Modelación de Investigación de Operaciones. Aplicaciones de la Programación Lineal (página 2)
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8. Formular las funciones de las restricciones
De la misma manera deben escribirse funciones para expresar las diferentes limitantes que se presentan en el proceso, ya sea en lo referente a valores permitidos para las variables, disponibilidad de recursos, producción total máxima o mínima y muchas otras.
Principales tipos de restricciones
Aunque para la infinidad de problemas que pueden modelarse para ser resueltos mediante la Programación Lineal se presentan muy diferentes restricciones, podemos decir que las limitantes de un modelo de P.L. se agrupan en seis tipos principales, que son:
Restricciones de capacidad: Relacionadas con los recursos de infraestructura del sistema, como son las horas de mano de obra, de máquina, el espacio, etc.
Restricciones de entradas: Limitan el valor de las variables debido a la disponibilidad de recursos como: materia prima, dinero, etc.
Restricciones de mercado: Son reflejo de los valores máximos o mínimos en las ventas o en el uso del producto o en el nivel de la actividad a realizar.
Restricciones de composición: Son expresiones de las mezclas de los ingredientes, que definen usualmente la calidad de los productos o resultados.
Restricciones de balance de materiales: Expresan las salidas de un proceso en función de las entradas, tomando en cuenta generalmente cierto porcentaje de merma o desperdicio en el proceso.
Restricciones internas: Son las que se escriben para definir el valor de una variable que surge en la formulación del problema, no siendo variable de decisión, sino una variable auxiliar creada para hacer más expedita la construcción del modelo.
Restricciones por políticas administrativas: No hacen parte de la tecnología del problema, sino que obedecen a decisiones administrativas, como por ejemplo no invertir más de cierta cantidad de dinero en alguna opción.
Nuevamente se recalca la importancia de tener muy claras las unidades de los datos que se usarán. Esta consideración nos permitirá controlar la homogeneidad en las unidades de los términos de la función del objetivo y en las de las funciones de las restricciones.
En especial debe constatarse que las unidades resultantes al evaluar la expresión del lado izquierdo de una restricción, coincidan con las unidades del lado derecho de la misma. Obviamente cuando un modelo tiene varias restricciones de un mismo tipo, basta con verificar la consistencia en una de ellas.
Construcción de modelos de programación lineal de algunos problemas sencillos
Como se dijo la programación lineal es una técnica ampliamente utilizada para la búsqueda de la solución óptima a problemas de innumerables disciplinas en muchos campos de la actividad humana.
En este capítulo se presentan algunas aplicaciones sencillas. En el siguiente estudiaremos otras aplicaciones que exigen un poco más de análisis y de conocimiento del área respectiva.
APLICACIONES EN PRODUCCIÓN
Mezcla de producción:
El problema consiste entonces en determinar la cantidad Xj a producir de cada uno de los artículos que compiten por el uso de los recursos, de tal forma que se obtenga un máximo de producción o un máximo de beneficio, o un mínimo de costo u otro objetivo especial, en un periodo determinado de producción
Ilustremos este tipo de problemas con dos ejemplos sencillos:
Ejemplo N° 1
La compañía desea conocer cuantas unidades de cada tipo de artículo debe producir en el periodo con el fin de maximizar la utilidad total por venta de los artículos. Se supone que todos los artículos producidos se venden y que la utilidad unitaria permanece constante, sin importar la cantidad vendida.
Construcción del modelo:
Siguiendo la metodología propuesta en este capitulo, una vez comprendida la situación que se describe, vamos a organizar los datos en una tabla; con lo cual será más fácil su utilización para construir el modelo.
Un bosquejo de la situación puede ser el que se muestra en la siguiente gráfica, en la cual se observa que los elementos claves del problema son las tres materias primas y los dos tipos de artículos, mientras que el objetivo es maximizar la utilidad. De esta manera aparece claro que el objetivo se medirá en pesos / periodo.
De igual forma salta a la vista que las actividades alternativas son, como lo dice el enunciado, producir artículos tipo 1 y producir artículos tipo 2. Téngase en cuenta que las actividades no son excluyentes sino que pueden darse simultáneamente a determinados niveles; desde llevarse a cabo una sola de ellas, hasta ejecutarse ambas en cierta combinación. Todo ello depende de la relación entre su contribución al objetivo y a su consumo de las materias primas.
Debemos usar unas variables para cuantificar el nivel o grado al cual llevaremos a cabo cada actividad.
