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Pesquisa Operacional Programação Linear Desenvolvimento do material Julio Loureiro 1ª Edição Copyright © 2021, Afya. Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, transmitida e gravada, por qualquer meio eletrônico, mecânico, por fotocópia e outros, sem a prévia autorização, por escrito, da Afya. Sumário Programação Linear Para Início de Conversa... ............................................................................... 3 Objetivo ......................................................................................................... 3 1. Modelagens em PL ....................................................................................... 4 2. Manipulação de problemas de Programação Linear, método gráfico .............................................................................................. 6 Referências ......................................................................................................... 16 3 muito útil para a identificação da solução ótima de maximização ou minimização. Objetivo Aplicar os diferentes tipos de Programação Linear, conectando-os com as formas de representação geométrica. Para Início de Conversa... A Pesquisa Operacional, ou simplesmente PO, é vista como uma ferramenta que utiliza a matemática para a resolução de problemas das empresas, tornando possível a solução de problemas reais, a partir da tomada de decisões baseadas em fatos, dados e correlações quantitativas. Viabiliza ainda planejar, analisar, implementar, conceber, simular, operar e até controlar sistemas por meio da tecnologia, bem como de métodos de outras áreas do conhecimento; entre as suas possibilidades, temos opções que permitem minimizar custos e maximizar o lucro ou, ainda, encontrar a melhor solução para um problema, também conhecida como solução ótima. Neste capítulo, conheceremos um pouco mais sobre os problemas que podem ser apresentados e interpretados sob a forma gráfica e a partir daí serem tomadas as decisões ótimas para a busca da solução dos problemas apresentados. O Método Gráfico que será visto é uma versão decorrente de uma ferramenta conhecida como Método Simplex, que veremos em maior profundidade futuramente. Ainda que a aplicação do método gráfico na Programação Linear seja limitada a alguns tipos de problemas mais simples, ela poderá ser 4 1. Modelagens em PL Na origem da PO, na Segunda Guerra Mundial, a disponibilidade de recursos bélicos era limitada, um cenário muito próximo daquilo que se observa na atualidade nas organizações. Perante tal realidade, a Pesquisa Operacional busca a melhor distribuição possível dos recursos existentes, visando a alcançar o melhor resultado possível com os recursos disponíveis. Todos os dias os gestores se deparam com os mais variados problemas e desafios, que os levam a decidir ou escolher entre as alternativas que forem melhores e mais viáveis. Esses mesmos profissionais, mesmo que de forma inconsciente, definem o problema, estabelecem o objetivo a ser alcançado, ponderam as limitações que podem existir e por fim acabam analisando as possíveis alternativas, para poderem selecionar a melhor delas. A pesquisa operacional se apresenta dentro do contexto atual e tem como principal função ser uma ferramenta capaz de auxiliar nos processos de tomada de decisão no ambiente empresarial e nos negócios, apta a solucionar diversos problemas, tais como: otimização de recursos, minimização de custos, maximização de lucro, minimização dos deslocamentos de uma frota, roteirização de veículos, localização de instalações, composição de carteiras de investimento, alocação de equipes e pessoal, alocação de verbas de mídia, determinação do portfólio ou mix de produtos, determinação do planejamento da produção, entre outros. Para lidar com os problemas mais simples, aplica-se em maior escala a expertise e a própria experiência pessoal ou de algum membro da equipe, que normalmente são determinantes e suficientes para uma adequada tomada de decisão. Todavia, com a crescente