7
Information Processing Letters 115 (2015) 33–39 Contents lists available at  ScienceDi rect Information Processing Letters www.elsevier.com/locate/ipl Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating   jobs on a single machine Wenchang Luo a , Min Ji b,a Faculty of  Science, Ningbo University,  Ningbo  315211,  PR China b School of  Computer  Science and Information Engineering,  Contemporary  Business and Trade Research  Center,   Zhejiang  Gongshang  University,  Hangzhou  310018, PR China a r t i c l e i n f o a b s t r a c t  Article history: Received 16 October 2013 Received in revised form 19 August 2014 Accepted 19 August 2014 Available  online 26 August 2014 Communicated by B. Doerr Keywords: Scheduling Computational complexity Deteriorating  jobs Maintenance We investigate  a single machine scheduling problem in which the processing  time of  a  job is a linear function of  its starting time and a variable maintenance on the machine must be performed  prior to a given deadline. The goals are to minimize the makespan and the total completion time. We prove that both problems  are NP-hard.  Furthermore,  we show that there exists a fully polynomial  time approximation  scheme for the makespan minimization problem.  For the total  completion time minimization problem we point out that there exists a fully polynomial  time approximation  scheme for a special case. © 2014 Elsevier B.V. All rights reserved. 1.  Introduction We consider  the following scheduling  problem: there is a set of  n  linear deteriorating   jobs  J  = {  J 1 ,  J 2 , ··· ,  J n }  to be non-preemptively processed  on a single machine,  all of  which are available at time 0. For each  job  J  j , we use  p  j and C  j  to denote the processing  time and the completion time,  respectively. The actual  processing time  p  j  of   job  J  j is dened by  p  j  =  α  j  +  β  j s  j , where α  j  denotes the basic processing  time,  β  j  denotes the deteriorating  rate and s  j denotes the starting time of   job  J  j , respectively, i.e.,  p  j  is a (general) linear function of  s  j . Moreover,  a mandatory maintenance  must be started before a given deadline s d on the machine and the duration of  the maintenance d  is a nonnegative and nondecreasing  function of  its starting time s  (i.e., d =  f  (s)  and  f  (s)  is nonnegative and nonde- creasing).  Without  loss of  generality, we also assume that all the data (the basic processing times, the deteriorating  *  Corresponding author. E-mail addresses: [email protected] (W. Luo),  [email protected] (M. Ji). rates, the deadline and the duration of  maintenance)  are integers and the function  f  (s)  can be computed in polyno- mial time.  Furthermore,  we assume that  jobs cannot t all together before s d  (i.e., α n  + n i=1 (α i n  j=i +1 (1 + β  j )) > s ) and that every  job  J  j  can be inserted before s d  (i.e., α  j  ≤ s d ). The objective is to schedule all the linear deterio- rating  jobs and determine the starting time of  maintenance such that the makespan or the total completion time is minimized. Let C max  (= max  j  C  j )  denote the maximum comple- tion time (makespan).  Following the three-eld notation introduced  by Graham et al. [4]  and the monograph by Gawiejnowicz [6], we denote our problems by 1, VM|  p  j  = α  j  + β  j s  j |C max  and 1, VM|  p  j  = α  j  + β  j s  j |   j  C  j  respec- tively,  where “VM” stands for a variable maintenance on the machine. The above problem is referred to as scheduling  dete- riorating  jobs with machine unavailable constraints  and this kind of  problem has received considerable  attention since 200 3 (see, e.g., [14,3,5,9,7,10–12] ). For the related monograph,  we refer  the readers  to Gawiejnowicz [6]. All of  the models proposed in [14,5,9,7,3,11,12]  have the http://dx.doi.org/10.1016/j.ipl.2014.08.011 0020-0190/ © 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

7/21/2019 Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/scheduling-a-variable-maintenance-and-linear-deteriorating-jobs-on-a-single 1/7

Information Processing Letters 115 (2015) 33–39

Contents lists available at ScienceDirect

Information  Processing  Letters

www.elsevier.com/locate/ipl

Scheduling  a  variable  maintenance  and  linear  deteriorating 

 jobs  on  a  single  machine

Wenchang Luo a, 

Min Ji b,∗

a Faculty of  Science, Ningbo University, Ningbo  315211, PR Chinab School of  Computer  Science and Information Engineering, Contemporary Business and Trade Research Center,  Zhejiang  Gongshang  

University, Hangzhou  310018, PR China

o a 

t

 Article history:

Received 16 October 2013

Received in revised form 19 August 2014

Accepted 19 August 2014

Available online 26 August 2014

Communicated by B. Doerr

Keywords:

Scheduling

Computational complexity

Deteriorating  jobs

Maintenance

We  investigate a single machine scheduling problem  in which  the processing  time of  a 

 job  is a  linear  function of   its starting  time and a variable maintenance on  the machine 

must 

be 

performed 

prior 

to 

given 

deadline. 