Por ello definimos las variables así:
X1 : cantidad de artículos tipo 1 a fabricar en el período.
X2 : cantidad de artículos tipo 2 a fabricar en el período.
Una vez definidas las variables de decisión y comprendido el objetivo del problema, el modelo se plantea así:
Función del objetivo
Utilidad total = 400X1+ 300X2 $/periodo
Limitantes o restricciones en el logro del objetivo
La cantidad utilizada de cada materia prima debe ser menor o igual que la cantidad disponible.
Los valores de todas las variables deben ser mayores o iguales a cero
(Condición de no negatividad de las variables)
X1 = 0, X2 = 0
Por lo cual el modelo tendrá la siguiente forma final:
Minimizar Utilidad total = 400X1+ 300X2
Sujeta a:
Con X1, X2 = 0
Mas con el propósito de ilustrar la manera de verificar la compatibilidad de unidades, que con el de constatar la veracidad del modelo, pues este es muy elemental, vamos a analizar un análisis bidimensional de las funciones.
En la función objetivo:
400 ( $ / unidad de P1) * X1 ( unidades de P1 / período)
+ 300 ( $ / unidad de P2) * X2 ( unidades de P2 / período) = ( $ / período)
Se verifica que son las mismas unidades de la función objetivo.
En las restricciones analicemos únicamente para el consumo de la materia prima A, pues para las otras es similar.
1(libra de A/unidad de P1) * X1 (unidades de P1/periodo)
+ 1(libra de A/unidad de P2) * X2 (unidades de P2/periodo) = (libras de A/periodo)
Que coinciden con las unidades del miembro derecho de la primera desigualdad.
(150 lb. de A/periodo)
Adviértase que la condición de no negatividad de las variables, tiene sentido lógico en este modelo, ya que no se puede fabricar una cantidad negativa de alguno de los tipos del artículo.
Luego evaluaremos problemas en los cuales se puede presentar el caso de que una o mas variables puedan tomar valores entre menos infinito y más infinito o incluso que algunas variables deban tomar valores negativos o cero. En estos casos debemos efectuar los ajustes necesarios en el modelo para que todas las variables estén condicionadas a ser no negativas, ya que esta es una condición del algoritmo utilizado para la solución de los modelos de P.L.
Por este motivo a la condición de no negatividad de las variables se le llama en muchos casos condición técnica (de no negatividad).
Debemos interpretar también, la parte del enunciado referente a que la empresa supone que vende todos los artículos producidos y que la utilidad permanece constante. La primera parte nos indica que no hay límites en cuanto al número de artículos de cada tipo a producir, excepto los inherentes a la disponibilidad de los recursos productivos.
La segunda parte nos permite considerar la proporcionalidad entre la cantidad de artículos y la utilidad total por ventas de cada tipo de artículo.
En algunas situaciones de mercado ocurre que hay límites en las ventas máximas o mínimas de un determinado tipo de artículo, lo cual debe reflejarse en el modelo como una restricción en el valor de la variable correspondiente a la actividad.
Por ejemplo si conocemos que la demanda máxima del artículo 1 es de 30 unidades, debemos incluir en problema la condición de que no se produzcan más de 30 unidades de este articulo, ya que la producción adicional no tendría comprador, generando entonces un inventario en lugar de contribuir a la utilidad total. Igualmente si tenemos una demanda comprometida de 15 unidades del artículo 2, la cual deseamos satisfacer, debemos agregar al modelo una restricción expresando que el número de unidades del articulo 2 debe ser al menos 15.
Con la dos consideraciones anteriores, el modelo debe tener estas otras dos restricciones
X1 = 30
X2 = 15
Por otro lado en algunas condiciones de mercado el precio unitario de venta de los artículos se "quiebra", o sea se disminuye en alguna cantidad cuando el número de artículos excede cierto valor. Por ejemplo si X3 es la cantidad comprada de un articulo cuyo precio unitario es de $10 cuando 0= X3 = 100; pero que rebaja a $7 cuando 101= X3 = 250 y rebaja de nuevo a $ 6 cuando X3 = 251; en este caso no se cumple la condición de proporcionalidad en la función del objetivo ya que no tenemos un coeficiente único para multiplicar por la cantidad comprada para obtener el costo de compra de las X3 unidades. El coeficiente depende del intervalo en el cual se encuentre el valor de X3. En algunos casos podemos efectuar promedios de los valores de los parámetros pertinentes y en otros se puede plantear el modelo de la forma de programación lineal separable, como lo aprenderemos en un ejemplo posterior.
