilia no problema de corte e aproveitamento dos painéis de madeira

 

Um dos problemas operacionais das empresas de pequeno e médio porte fabricantes de móveis é o corte de painéis retangulares de madeira mantidos em estoques em retângulos menores de acordo com uma demanda pré-especificada, um problema conhecido como o problema do corte de estoque bidimensional.

O tema foi atacado pela pesquisadora do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI) Maria do Socorro Nogueira Rangel, do Departamento de Matemática Aplicada da Unesp de São José do Rio Preto. Ela coordena uma pesquisa que visa contribuir com a iniciativa de aumentar a produtividade e a qualidade da indústria moveleira.

Para chegar até o modelo que apresentasse as melhores soluções foram analisados padrões de corte adotados pela fábrica que participou da pesquisa e foi proposto um algoritmo para a geração de um conjunto de padrões de corte, mesclando adaptações a procedimentos clássicos da literatura com soluções novas e inovadoras.

Uma versão web do sistema já está em funcionamento e pode ser acessado de forma pública neste link.

“Testes apontaram economia por produto de até 3% nos cortes, no entanto, o que queremos é facilitar o processo de decisão destas empresa no que se refere ao problema de otimização combinatória porque o número de soluções possíveis é muito alto. Estas decisões muitas vezes são feitas de forma manual e o sistema contribui com mais agilidade e soluções eficientes”, comentou a pesquisadora.

Assista também ao vídeo sobre a pesquisa:

 

A matemática que traz resultados para indústrias de móveis

As pequenas e médias empresas que fabricam móveis geralmente encaram um problema operacional no processo: cortar os painéis retangulares de madeira em retângulos menores, de acordo com a demanda. Uma pesquisa coordenada por uma pesquisadora do CEPID - CeMEAI busca aumentar a produtividade e a qualidade desse setor da indústria. Conheça o trabalho: https://goo.gl/JfRQNW

Publicado por CEPID - CeMEAI em Quinta-feira, 2 de agosto de 2018

 

Sobre o CeMEAI

O Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), com sede no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP.

O CeMEAI é estruturado para promover o uso de ciências matemáticas como um recurso industrial em quatro áreas básicas: Otimização Aplicada e Pesquisa Operacional, Mecânica de Fluidos Computacional, Modelagem de Risco, Inteligência Computacional e Engenharia de Software.

Além do ICMC-USP, CCET-UFSCar, IMECC-UNICAMP, IBILCE-UNESP, FCT-UNESP, IAE e IME-USP compõem o CeMEAI como instituições associadas.

 

Raquel Vieira - Comunicação CeMEAI

 

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Assessoria de Comunicação do CeMEAI: (16) 3373-6609

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A matemática que economiza energia elétrica para fornecedoras de água

CeMEAI e SAAE São Carlos aprimoram parceria que otimiza operações

 

A maioria das empresas privadas ou públicas que fazem a gestão e fornecimento de água para os municípios brasileiros não tem uma tecnologia que otimize os processos de distribuição, resultando desta forma em economia de energia elétrica para as próprias empresas e ganhos ao meio ambiente.

É neste contexto que um grupo de pesquisadores coordenados pela professora do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC-USP), de São Carlos e pesquisadora do CEPID-CeMEAI, Maristela dos Santos trabalha.

“Desenvolvemos um modelo matemático que serve como base de apoio para que os funcionários/tomadores de decisão tenham parâmetros precisos sobre o gerenciamento, por exemplo, das bombas de captação e distribuição de água. Fazendo a operação do sistema de forma ótima, o resultado é a economia de energia elétrica e redução nos custos da empresa”, resumiu Maristela.

Saiba mais no vídeo:

 

A matemática que economiza energia elétrica para fornecedoras de água

A matemática está em todo lugar - até na economia de energia elétrica do SAAE São Carlos, empresa responsável pelo abastecimento de água na cidade. Entenda melhor essa história: https://goo.gl/ZjpofD

Publicado por CEPID - CeMEAI em Quarta-feira, 16 de maio de 2018

Otimização em prática: alunos da Poli resolvem problemas reais de empresas

Trabalhos foram orientados por pesquisadora do CeMEAI

 

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Fellipe (à esquerda) e Rodrigo foram orientados pela professora Débora Ronconi 


A matemática está presente na rotina de qualquer tipo de empresa. Seja na simples conta do troco do cliente ou em cálculos mais complexos, como a criação de modelos avançados para problemas específicos, a matemática aparece com frequência e pode ajudar – e muito – as organizações.

