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RELATÓRIO DE

                  OPTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO

                   NUMA EMPRESA ALIMENTAR




                           Lisboa, 10 de Junho de 2011




Hugo Rodrigues

hugo.rodrigues@gmail.com
Investigação Operacional – 2011                                                                              Case Study



Índice




1.   Sumário Executivo .................................................................................................4

2.   Introdução ............................................................................................................5

3.   Caracterização da situação .....................................................................................6

4.   Formulação do problema ........................................................................................8

     4.1 Variáveis de decisão do modelo....................................................................... 8
     4.2 Função Objectivo ........................................................................................ 8
     4.3 Restrições do modelo ................................................................................... 8

5.   Análise do Problema ..............................................................................................9

     5.1 Representação matemática do problema ............................................................ 9
     5.2 Quadro Primal do Simplex ............................................................................. 9
     5.3 Resultados no Lindo ................................................................................... 10
     5.1 Resultados no Excel .................................................................................... 12

6.   Interpretação Económica......................................................................................14

7.   Propostas de melhoria e análise de sensibilidade ....................................................15

     7.1 Diminuição do Horário de Trabalho ................................................................. 15
     7.2 Aumento da Matéria-Prima ........................................................................... 16

8.   Conclusões ..........................................................................................................19




Hugo Rodrigues                                                                                                             2
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Índice de Figuras


Imagem 1: Formalização do Problema no Lindo ........................................................................... 10
Imagem 2: Solução óptima no Lindo ........................................................................................... 10
Imagem 3: Análise de sensibilidade no Lindo .............................................................................. 11
Imagem 4: Tableau (simplex) no Lindo ....................................................................................... 11
Imagem 5: Formalização do Problema no Solver ......................................................................... 12
Imagem 6: Relatório de Resposta do Solver ................................................................................ 12
Imagem 7: Relatório de Sensibilidade do Solver .......................................................................... 13
Imagem 8: Relatório de Limites do Solver ................................................................................... 13
Imagem 9: Resultado da optimização de tempo no Solver ............................................................ 15
Imagem 10: Relatório de sensibilidade no Solver - optimização de tempo ..................................... 16
Imagem 11: Resultado da optimização de margem com MP no Solver .......................................... 17
Imagem 12: Relatório de sensibilidade no Lindo – folgas MP ........................................................ 17
Imagem 13: Relatório de sensibilidade no Solver – folgas MP ....................................................... 17
Imagem 14: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP adicional .......................................... 18
Imagem 15: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP reduzida ........................................... 18




Índice de Tabelas


Tabela 1: Lucro e procura de cada produto por mês ...................................................................... 6
Tabela 2: Tempos por lote dos produtos ....................................................................................... 6
Tabela 3: Quantidade necessária e disponível de matéria-prima ..................................................... 6
Tabela 4: Lucro por lotes produzidos ............................................................................................ 7
Tabela 5: Quantidade óptima de lotes ......................................................................................... 14
Tabela 6: Folgas encontradas ..................................................................................................... 14




Hugo Rodrigues                                                                                                                     3
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 1. Sumário Executivo

Este relatório descreve a aplicação da Programação Linear para a programação da produção de um
Talho na operação diária de carne de Suíno. Consiste na análise de um caso real de uma empresa
do ramo alimentar que necessita de programar a produção mensal de três produtos que utilizam a
mesma matéria-prima, com o fim de optimizar a sua margem de lucro. A matéria-prima está sujeita
a condicionantes de disponibilidade no mercado.

Embora os produtos utilizem a mesma matéria-prima, apresentam tempos de ciclos de produção
distintos e estão condicionados pela procura no mercado.

Para a realização da análise recorreu-se à Programação Linear, caracterizando-se o processo de
manufactura, quantidades e margens obtidas.

Com este trabalho é possível sustentar matematicamente uma proposta de optimização do tempo
diário de produção de 23h para 8,33 h, assim como uma proposta para optimização da margem de
lucro em 81% de 657.993,56 € para 1.194.000,00 €.




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 2.   Introdução

A indústria alimentar abordada neste relatório está relacionada com um centro de corte de carne
que utiliza em grande parte do seu processo o sistema de desmanche para venda a retalho.
Este sistema apresenta alguns desafios para esta indústria principalmente quando se trata da
produção de diversos produtos finalizados.
Trata-se de uma micro empresa dedicada ao desmanche de peças de carne suína, produzindo carne
fatiada de três tipos para comercialização no retalho.


O problema tratado neste relatório é o planeamento e programação da produção de um centro
durante um período de um mês.
A questão central é averiguar qual a programação ideal para se obter a maximização do lucro, tendo
em vista a capacidade instalada, no que diz respeito ao tempo disponível, matéria-prima disponível e
a procura no mercado.




Hugo Rodrigues                                                                                    5
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 3. Caracterização da situação

O centro de corte produz três produtos distintos a partir de matéria-prima comum (carne de suíno).
Cada produto tem identificado um lucro distinto. Mensalmente a gestão da empresa informa a área
de produção acerca das encomendas (necessidade do mercado):



             Produto                             Lucro (€/kg)            Produção (ton/mês)

                  X1                                 1,54                          280
                  X2                                 1,19                          320
                  X3                                 1,91                          200

                       Tabela 1: Lucro e procura de cada produto por mês



O centro de corte trabalha 24 horas por dia durante 30 dias num mês.
São efectuadas paragens de 1 hora por dia (fecho do dia) sendo por isso o tempo de funcionamento
da linha de operação de 23 horas por dia (690 horas por mês).


