A matheuristic approach for solving the high school timetabling problem

Abstract

The school timetabling is a classic optimization problem that has been extensively studied due to its practical and theoretical importance. It consists in scheduling a set of class-teacher meetings in a prefixed period of time, satisfying requirements of different types. Given the combinatorial nature of this problem, solving medium and large instances of timetabling to optimality is a challenging task. When resources are tight, it is often difficult to find even a feasible solution. Several techniques have been developed in the scientific literature to tackle the high school timetabling problem, however, robust solvers do not exist yet. Since the use of exact methods, such as mathematical programming techniques, is considered impracticable to solve large real world instances, metaheuristics and hybrid metaheuristics are the most used solution approaches. In this research we develop techniques that combine mathematical programming and heuristics, so-called matheuristics, to solve efficiently and in a robust way some variants of the high school timetabling problem. Although we pay special attention to problems arising in Brazilian institutions, the proposed methods can also be applied to problems from different countries.

A geração de quadros de horários escolares é um problema clássico de otimização que tem sido largamente estudado devido a sua importâncias prática e teórica. O problema consiste em alocar um conjunto de aulas entre professor-turma em períodos de tempo pré-determinados, satisfazendo diferentes tipos de requisitos. Devido a natureza combinatória do problema, a resolução de instâncias médias e grandes torna-se uma tarefa desafiadora. Quando recursos são escassos, mesmo uma solução factível pode ser difícil de ser encontrada. Várias técnicas tem sido propostas na literatura científica para resolver o problema de geração de quadros de horários escolares, no entanto, métodos robustos ainda não existem. Visto que o uso de métodos exatos, como por exemplo, técnicas de programação matemática, não podem ser utilizados na prática, para resolver instâncias grandes da realidade, meta-heurísticas e meta-heurísticas híbridas são usadas com frequência como abordagens de resolução. Nesta pequisa, são desenvolvidas técnicas que combinam programação matemática e heurísticas, denominadas mateheurísticas, para resolver de maneira eficiente e robusta algumas variações de problemas de geração de quadros de horários escolares. Embora neste trabalho sejam abordados problemas encontrados no contexto de instituições brasileiras, os métodos propostos também podem ser aplicados em problemas similares oriundo de outros países.