The 

goals 

are 

to 

minimize 

the 

makespan 

and the total completion time. We prove that both problems are NP-hard. Furthermore, we 

show that there exists a  fully polynomial time approximation scheme  for the makespan 

minimization problem. For the total completion time minimization problem we point out 

that 

there 

exists 

fully 

polynomial 

time 

approximation 

scheme 

for 

special 

case.

©  2014 

Elsevier 

B.V. 

All rights reserved.

1.  Introduction

We consider the following scheduling problem: there is

a set of  n   linear deteriorating  jobs   J  = {  J 1,  J 2, · · · ,  J n}   to 

be non-preemptively processed on a single machine, all of  

which are available at time 0. For each  job   J  j , we use  p j

and C  j   to denote the processing time and the completion 

time, respectively. The actual processing time  p j   of   job   J  jis defined by  p j  =  α j  +  β j s j , where α j   denotes the basic 

processing  time, β j   denotes  the deteriorating rate and  s j

denotes the starting time of   job   J  j , respectively, i.e.,  p j   is 

(general) 

linear 

function 

of  

s j . 

Moreover, 

mandatory 

maintenance  must  be  started  before  a  given  deadline  sd

on the machine and the duration of  the maintenance d   is 

a  nonnegative  and  nondecreasing  function  of   its  starting 

time  s   (i.e., d =   f  (s)   and   f  (s)   is nonnegative and nonde-

creasing). Without loss of  generality, we also assume that 

all the data  (the basic processing times, the deteriorating 

*   Corresponding author.

E-mail addresses: [email protected] (W. Luo),  [email protected]

(M. Ji).

rates,  the deadline and  the duration  of   maintenance)  are 

integers and the function  f  (s)  can be computed in polyno-

mial time. Furthermore, we assume that  jobs cannot fit all 

together before sd   (i.e., αn +n

i=1(αi

n j=i+1(1 + β j)) > s) 

and  that  every   job   J  j   can  be  inserted  before  sd   (i.e., 

α j ≤  sd). The objective is to schedule all the linear deterio-

rating  jobs and determine the starting time of  maintenance 

such  that  the  makespan  or  the  total  completion  time  is 

minimized.

Let  C max   (=  max j C  j)   denote  the  maximum  comple-

tion  time  (makespan).  Following  the  three-field notation 

introduced 

by 

Graham 

et 

al. 

[4]   and 

the 

monograph 

by 

Gawiejnowicz [6], we denote our problems by 1, VM| p j  =

α j   +  β j s j |C max   and  1, VM| p j   =  α j   +  β j s j| 

 j C  j   respec-

tively,  where  “VM”  stands  for  a  variable  maintenance  on 

the machine.

The  above  problem  is  referred  to  as  scheduling  dete-

riorating   jobs  with  machine  unavailable  constraints  and 

this  kind  of   problem  has  received  considerable  attention 

since  2003 (see,  e.g.,  [14,3,5,9,7,10–12]).  For  the  related 

monograph,  we  refer  the  readers  to  Gawiejnowicz  [6]. 

All  of   the models  proposed  in  [14,5,9,7,3,11,12]   have  the 

http://dx.doi.org/10.1016/j.ipl.2014.08.011

0020-0190/© 2014 

Elsevier 

B.V. 

All rights reserved.

7/21/2019 Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/scheduling-a-variable-maintenance-and-linear-deteriorating-jobs-on-a-single 2/7

34   W. Luo, M. Ji / Information Processing Letters 115 (2015) 33–39

assumptions that  the machine  starts at  time  t 0   (> 0)  (to 

avoid  the  trivial  case),  the  processing  time  of   a  job  is  a 

simple linear function of  its starting time (i.e.,  p j  =  β j s j ), 

and  the  machine unavailable  intervals  or  the  duration  of  

maintenance is prefixed, which differ from our model.

Related works  Browne and Yechiali [1] first considered the 

problem 

of  

scheduling 

(general) 

linear 

deteriorating 

 jobs (without  maintenance)  to  minimize  the  makespan.  Using 

the standard interchange principle, they showed that there 

achieves  the  optimal  makespan  according  to  the  nonde-

creasing order of  α j

β j(i.e.  α1

β1≤   α2

β2· · · ≤   αn

βn).