A produção de produtos fabrica o produto final por lotes. Os tempos de fabrico de cada lote de e as
respectivas quantidades produzidas são as seguintes:



         Produto                 Tempo por lote (horas)       Quantidade produzida por lote (ton)

            X1                              9                                 28
            X2                              12                                20
            X3                              9                                 25
                             Tabela 2: Tempos por lote dos produtos



O fornecimento da matéria-prima utilizada no fabrico destes produtos é limitado devido a factores
condicionantes do mercado e da logística.
A quantidade de matéria-prima para a produção de cada lote, bem como a quantidade disponível no
mercado, para aquisição é a seguintes:
                       Quantidade necessária para cada lote
                                     (ton)                            Quantidade disponível no
Matéria-Prima
                                                                        mercado (ton/mês)
                          X1            X2           X3
 Carne de suíno           9,57            4,28              12,44                  130

              Tabela 3: Quantidade necessária e disponível de matéria-prima




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Em resumo, é possível ser relacionada a quantidade de cada produto por lote com o lucro e procura
de cada produto.
O lucro bruto obtido pela realização dos lotes mensais é o seguinte:

             Produto                        Lucro (€/lote)             Produção (lotes/mês)

                   X1                          43.120,00                        10
                   X2                          23.800,00                        16
                   X3                          47.750,00                         8

                              Tabela 4: Lucro por lotes produzidos




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 4. Formulação do problema

 4.1 Variáveis de decisão do modelo

As variáveis de decisão do modelo são:


X1: quantidade de lotes a serem produzidos num mês do produto 1.
X2: quantidade de lotes a serem produzidos num mês do produto 2.
X3: quantidade de lotes a serem produzidos num mês do produto 3.



 4.2 Função Objectivo

A seguinte equação corresponde à função objectivo para o problema, utilizando como coeficientes os
lucros por lote apresentados na Tabela 4: Lucro por lotes produzidos:
                          FO Max [43120 X1 + 23800 X2 + 47750 X3]



 4.3 Restrições do modelo

Restrições de tempo disponível:
Pelos dados identificados na Tabela 2: Tempos por lote dos produtos, e o tempo total disponível do
centro (690 horas) verifica-se a seguinte restrição:
                                      9 X1 + 12 X2 + 9 X3 ≤ 690


Restrições de disponibilidade de matéria-prima:
Conforme a Tabela 3: Quantidade necessária e disponível de matéria-prima verifica-se uma restrição
referente à quantidade disponível de carne suína:
                                  9,57 X1 + 4,28 X2 + 12,44 X3 ≤ 130


Restrições de procura do mercado:
Segundo a Tabela 4: Lucro por lotes produzidos, verificam-se as seguintes restrições referentes à
procura de lotes dos três produtos:
                                               X1 ≤ 10
                                               X2 ≤ 16
                                                X3 ≤ 8
Restrições de não negatividade:
As quantidades de lotes produzidos não podem ser negativas, e devem por isso seguir as seguintes
restrições:
                                            X1, X2, X3 ≥ 0




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 5. Análise do Problema

O presente relatório teve como base de trabalho a metodologia de Programação Linear.
Para se encontrar a solução óptima para maximização da função objectivo, utilizou-se como base de
resolução o software LINDO juntamente com a ferramenta Solver do Excel.
Além da solução óptima para a programação de produção do centro, podem ser ainda analisados os
impactos que cada restrição ou modificação da ordem de produção tem no resultado de lucro
mensal do centro. Esta solução também verifica se actualmente o centro já está a realizar uma
programação correcta da cadeia de produção.

 5.1 Representação matemática do problema

 Max Z = 43120 X1 + 23800 X2 + 47750 X3
 Sujeito a:
 9 X1 + 12 X2 + 9 X3 ≤ 690
 9,57 X1 + 4,28 X2 + 12,44 X3 ≤ 130
 X1 ≤ 10
 X2 ≤ 16
 X3 ≤ 8


 X1, X2, X3 ≥ 0



 5.2 Quadro Primal do Simplex

Para elaborar o quadro primal do simplex consideramos a seguinte passagem da forma canónica
para a forma do simplex (FO e respectivas restrições do problema) acrescentando folgas por forma a
possibilitar estabelecer igualdades:

 Max Z = 43120 X1 + 23800 X2 + 47750 X3 + 0 f1 + 0 f2 + 0 f3 + 0 f4 + 0 f5
 Sujeito a:
 9 X1 + 12 X2 + 9 X3 + f1 = 690
 9,57 X1 + 4,28 X2 + 12,44 X3 + f2 = 130
 X1 + f3 = 10
 X2 + f4 = 16
 X3 + f5 = 8


 X1 , X2 , X3 , f1 , f2 , f3 , f4 , f5 ≥ 0




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5.3 Resultados no Lindo

Apresentamos de seguida os resultados obtidos pela análise do problema no LINDO.




                      Imagem 1: Formalização do Problema no Lindo




                            Imagem 2: Solução óptima no Lindo




Hugo Rodrigues                                                                            10
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                    Imagem 3: Análise de sensibilidade no Lindo




                       Imagem 4: Tableau (simplex) no Lindo




Hugo Rodrigues                                                           11
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 5.1 Resultados no Excel

Através do SOLVER obtiveram-se os seguintes resultados da análise efectuada:


Produtos           X1    X2    X3
Margem Bruta      43120 23800 47750

Restrições                                                    Recursos Usados           Folgas
tempo                 9       12     9                         249,86               690 440,14
disponibilidade    9,57     4,28 12,44                            130               130      0
procura X1                                                                           10 3,57
procura X2                                                                           16 0,00
procura X3                                                                            8      8

Qtd de Produtos    6,43 16,00     0,00                Lucro Máximo       657.993,56 €



                          Imagem 5: Formalização do Problema no Solver

Através do Solver foi possível determinar a quantidade ideal dos produtos X 1, X2 e X3 (a verde) tendo
em conta a função objectivo e as restrições do problema (a azul) sendo assim obtida a margem de
lucro máxima (a laranja).


Foram ainda produzidos os seguintes Relatórios:

Célula de Objectivo (Máximo)
  Célula               Nome                 Valor Original    Valor Final
  $H$14 Lucro Máximo                                 - €      657.993,56 €



Células de Variável
  Célula             Nome                   Valor Original    Valor Final Número inteiro
  $C$14 Qtd de Produtos X1                             0,00            6,43 Contin
  $D$14 Qtd de Produtos X2                             0,00           16,00 Contin
  $E$14 Qtd de Produtos X3                             0,00            0,00 Contin



Restrições
  Célula             Nome              Valor da Célula    Fórmula                 Estado      Margem
  $G$8 tempo Recursos Usados                    249,86 $G$8<=$H$8            Sem Enlace     440,1442006
  $G$9 disponibilidade Recursos Usados             130 $G$9<=$H$9            Enlace                   0
  $C$14 Qtd de Produtos X1                        6,43 $C$14<=$H$10          Sem Enlace     3,571577847
  $D$14 Qtd de Produtos X2                       16,00 $D$14<=$H$11          Enlace                   0
  $E$14 Qtd de Produtos X3                        0,00 $E$14<=$H$12          Sem Enlace               8