complexidade imposta pelos desafios modernos, é necessário algo mais para subsidiar tais decisões, uma abordagem menos intuitiva e mais científica. Logo, precisamos conhecer as opções e ferramentas que utilizam recursos e cálculos, que vão desde as funções matemáticas mais simples até o uso de modelagem e simulações realizadas em computadores, que permitirão obter um melhor resultado, conforme cada caso. Para os casos mais desafiadores, a Programação Linear se mostra promissora. Trata-se de um ramo da ciência que busca a solução de problemas reais, com foco na tomada de decisões, sejam elas observadas na administração de empresas, logística, marketing, finanças, recursos humanos, administração da produção, gestão em geral ou outras áreas como medicina, engenharias, arquitetura, entre outras. São na verdade um conjunto de métodos que tem como objetivo obter o maior proveito possível dos sistemas de gestão, finanças, produção, indústria e serviços. 5 A seguir, listamos alguns problemas que podem ser resolvidos com a programação linear ou simplesmente PL: ▪ Gestão de empresas, como na determinação das quantidades a serem produzidas, do mix de produtos, de acordo com os recursos disponíveis, em função das condições tecnológicas existentes e das preferências do mercado. ▪ Problemas relacionados com os transportes, como definição dos custos de deslocamento de cada unidade do produto, considerando as origens e os destinos para formação de uma rede de distribuição. ▪ No sistema bancário, associado à estrutura financeira, com estabelecimento de ativos que maximizem o lucro versus a redução do risco, para formação de carteiras de investimentos. ▪ Concentração de componentes em uma fórmula de um produto alimentício, como na proposição de redução ou aumento da participação de determinados ingredientes, visando à maximização do lucro e redução dos custos, respeitando os requisitos técnicos para a colocação no mercado, como no mercado de rações para peixes. ▪ No planejamento da plantação de um canavial para a produção de etanol, considerando a produção esperada, superfície agricultável do terreno, mão de obra, quantidade de água que será consumida, entre outros. De acordo com Andrade (2015), os problemas associados à alocação de recursos são caracterizados pela: ▪ Existência de um objetivo que possa ser expresso em termos das variáveis de decisão relacionadas ao problema em estudo. ▪ Presença de restrições aplicáveis à utilização dos recursos envolvidos, tanto em termos quantitativos quanto em relação à forma de se empregar esses recursos. ▪ Possibilidade de representação por meio de modelos de otimização, em que todas as relações matemáticas, envolvendo suas variáveis, são lineares, ou seja, onde a variável não excede o primeiro grau. Entendida como uma das principais ferramentas da PO, a PL apresenta inúmeras aplicações, como já mencionado anteriormente, incluindo sua capacidade de apoiar decisões focadas em problemas de alocação de recursos. 6 2. Manipulação de problemas de Programação Linear, método gráfico Além de possibilitar a identificação de uma solução ótima, segundo Longaray (2013), o método gráfico permite ao estudante e profissional que vier a utilizar a PO, entender como se operacionaliza a relação da matemática entre as restrições e a ligação destas com a função-objetivo do modelo de PL. O principal detalhe a ser observado é que existem apenas duas variáveis envolvidas. Em função da sua simplicidade, ele é considerado o ponto de partida no estudo e entendimento da Programação Linear. Como o objetivo do nosso estudo é apresentar as noções e aplicações básicas de pesquisa operacional com foco nos cursos da gestão nas ciências sociais aplicadas, o estudo do método gráfico é muito importante, sendo uma excelente oportunidade de ter contato com o uso dos gráficos de forma aplicada, que sãoacionados para descrever situações enfrentadas na vida real, na esfera pessoal e da sua organização. O método gráfico possui a sua base matemática na teoria dos conjuntos convexos. Um conjunto para ser chamado de