Since  2003,  researchers  have  begun  to  consider  the 

problems  of   scheduling  simple  linear  deteriorating   jobs 

with machine unavailable constraints. They assumed  that 

the   jobs  are  available  at  time  t 0   (=  1).  Depending  on 

whether the  job processing can be interrupted by the un-

available  intervals or not,  there are  two versions:  resum-

able version and non-resumable version.

For the resumable version, Wu and Lee [14]   first stud-

ied 

the 

problem 

of  

scheduling 

simple 

linear 

deteriorat-ing  jobs  with  an  unavailable  constraint  to  minimize  the 

makespan. They showed the model can be solved by using 

the  0–1  integer  programming  technique.  In  some  special 

case, the 0–1 integer programming can be solved in poly-

nomial  time.  For  the  general  case,  the  complexity  of   the 

problem  is  open.  Gawiejnowicz  and  Kononov  [7]   consid-

ered the proposed model by Wu and Lee [14]. They proved 

that the problem is weakly NP-hard and showed that there 

exists a fully polynomial time approximation scheme. Fur-

thermore,  for  the problem  with  two or more unavailable 

intervals, they showed that there does not exist a polyno-

mial time approximation algorithm with a constant worst-

case ratio, 

unless 

=  NP. 

 Ji 

and 

Cheng 

[10]   considered a  single  machine scheduling  problem  in  which  the  pro-

cessing  time  of   each  job  is  a  simple  linear  deteriorating 

function  of   its  waiting  time  with  the  machine  subject  to 

an unavailable constraint. The problem was similar to the 

proposed problem by Gawiejnowicz and Kononov [7]. For 

the makespan objective, they showed that the problem can 

be modeled by 0–1 integer programming and then proved 

that  the problem  is weakly NP-hard. Finally  they showed 

that  there  exists  a  fully  polynomial  time  approximation 

scheme. Fan et al. [3] considered the problem of  schedul-

ing resumable deteriorating  jobs on a single machine with 

unavailable constraints. The goal  is  to minimize  the  total 

completion 

time. 

They 

proved 

that 

the 

problem 

with 

sin-gle unavailable interval is NP-hard and showed that there 

exists a fully polynomial time approximation scheme. Fur-

thermore, they showed that there does not exist a polyno-

mial time approximation algorithm with a constant worst-

case ratio  with  two or more unavailable  intervals, unless 

P = NP.

For  the non-resumable version,  Ji et al. [9]   considered 

the single machine scheduling problem in which the  jobs 

are simple linear deteriorating and the machine is subject 

to an unavailable constraint. The  goal  is  to  minimize  the 

makespan or the total completion time. They showed that 

both  problems  are  weakly  NP-hard.  Furthermore,  for  the 

makespan 

objective, 

they 

proposed 

an 

optimal 

on-line al-gorithm  for the on-line case, and a  fully polynomial time 

approximation  scheme  for  the  off-line case.  For  the  total 

completion  time  objective,  they  provided  a  heuristic  al-

gorithm  with  computational  experiments  to  evaluate  its 

efficiency.

Our  results  In this paper, we show both problems 1, VM| p j

=  α j   +  β j s j |C max   and  1, VM| p j   =  α j   +  β j s j |  j C  j   are 

NP-hard. 

Furthermore, 

for 

the 

1, 

VM| p j  = α j  + β j s j |C max

problem,  we  show  that  there  exists  a  fully  polynomial 

time  approximation  scheme  (FPTAS).  For  the  1, VM| p j  =

α j   +  β  j s j| 

 j C  j   problem,  we  point  out  that  there  also 

exists  an  FPTAS  when  α j   = β j .  But  for  the  general  case 

α j     = β j   whether it has an FPTAS is open.

The  remainder  of   this  paper  is  organized  as  follows: 

In Section 2, we prove that the 1, VM| p j  =  α j +  β j s j |C max

problem  is  weakly  NP-hard and  show  that  there  exists 

an  FPTAS.  In  Section   3,  we  prove  that  the  1, VM| p j   =

α j  + β j s j | 

 j C  j   problem  is  also  NP-hard  and  point  out 

that there exists an FPTAS for the special case α j =  β j . The 

concluding remarks are given in Section 4.