Ejemplo N° 2.
El costo del material para una unidad del artículo 1 es $50, para una unidad del artículo 2 es de $80 y para una unidad del artículo 3 es de $140.
Los precios de venta para los artículos son respectivamente de $400, $420 y $500, la unidad.
Los tiempos de proceso requeridos por una unidad de cada tipo de material, se dan en la siguiente tabla:
Minutos de operación por unidad
La compañía necesita conocer cuantas unidades de cada tipo de artículo debe fabricar en una hora, para obtener la máxima utilidad.
Construcción del modelo:
Inicialmente podemos elaborar unas tablas con los datos del problema, así:
El esquema del proceso puede ser el siguiente:
Los elementos son la materia prima, las tres operaciones de proceso y los tres artículos.
Determinar los elementos del problema es de gran ayuda para la elaboración de la función objetivo y las funciones de las tres restricciones.
El objetivo será maximizar la utilidad resultante de la producción en una hora. Esta utilidad será la diferencia entre el ingreso por ventas y los gastos por materia prima y operaciones en las máquinas.
Calculemos las utilidades netas, así:
Las variables a utilizar se definen como:
Las restricciones se refieren a que una máquina no puede utilizarse durante una hora por un tiempo total mayor que la hora. Es decir, el tiempo que una máquina dedique a la producción del artículo 1, más el que dedique al artículo 2 más el dedicado al artículo 3, no puede exceder a una hora de capacidad, pues ese es el período de tiempo que se tomó como referencia.
Programación de la producción
Este es una de las áreas de la Programación Lineal más rica en aplicaciones. Un problema de programación de la producción puede verse como un problema de mezcla de producción para varios periodos hacia el futuro. Se quieren determinar los niveles de producción que permitirán a la compañía obtener el mínimo costo (o la máxima ganancia), cumpliendo con los requerimientos de las limitaciones en mano de obra, maquinaria, materiales, espacio de almacenamiento, requisito de demandas, etc.
Los problemas de Programación de Producción tienen naturaleza recurrente, es decir que se presentan un periodo tras otro, sólo que con algunas variaciones en ciertos datos, como por ejemplo en las demandas, o en las disponibilidades de algunos recursos. Por este motivo los modelos de P.L. se usan extensivamente en este campo, pues una vez que un modelo fue resuelto para un periodo determinado, basta con repetir su solución para los datos del nuevo periodo, para obtener recomendaciones acerca del programa óptimo de producción.
Ilustremos este tipo de aplicaciones mediante al siguiente ejemplo sencillo:
Ejemplo N° 3
Un fabricante debe cumplir los siguientes compromisos, en el primer trimestre:
La capacidad mensual de producción de su planta es de 20.000 unidades. El costo unitario de producción varia cada mes, así: Enero $20, Febrero $9 y Marzo $12. La compañía estima en $3 el costo de almacenamiento de cada unidad que posea en la bodega él último día del mes. La capacidad de la bodega de que dispone es de 22.000 unidades.
La empresa tiene en el inventario 50 unidades y desea tener 70 al final. El problema a resolver consiste en la determinar del programa de producción mensual que minimiza los costos totales en el trimestre.
Se supone que la producción se realiza durante todo el mes y el despacho se efectúa él último día de mes.
Construcción del modelo
La grafica que describe el problema puede ser:
Deseamos determinar el programa de producción para obtener el mínimo costo en el trimestre. Para ello definimos las variables así:
Los problemas de este tipo también pueden modelarse de otra manera como lo sugiere el siguiente grafico:
Acá las variables se definen como:
En esta formulación no incluimos la posibilidad de contar con inventario inicial ni con inventario final, lo cual se deja como ejercicio al estudiante.
Por ejemplo, cuál sería el programa de producción si se tienen 5.000 unidades de inventario inicial y se desean 10.000 de inventario final.
Los problemas de programación de la producción también pueden resolverse en forma relativamente sencilla disponiendo los datos en una tabla, en la cual se anotan los costos de cada acción alternativa y se procede a obtener una solución aprovechando la estructura característica del proceso. El final del capitulo se resolverá este mismo problema mediante la tabla mencionada.
Composición o mezcla
Los problemas de mezcla ocurren en las industrias alimenticias, petroleras, siderurgicas, en la industria química en general, y muchas otras en las cuales se deben mezclar sustancias.
Veamos el siguiente ejemplo sencillo conocido como el problema de la dieta.