Na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), dois trabalhos recentes de conclusão de curso orientados pela professora Débora Ronconi representam muito bem essa colaboração da matemática no dia a dia das empresas. Para finalizar o curso de engenharia de produção, os alunos Rodrigo Redenschi e Fellipe Marcellino decidiram estudar problemas reais de instituições completamente diferentes.

Rodrigo trabalhou com uma grande empresa brasileira do setor de transportes. “A empresa realiza, mensalmente, mais de 300 rotas de transporte. Para cada uma dessas rotas, é necessário decidir qual é a melhor fornecedora a ser contratada, e essa decisão leva em conta diversos fatores – custo, qualidade, capacidade de transporte e demanda”, explica.

A solução encontrada por ele foi criar um modelo matemático que leva todas essas variáveis em consideração e, em dois minutos, determina a solução ótima – ou seja, a melhor possível – e que atende a todas as restrições impostas. “A empresa ficou muito satisfeita com os resultados do trabalho e, inclusive, pediu auxílio para testar novos cenários e implementar novas funcionalidades no modelo”, comemora.

Crescimento rápido – e planejado

O ramo de entregas a domicílio de alimentos saudáveis congelados é a área de atuação da startup Liv Up, empresa formada por ex-alunos da Poli e que contou com a ajuda de Fellipe para resolver um problema de logística. “A Liv Up está em uma fase de crescimento acelerado e precisa escalar suas operações para absorver o crescimento no número de clientes. Nesse contexto, a empresa elabora, todos os dias, um roteiro com a ordem das entregas de seus produtos aos clientes. Esse roteiro era feito manualmente e levava cerca de uma hora, além de ter problemas em relação a custo, nível de serviço e gestão”, conta.

Assim como Rodrigo, Fellipe utilizou conceitos de pesquisa operacional para automatizar o processo. Ele desenvolveu uma ferramenta de roteirização das entregas que, além de reduzir os custos e aumentar o nível do serviço, facilitou a gestão e diminuiu para 15 minutos o tempo total do processo. “A ferramenta foi implantada na startup e a empresa ficou muito satisfeita com os resultados. Eles também ficaram impressionados com a facilidade da ferramenta em simular cenários para as tomadas de decisão”, relata.

Conhecimento prático

A professora Débora é pesquisadora do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI) e tem experiência nesses esforços de aproximar a sala de aula do mercado. Ela já orientou trabalhos que estudaram, por exemplo, problemas de empresas da área de produção de fraldas e de indústrias de cosméticos. “Através dessas experiências, os alunos vivenciam o retorno que a aplicação da teoria pode gerar no dia a dia das empresas, além de desenvolverem capacidades para adequá-las ao problema real”, salienta a professora.

Para os alunos, a aplicação da teoria é uma fase importante no processo de aprendizado. “Acredito que em cursos muito teóricos os alunos sentem dificuldade em enxergar aplicações práticas da teoria, especialmente em disciplinas da área de exatas. É muito importante utilizar o conhecimento adquirido para resolver problemas reais e entender a importância de uma base teórica no mercado de trabalho”, opina Fellipe. “É muito gratificante poder aplicar, na prática, teorias aprendidas em sala de aula e perceber que elas agregam um imenso valor para qualquer empresa, seja ela grande ou pequena”, corrobora Rodrigo.

 

Sobre o CeMEAI

O Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), com sede no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP.

O CeMEAI é estruturado para promover o uso de ciências matemáticas como um recurso industrial em quatro áreas básicas: Otimização Aplicada e Pesquisa Operacional, Mecânica de Fluidos Computacional, Modelagem de Risco, Inteligência Computacional e Engenharia de Software.

Além do ICMC-USP, CCET-UFSCar, IMECC-UNICAMP, IBILCE-UNESP, FCT-UNESP, IAE e IME-USP compõem o CeMEAI como instituições associadas.

 

Leonardo Zacarin - Comunicação CeMEAI

 

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IBILCE recebe pesquisador de universidade inglesa

Visita conta com palestra na próxima quarta-feira

 

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O Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas (IBILCE) da UNESP em São José do Rio Preto receberá, na próxima quarta-feira (12), o pesquisador Chandra Irawan, do Departamento de Matemática da Faculdade de Tecnologia de Portsmouth, na Inglaterra.