convexo, precisa conter todos os segmentos que unem quaisquer dois pontos desse mesmo conjunto. Obeserve: Figura 1: Exemplos de uma forma convexa e uma não convexa. Fonte: Adaptada de Caixeta- Filho (2011). Como pode ser observado, quaisquer retas traçadas dentro do polígono convexo ficam contidas no seu espaço. Ou seja, todos os pontos pertencentes ao segmento de reta AB contidos dentro dele. Já no segundo conjunto, que é um exemplo não convexo, parte do segmento de reta CD, não está totalmente contida nele. Isso nos mostra que, em condições convexas, as respostas contidas neste espaço estão limitadas pelas restrições, condição necessária para a busca de uma resposta tecnicamente viável, aspecto que não pode ser garantido no caso não convexo, pois existem segmentos da reta que estão em regiões, que poderão conter restrições ou serem simplesmente inviáveis. A B C D Convexo Não Convexo 7 O vértice do polígono é identificado quando um determinado ponto estiver contido em um conjunto convexo, mas não puder ser expresso como uma combinação de outros pontos, ele será, então, um dos vértices do polígono. Para Longaray (2013), o método gráfico se resolve a partir da determinação do conjunto convexo e pela detecção do vértice ótimo desse conjunto. Esse ponto representa o local que não pode ser expresso como uma combinação de outros dois pontos quaisquer que integrem o conjunto convexo. Figura 2: Identificação de um dos quatro vértices do conjunto convexo Fonte: Elaborada pelo autor. A B Convexo um dos vértices do polígono Para solucionar problemas com o apoio do Método Gráfico, segundo Crócoli (2016), precisamos inicialmente estruturar o problema e determinar as restrições, realizando os cálculos numéricos necessários e determinar o polígono de viabilidade técnica, através da disposição gráfica das restrições lineares, como veremos logo abaixo. Em seguida, selecionar uma função-objetivo adequada, onde a medida da eficácia deve ser constante, alinhada com os objetivos de ordem superior e a função deve ser linear. Por fim, determinar a solução ótima, usando o método gráfico direto ou algébrico. O gráfico abaixo ilustra um caso em que um problema foi representado graficamente por duas retas; a área em destaque mostra o chamado polígono de viabilidade técnica, ou seja, visualmente, qualquer ponto marcado dentro desta área seria tecnicamente viável e aceito, pontos fora da área poderiam ser descartados, pois não atendem aos requisitos limitantes dados pelas duas equações indicadas. Um analista que observe um determinado comportamento dentro do polígono de viabilidade técnica, conhecido também como conjunto de planos viáveis, polígono de pontos factíveis ou região Simplex, poderá decidir de forma mais segura e direta. O encontro das duas retas forma um vértice, que pode ser o ponto ótimo da solução. 8 A grande limitação do método gráfico se dá em função do emprego de modelos lineares em dois eixos (x e y), ou seja, apenas a problemas com duas variáveis. Figura 3: Representação do polígono de viabilidade técnica Fonte: Elaborada pelo autor. A região em destaque no gráfico, além de ser conhecida como polígono de viabilidade técnica, conjunto de planos viáveis ou polígono de planos factíveis, também pode ser chamada de Região Simplex, espaço que contém as soluções possíveis para um determinado problema. 0 X2 2ª variável ou X2 Polígono de viabilidade técnica 1ªvariável ou X1 Vértice X1 Representação geométrica de um problema de Programação Linear Vamos, agora, conhecer um problema associado à maximização, cuja resolução será dada pela PL. Certo fabricante de equipamentos eletrônicos produz caixas amplificadas com portas USB. Na sua unidade fabril, existem duas linhas de produção, uma voltada para o modelo mais simples, chamada de padrão (P), e outra para uma caixa mais sofisticada, com maior quantidade de recursos, conhecida como especial (E). Com relação às caixas USB padrão, seguem algumas informações: ▪ A linha de produção comporta no máximo 24 profissionais voltados para a montagem; ▪ Cada caixa consome 1 