Programação das frentes de colheita de cana-de-açúcar: uma modelagem visando o equilíbrio das capacidades de colheita e transporte

A produção de açúcar, álcool e energia elétrica a partir de cana-de-açúcar passa necessariamente pela colheita e transporte da matéria-prima, que são operações custosas, complexas e que interferem significativamente na qualidade da matéria-prima industrial. A literatura reporta várias abordagens de otimização relacionadas ao planejamento do plantio, da colheita e do transporte de cana-de-açúcar, todavia a programação das frentes de colheita é pouco explorada. Nesta tese pretende-se contribuir para o estado da arte deste importante tema no contexto do agronegócio brasileiro. Propõe-se abordagens de otimização para apoiar decisões de programação das frentes de colheita, considerando-se o equilíbrio das capacidades de colheita e transporte, bem como um bom manejo agronômico. As abordagens são inspiradas na representação do problema por meio de um modelo de dimensionamento de lotes e sequenciamento da produção em máquinas paralelas com custos e tempos de setup dependentes da sequência, bem estudado na literatura em contextos de planejamento e controle da produção. Para isso foram desenvolvidas três variantes desta formulação baseadas em programação matemática, voltadas para a programação das frentes de colheita, que foram testadas em dois estudos de caso reais de usinas de cana-de-açúcar de médio porte do setor. Métodos heurísticos baseados em procedimentos de agregação e programação matemática também foram estudados e desenvolvidos para a resolução dos problemas de grande porte encontrados na prática. Das três variantes estudadas, uma delas apresentou melhor qualidade da solução dentro de tempos computacionais aceitáveis para o problema. Análises de cenário importantes foram feitas indicando que o cumprimento da programação proporciona redução de complexidade da colheita e transporte na safra seguinte, podendo gerar economias significativas nos casos estudados. Além disso, a comparação dos resultados das abordagens aqui exploradas com o que é praticado no setor indica um potencial de redução de custos também significativo para os casos estudados. Os resultados foram analisados de acordo com uma metodologia de validação (faceta descritiva do tetraedro) conhecida na literatura.The production of sugar, ethanol and electricity from sugar cane necessarily involves harvesting and transportation of raw materials, which are expensive and complex operations and have significant influence on the quality of the industrial raw material. The literature reports several optimization approaches related to the planning of planting, harvesting and transporting of sugarcane, however the scheduling of harvesting fronts is underexplored. This thesis intends to contribute to the state-of-art of this important issue in the context of the Brazilian agribusiness. Optimization approaches to support scheduling decisions of harvesting fronts considering the balance of harvesting and transportation capacities, as well as good agronomic management are proposed. The approaches are inspired by the representation of the problem as a lot sizing and scheduling model with parallel machines and sequence-dependent setup costs and times, a modelling technique well studied in the production planning and control literature. Three variants of this formulation, based on mathematical programming models, were developed and tested in two real case studies of medium size sugar mills. Heuristic methods based on aggregation procedures and mathematical programming have also been studied and developed to solve large scaled problems found in practice. Among the three variants studied, one presented the best solution quality within the expected execution time. Important scenario analysis were done indicating that the schedules fulfilment provides reduction of harvesting and transporting complexity to the following season, which can generate significant saves in the cases studied. Besides that, comparing the proposed scheduling method with one of the sectors practice, it can be generated also significant cost reduction in the cases studied. The results were analyzed according to a validation methodology (descriptive facet of tetraedrum) well known in the literature