Irawan é membro do Centro de Pesquisa Operacional e Logística (CORL) da Universidade de Portsmouth e é especialista em técnicas multiobjetivo. A visita é consequência da aprovação do projeto de Irawan que foi aprovado pelo programa Research Mobility and Young Investigator Awards for UK Researchers in Brazil, uma chamada conjunta das fundações Newton Fund, FAPESP, CONFAP e UK Academies. Irawan ficará no Brasil durante todo o mês de abril trabalhando com a professora Helenice Silva, do Instituto de Biociências da UNESP em Botucatu e pesquisadora do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI). O pesquisador também dará uma palestra no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP em São Carlos.

A palestra “An optimisation model for scheduling the decommissioning of an offshore wind farm” será realizada às 14h na sala 1N do Departamento de Matemática Aplicada (DMAP). O evento é aberto ao público e não é necessária inscrição prévia. Veja abaixo mais detalhes da apresentação:

Abstract

An optimisation model is proposed for scheduling the decommissioning of an offshore wind farm to minimise the total cost which is comprised of jack-up vessel, barge (transfer) vessel, inventory, processing, and on-land transportation costs. This paper also presents a comprehensive review of the strategic issues relating to the decommissioning process and scheduling models that have been applied to offshore wind farms. A mathematical model using mixed integer linear programming (MILP) is developed to determine the optimal schedule considering several constraints such as the availability of vessels and planning delays. As the decommissioning problem is challenging to solve, a matheuristic approach based on the hybridization of a decomposition approach and an exact method is also proposed to find the best solutions for the problems. A set of computational experiments has been carried out on two datasets to assess the proposed approaches.

Key words: Mathematical programming, Decomposition Method, Decommissioning Scheduling, Offshore Wind Farm, Renewable Energy Optimisation.

 

Biography

Chandra Irawan has been a research fellow in the Department of Mathematics at the University of Portsmouth involved in the Leanwind Project (EU 7th Framework Programme project) since September 2014. He holds a PhD in Management Science from University of Kent UK in 2014. He got his MSc and BSc in Industrial Engineering from Bandung Institute of Technology (ITB) Indonesia. His main Research Interests are in facility location problems, offshore wind farm, and meta-heuristic methods. He has published papers in various international journals such as The European Journal of Operational Research, Computers & Operations Research, Journal of Heuristics, Journal of Global Optimization, and Renewable Energy.

 

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Estudos em redes de distribuição de água são tema de workshop na USP em São Carlos

Evento é coordenado por pesquisadora do CeMEAI

 

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Na próxima quinta-feira (13), o Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP em São Carlos sediará o Workshop da Água, evento que tem por objetivo apresentar pesquisas e um software voltados a redes de distribuições de água.

O workshop é coordenado pela professora Maristela Oliveira dos Santos, do ICMC e pesquisadora do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), e será composto por três apresentações. Na primeira delas, o mestrando em Engenharia Hidráulica e Saneamento João Paulo Siqueira apresentará o software EPANET, utilizado para realizar modelagens hidráulicas de redes de água.

Na segunda apresentação, Siqueira mostrará um trabalho que utiliza um código escrito em Matlab para quantificar os vazamentos de uma rede de distribuição de água qualquer através da medição de pontos de pressão e vazão. O código utiliza o EPANET para calibrar a rede em questão.

Por fim, ao lado da professora Edilaine Martins Soler, da Unesp em Bauru, Maristela apresentará um modelo de programação inteira mista proposto para resolver um problema de rede de distribuição e captação de água. A ideia é determinar as políticas de acionamento de bombas para captação e distribuição de água visando a minimização dos custos com garantia no abastecimento de água para população e outras limitações da rede.

O evento tem início previsto para as 9h45 e será realizado na sala 4-111 do ICMC. O workshop é aberto ao público e não é necessária inscrição prévia.

 

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Software FundiAção: Cargas é apresentado a empresários

Ferramenta é resultado de pesquisa sobre otimização dos fornos em fundições

 

A pesquisadora Franklina Toledo, do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CEPID-CeMEAI), promoveu, em um dos auditórios do ICMC, uma transmissão para apresentar a empresários do ramo de fundição, o software FundiAção: Cargas.

A ferramenta é resultado de uma pesquisa que conta com o apoio da FAPESP e tem como principal aplicação a combinação de produtos para fornadas de diferentes ligas e itens produzidos em fundições. O programa auxilia a encontrar a melhor combinação a fim de aproveitar de forma eficiente toda capacidade dos fornos.