Ejemplo N° 4
Un granjero sabe que debe suministrar diariamente a cada una de sus vacas, un mínimo de 27, 21 y 30 unidades de los elementos nutricionales 
respectivamente. Para prepararles la comida puede comprar dos clases de alimentos. Una libra del alimento 1 contiene 3, 1, y 1 unidades del nutriente respectivamente, y cuesta $40. Por otra parte, una libra del alimento 2 contiene respectivamente 1, 1 y 2 unidades de los nutrientes y cuesta $20.
El granjero desea conocer cuántas libras de cada alimento necesita utilizar para nutrir a cada una de sus vacas, de tal forma que minimice los costos. Suponga que no hay limite en cuanto al peso total de la comida (mezcla) resultante.
Construcción del modelo
Para iniciar, podemos elaborar una tabla con los datos del problema:
Un esquema de la situación, puede ser:
Sean 
libras del alimento i que dedicaremos a la preparación de la dieta
para una vaca
El objetivo es minimizar los costos. El modelo queda:
Minimizar: Costo 
Sujeto a:
Composición de la dieta
Nutriente 
(unidades de vaca)
Nutriente 
(unidades de vaca)
Nutriente 
(unidades de vaca)
Se deja al estudiante la comprobación de la consistencia de las unidades.
Veamos otro ejemplo que ilustra el caso de composición o mezcla de ingredientes.
Ejemplo N° 5
Una compañía petrolera produce dos tipos de gasolina, la corriente y la extra. La corriente se vende a $3000 galón y la extra a $3600. Las gasolinas se fabrican a partir de dos crudos, cuyos análisis de componentes aparecen a continuación:
La gasolina corriente debe contener máximo 60% demientras que la extra debe contener mínimo 50% de
El oleoducto de la compañía puede suministrar un máximo de 2 millones de galones crudo 1, y 3 millones de crudo 2, al día.
La compañía espera vender a lo máximo 5 millones de galones de gasolina corriente y 1 millón de gasolina extra, cada día.
¿Cómo debe proceder la empresa para obtener la máxima ganancia diaria?
Construcción del modelo
Elaboraremos una tabla con los datos importantes acerca de las gasolinas, así:
Un esquema de la situación puede ser:
Las variables se definen así:
Sean
el número de galones de crudo 
que se dedican a producir la gasolina 
corriente, 
extra).
Debemos suponer que al mezclar por ejemplo 
galones de crudo 1 y 
galones de crudo 2, resultaran 
galones de gasolina 1, pues no hay pérdidas en la operación.
Considerando que el objetivo es maximizar las utilidades por venta de las gasolinas, y que estas deben cumplir unos requisitos de composición, además de tener limites en la producción, debido a la demanda y limites en la disponibilidad de crudos, el modelo del problema será:
Maximizar: 
Sujeto a:
Composición de gasolinas
- en la corriente:
gal deen gas. corriente). - en la extra:
gal de en gas. corriente).
Disponibilidad de crudos:
6 (galón de crudo 1)
6 (galón de crudo 2)
Ventas máximas (producción máxima)
6 (galón de corriente)
6 (galón de extra)
Para terminar la discusión del ejercicio, deduzcamos las unidades de la restricción de composición de la gasolina corriente:
galón de galón de crudo 
galón de crudo 1
+ 0.70 galón de galón de crudo 
galón de crudo 2 = galones de
Unidades idénticas a las que se obtienen en el lado derecho, así:
0.60 galones de B/galones totales de gas corriente *( X11 galones de crudo 1+ X21 galones de crudo 2) = 0.60 galones de B/galones totales de gasolina corriente*(galones totales de gasolina corriente) = galones de B
El estudiante debe notar que en la solución del problema no hemos considerado la posibilidad de que el proceso permita separar los componentes de cada crudo, para con ellos elaborar las gasolinas. ¿Será posible realizar esto?
Se deja como ejercicio la formulación bajo este enfoque.
Aplicaciones en las finanzas
Este tipo de problemas surge cuando un ejecutivo del área financiera dispone de un capital C y tiene que elegir entre 
diferentes alternativas de inversión, cada una de las cuales tiene una rentabilidad y un riego determinados. El objetivo de este tipo de problemas es naturalmente la maximización del rendimiento o la minimización del riesgo financiero.
Las restricciones provienen comúnmente de aspectos como : capital disponible, leyes financieras, políticas de la compañía, riesgo máximo permitido, etc.