homem/dia para ser produzida; ▪ Cada caixa padrão fornece um lucro de R$ 30,00. Para a caixa USB especial: ▪ A linha de produção comporta no máximo de 32 profissionais na montagem; ▪ Cada caixa demanda 2 homens/dia para ser produzida; ▪ Cada caixa especial fornece um lucro de R$ 50,00. Na intenção de maximizar o lucro diário, que pode ser obtido pela produção das caixas, e considerando que a fábrica tem um total de 9 40 empregados a serem alocados nas duas linhas de produção, ajude o empresário a obter a melhor combinação, que maximize o lucro resultante das caixas produzidas. Com o concurso da Programação Linear para resolver este desafio, inicialmente precisamos transcrever as características do problema em um modelo matemático abstrato, que será composto por uma função- objetivo e um conjunto de restrições. Consideraremos que as variáveis do problema serão as quantidades máximas a serem produzidas dos modelos de caixa USB padrão (P) e do modelo especial (E). A função objetivo nos mostrará como o lucro se relaciona com as variáveis do problema e o conjunto de restrições, ela nos indicará os limites para as mesmas variáveis. Considerando que buscaremos maximizar o lucro, com base nos dados informados, que cada caixa padrão (P) fornece um lucro de R$ 30,00 e as especiais (E) um lucro de R$ 50,00; logo a função-objetivo será dada por: Lucro = 30 x P + 50 x E ou L = 30P + 50E O próximo passo será organizar o conjunto de restrições do problema. Foi relatado que a linha de produção da caixa padrão comporta até o máximo de 24 operários e como cada caixa consome 1 homem/dia para ser produzida, a produção máxima diária desta linha é de 24 caixas, ou seja, que P deverá ser menor ou igual a 24 ou: P ≤ 24 Figura 4: Restrição do número de operários na linha de caixas padrão (P) Fonte: Elaborada pelo autor. Observação: esta linha poderá admitir até 24 operários, considerando que cada empregado produzirá uma caixa por dia do modelo padrão (P). Para a linha de fabricação do modelo especial, admite-se um máximo de 32 profissionais. A produção de uma caixa consome 2 homens/dia, o que significa que a produção máxima diária desta linha será de 16 caixas por dia. Desta forma, esta restrição nos diz que a linha de caixas especiais deverá ter a capacidade de produção igual ou menor que 16: 0 P < 24 P24 E 10 E ≤ 16 Figura 5: Restrição do número de operários na linha de caixas especiais (E). Fonte: Elaborada pelo autor. Observação: esta linha poderá produzir qualquer quantidade entre 0 e 16 caixas do modelo especial, pois conta com uma capacidade máxima de 32 operários e cada caixa exige a dedicação de um trabalhador por dois dias para ser feita; logo, ao converter para o dia de trabalho, seria possível fazer até 16 caixas com o efetivo máximo admitido no local. Foi dito no enunciado que a fábrica tem um quadro de 40 trabalhadores no seu efetivo, que a linha dedicada às caixas padrão utiliza 1 homem/ dia e que a linha especial gasta 2 homens/dia, para produzir uma caixa conforme cada modelo. Considerando que a linha padrão comporta 24 profissionais e que a especial comporta 32, a combinação de profissionais nas duas 0 E < 16 P E 16 deve ser igual ou menor que 40 empregados dedicados à montagem, preferencialmente com o uso pleno da força de trabalho, restando descobrir qual a combinação ideal para maximizar o lucro. Dessa forma, a linha P (padrão) vai consumir 1xP ou 1P operários e a linha E (especial) vai consumir 2xE ou 2E operários, sendo a soma deles igual ou menos que 40 empregados. Logo, teremos que: 1P + 2E ≤ 40 Com esses dados organizados,temos o seguinte modelo matemático para o desafio de maximização de lucro: ▪ Função-objetivo para obtenção do lucro máximo possível, a partir da melhor combinação e uso das linhas de produção com o efetivo disponível Lucro = 30P + 50E ▪ Dadas as restrições P ≤ 24 E ≤ 16 1P + 2E ≤ 40 11 Na PL, as variáveis P e E nunca poderão ser negativas, dado que não temos como imaginar uma produção negativa. Essa é uma das características mais importantes nos modelos de PL. Em continuidade, vamos