O trabalho já está disponível para interessados que podem entrar em contato com a pesquisadora pelo email Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo.. Veja como o sistema funciona:

 

O software FundiAção: Cargas, que tem como principal aplicação a combinação de produtos para fornadas de diferentes ligas e itens produzidos em fundições, foi apresentado a empresários do ramo na última quarta-feira. Veja como o sistema funciona: https://goo.gl/ZALSYR

Publicado por CEPID - CeMEAI em Sexta, 16 de dezembro de 2016

 

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A Matemática por trás da produção de fraldas

Como a Pesquisa Operacional pode ajudar a vida dos empresários do ramo

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Se você tem filhos, fica mais fácil entender o texto a seguir. Ao ir ao supermercado atrás de fraldas, não há como não comprar uma, já que a criança está à espera dela. Não tem como adiar. Por isso, o produto é considerado altamente substituível: se você não achar a da marca preferida na prateleira, leva de outra. É fato. Para quem tem empresa de fraldas, é essencial ter também o produto sempre disponível aos consumidores. Ou perde para a concorrência.

Se a fralda não pode faltar, a produção tem que estar bem planejada. Foi pensando nisso que André Possatto, Engenheiro de Produção recém-formado pela Escola Politécnica da USP, desenvolveu, junto a Débora Ronconi, pesquisadora do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), um modelo matemático de sequenciamento e dimensionamento da produção de fraldas que chega a resultados muito próximos da solução considerada ideal. A série de equações do modelo de programação linear inteira mista teve como objetivo principal reduzir o tempo gasto com o setup das máquinas, ou seja, o tempo gasto para mudar a preparação destas máquinas e passar a fazer outro tipo de fralda.

Várias restrições foram levadas em consideração: a demanda deve ser atendida e as máquinas têm velocidades diferentes. Têm mudanças, por exemplo, de acordo com o tipo de fralda (simples, especial, super especial etc.), com o tamanho dela (RN, P, M, G, GG etc.) e com o tamanho do pacote em que ela será embalada. E se o mês tem 30 dias, é preciso levar em conta também que o máximo que a máquina trabalha são 24 horas por dia. Mais que isso, foge à realidade. O estudante explica que usou dois tipos de variáveis para definir a função objetivo do modelo: as reais (que vão de menos infinito até infinito e têm todos os valores fracionários nesse meio) e as binárias (zero-um).

Os dados reais cedidos em sigilo por uma empresa da área de higiene foram utilizados. Um software já conhecido (CPLEX) ia rodar o modelo. Para se ter ideia, em um dos testes, depois de 14 horas, o computador não tinha mais memória para seguir adiante. Então, André fez algumas adaptações: “Tive que simplificar, abrir mão de certa flexibilidade para conseguir que ele fosse executado. As alterações trazem dificuldades no pós-processamento, mas a solução final é tão boa quanto a do modelo anterior. Fui pesquisar, estudei, fiz várias tentativas para achar a melhor solução”. E o resultado foi compensador e considerado um grande diferencial do projeto. “Eu consigo em 10 minutos uma solução muito boa, melhor do que a utilizada atualmente, com uma redução de 21% no tempo total gasto com a preparação das máquinas, o setup total”, conclui.

Na prática, mensalmente, o programador da empresa entra com os dados (quantas fraldas de cada tipo, qual a embalagem, o tamanho do pacote) e o programa vai dizer qual a sequência a ser usada em cada máquina. “Ele simplesmente coloca os dados e a resposta sai”, explica André, que teve contato com a empresa por meio de um ex-estudante da graduação que atualmente é um dos funcionários da gerência. André esteve na planta da fábrica, conversou com o pessoal, tirou dúvidas e chegou à conclusão de que este era um problema interessante para ser tratado. Agora, André está no mercado de trabalho, mas, daqui a uns dois anos, planeja um mestrado. Ele afirma que dá para melhorar o modelo, mas o avanço dificilmente seria significativo. Se fosse para ir além, compensa mais adaptar o modelo para outras linhas de produção, como a de absorventes íntimos, porque, para a empresa, os resultados obtidos atualmente já são bastante satisfatórios. O modelo também está bem próximo de outros problemas encontrados na literatura de sequenciamento.

