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Tipo: Dissertação
Título: Earthworks planning using optimization techniques: literature analysis and solution proposal
Autor(es): Fernandes, Pedro Guilherme Pinheiro Santos
Orientador: Nobre Júnior, Ernesto Ferreira
Palavras-chave: Highway engineering;Systematic literature review;Operations research;Allocation problem
Data do documento: 2021
Citação: FERNANDES, Pedro Guilherme Pinheiro Santos. Earthworks planning using optimization techniques: literature analysis and solution proposal. 2021. 94 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Transportes) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes, Fortaleza, 2021.
Resumo: Operações de terraplenagem correspondem a aproximadamente um terço dos custos de construção em obras de grande porte, exigindo uma gestão eficiente de recursos disponíveis. Como resposta, nos anos 1980, pesquisadores recomendaram o uso de técnicas computacionais de otimização como ferramenta na tomada de decisões em obras de terraplenagem, sendo propostos modelos matemáticos para alocação de materiais e maquinário. Contudo, os métodos sugeridos são geralmente ignorados por engenheiros rodoviários, que por sua vez planejam as obras com base em estimativas feitas a partir de diagramas de massa. Como consequência, essa dissertação tem o objetivo de investigar o uso de técnicas de optimização em obras de terraplenagem, bem como propor uma nova abordagem de programação matemática para minimização dos custos em projetos de rodovia. Essa pesquisa foi dividida em duas partes: Um mapeamento sistemático da literatura e um artigo original de pesquisa. Primeiramente, foi feito um mapeamento da área, onde foram analisados 5134 artigos da qual foram selecionados 72 estudos considerados relevantes segundo os critérios de seleção. Com base nos resultados, foi possível identificar os tópicos mais pesquisados, as técnicas de otimização utilizadas e as principais lacunas do campo de pesquisa. Em resumo, os problemas de alocação de materiais, planejamento de frota, roteamento e planejamento do tempo foram os temas mais estudados, enquanto programação linear, programação linear inteira mista e algoritmos genéticos foram as técnicas de otimização mais utilizadas pelos autores. Também foi observado que estudos relacionados a projetos rodoviários possuem maior foco no melhoramento de modelos já existentes, onde novos aspectos construtivos são incorporados, tais como caminhos de serviço, operações de pavimentação, mistura de diferentes materiais e reciclagem. De acordo com essas tendências de pesquisa, foi proposto um modelo baseado em programação linear inteira mista para planejamento da alocação de materiais em operações de terraplenagem e pavimentação, incluindo restrições geotécnicas e construção de caminhos de serviço. O modelo foi validado com dados de um projeto rodoviário real com 121 seções de corte, 257 seções de aterro, 272 segmentos de pavimentação, 26 empréstimos e cinco jazidas. Após estruturação e aplicação do estudo de caso, o problema proposto apresentou a solução otimizada em 2.98 segundos, sendo possível concluir que o modelo tem capacidade de processar instâncias reais em um curto intervalo de tempo.
Abstract: Earthmoving operations account for approximately one-third of construction costs in large engineering projects and require efficient resources management. Since the 1980s, researchers have suggested computational optimization techniques to improve decision-making in earthworks and proposed mathematical models for material and equipment allocation. However, these computational applications are generally ignored by road construction professionals, who plan earthworks through estimations based on mass haul diagrams. Consequently, this dissertation has the objective of investigating the usage of optimization techniques in earthmoving operations to propose a novel mathematical programming approach for cost minimization on road construction projects. This research was divided into two distinct parts: A systematic mapping study and an original research article. At first, I presented a mapping study on the topic of optimization of earthmoving planning and operation. I analyzed 5,134 papers in total, selecting 72 relevant studies through consistent selection criteria. As a result, I could map the research field by identifying the most investigated subjects, optimization techniques, and research gaps. I found that allocation, fleet planning, routing, and scheduling problems were the most commonly explored topics, and linear programming, mixed-integer linear programming, and genetic algorithms were the most used optimization methods. I also observed that studies related to road construction have focused on improving well-known mathematical models, incorporating specific engineering features such as temporary haul roads, paving operations, and material mixing and recycling. Based on these research trends, I proposed a mixed-integer linear programming model to plan material allocation in earthmoving and paving operations, including geotechnical constraints and construction of haul roads. This optimization approach was validated by applying the model to a real road project with 121 cut sections, 257 fill sections, 272 pavement segments, 26 borrow pits, and five quarries. After structuring and modeling the proposed case study, I obtained the optimized solution in 2.98 seconds, indicating that realistic instances can be solved in reasonable processing times.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/60836
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