                            Imagem 6: Relatório de Resposta do Solver




Hugo Rodrigues                                                                                      12
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Células de Variável
                                               Final     Reduzido     Objectivo     Permissível Permissível
  Célula             Nome                      Valor       Custo     Coeficiente     Aumentar    Diminuir
  $C$14 Qtd de Produtos X1                  6,428422153            0       43120    10096,35514 6386,278135
  $D$14 Qtd de Produtos X2                           16 4515,402299        23800          1E+30 4515,402299
  $E$14 Qtd de Produtos X3                            0 -8301,494253       47750    8301,494253       1E+30

Restrições
                                               Final      Sombra      Restrição Permissível Permissível
  Célula             Nome                      Valor       Preço     Lado Direito Aumentar   Diminuir
  $G$8 tempo Recursos Usados                249,8557994            0          690     1E+30 440,1442006
  $G$9 disponibilidade Recursos Usados               130 4505,747126          130     34,18       61,52

                         Imagem 7: Relatório de Sensibilidade do Solver




                        Objectivo
             Célula       Nome             Valor
             $H$14 Lucro Máximo         657.993,56 €



                        Variável                       Inferior   Objectivo   Superior   Objectivo
             Célula      Nome              Valor        Limite    Resultado    Limite    Resultado
             $C$14 Qtd de Produtos X1           6,43       0,00   380800,00       6,43   657993,56
             $D$14 Qtd de Produtos X2          16,00       0,00   277193,56      16,00   657993,56
             $E$14 Qtd de Produtos X3           0,00       0,00   657993,56       0,00   657993,56


                            Imagem 8: Relatório de Limites do Solver




Hugo Rodrigues                                                                                          13
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 6. Interpretação Económica

Quer utilizando o Solver, quer utilizando o Lindo pode-se constatar que os resultados coincidem.
Desta forma pode-se afirmar que os resultados apresentados são fidedignos.
Através dos resultados obtidos é possível compreender que para o centro obter a margem bruta
máxima terá de produzir as seguintes quantidades de produtos:

                 Variável de Decisão                             Quantidade óptima (lotes)

                           X1                                                6,43
                           X2                                                 16
                           X3                                                  0

                                Tabela 5: Quantidade óptima de lotes

Desta forma a margem bruta alcançada é de 657.993,56 €


Através da análise de folgas para as quantidades de produção indicadas, poderemos verificar que
existe optimização a realizar uma vez que existem folgas.
Como resultado da resolução do problema teremos as seguintes folgas (em horas):

   ID                               Recursos Utilizados                                  Folga
    f1                 249,86                  em                  690               440,14 horas
    f2                   130                   em                  130                   0 ton

                                   Tabela 6: Folgas encontradas

A folga f1 corresponde às restrições de tempo disponível no centro, pelo que existe abundância de
recursos.
Ao contrário da anterior, a folga f2, ao ser nula indica que o recurso é escasso e que o centro está a
utilizar totalmente a carne de suíno que o mercado lhe disponibiliza.


Relativamente aos consumos, verificamos que para se obter a margem de lucro máxima apenas se
estarão a produzir produtos X2 em quantidade igual à sua procura no mercado (f4 = 0 – Recurso
Escasso). Já no que diz respeito aos outros dois produtos, no caso de X1 existe um folga (f3 = 3,57
– Recurso Abundante) e no caso de X3 existe uma folga (f5 = 8 – Recurso Abundante) uma vez que
não será produzido nenhum produto.


Ao nível da valorização interna dos recursos (preços sombra), podemos concluir que existe
contribuição económica por parte da disponibilidade dos recursos de matéria-prima para a medida
global de maximização da margem bruta.
O contributo por cada tonelada adicional resulta num acréscimo de 4.505,75 € à margem bruta.




Hugo Rodrigues                                                                                      14
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 7. Propostas de melhoria e análise de sensibilidade

Em consequência dos resultados obtidos pela análise do problema de maximização de margem bruta
efectuado, verificaram-se informações relacionadas com folgas que possibilitarão obter um
acréscimo da margem bruta.



 7.1 Diminuição do Horário de Trabalho

Verificou-se na análise anterior que existe uma folga ao nível do tempo disponível no centro.
Através de uma nova restrição técnica nas horas de funcionamento do centro, será possível efectuar
uma optimização da produção e consequentemente obter maior margem bruta.
Propomos que o horário de funcionamento deixe de ser na base das 690 horas mensais (23h x 30
dias) e passe para 249,8557994 horas mensais (8,328526646 h x 30 dias).


Esta alteração é possível de efectuar uma vez que se verifica uma folga de 440,1442006 horas na
variável tempo de trabalho (ver Imagem 7: Relatório de Sensibilidade do Solver).


Ao se efectuar esta alteração está a optimizar-se o tempo de trabalho no centro, não tendo impacto
no número de lotes produzidos nem redução na margem bruta máxima:


Produtos           X1    X2    X3
Margem Bruta      43120 23800 47750

Restrições                                                   Recursos Usados        Folgas
tempo                 9     12     9                          249,86    249,8557994 0,00
disponibilidade    9,57   4,28 12,44                             130            130      0
procura X1                                                                       10 3,57
procura X2                                                                       16 0,00
procura X3                                                                        8      8

Qtd de Produtos    6,43 16,00   0,00                  Lucro Máximo     657.993,56 €




                  Imagem 9: Resultado da optimização de tempo no Solver

Podemos verificar através deste resultado que deixou de haver folga no tempo. Na próxima figura é
possível confirmar que deixa de ser possível alterar este recurso:




Hugo Rodrigues                                                                                    15
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    Células de Variável
                                                Final     Reduzido     Objectivo    Permissível Permissível
      Célula             Nome                   Valor       Custo     Coeficiente    Aumentar    Diminuir
      $C$14 Qtd de Produtos X1               6,428422153            0       43120   10096,35514 6386,278135
      $D$14 Qtd de Produtos X2                        16 4515,402299        23800         1E+30 4515,402299
      $E$14 Qtd de Produtos X3                         0 -8301,494253       47750   8301,494253       1E+30

    Restrições
                                                Final      Sombra      Restrição Permissível Permissível
      Célula             Nome                   Valor       Preço     Lado Direito Aumentar    Diminuir
      $G$8 tempo Recursos Usados             249,8557994            0 249,8557994        1E+30 7,4607E-14
      $G$9 disponibilidade Recursos Usados            130 4505,747126          130 7,93321E-14      61,52


          Imagem 10: Relatório de sensibilidade no Solver - optimização de tempo

Vemos no entanto que não existe aumento na margem bruta uma vez que esta variável tem Preço
Sombra igual a zero, ou seja, esta optimização não acrescentou valor económico para a obtenção de
margem bruta.