Outro diferencial notado por ele foi em uma das análises de sensibilidade. Ele considerou os três setups de máquinas: o para alterar o tamanho da fralda (12 horas), o para o tipo de fralda (seis horas) e o para o tamanho da embalagem (quatro horas). Verificou em qual desses setups poderia reduzir o tempo (em um terço) para ter maior impacto no tempo total gasto na produção. A princípio, o óbvio seria a redução do tempo de preparação de máquina que demora mais (12h), mas a resolução do modelo mostrou que o maior impacto seria obtido na redução do setup intermediário (de 6 horas para 4 horas) devido a sua maior frequência.

 

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O Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), com sede no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP. O CeMEAI é especialmente adaptado e estruturado para promover o uso de ciências matemáticas (em particular matemática aplicada, estatística e ciência da computação) como um recurso industrial.

As atividades do Centro são realizadas dentro de um ambiente interdisciplinar, enfatizando-se a transferência de tecnologia e a educação e difusão do conhecimento para as aplicações industriais e governamentais. As atividades são desenvolvidas nas áreas de Otimização Aplicada e Pesquisa Operacional, Mecânica de Fluidos Computacional, Modelagem de Risco, Inteligência Computacional e Engenharia de Software.

Além do ICMC, o CEPID-CeMEAI conta com outras seis instituições associadas: o Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (CCET-UFSCar); o Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica da Universidade Estadual de Campinas (IMECC-UNICAMP); o Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas da Universidade Estadual Paulista (IBILCE-UNESP); a Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista (FCT-UNESP); o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE); e o Instituto de Matemática e Estatística da Universidade de São Paulo (IME-USP).

Assessoria CEPID-CeMEAI

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A matemática que soluciona problemas da indústria de cosméticos

Pesquisadora do CeMEAI orientou projeto na área

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O tema surgiu por acaso. O projeto, intitulado “Revisão da Malha Logística em uma empresa se Cosméticos”, foi desenvolvido pelo Engenheiro de Produção Eduardo Maroco Neto, recém-formado pela POLI/USP, junto à pesquisadora do CeMEAI Débora Ronconi.

Eduardo fazia um estágio na área de marketing em uma grande empresa do ramo e aproveitou para conversar com funcionários e ver possíveis abordagens para o estudo. A ideia inicial era fazer algo na área de operações dentro da fábrica.  Porém, na logística, depois de ter acesso a dados e analisar resultados, percebeu que a indústria tinha um problema na entrega dos produtos. A demora acabava suprimindo um potencial de crescimento de receita.

Autorizado pela empresa - desde que mantivesse a maior parte dos dados em sigilo – Eduardo passou a pesquisar soluções. “Usei técnicas de pesquisa operacional para decidir entre avançar ou não o estoque de algumas lojas que eles tinham, para fazer com que o produto estivesse mais próximo dos consumidores e para ver se, com isso, a receita aumentava”, explica Eduardo. A empresa tem 24 lojas em vários estados brasileiros. Junto a Débora, o aluno construiu um modelo matemático que levou em conta duas restrições: a demanda de cada estado e a capacidade das lojas de receber o aumento de estoque.  “Com o resultado que a gente obteve, valia a pena avançar o estoque em 14 das 24 lojas. Isso geraria um aumento de caixa de 7% para a empresa. O novo modelo também mostrou que a entrega era feita em apenas 8,9% do volume total da empresa. Então, era possível de ser expandido em até 11 vezes e a empresa ainda seria capaz de suportar”, complementa Eduardo.

Foi feito um projeto-piloto pra saber se a redução do tempo de entrega alterava a receita da fábrica de cosméticos. Foi concluído que era possível diminuir em até seis dias o prazo para o recebimento do produto, aumentando em cerca de 38% a receita. Mas, para ter esse lucro adicional, investimentos seriam necessários. O estudo avançou para a contabilidade. Eram 14 lojas e o investimento deveria ser da ordem de 12 milhões de reais. “Só que a empresa me disse que só tinha três milhões de reais por semestre. Uma análise de payback tornou possível saber em quais lojas o investimento deveria ser feito primeiramente, não excedendo o valor semestral estipulado. Foram selecionadas as unidades que tinham tempo de retorno menor", conta.

Para as lojas que receberiam avanço de estoque, a pesquisa também analisou a viabilidade de fazer um segundo pavimento no prédio ou comprar um terreno vizinho a ele. E o quanto valia a pena gastar em um investimento vertical ou na aquisição do terreno, com pagamento de três a cinco anos para cada uma das 14 lojas.  