Muchas situaciones de decisión financiera se han formulado y resuelto usando diferentes técnicas de la programación matemática, pero si un problema puede formularse como un modelo de P.L., su solución se obtiene de una manera más eficiente.
A continuación discutiremos un problema simplificado que ilustra este tipo de decisiones.
Ejemplo N° 6
Un inversionista dispone de $30.000.000 y desea invertirlos de tal manera que maximice la ganancia en el periodo de tres años.
Tiene las siguientes posibilidades de inversión:
Acciones: Disponible al inicio de cada año, durante los tres próximos años. Cada peso invertido en Acciones, retorna 1.20 al siguiente año, a tiempo para reinvertir el dinero nuevamente. Puede invertir máximo $12.000.000 cada vez.
Bonos: Disponible a principio del primer año. Cada peso invertido le retorna 1.50 al cabo de dos años, a tiempo para reinvertirlos. Puede invertir un máximo de $20.000.000 en esta alternativa.
Certificados de depósito a dos años: Disponible al principio del segundo año. Cada peso invertido le retorna 1.60 dos años después. Puede invertir un máximo de $15.000.000
Dólares: Disponible al inicio del tercer año. Cada peso invertido le retorna 1.40, un año después. Puede invertir un máximo de $10.000.000
Si por las limitaciones en la cantidad invertida en las alternativas, en determinado año no se invierte todo el dinero disponible, el sobrante se deja en una cuenta de ahorros, que indica una rentabilidad del 12% anual.
Construcción del modelo:
Lo primero que podemos hacer es un esquema de las posibilidades de inversión, para el horizonte de tiempo a considerar. Como lo indica el enunciado, se desea estudiar un periodo de tres años.
En la gráfica se muestran las variables asignadas a cada actividad. Esta es una forma valida y muy ilustrativa de definir las variables que se usan:
De esta manera, las variables se definieron como:
Xij: cantidad invertida en la alternativa al principio del año j; 
El objetivo es obtener la máxima ganancia al término del tercer año, y también puede entenderse como obtener el máximo retorno total al término del mismo periodo.
Al inicio de cada año, en el momento de efectuar las inversiones, hay dos tipos de limitantes. La primera consistente en que no se puede invertir más de la cantidad disponible para ello y la segunda, derivada de la decisión administrativa de limitar las cantidades que se pueden invertir en algunas alternativas.
Considerando el análisis anterior, el modelo de P.L., es:
Maximizar: utilidad 
Sujeta a:
Capacidad de inversión en cada año:
Año 1: 
Año 2: 
Año 3: 
Inversión máxima en cada alternativa:
con Xij
Como se anotó antes, la función del objetivo pudo expresarse como:
Con lo cual el modelo tendrá una solución idéntica a lo que se obtendría con la función objetiva propuesta. (Verifíquese solucionando ambos modelos).
El problema del transporte
Es una de las más conocidas aplicaciones de la Programación Lineal. Se presenta cuando por ejemplo necesitamos tomar decisiones con respecto a las mejores rutas de distribución de artículos desde centros productivos hasta 
bodegas o almacenes.
El siguiente ejemplo nos ayudara a comprender las características de este tipo de situación.
Ejemplo N° 7
Una compañía embotelladora tiene plantas ubicadas en Medellín, Bogotá y Cartagena. La capacidad de cada una de las plantas es:
La empresa surte a cuatro distribuidoras localizadas en diferentes zonas del país. La demanda esperada de cada uno de los distribuidores es la siguiente:
El costo de transportar una caja de cada planta a cada distribuidor es:
¿Cómo deben programarse los envíos desde las plantas hasta los distribuidores para tener el mínimo costo total?
Construcción del modelo:
La situación puede esquematizarse como se muestra abajo, lo cual nos sugiere definir las variables como:
Xij: cantidad de cajas enviadas de la planta hasta la bodega j;
Conociendo las capacidades, las demandas esperadas y los costos, el modelo puede escribirse como:
Minimizar costo:
Sujeta a:
Capacidad de las plantas
Medellín: 
Bogotá: 
Cartagena: 
Demandas de los distribuidores:
1 
2 
3 
4 
con 
Como el objetivo es minimizar el costo total de los envíos, es de esperarse que a cada distribuidor se le envie justamente lo que necesita, motivo por el cual todas las restricciones de demanda se cumplirán como si fueran igualdades. Por ello si las expresaremos como igualdades, la solución del modelo seria la misma.