7.2 Aumento da Matéria-Prima

Por outro lado, ao nível da matéria-prima, é possível perceber que o valor económico é relevante
para o aumento da margem (ver Imagem 10: Relatório de sensibilidade no Solver - optimização de
tempo).
Como se pode verificar anteriormente, a produção está muito dependente da disponibilidade de
matérias-primas, e por conseguinte outra das medidas propostas é a procura por parte da gestão da
empresa de fornecedores adicionais por forma a suprimir as necessidades de produção.


Ao efectuarmos uma análise mais fina sobre a formulação do problema anterior, verificamos que um
aumento na quantidade de toneladas de carne suína adquirida resulta num aumento de 81% da
margem bruta.


Esta análise pressupõe a manutenção da procura por parte do mercado pelos produtos X1, X2 e X3,
assim como a manutenção das horas de produção.




Hugo Rodrigues                                                                                                16
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Produtos            X1    X2    X3
Margem Bruta       43120 23800 47750

Restrições                                                         Recursos Usados       Folgas
tempo                   9     12     9                              354,00           690 336,00
disponibilidade      9,57   4,28 12,44                               263,7         263,7      0
procura X1                                                                            10 0,00
procura X2                                                                            16 0,00
procura X3                                                                             8      0

Qtd de Produtos 10,00 16,00       8,00                     Lucro Máximo      1.194.000,00 €
                                                           Acréscimo                    81%
                                                           Valor Anterior      657.993,56 €

           Imagem 11: Resultado da optimização de margem com MP no Solver

Como podemos verificar, ao se efectuar este acréscimo na quantidade de matéria-prima passa a ser
possível entregar a quantidade de lotes de produtos que é procurada pelo mercado.

Para atingirmos este grau de optimização foi necessário avaliarmos os relatórios de sensibilidade, em
que nos é indicado que existe uma folga de crescimento de 34,18 toneladas.




                  Imagem 12: Relatório de sensibilidade no Lindo – folgas MP

     Células de Variável
                                                 Final     Reduzido     Objectivo    Permissível Permissível
       Célula             Nome                   Valor       Custo     Coeficiente    Aumentar    Diminuir
       $C$14 Qtd de Produtos X1               6,428422153            0       43120   10096,35514 6386,278135
       $D$14 Qtd de Produtos X2                        16 4515,402299        23800         1E+30 4515,402299
       $E$14 Qtd de Produtos X3                         0 -8301,494253       47750   8301,494253       1E+30

     Restrições
                                                 Final      Sombra      Restrição Permissível Permissível
       Célula             Nome                   Valor       Preço     Lado Direito Aumentar   Diminuir
       $G$8 tempo Recursos Usados             249,8557994            0          690     1E+30 440,1442006
       $G$9 disponibilidade Recursos Usados            130 4505,747126          130     34,18       61,52

                  Imagem 13: Relatório de sensibilidade no Solver – folgas MP




Hugo Rodrigues                                                                                                 17
Investigação Operacional – 2011                                                                 Case Study


O resultado desta optimização não foi o desejado, uma vez que ainda ficámos com folga.

     Células de Variável
                                                Final      Reduzido    Objectivo Permissível Permissível
       Célula             Nome                  Valor       Custo     Coeficiente Aumentar     Diminuir
       $C$14 Qtd de Produtos X1                        10 6386,278135       43120       1E+30 6386,278135
       $D$14 Qtd de Produtos X2                        16 7371,543408       23800       1E+30 7371,543408
       $E$14 Qtd de Produtos X3               8,88178E-16           0       47750 8301,494253       47750

     Restrições
                                                Final      Sombra     Restrição Permissível Permissível
       Célula             Nome                  Valor       Preço    Lado Direito Aumentar   Diminuir
       $G$8 tempo Recursos Usados                    282           0          690     1E+30         408
       $G$9 disponibilidade Recursos Usados       164,18 3838,424437       164,18     99,52 1,10489E-14

             Imagem 14: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP adicional

Desta forma foi feito um reajuste da folga de crescimento para 133,7 toneladas.

Após esta alteração atingimos o limite permissível de aumento:

Células de Variável
                                              Final Reduzido     Objectivo Permissível Permissível
  Célula             Nome                     Valor   Custo     Coeficiente Aumentar     Diminuir
  $C$14 Qtd de Produtos X1                       10 6386,278135       43120       1E+30 6386,278135
  $D$14 Qtd de Produtos X2                       16 7371,543408       23800       1E+30 7371,543408
  $E$14 Qtd de Produtos X3                        8           0       47750 8301,494253       47750

Restrições
                                       Final   Sombra     Restrição Permissível Permissível
  Célula             Nome              Valor    Preço    Lado Direito Aumentar    Diminuir
  $G$8 tempo Recursos Usados             354           0          690       1E+30        336
  $G$9 disponibilidade Recursos Usados 263,7 3838,424437        263,7 3,31468E-14      99,52

             Imagem 15: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP reduzida



Como resultado desta optimização é possível aumentar a margem bruta para 1.194.000,00 €.




Hugo Rodrigues                                                                                              18
Investigação Operacional – 2011                                                       Case Study



 8. Conclusões

O recurso a modelos de Programação Linear para quantificar informação necessária ao processo de
decisão é hoje de uso generalizado.

Qualquer modelo matemático encerra sempre simplificações e imprecisões e mesmo quando
"ajustado" à situação real que busca representar, há que ter em conta que esta não sendo estática
obriga à revisão e adaptação do modelo com maior ou menor frequência.

A construção do modelo recorre a parâmetros (coeficientes técnicos, disponibilidade de recursos e
coeficientes da função objectivo) cuja exactidão não é fácil garantir apesar do progresso alcançado
em métodos quantitativos.