Eduardo ressalta que o trabalho ficou até melhor do que o esperado e que foram seis meses intensivos de relacionamento direto com a empresa. Ele não imaginava chegar a um nível tão detalhado de soluções. O modelo de estoque desenvolvido pode ser aplicado em outras fábricas de outros setores. Ele acredita que a metodologia empregada para a resolução do problema ficará como um legado para a empresa, que nunca tinha utilizado essa abordagem nas decisões estratégicas.  “Uma coisa que eu acredito que tenha ficado de legado para a empresa foi uma mudança de visão, porque eles não levavam em consideração a otimização do modelo para a análise de sensibilidade. Eles usavam variações de cenários e viam qual era o melhor. Isso, a partir de agora, está fora de cogitação”, conclui o recém-formado.

 

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Além do ICMC, o CEPID-CeMEAI conta com outras seis instituições associadas: o Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (CCET-UFSCar); o Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica da Universidade Estadual de Campinas (IMECC-UNICAMP); o Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas da Universidade Estadual Paulista (IBILCE-UNESP); a Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista (FCT-UNESP); o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE); e o Instituto de Matemática e Estatística da Universidade de São Paulo (IME-USP).

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Software livre traz novidades nas simulações de dinâmica molecular

Packmol foi desenvolvido por pesquisadores do CeMEAI

 

Um programa desenvolvido por pesquisadores do CEPID - CeMEAI e do eScience trouxe novidades na área de simulações de dinâmica molecular. Entenda como o Packmol funciona: http://goo.gl/ItVxL0

Publicado por CEPID - CeMEAI em Quarta, 9 de dezembro de 2015

Um programa de computador desenvolvido por pesquisadores do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI) e do Centro de Pesquisa em Engenharia e Ciências Computacionais (CCES) criou novas perspectivas para a área das simulações de dinâmica molecular. Desde 2005, o Packmol facilita a vida de quem precisa simular o comportamento de moléculas em ambientes complexos.

“As simulações servem para entender como as moléculas funcionam, com resolução atômica. É como se déssemos um zoom em qualquer objeto: vemos todas essas moléculas, átomo por átomo, e entendemos quais são suas propriedades”, conta o professor Leandro Martínez, do Instituto de Química da Unicamp.

Leandro desenvolveu o Packmol ao lado de seu pai, José Mario Martínez, que é professor do Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica (IMECC), também da Unicamp, e de Ernesto Birgin, do Instituto de Matemática e Estatística (IME) da USP em São Paulo. José Mario e Ernesto, que são pesquisadores do CeMEAI, foram responsáveis pelos métodos matemáticos do programa, cuja grande inovação é a facilidade de dispor as moléculas para dar início a simulações de sistemas complicados.

“Estamos acostumados a ouvir que é possível prever a trajetória de planetas ao longo do tempo se soubermos a posição inicial dos planetas e como eles interagem entre si. O que a gente faz numa simulação de dinâmica molecular é exatamente a mesma coisa. Precisamos saber as posições iniciais das moléculas e como elas se comportam, e o Packmol cria a posição espacial de todos os átomos no espaço”, esclarece Leandro.

“Basicamente, para isso, resolvemos problemas de empacotamento. Antes do Packmol, o início das simulações de dinâmica molecular era feito manualmente. O pesquisador ficava na frente do computador colocando as moléculas e tentando satisfazer uma série de restrições. O Packmol automatizou essa tarefa”, resume Ernesto.

Para desenvolver os modelos matemáticos, Leandro, José Mario e Ernesto encararam o problema físico-químico, que envolve as moléculas, como um problema de empacotamento. Empacotar é um problema de otimização, a área de especialidade de José Mario e Ernesto na matemática.

“Você empacota quando faz as malas para uma viagem, porque você coloca objetos dentro da mala de uma maneira que eles caibam. Se você empacota mal, os objetos não cabem”, explica José Mario.

O programa é resultado da integração entre as áreas da matemática, representada por José Mario e Ernesto, e da físico-química, na qual trabalha Leandro, que também é pesquisador do CCES. “Essas colaborações que a gente tem com a matemática são importantes, porque correlacionam o nosso trabalho, que é de bioquímica computacional, com a parte de otimização, de matemática, que está relacionada ao CeMEAI”, relata Leandro.