Por otro lado debe tenerse en cuenta que cuando la demanda total es inferior a la oferta total, un problema de transporte tendría una solución en la cual se satisfacen todas las demandas sobrando capacidad en las plantas, pero cuando la demanda total es superior a la oferta total, el problema no tendría solución.
Para que este último caso tenga solución, se debe agregar al modelo una planta ficticia con capacidad igual a la que haga falta para igualar la demanda total. Esta operación se conoce como balanceo y será discutida más en detalle cuando estudiemos el algoritmo especial para resolver el problema transporte.
Problema del personal necesario
Ejercicio N° 8
El administrador de un peaje determinó que el número de empleados que necesita se distribuyen durante el día así:
Cada empleado trabaja 8 horas diarias consecutivas. El administrador desea conocer el número mínimo de empleados que debe tener para cumplir con las necesidades de personal durante el día.
Construcción del modelo
La situación puede visualizarse gráficamente, de la siguiente manera:
El problema del administrador del peaje consiste en determinar el número de empleados que deben iniciar trabajo en cada uno de los turnos, de tal forma que se cumplan los requisitos de personal en ellos, contando con el mínimo posible de empleados.
Las variables se pueden definir como:
Xi: cantidad de personas que inician un trabajo a la hora 
Cada empleado labora 8 horas consecutivas, entonces presta sus servicios en dos de los turnos en que se dividió el día para el estudio.
El modelo de programación lineal es:
Minimizar: 
Sujeta a:
Personal necesario en cada intervalo
de 6 – 10
de 10 – 14
de 14 – 18
de 18 – 22
de 22 – 2
de 2 – 6
con 
Debe aclararse que en las restricciones se pudo escribir relación de igualdad en lugar de la relación mayor o igual, pues el enunciado así lo sugiere. Se optó por considerar las desigualdades como mayor o igual, para dar más libertad en la solución del problema, ya que colocando igualdades se limita la solución a dar valores que cumplan estrictamente las igualdades, lo cual en algunos problemas (éste es uno) implica inexistencia de solución. En cambio al colocar desigualdades mayor o igual, se permite que las variables tomen valores de tal forma que se cumplan las desigualdades y como el objetivo es minimizar, es de esperarse que las variables tomarán los mínimos valores posibles, dando igualdades en todas las restricciones en que se pueda.
Se deja como ejercicio al estudiante la solución de los dos modelos, para que verifique los comentarios anteriores.
Problemas de los patrones de corte
Ejemplo N° 10
Una empresa produce papel en rollos de 90 cm. de ancho y 100 m. de largo, pero muchas veces recibe pedidos para despachar rollos de dimensiones menores. En este momento necesita cumplir con la siguiente orden de producción:
La compañía desea determinar la forma de cortar los rollos estándar, de tal manera que se produzca el mínimo sobrante de papel.
Elabore el modelo matemático de P.L. para este problema.
Construcción del modelo:
Obviamente la solución a este problema implicara que sea necesario despachar dos o más rollos para obtener la longitud pedida de cada uno de los anchos, ya que el rollo estándar solo mide 100 m. de largo. También aceptemos que el papel sobrante es todo rollo inferior a 25 cm.
Para entender mejor la lógica de solución del problema, determinemos todas las formas en que se puede cortar un rollo de ancho de 90 cm., para obtener anchos de 75, 35 y 25 cm.
Si tomamos como referencia un metro del rollo de ancho estándar, las posibles formas de corte son:
Observemos que hay cuatro modalidades de corte, en cada una de las cuales se obtiene un número de franjas de los anchos necesarios, con un desperdicio determinado.
Las actividades alternativas a desarrollar son las cuatro modalidades de corte, cada una con su sobrante asociado por cada metro.
Las características de los cuatro cortes posibles, se resumen en la siguiente tabla, en donde como se dijo los datos son para cada metro de ancho de 90 cm. que se corte en cada modalidad.
Podemos definir las variables del modelo como:
Xi: número de metros del rollo estándar cortados en la modalidad i.
Sj: número de metros del ancho j, cortados en exceso sobre lo pedido (j= 1, 2, 3).
Con lo cual al modelo puede plantarse así:
Minimizar: Sobrante: 0.15X1 + 0.20X2 + 0.05X3 + 0.15X4
Sujeta a:
Cantidad necesaria de cada ancho
1X1 > 200
2X2 + 1X3 > 500
2X3+3X4 > 300
con Xi > 0, i, Sj > 0, j
Si escribiéramos las restricciones como igualdades, puede presentarse el caso de que el problema no tenga solución factible, al ser imposible encontrar modalidades de corte que produzcan exactamente las cantidades pedidas de cada ancho.