representar graficamente as restrições e a função-objetivo, para se determinar, então, a melhor solução. Ao lançarmos as restrições e a função-objetivo no plano cartesiano, passamos a ter a possibilidade de visualizar o polígono de viabilidade técnica, espaço que acomoda as possíveis soluções para o desafio, considerando a função-objetivo e as restrições. A primeira restrição que iremos representar é a dada pela inequação: 1P + 2E ≤ 40 Que ao ser transformada em equação, pode ser reescrita como: 1P + 2E = 40 Para localizar os pontos onde a reta se encontra com os eixos, que representam a produção das caixas padrão (P) e especial (E), devemos igualar cada variável separadamente a zero. Desta forma, quando P for igual a zero, o valor resultante de E será 20; (0,20). 1P + 2E = 40 (1x0) + 2E = 40 2E = 40 E = 40/2 E = 20 Da mesma forma, quando igualamos o E a zero, teremos o P igual a 40; (40,0). 1P + 2E = 40 1P + (2x0) = 40 1P = 40 P = 40/1 P = 40 Com a marcação dos dois pontos no gráfico e a união deles, teremos a seguinte representação gráfica: 12 Figura 6: Representação gráfica da inequação 1P + 2E ≤ 40. Fonte: Elaborada pelo autor. Cada ponto do segmento da reta traçado representa um par de produção de caixas USB (Padrão, Especial), que utilizará exatamente 40 operários na produção. Como na nossa inequação prevê que podemos utilizar até 40 operários, podemos concluir que a região abaixo do segmento de reta traçado contém os pares possíveis de produção (P,E), os quais juntamente com os pontos do segmento de reta, atendem corretamente à inequação. Da mesma forma, devemos representar as duas restrições existentes que limitam a capacidade de atuação de profissionais em cada linha e da consequente produção destas. Logo, a área sombreada na figura a seguir corresponde à inequação dada 1P + 2E ≤ 40, representada pela equação 1P + 2E = 40 e pelas restrições P ≤ 24 e E ≤ 16, ou seja, P = 24 e E = 16. 0 P+2E = 40 40 P E 20 Figura 7: Representação gráfica das restrições dadas no problema. Fonte: Elaborada pelo autor. Agora, vamos cuidar da função-objetivo, que será também representada no gráfico, possibilitando identificar a condição que fornecerá o lucro máximo possível com o efetivo disponível e possível de ser acomodado em cada linha de produção. Isso pode ser feito da seguinte maneira: ▪ 1º traça-se uma reta qualquer da família de retas (por exemplo: Lucro = 1500). ▪ 2º traça-se uma reta paralela a ela que toque em pelo menos um dos pontos na região de soluções compatíveis. ▪ 3º calcula-se o valor correspondente ao primeiro ponto tocado. 0 P+2E = 40 40 P E 20 24 16 Polígono de viabilidade técnica 13 Passo 1 – traçar a reta que representa a maximização do lucro, por exemplo um lucro arbitrado de R$ 1500,00. Dada por L = 30P + 50E. Todas as demais retas resultantes desta equação serão paralelas entre si. Se o Lucro for igual a R$ 1.500,00 e o valor de P = 0, temos: 1500 = 0xP + 50xE 1500 = 0 + 50E 50E = 1500 E = 1500/50 E = 30 O que forma o par (P,E) = (0,30) Igualando E a zero, E = 0, mantido o mesmo lucro projetado de R$ 1.500,00, teremos: 1500 = 30xP + 0xE 1500 = 30P + 0 30P = 1500 P = 1500/30 P = 50 O que forma o par (P,E) = (50,0) Em seguida, voltemos ao gráfico das restrições e vamos marcar as coordenadas obtidas (0,30) e (50,0), a união dos dois pontos mostra a reta resultante do lucro de R$ 1500,00, mas perceba que ele não cruza ou toca pelo menos em um ponto do polígono de viabilidade técnica, que está abaixo da reta, em direção ao vértice do gráfico. Figura 8: Representação da reta de maximização do lucro Fonte: Elaborada pelo autor. Passo 2 – Como a reta obtida do lucro de R$ 1.500,00 encontra-se depois da área de viabilidade técnica, devemos traçar uma reta paralela até encontrar pelo menos um ponto comum nessa área. 0 40 50 P E 20 30 24 16 14 Figura 9: Reta paralela traçada em direção à área do polígono de viabilidade técnica. Fonte: Elaborada pelo autor. Visualmente, observaremos que, quanto mais afastada da origem estiver uma destas retas, maior o valor de Lucro correspondente, desde que toquem em pelo menos um dos pontos do polígono de viabilidade técnica. Portanto, as análises gráficas nos permitem obter as características da solução ótima de tais problemas, de uma maneira visual e com a identificação da função-objetivo e das restrições, de forma intuitiva. Para achar o lucro máximo no problema dado, temos de procurar qual o ponto da região de viabilidade técnica, fornecerá o maior valor para o lucro. 