Resulta assim que a dinâmica dos processos reais obriga a considerar a solução óptima de um
modelo de PL como o fulcro onde deve assentar a análise de modalidades de acção (modos
diferentes de cumprir uma missão) para delas retirar as potencialidades e vulnerabilidades
associadas.

Para tal, os cenários de optimização propostos são suportados num ambiente dos quais se estudou o
comportamento com base num modelo em particular da solução óptima disponível.

Desta forma é possível obter uma visão alargada do problema, facilitando à empresa a tomada de
decisão rápida e consistente, baseada em princípios de flexibilidade através do conhecimento
alavancado.




Hugo Rodrigues                                                                                  19

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  • 1. RELATÓRIO DE OPTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO NUMA EMPRESA ALIMENTAR Lisboa, 10 de Junho de 2011 Hugo Rodrigues hugo.rodrigues@gmail.com
  • 2. Investigação Operacional – 2011 Case Study Índice 1. Sumário Executivo .................................................................................................4 2. Introdução ............................................................................................................5 3. Caracterização da situação .....................................................................................6 4. Formulação do problema ........................................................................................8 4.1 Variáveis de decisão do modelo....................................................................... 8 4.2 Função Objectivo ........................................................................................ 8 4.3 Restrições do modelo ................................................................................... 8 5. Análise do Problema ..............................................................................................9 5.1 Representação matemática do problema ............................................................ 9 5.2 Quadro Primal do Simplex ............................................................................. 9 5.3 Resultados no Lindo ................................................................................... 10 5.1 Resultados no Excel .................................................................................... 12 6. Interpretação Económica......................................................................................14 7. Propostas de melhoria e análise de sensibilidade ....................................................15 7.1 Diminuição do Horário de Trabalho ................................................................. 15 7.2 Aumento da Matéria-Prima ........................................................................... 16 8. Conclusões ..........................................................................................................19 Hugo Rodrigues 2
  • 3. Investigação Operacional – 2011 Case Study Índice de Figuras Imagem 1: Formalização do Problema no Lindo ........................................................................... 10 Imagem 2: Solução óptima no Lindo ........................................................................................... 10 Imagem 3: Análise de sensibilidade no Lindo .............................................................................. 11 Imagem 4: Tableau (simplex) no Lindo ....................................................................................... 11 Imagem 5: Formalização do Problema no Solver ......................................................................... 12 Imagem 6: Relatório de Resposta do Solver ................................................................................ 12 Imagem 7: Relatório de Sensibilidade do Solver .......................................................................... 13 Imagem 8: Relatório de Limites do Solver ................................................................................... 13 Imagem 9: Resultado da optimização de tempo no Solver ............................................................ 15 Imagem 10: Relatório de sensibilidade no Solver - optimização de tempo ..................................... 16 Imagem 11: Resultado da optimização de margem com MP no Solver .......................................... 17 Imagem 12: Relatório de sensibilidade no Lindo – folgas MP ........................................................ 17 Imagem 13: Relatório de sensibilidade no Solver – folgas MP ....................................................... 17 Imagem 14: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP adicional .......................................... 18 Imagem 15: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP reduzida ........................................... 18 Índice de Tabelas Tabela 1: Lucro e procura de cada produto por mês ...................................................................... 6 Tabela 2: Tempos por lote dos produtos ....................................................................................... 6 Tabela 3: Quantidade necessária e disponível de matéria-prima ..................................................... 6 Tabela 4: Lucro por lotes produzidos ............................................................................................ 7 Tabela 5: Quantidade óptima de lotes ......................................................................................... 14 Tabela 6: Folgas encontradas ..................................................................................................... 14 Hugo Rodrigues 3
  • 4. Investigação Operacional – 2011 Case Study 1. Sumário Executivo Este relatório descreve a aplicação da Programação Linear para a programação da produção de um Talho na operação diária de carne de Suíno. Consiste na análise de um caso real de uma empresa do ramo alimentar que necessita de programar a produção mensal de três produtos que utilizam a mesma matéria-prima, com o fim de optimizar a sua margem de lucro. A matéria-prima está sujeita a condicionantes de disponibilidade no mercado. Embora os produtos utilizem a mesma matéria-prima, apresentam tempos de ciclos de produção distintos e estão condicionados pela procura no mercado. Para a realização da análise recorreu-se à Programação Linear, caracterizando-se o processo de manufactura, quantidades e margens obtidas. Com este trabalho é possível sustentar matematicamente uma proposta de optimização do tempo diário de produção de 23h para 8,33 h, assim como uma proposta para optimização da margem de lucro em 81% de 657.993,56 € para 1.194.000,00 €. Hugo Rodrigues 4