Una alternativa para no usar las relaciones mayor o igual y en cambio utilizar relaciones de igualdad, es introducir al lado izquierdo de las restricciones las variables Sj para indicar el número de metros de ancho j, cortado en exceso sobre lo pedido.
Se pide al estudiante que escriba el modelo adecuado para representar la situación que se acaba de mencionar.
Ejemplo N° 11
Una empresa se dedica al transporte aéreo de cargas y cuenta para ello con un avión que tiene tres compartimientos: frontal, central y trasero. Las capacidades en peso y espacio para cada compartimiento son:
Por motivos técnicos, debe tenerse igual proporción de peso ocupado a capacidad en peso en cada compartimiento.
La empresa recibió el encargo de transportar la carga de cuatro clientes pudiendo aceptar cualquier fracción de ellos.
La información de peso, volumen y utilidades de las cargas es:
¿ Cómo debe programar la ocupación del avión para obtener la máxima ganancia?
Construcción del modelo:
Un problema de este tipo es en realidad, similar a un problema de capacidades de peso y volumen de los compartimientos.
Antes de construir el modelo, debemos calcular el volumen por tonelada de cada carga.
Los resultados se registran en la siguiente tabla:
Las variables de decisión serán:
Xij; toneladas de la carga i a transportar en el compartimiento j
( i= 1, 2, 3, 4); ( j= F, C, T )
El modelo de P.L. puede ser el siguiente:
Maximizar:
Utilidad =
Sujeta a:
Capacidades de peso en los compartimientos
Proporción de peso en los compartimientos
Problema de mezcla de productos con función objetivo separable
Ejemplo N° 12
Una compañía produce tres artículos A, B, C. Cada unidad de A, requiere una hora de maquinaria, ocho horas de mano de obra y cuatro libras de materia.
Cada unidad de B, necesita tres horas de maquinaria, tres horas de mano de obra y tres libras de materia.
Cada unidad de C, requiere dos horas de maquinaria, cuatro horas de mano de obra y dos libras de materia.
La empresa dispone de 300 libras de materia prima, 800 horas de mano de obra y 80 horas de maquinaria, para el próximo periodo.
El precio de venta y por ende las utilidades de los artículos, van rebajando a medida que aumenta la cantidad vendida, como se indica en la siguiente tabla:
¿Cuál será el programa de producción y ventas que maximiza la utilidad total)
Construcción del modelo:
Inicialmente elaboramos una tabla con los datos de consumo de los recursos de la empresa:
No es difícil detectar que las actividades alternativas que pueden realizarse son la fabricación de cada uno de los artículos. Por ello definimos las variables como:
Xi: número de unidades del articulo i que deben fabricarse en el periodo.
La definición anterior es la típica cuando tenemos varias actividades que compiten por varios recursos. El paso siguiente será la elaboración de la función del objetivo y de las restricciones. Pero encontramos que la definición de las variables no nos permite escribir una función objetivo válida.
En la función del objetivo hallaremos el inconveniente de que tenemos cuatro coeficientes objetivo diferentes para el articulo A, tres para el artículo B y dos para el artículo C.
¿Cuál de ellos colocar en la función objetivo?
La situación anterior refleja la no proporcionalidad de la utilidad y la cantidad producida. Por lo tanto ese problema no cumple una de las condiciones básicas para plantearse directamente como un modelo de Programación Lineal.
Para adecuar el problema a la forma en que pueda formularse como modelo de P.L., es posible a veces calcular una utilidad promedia para cada artículo y colocar este valor como coeficiente objetivo. Claro que en ese caso estaremos aceptando que la solución hallada será apenas aproximada, debido a la simplificación de los valores reales.
Pero afortunadamente para este tipo de problemas en donde el objetivo es maximizar y los coeficientes van disminuyendo al aumentar la variable, es posible construir una función objetivo en la cual se definan las variables para reflejar los intervalos que considera el problema.
Para mejor entendimiento construyamos una gráfica con los intervalos de la variable X1.
Como se dijo las unidades comprendidas en el intervalo 0-40 dan utilidades de $10, las comprendidas en el intervalo 41-100 dan utilidad unitaria de $9, etc.
Para reflejar este hecho en la función objetivo, vamos a definir las variables así:
Xij: cantidad de unidades vendidas del articulo i, que pertenecen al intervalo j
(i=1, 2, 3; j=1, 2, 3, 4)
Xi: cantidad total de unidades del articulo i vendidos.