0 40 50 P E 20 30 24 16 Pelas considerações anteriores, por esse ponto vai passar uma única reta da família de retas paralelas obtidas, aquela onde P = 24, a mais afastada das retas paralelas do lucro, que toca o vértice que pertence à região de viabilidade técnica. Logo, essa será a combinação de lucro ótimo com a produção de caixas das linhas de produção P e E, obedecendo às restrições fornecidas pelo problema. Passo 3 – Deve-se calcular o valor correspondente ao ponto identificado. Figura 10: Representação gráfica da reta que maximiza o lucro na produção de caixas de som. Fonte: Elaborada pelo autor. Considerando que P + 2E = 40, que define o número máximo de combinações possíveis para a produção de caixas USB padrão e caixas especiais, faremos a substituição do valor obtido em P (P=24 caixas), para identificar o valor equivalente de E (E=?), que é o dado que falta. 0 40 50 P E 20 30 24 16 ? 15 Visualmente, o valor buscado é de aproximadamente a metade o valor quando P=0, ou seja, metade de 16, vamos conferir: P + 2E = 40 24 + 2E = 40 2E = 40 – 24 2E = 16 E = 16/2 = 8 caixas Fazendo a substituição na fórmula da maximização do lucro: L = 30P + 50E, teremos: L = 30x24 + 50x8 L = 720 + 400 L = 1120 = R$ 1.120,00 Ou seja, o ponto onde o lucro é máximo, será dado pelas coordenadas (24,8), que será de R$ 1.120,00. No nosso exemplo teremos 24 operários na linha de caixas USB padrão, que produzirão um total de 24 caixas de som por dia e 16 operários na linha de caixas especiais, que produzirão 8 caixas de som por dia. A soma do número de operários nas duas linhas será igual ao efetivo total da fábrica, ou seja, teremos os 40 operários trabalhando. Como pode ser identificado, a solução de um dado problema pode obtida de forma intuitiva e em outros casos mais simples com até duas variáveis, com o uso de gráficos que possibilitam mostrar de forma visual a identificação de uma solução ótima ao problema apresentado, auxiliando o gestor a tomar a melhor decisão. Nota-se que a função-objetivo sempre passará por pelo menos um dos pontos extremos do conjunto de soluções compatíveis e que a mesma estará em um vértice (solução única) ou, eventualmente, poderá coincidir com um dos segmentos de reta de alguma restrição, em que qualquer ponto do segmento passará a ser uma solução ótima (neste caso, muitas soluções). No nosso exemplo, ao arbitrar um valor de lucro máximo e traçar a sua reta equivalente, tornou possível traçar uma outra reta que passou pelo vértice do polígono de viabilidade técnica, o que fez com que a solução ótima pudesse ser calculada com a identificação do ponto estará no ponto que cruza as retas P = 24 e P + 2E = 40, pois é onde o ponto do polígono de viabilidade técnica ou Região Simplex encontra-se mais afastado da origem dos eixos coordenados, considerando o lucro máximo. Com a realizaçãodos cálculos necessários (resolução do sistema de equações lineares e a aplicação na função-objetivo), encontramos a 16 solução ótima para a combinação da produção dos modelos: padrão, P = 24 caixas, de especial, E = 8 caixas, obtendo-se, dessa forma, um lucro máximo de R$ 1.120,00 e empregando o efetivo total da fábrica. Referências ANDRADE, E. L. de. Introdução à pesquisa operacional: métodos e modelos para análise de decisões. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2015. CAIXETA-FILHO, J. V. Pesquisa operacional: técnicas de otimização aplicada a sistemas agroindustriais. 2. ed. São Paulo: Atlas, 2011. CRÓCOLI, O. Programação linear: uma abordagem para o ensino médio. Maringá: UEM, 2016. LONGARAY, A. A. Introdução à pesquisa operacional. São Paulo: Saraiva, 2013.