  • 5. Investigação Operacional – 2011 Case Study 2. Introdução A indústria alimentar abordada neste relatório está relacionada com um centro de corte de carne que utiliza em grande parte do seu processo o sistema de desmanche para venda a retalho. Este sistema apresenta alguns desafios para esta indústria principalmente quando se trata da produção de diversos produtos finalizados. Trata-se de uma micro empresa dedicada ao desmanche de peças de carne suína, produzindo carne fatiada de três tipos para comercialização no retalho. O problema tratado neste relatório é o planeamento e programação da produção de um centro durante um período de um mês. A questão central é averiguar qual a programação ideal para se obter a maximização do lucro, tendo em vista a capacidade instalada, no que diz respeito ao tempo disponível, matéria-prima disponível e a procura no mercado. Hugo Rodrigues 5
  • 6. Investigação Operacional – 2011 Case Study 3. Caracterização da situação O centro de corte produz três produtos distintos a partir de matéria-prima comum (carne de suíno). Cada produto tem identificado um lucro distinto. Mensalmente a gestão da empresa informa a área de produção acerca das encomendas (necessidade do mercado): Produto Lucro (€/kg) Produção (ton/mês) X1 1,54 280 X2 1,19 320 X3 1,91 200 Tabela 1: Lucro e procura de cada produto por mês O centro de corte trabalha 24 horas por dia durante 30 dias num mês. São efectuadas paragens de 1 hora por dia (fecho do dia) sendo por isso o tempo de funcionamento da linha de operação de 23 horas por dia (690 horas por mês). A produção de produtos fabrica o produto final por lotes. Os tempos de fabrico de cada lote de e as respectivas quantidades produzidas são as seguintes: Produto Tempo por lote (horas) Quantidade produzida por lote (ton) X1 9 28 X2 12 20 X3 9 25 Tabela 2: Tempos por lote dos produtos O fornecimento da matéria-prima utilizada no fabrico destes produtos é limitado devido a factores condicionantes do mercado e da logística. A quantidade de matéria-prima para a produção de cada lote, bem como a quantidade disponível no mercado, para aquisição é a seguintes: Quantidade necessária para cada lote (ton) Quantidade disponível no Matéria-Prima mercado (ton/mês) X1 X2 X3 Carne de suíno 9,57 4,28 12,44 130 Tabela 3: Quantidade necessária e disponível de matéria-prima Hugo Rodrigues 6
  • 7. Investigação Operacional – 2011 Case Study Em resumo, é possível ser relacionada a quantidade de cada produto por lote com o lucro e procura de cada produto. O lucro bruto obtido pela realização dos lotes mensais é o seguinte: Produto Lucro (€/lote) Produção (lotes/mês) X1 43.120,00 10 X2 23.800,00 16 X3 47.750,00 8 Tabela 4: Lucro por lotes produzidos Hugo Rodrigues 7
  • 8. Investigação Operacional – 2011 Case Study 4. Formulação do problema 4.1 Variáveis de decisão do modelo As variáveis de decisão do modelo são: X1: quantidade de lotes a serem produzidos num mês do produto 1. X2: quantidade de lotes a serem produzidos num mês do produto 2. X3: quantidade de lotes a serem produzidos num mês do produto 3. 4.2 Função Objectivo A seguinte equação corresponde à função objectivo para o problema, utilizando como coeficientes os lucros por lote apresentados na Tabela 4: Lucro por lotes produzidos: FO Max [43120 X1 + 23800 X2 + 47750 X3] 4.3 Restrições do modelo Restrições de tempo disponível: Pelos dados identificados na Tabela 2: Tempos por lote dos produtos, e o tempo total disponível do centro (690 horas) verifica-se a seguinte restrição: 9 X1 + 12 X2 + 9 X3 ≤ 690 Restrições de disponibilidade de matéria-prima: Conforme a Tabela 3: Quantidade necessária e disponível de matéria-prima verifica-se uma restrição referente à quantidade disponível de carne suína: 9,57 X1 + 4,28 X2 + 12,44 X3 ≤ 130 Restrições de procura do mercado: Segundo a Tabela 4: Lucro por lotes produzidos, verificam-se as seguintes restrições referentes à procura de lotes dos três produtos: X1 ≤ 10 X2 ≤ 16 X3 ≤ 8 Restrições de não negatividade: As quantidades de lotes produzidos não podem ser negativas, e devem por isso seguir as seguintes restrições: X1, X2, X3 ≥ 0 Hugo Rodrigues 8
  • 9. Investigação Operacional – 2011 Case Study 5. Análise do Problema O presente relatório teve como base de trabalho a metodologia de Programação Linear. Para se encontrar a solução óptima para maximização da função objectivo, utilizou-se como base de resolução o software LINDO juntamente com a ferramenta Solver do Excel. Além da solução óptima para a programação de produção do centro, podem ser ainda analisados os impactos que cada restrição ou modificação da ordem de produção tem no resultado de lucro mensal do centro. Esta solução também verifica se actualmente o centro já está a realizar uma programação correcta da cadeia de produção. 5.1 Representação matemática do problema Max Z = 43120 X1 + 23800 X2 + 47750 X3 Sujeito a: 9 X1 + 12 X2 + 9 X3 ≤ 690 9,57 X1 + 4,28 X2 + 12,44 X3 ≤ 130 X1 ≤ 10 X2 ≤ 16 X3 ≤ 8 X1, X2, X3 ≥ 0 5.2 Quadro Primal do Simplex Para elaborar o quadro primal do simplex consideramos a seguinte passagem da forma canónica para a forma do simplex (FO e respectivas restrições do problema) acrescentando folgas por forma a possibilitar estabelecer igualdades: Max Z = 43120 X1 + 23800 X2 + 47750 X3 + 0 f1 + 0 f2 + 0 f3 + 0 f4 + 0 f5 Sujeito a: 9 X1 + 12 X2 + 9 X3 + f1 = 690 9,57 X1 + 4,28 X2 + 12,44 X3 + f2 = 130 X1 + f3 = 10 X2 + f4 = 16 X3 + f5 = 8 X1 , X2 , X3 , f1 , f2 , f3 , f4 , f5 ≥ 0 Hugo Rodrigues 9
  • 10. Investigação Operacional – 2011 Case Study 5.3 Resultados no Lindo Apresentamos de seguida os resultados obtidos pela análise do problema no LINDO. Imagem 1: Formalização do Problema no Lindo Imagem 2: Solução óptima no Lindo Hugo Rodrigues 10