De esta manera el modelo de P.L., queda:
Maximizar: utilidad:
Sujeta a:
Limites de las cantidades que pertenecen a cada intervalo.
No se incluyeron X14, X23 y X32 pues estas variables no tienen límite en sus valores.
Por comodidad al escribir las restricciones de uso de los recursos, podemos expresar las siguientes igualdades:
Luego se escriben las restricciones de disponibilidad de recursos así:
Maquinaria:
Problema del transbordo
La compañía X puede producir su principal artículo en dos departamentos diferentes. Cada departamento puede enviar lo producido al centro de control de calidad final A o al centro de control de calidad final B, desde los cuales se remite a cualquiera de las cuatro líneas del empaque y envío de que dispone la empresa. El departamento 1 tiene capacidad para producir 80 unidades por hora y el departamento 2 para producir máximo 60 unidades por hora. Según las demandas esperadas, se ha programado que las líneas de empaque atiendan al menos las siguientes cantidades por hora: 30, 20, 40, 40 respectivamente.
La siguiente tabla muestra los tiempos (minutos) promedio que se gasta en los diferentes movimientos de cada unidad del producto.
En el centro 1 de control de calidad, se demora 4 minutos para revisar un artículo y en el centro 2 de control de calidad se demora 6 minutos.
¿Cómo debe organizarse el flujo de las unidades entre los departamentos productivos y las líneas de empaque y envío, pasando por algunos de los centros de control de calidad, de tal forma que se obtenga un mínimo tiempo total de producción?.
Problema de asignación
Cierta compañía tiene tres empleados para asignar a tres solicitudes de reparación de licuadoras en la casa de los clientes, que deben ser atendidos mañana, por lo cual los empleados viajan directamente de su hogar hasta el del cliente.
Como la empresa subsidia el combustible del vehículo de los operarios, desea ahorrar lo máximo, motivo por el cual necesita conocer la forma de asignar los operarios a los clientes de tal manera que se tenga la menor distancia total de viaje de los empleados.
La tabla siguiente muestra las distancias desde la casa de cada empleado hasta la de cada cliente.
Programación entera
Corte de madera
Una marquetería debe enmarcar 175 cuadros de 119×96 cm. En el mercado puede comprar varillas de la moldura indicada con longitud de 300 cm.
¿Cómo deben cortarse las varillas para obtener los marcos requeridos, obteniendo el menor sobrante posible?
Solución:
Modalidades de corte
Xi: Número de varillas estándar cortadas en la modalidad i (i= 1, 2, 3)
Para 175 marcos se necesitan 350 piezas de cada longitud.
Minimizar: 62X1 + 1X2 + 30X3 longitud sobrante
s.a: 2X1 + 1X2 > 350 piezas de longitud 119
2X2 + 3X3 > 350 piezas de longitud 90
Pregunta: ¿ El valor de las Xi tiene que ser entero?
¿Cuál será la diferencia de sobrantes, si permite que el valor de los Xi sea fraccionario?
Programación de la producción de un ensamble.
Cierta empresa produce un artículo que se forma con cuatro piezas del componente A y tres piezas del componente B.
Las piezas se pueden fabricar en cualquiera de las tres máquinas diferentes que posee la compañía, las cuales transforman las dos materias primas en las piezas que van al ensamble del producto final.
La tabla siguiente muestra el número de gramos de cada materia prima que deben utilizarse en cada máquina para realizar un ciclo de producción de las componentes. La misma tabla muestra el número de componentes de cada tipo que se obtienen en cada ciclo de producción de cada una de las maquinas, así como el número de gramos disponibles de las materias primas.
¿Cómo debe programarse la producción para obtener la máxima cantidad de artículos?
Suponga que una compañía tiene cuatro proyectos llamémoslos A, B, C, D, que pueden o no llevarse a cabo, pero un proyecto no puede ejecutarse parcialmente.
Los proyectos B y D no se pueden ejecutar simultáneamente (son mutuamente excluyentes)
La información relativa a los proyectos es:
La compañía dispone actualmente de 25.000 y al inicio del segundo año recibirá $5.000 de otras inversiones. Además necesita disponer de 15.000 al inicio del tercer año para cancelar unos compromisos en esa fecha.
Elabore el modelo de P.L. para determinar cuáles proyectos ejecutarse con el propósito de maximizar el valor presente neto de las inversiones realizadas.
Autor:
Rafael Freites
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