Os artigos científicos referentes ao Packmol têm recebido muitas citações. O primeiro deles, de 2003, tem em torno de 150. O mais divulgado, de 2009, foi citado cerca de 500 vezes. 

O Packmol é distribuído na forma de software livre e, nos dez anos de existência, já foi baixado cerca de 14 mil vezes por pesquisadores de mais de 100 países. O download é grátis e pode ser feito no site do programa.

 

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O Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), com sede no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP. O CeMEAI é especialmente adaptado e estruturado para promover o uso de ciências matemáticas (em particular matemática aplicada, estatística e ciência da computação) como um recurso industrial.

As atividades do Centro são realizadas dentro de um ambiente interdisciplinar, enfatizando-se a transferência de tecnologia e a educação e difusão do conhecimento para as aplicações industriais e governamentais. As atividades são desenvolvidas nas áreas de Otimização Aplicada e Pesquisa Operacional, Mecânica de Fluidos Computacional, Modelagem de Risco, Inteligência Computacional e Engenharia de Software.

Além do ICMC, o CEPID-CeMEAI conta com outras seis instituições associadas: o Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (CCET-UFSCar); o Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica da Universidade Estadual de Campinas (IMECC-UNICAMP); o Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas da Universidade Estadual Paulista (IBILCE-UNESP); a Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista (FCT-UNESP); o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE); e o Instituto de Matemática e Estatística da Universidade de São Paulo (IME-USP).

Leonardo Zacarin - Assessoria CEPID-CeMEAI

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Pesquisa possibilita tomografias mais rápidas e mais precisas

Usando um acelerador de partículas, estudo faz reconstruções detalhadas das imagens

 

Em parceria com o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, pesquisadores do CEPID - CeMEAI utilizam acelerador de partículas para realizar tomografias. Entenda:

Publicado por CEPID - CeMEAI em Quinta, 22 de outubro de 2015

Na cidade de Campinas (SP), o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) abriga quatro laboratórios. Em um deles – o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) – é desenvolvida uma pesquisa que utiliza o maior acelerador de partículas da América Latina para realizar tomografias.

O estudo é feito em parceria com o Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CEPID-CeMEAI) e utiliza a luz síncrotron, um tipo de radiação eletromagnética gerada pelo acelerador, para fazer as análises. Uma das diferenças para um tomógrafo convencional é que, nessa pesquisa, o que gira é o objeto dentro do tomógrafo.

As reconstruções das imagens internas começam na emissão da luz síncrotron. Quando os feixes incidem no objeto, ele é dividido virtualmente em 2048 camadas. Cada uma dessas camadas é uma imagem com quatro milhões de pontos (pixels), que, quando observados em três dimensões, são chamados de voxels. Cada voxel é um cálculo a ser feito para reconstruir a imagem.

Segundo o pesquisador do CeMEAI Elias Helou Neto, a pesquisa busca melhorar a análise dos voxels. “Nós queremos modelos mais sofisticados, com métodos que precisem de poucas iterações para convergir em uma solução boa, e em que cada uma dessas iterações tenha um custo computacional reduzido”, explica.

O diretor científico do LNLS, Harry Westfahl, ressalta outra diferença para um tomógrafo convencional. “No tomógrafo de hospital, você tem objetos grandes e faz tomografias com voxels da ordem de milímetros. Aqui, os objetos são pequenos e os voxels são da ordem de mícrons”, afirma.

Sobre o CeMEAI

O Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), com sede no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP. O CeMEAI é especialmente adaptado e estruturado para promover o uso de ciências matemáticas (em particular matemática aplicada, estatística e ciência da computação) como um recurso industrial.

As atividades do Centro são realizadas dentro de um ambiente interdisciplinar, enfatizando-se a transferência de tecnologia e a educação e difusão do conhecimento para as aplicações industriais e governamentais. As atividades são desenvolvidas nas áreas de Otimização Aplicada e Pesquisa Operacional, Mecânica de Fluidos Computacional, Modelagem de Risco, Inteligência Computacional e Engenharia de Software. 

Além do ICMC, o CEPID-CeMEAI conta com outras seis instituições associadas: o Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (CCET-UFSCar); o Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica da Universidade Estadual de Campinas (IMECC-UNICAMP); o Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas da Universidade Estadual Paulista (IBILCE-UNESP); a Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista (FCT-UNESP); o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE); e o Instituto de Matemática e Estatística da Universidade de São Paulo (IME-USP).

Leonardo Zacarin - Assessoria CEPID-CeMEAI

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