2.  The 1,  VM| p j =α j + β j s j |C max  problem

In  this  section,  we  consider  the  1, VM| p j   =   α j   +

β j s j |C max   problem. By reducing  the Subset Product Prob-

lem to the considered problem, we show that the problem 

is NP-hard and then show it admits an FPTAS.

 2.1.  Proof  of  NP-hardness

The NP-hardness proof  of  the problem is demonstrated 

by  performing  a  reduction  from  the  NP-complete Subset 

Product Problem [8].

Subset  Product  Problem.  Given  a  finite  set  S   = {1, 2,

· · · , m},  a  positive  integer   x j   ∈   Z + for  each   j ∈   S ,  and 

a  positive  integer  B ,  does  there  exist  a  subset  S 1   ⊆   S 

such  that  the  product  of   the  elements  in  S 1   satisfies  j∈S 1

 x j  =  B ?

Clearly, we can assume  x j ≥  2 for all  j.

 Theorem 1. The 1, VM| p j   = α j  + β j s j |C max   problem is NP-

hard.

Proof.   Given an arbitrary instance  I   of  the Subset Product 

Problem, 

we 

construct 

an 

corresponding 

instance 

I   of  

the 1, VM| p j  = α j + β j s j|C max  problem as follows:

•   There  are  n 

= m   linear  deteriorating  jobs  such  that 

α j =  β j =  x j − 1 for  j = 1, 2, · · · , n.

•   The starting time of  the maintenance s  is prior to B 

− 1

(i.e.,  s ≤ sd  =  B 

− 1)  and  the  duration  is  B   (i.e.,  d 

=

 f  (s) = B ).

•   The threshold value G   is defined as G = 2 X  − 1, where 

 X  =

 j∈S  x j .

Obviously the above construction can be completed  in 

polynomial time. Next, we show that instance  I   has a so-

lution 

if  

and 

only 

if  

there 

exists 

feasible 

schedule 

π   for instance  I   such that C max(π ) ≤ G .

7/21/2019 Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/scheduling-a-variable-maintenance-and-linear-deteriorating-jobs-on-a-single 3/7

W. Luo, M. Ji / Information Processing Letters 115 (2015) 33–39   35

To avoid the confusion, we write  S 1(S 2, S )   for instance 

I   to denote the  job set with their indices corresponding to 

S 1(S 2, S )  of  instance  I .

Given  a  solution  S 1   ⊆   S    to  instance  I    such  that j∈S 1

 x j   =  B ,  we  construct  a  schedule  π   for  instance  I 

in the following way:

•   First 

we 

process 

the 

 jobs 

in 

S 1  according 

to 

the 

nonde-creasing order of  

α j

β j, then start the maintenance “VM” 

and  process  the  remaining  jobs  according  to  nonde-

creasing order of  α j

β j.

For  convenience,  we  denote  the  schedule  π   as  π   =

(  S 1, VM, S 2),  where  S 2   (= S \S 1)  denotes  the  remaining 

 jobs. With simple calculations, we have

C S 1

(π ) =

 j∈ S 1

(1 + α j ) − 1 =

 j∈S 1

 x j − 1 = B  − 1,

where C S 1

(π )  denotes the completion time of  the final  job 

in 

S 1. 

Similarly 

define 

C S 2(π )   as

 

the 

completion 

time 

of  

the final  job in  S 2 . Then we have

C S 2

(π ) = 2B

 j∈S 2

(1 + α j ) − 1 = 2B

 j∈S 2

 x j − 1.

Since 

 j∈S 2

 x j  =  X /B , we  achieve  that  C S 2

(π ) = 2 X  −  1, 

i.e., there exists a feasible schedule π   for instance  I   such 

that C max(π ) = C S 2

(π ) ≤ G .

Conversely,  assume  that  there  is  a  feasible  schedule 

π   for  instance  I   such  that  C max(π ) ≤  G .  Again  we  use 

( S 1, VM, S 2)   to denote the schedule π , where the  jobs in 

ˆS 1   and

 

ˆS 2   can

 

be 

processed 

according 

to 

nondecreasing 

order 

of  

α j

β j.

Assume that the starting time of  maintenance “VM” is 

− 1 

− ∆, ∆ 

≥ 0. Then with simple calculations we obtain

C S 1

(π ) =

 j∈S 1

(1 + α j ) − 1 = B  − 1 − ∆

and

C S 2

(π ) = (2B − ∆)

 j∈S 2

(1 + α j ) − 1

= (2B − ∆) X 

B − ∆− 1.

