Layout optimization in chemical plants using the problem of quadratic assignment

O Layout de uma indústria é de grande preocupação no seu desenvolvimento e, por este motivo, engenheiros e pesquisadores vêm cada vez mais se aprofundando no assunto. A escolha de um bom Layout tem influência nos custos, na segurança, operação e manutenção que são fatores de grande importância para o projeto de planta industrial. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento da metodologia através de um modelo matemático de otimização para a definição de um Layout industrial através da minimização da função custo, tendo como restrições os critérios de espaço para a segurança, operação e manutenção da planta. Será utilizado como modelo de otimização o problema de atribuição quadrático (QAP), onde se alocam os elementos em uma malha de posições predeterminadas, minimizando a função objetivo. Como este modelo tem uma grande dificuldade em encontrar soluções exatas em tempo viável para a otimização de problemas com grande número de elementos, será utilizado como alternativa métodos heurísticos, que são métodos que encontram soluções rápidas em tempo curto, encontrando uma aproximação para a solução ótima, de fácil implementação e pouco espaço de memória. Dentre as técnicas heurísticas encontra-se o algoritmo Simulated Annealing, um método no qual a solução ótima pode não ser obtida, mas soluções muito próximas a ela são geradas em um tempo de execução muito menor que outras técnicas. Uma característica típica do algoritmo de Simulated Annealing é que além de aceitar soluções que representam melhoramentos no custo, também aceita "deteriorações" (soluções com custo maior) com um certo limite. O mecanismo de geração de soluções escolhido neste trabalho foi a troca de posições entre pares de elementos. A planta escolhida para este estudo foi a de produção de poliéster com 50 equipamentos. Foi necessário estimar com precisão o tamanho e a geometria da rede, para que o tempo computacional fosse o melhor para cada caso. Os resultados indicam que o método escolhido mostrou-se adequado e os Layouts obtidos foram satisfatóriosThe layout of an industry is of great concern to its development, and for this particular reason, engineers and researchers are increasingly diving deeper into the subject. Choosing a good layout has a direct influence on costs, security, operations and maintenance, which are all factors of large importance for the project of an industrial plant. This study aims at the development of the methodology through a mathematical optimization model for the definition of an industrial layout by minimizing the cost function, with the restrictions of space criteria for safety, operation and maintenance of the plant. The quadratic assignment problem (QAP), which allocates the elements on to a mesh of preset positions thus minimizing the objective function, will be used as an optimization model. Layout problems usually have great difficulty to encounter exact solutions in viable time for the optimization of problems containing a large numbers of elements; therefore, the alternative heuristic method will be used. This method encounters rapid solutions in short timeframes, finding an approximation for an optimal solution, easy to implement and requires a small amount of storage space. Among the heuristic techniques is the Simulated Annealing algorithm, a method in which an optimal solution may not be obtained, however solutions very close to it are generated in an execution time much smaller than other techniques. A typical characteristic of the Simulated Annealing algorithm is that in addition to accepting solutions that represent improvements in cost, it also accepts deterioration (solutions with greater costs) within a certain limit. The mechanism of generation of new solutions chosen in this study was to change positions between the pairs of elements. In order to demonstrate the proposed approach, a polyester production plant with 50 pieces of equipment was chosen. It was necessary to estimate with precision the size and geometry of the network, so that the computational time was the best for each case. The results indicate that the chosen method proved to be appropriate and the layouts obtained were satisfactor