  • 11. Investigação Operacional – 2011 Case Study Imagem 3: Análise de sensibilidade no Lindo Imagem 4: Tableau (simplex) no Lindo Hugo Rodrigues 11
  • 12. Investigação Operacional – 2011 Case Study 5.1 Resultados no Excel Através do SOLVER obtiveram-se os seguintes resultados da análise efectuada: Produtos X1 X2 X3 Margem Bruta 43120 23800 47750 Restrições Recursos Usados Folgas tempo 9 12 9 249,86 690 440,14 disponibilidade 9,57 4,28 12,44 130 130 0 procura X1 10 3,57 procura X2 16 0,00 procura X3 8 8 Qtd de Produtos 6,43 16,00 0,00 Lucro Máximo 657.993,56 € Imagem 5: Formalização do Problema no Solver Através do Solver foi possível determinar a quantidade ideal dos produtos X 1, X2 e X3 (a verde) tendo em conta a função objectivo e as restrições do problema (a azul) sendo assim obtida a margem de lucro máxima (a laranja). Foram ainda produzidos os seguintes Relatórios: Célula de Objectivo (Máximo) Célula Nome Valor Original Valor Final $H$14 Lucro Máximo - € 657.993,56 € Células de Variável Célula Nome Valor Original Valor Final Número inteiro $C$14 Qtd de Produtos X1 0,00 6,43 Contin $D$14 Qtd de Produtos X2 0,00 16,00 Contin $E$14 Qtd de Produtos X3 0,00 0,00 Contin Restrições Célula Nome Valor da Célula Fórmula Estado Margem $G$8 tempo Recursos Usados 249,86 $G$8<=$H$8 Sem Enlace 440,1442006 $G$9 disponibilidade Recursos Usados 130 $G$9<=$H$9 Enlace 0 $C$14 Qtd de Produtos X1 6,43 $C$14<=$H$10 Sem Enlace 3,571577847 $D$14 Qtd de Produtos X2 16,00 $D$14<=$H$11 Enlace 0 $E$14 Qtd de Produtos X3 0,00 $E$14<=$H$12 Sem Enlace 8 Imagem 6: Relatório de Resposta do Solver Hugo Rodrigues 12
  • 13. Investigação Operacional – 2011 Case Study Células de Variável Final Reduzido Objectivo Permissível Permissível Célula Nome Valor Custo Coeficiente Aumentar Diminuir $C$14 Qtd de Produtos X1 6,428422153 0 43120 10096,35514 6386,278135 $D$14 Qtd de Produtos X2 16 4515,402299 23800 1E+30 4515,402299 $E$14 Qtd de Produtos X3 0 -8301,494253 47750 8301,494253 1E+30 Restrições Final Sombra Restrição Permissível Permissível Célula Nome Valor Preço Lado Direito Aumentar Diminuir $G$8 tempo Recursos Usados 249,8557994 0 690 1E+30 440,1442006 $G$9 disponibilidade Recursos Usados 130 4505,747126 130 34,18 61,52 Imagem 7: Relatório de Sensibilidade do Solver Objectivo Célula Nome Valor $H$14 Lucro Máximo 657.993,56 € Variável Inferior Objectivo Superior Objectivo Célula Nome Valor Limite Resultado Limite Resultado $C$14 Qtd de Produtos X1 6,43 0,00 380800,00 6,43 657993,56 $D$14 Qtd de Produtos X2 16,00 0,00 277193,56 16,00 657993,56 $E$14 Qtd de Produtos X3 0,00 0,00 657993,56 0,00 657993,56 Imagem 8: Relatório de Limites do Solver Hugo Rodrigues 13
  • 14. Investigação Operacional – 2011 Case Study 6. Interpretação Económica Quer utilizando o Solver, quer utilizando o Lindo pode-se constatar que os resultados coincidem. Desta forma pode-se afirmar que os resultados apresentados são fidedignos. Através dos resultados obtidos é possível compreender que para o centro obter a margem bruta máxima terá de produzir as seguintes quantidades de produtos: Variável de Decisão Quantidade óptima (lotes) X1 6,43 X2 16 X3 0 Tabela 5: Quantidade óptima de lotes Desta forma a margem bruta alcançada é de 657.993,56 € Através da análise de folgas para as quantidades de produção indicadas, poderemos verificar que existe optimização a realizar uma vez que existem folgas. Como resultado da resolução do problema teremos as seguintes folgas (em horas): ID Recursos Utilizados Folga f1 249,86 em 690 440,14 horas f2 130 em 130 0 ton Tabela 6: Folgas encontradas A folga f1 corresponde às restrições de tempo disponível no centro, pelo que existe abundância de recursos. Ao contrário da anterior, a folga f2, ao ser nula indica que o recurso é escasso e que o centro está a utilizar totalmente a carne de suíno que o mercado lhe disponibiliza. Relativamente aos consumos, verificamos que para se obter a margem de lucro máxima apenas se estarão a produzir produtos X2 em quantidade igual à sua procura no mercado (f4 = 0 – Recurso Escasso). Já no que diz respeito aos outros dois produtos, no caso de X1 existe um folga (f3 = 3,57 – Recurso Abundante) e no caso de X3 existe uma folga (f5 = 8 – Recurso Abundante) uma vez que não será produzido nenhum produto. Ao nível da valorização interna dos recursos (preços sombra), podemos concluir que existe contribuição económica por parte da disponibilidade dos recursos de matéria-prima para a medida global de maximização da margem bruta. O contributo por cada tonelada adicional resulta num acréscimo de 4.505,75 € à margem bruta. Hugo Rodrigues 14
  • 15. Investigação Operacional – 2011 Case Study 7. Propostas de melhoria e análise de sensibilidade Em consequência dos resultados obtidos pela análise do problema de maximização de margem bruta efectuado, verificaram-se informações relacionadas com folgas que possibilitarão obter um acréscimo da margem bruta. 7.1 Diminuição do Horário de Trabalho Verificou-se na análise anterior que existe uma folga ao nível do tempo disponível no centro. Através de uma nova restrição técnica nas horas de funcionamento do centro, será possível efectuar uma optimização da produção e consequentemente obter maior margem bruta. Propomos que o horário de funcionamento deixe de ser na base das 690 horas mensais (23h x 30 dias) e passe para 249,8557994 horas mensais (8,328526646 h x 30 dias). Esta alteração é possível de efectuar uma vez que se verifica uma folga de 440,1442006 horas na variável tempo de trabalho (ver Imagem 7: Relatório de Sensibilidade do Solver). Ao se efectuar esta alteração está a optimizar-se o tempo de trabalho no centro, não tendo impacto no número de lotes produzidos nem redução na margem bruta máxima: Produtos X1 X2 X3 Margem Bruta 43120 23800 47750 Restrições Recursos Usados Folgas tempo 9 12 9 249,86 249,8557994 0,00 disponibilidade 9,57 4,28 12,44 130 130 0 procura X1 10 3,57 procura X2 16 0,00 procura X3 8 8 Qtd de Produtos 6,43 16,00 0,00 Lucro Máximo 657.993,56 € Imagem 9: Resultado da optimização de tempo no Solver Podemos verificar através deste resultado que deixou de haver folga no tempo. Na próxima figura é possível confirmar que deixa de ser possível alterar este recurso: Hugo Rodrigues 15
  • 16. Investigação Operacional – 2011 Case Study Células de Variável Final Reduzido Objectivo Permissível Permissível Célula Nome Valor Custo Coeficiente Aumentar Diminuir $C$14 Qtd de Produtos X1 6,428422153 0 43120 10096,35514 6386,278135 $D$14 Qtd de Produtos X2 16 4515,402299 23800 1E+30 4515,402299 $E$14 Qtd de Produtos X3 0 -8301,494253 47750 8301,494253 1E+30 Restrições Final Sombra Restrição Permissível Permissível Célula Nome Valor Preço Lado Direito Aumentar Diminuir $G$8 tempo Recursos Usados 249,8557994 0 249,8557994 1E+30 7,4607E-14 $G$9 disponibilidade Recursos Usados 130 4505,747126 130 7,93321E-14 61,52 Imagem 10: Relatório de sensibilidade no Solver - optimização de tempo Vemos no entanto que não existe aumento na margem bruta uma vez que esta variável tem Preço Sombra igual a zero, ou seja, esta optimização não acrescentou valor económico para a obtenção de margem bruta. 7.2 Aumento da Matéria-Prima Por outro lado, ao nível da matéria-prima, é possível perceber que o valor económico é relevante para o aumento da margem (ver Imagem 10: Relatório de sensibilidade no Solver - optimização de tempo). Como se pode verificar anteriormente, a produção está muito dependente da disponibilidade de matérias-primas, e por conseguinte outra das medidas propostas é a procura por parte da gestão da empresa de fornecedores adicionais por forma a suprimir as necessidades de produção. Ao efectuarmos uma análise mais fina sobre a formulação do problema anterior, verificamos que um aumento na quantidade de toneladas de carne suína adquirida resulta num aumento de 81% da margem bruta. Esta análise pressupõe a manutenção da procura por parte do mercado pelos produtos X1, X2 e X3, assim como a manutenção das horas de produção. Hugo Rodrigues 16
  • 17. Investigação Operacional – 2011 Case Study Produtos X1 X2 X3 Margem Bruta 43120 23800 47750 Restrições Recursos Usados Folgas tempo 9 12 9 354,00 690 336,00 disponibilidade 9,57 4,28 12,44 263,7 263,7 0 procura X1 10 0,00 procura X2 16 0,00 procura X3 8 0 Qtd de Produtos 10,00 16,00 8,00 Lucro Máximo 1.194.000,00 € Acréscimo 81% Valor Anterior 657.993,56 € Imagem 11: Resultado da optimização de margem com MP no Solver Como podemos verificar, ao se efectuar este acréscimo na quantidade de matéria-prima passa a ser possível entregar a quantidade de lotes de produtos que é procurada pelo mercado. Para atingirmos este grau de optimização foi necessário avaliarmos os relatórios de sensibilidade, em que nos é indicado que existe uma folga de crescimento de 34,18 toneladas. Imagem 12: Relatório de sensibilidade no Lindo – folgas MP Células de Variável Final Reduzido Objectivo Permissível Permissível Célula Nome Valor Custo Coeficiente Aumentar Diminuir $C$14 Qtd de Produtos X1 6,428422153 0 43120 10096,35514 6386,278135 $D$14 Qtd de Produtos X2 16 4515,402299 23800 1E+30 4515,402299 $E$14 Qtd de Produtos X3 0 -8301,494253 47750 8301,494253 1E+30 Restrições Final Sombra Restrição Permissível Permissível Célula Nome Valor Preço Lado Direito Aumentar Diminuir $G$8 tempo Recursos Usados 249,8557994 0 690 1E+30 440,1442006 $G$9 disponibilidade Recursos Usados 130 4505,747126 130 34,18 61,52 Imagem 13: Relatório de sensibilidade no Solver – folgas MP Hugo Rodrigues 17
  • 18. Investigação Operacional – 2011 Case Study O resultado desta optimização não foi o desejado, uma vez que ainda ficámos com folga. Células de Variável Final Reduzido Objectivo Permissível Permissível Célula Nome Valor Custo Coeficiente Aumentar Diminuir $C$14 Qtd de Produtos X1 10 6386,278135 43120 1E+30 6386,278135 $D$14 Qtd de Produtos X2 16 7371,543408 23800 1E+30 7371,543408 $E$14 Qtd de Produtos X3 8,88178E-16 0 47750 8301,494253 47750 Restrições Final Sombra Restrição Permissível Permissível Célula Nome Valor Preço Lado Direito Aumentar Diminuir $G$8 tempo Recursos Usados 282 0 690 1E+30 408 $G$9 disponibilidade Recursos Usados 164,18 3838,424437 164,18 99,52 1,10489E-14 Imagem 14: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP adicional Desta forma foi feito um reajuste da folga de crescimento para 133,7 toneladas. Após esta alteração atingimos o limite permissível de aumento: Células de Variável Final Reduzido Objectivo Permissível Permissível Célula Nome Valor Custo Coeficiente Aumentar Diminuir $C$14 Qtd de Produtos X1 10 6386,278135 43120 1E+30 6386,278135 $D$14 Qtd de Produtos X2 16 7371,543408 23800 1E+30 7371,543408 $E$14 Qtd de Produtos X3 8 0 47750 8301,494253 47750 Restrições Final Sombra Restrição Permissível Permissível Célula Nome Valor Preço Lado Direito Aumentar Diminuir $G$8 tempo Recursos Usados 354 0 690 1E+30 336 $G$9 disponibilidade Recursos Usados 263,7 3838,424437 263,7 3,31468E-14 99,52 Imagem 15: Relatório de sensibilidade no Solver – folga MP reduzida Como resultado desta optimização é possível aumentar a margem bruta para 1.194.000,00 €. Hugo Rodrigues 18
  • 19. Investigação Operacional – 2011 Case Study 8. Conclusões O recurso a modelos de Programação Linear para quantificar informação necessária ao processo de decisão é hoje de uso generalizado. Qualquer modelo matemático encerra sempre simplificações e imprecisões e mesmo quando "ajustado" à situação real que busca representar, há que ter em conta que esta não sendo estática obriga à revisão e adaptação do modelo com maior ou menor frequência. A construção do modelo recorre a parâmetros (coeficientes técnicos, disponibilidade de recursos e coeficientes da função objectivo) cuja exactidão não é fácil garantir apesar do progresso alcançado em métodos quantitativos. Resulta assim que a dinâmica dos processos reais obriga a considerar a solução óptima de um modelo de PL como o fulcro onde deve assentar a análise de modalidades de acção (modos diferentes de cumprir uma missão) para delas retirar as potencialidades e vulnerabilidades associadas. Para tal, os cenários de optimização propostos são suportados num ambiente dos quais se estudou o comportamento com base num modelo em particular da solução óptima disponível. Desta forma é possível obter uma visão alargada do problema, facilitando à empresa a tomada de decisão rápida e consistente, baseada em princípios de flexibilidade através do conhecimento alavancado. Hugo Rodrigues 19