If  ∆ > 0, then we have

C max(π ) = C S 2

(π ) = (2B − ∆) X 

B − ∆− 1

> (2B − 2∆) X 

B − ∆− 1 = 2 X  − 1,

which  achieves  a  contradiction.  Thus  we  obtain  ∆ =  0, 

which implies 

 j∈S 1(1 

+ α j ) =

 j∈S 1 x j =  B . Then we ob-

tain a solution of  instance I .  

In order  to  solve  the 1, VM| p j  = α j  +  β j s j |C max   prob-

lem, 

we 

first 

consider 

close 

variant, 

in 

which 

the 

starting time of  maintenance  is fixed (i.e., equal to  s). We denote 

the  variant  by  1, nr-a| p j   = α j   + β j s j |C max,  where  “nr-a” 

in the first field denotes a non-resumable availability con-

straint. The problem can be described as follows:

Given  n   linear  deteriorating  jobs   J 1,  J 2, · · · ,  J n   to  be 

non-preemptively processed  on  a  single  machine,  all  of  

which are available at time 0. The machine is not available 

during a fixed interval [s, s + d]. The task is to schedule all 

the 

 jobs 

such 

that 

the 

makespan 

is 

minimized.The  1, nr-a| p j   = α j  + β j s j |C max   problem  can  be  opti-

mally  solved  by  performing  the  following  dynamic  pro-

gramming algorithm.

First,  we  order  the  jobs  as  1, 2, 3, · · · , n   according  to 

the  nondecreasing  order  of  α j

β j,  i.e.,  α1

β1≤   α2

β2≤ · · · ≤   αn

βn. 

The  algorithm  contains  n   phases.  In  each  phase   j   ( j =

1, 2, · · · , n),  a  state  space  E  j   is  generated.  Each  state 

[ j, t , C ]   in E  j   can be associated to a feasible partial sched-

ule  for  the  first   j   jobs.  The  variable   j   denotes  the  first 

 j   jobs  that  we  have  scheduled,  t   denotes  the  comple-

tion  time  of   the  last   job  scheduled  before  s   and  C    is 

the makespan of   the associated  partial  schedule. This  al-

gorithm 

can 

be 

described 

as 

follows:

Dynamic programming  algorithm:

Initialize E 1 := {[1, α1, α1], [1, 0, s + d + α1 + β1(s + d)]}

For   j ∈ {2, 3, · · · , n}

E  j  = {} .

For every state 

[ j − 1, t , C ] ∈ E  j−1   do:

1. Put [ j, t , C  + α j + β j C ]   in E  j ;

2. Put [ j, t  + α j + β jt , C ]   in E  j   If   t  + α j + β jt  ≤  s.

Endfor

Remove E  j−1

Endfor

Output  OPT   =  min[n,t ,C ]∈E n {C }   and  the  corresponding 

optimal 

schedule, 

which 

can 

be 

found 

by 

backtracking.

Obviously, the set of   E 1   consists of   two partial sched-

ules, in the first of  which  job   J 1   is processed before s, and 

in  the  second  schedule  job   J 1   is  placed  after  the  main-

tenance.  For  each  state  [ j − 1, t , C ]   in  E  j−1,  job   J  j   has 

two possible choices  in  E  j . Due  to  the nondecreasing or-

der  of  α j

β j,  the  first  possible  position  is  the  last  position 

in the partial schedule, and  job   J  j   completes  in this case 

at time C  +  α j  +  β j C . The second possible position is the 

one  just  before  the  maintenance:   J  j   starts  at  time  t   if  

t  + α j + β jt  ≤ s.

It 

can 

be 

easily 

verified 

that 

the 

above 

dynamic 

pro-gramming algorithm  runs  in  O (ns(αn +

ni=1(1 + βi )(s +

d) +n−1

 j=1

ni= j+1(1 + βi )α j ))  time.

Next  we  transform  the  above  dynamic  programming 

into an FPTAS for problem 1, nr-a| p j  = α j + β j s j |C max. The 

main  idea  is  that we  iteratively remove some states gen-

erated  by  the  dynamic  programming  to  reduce  the  size 

of   the  state  space down  to  polynomial  size, which  is  at-

tributed to Woeginger [13].

 Algorithm H 0:

Step 1. Let ∆ = 1 + ε/(2n). Partition

•   the 

interval 

[0, 

s]   into 

r 1   = log∆ s   subintervals [0, ∆], · · · , [∆t 1 , ∆t 1+1], · · · , [∆r 1−1, s]  and

7/21/2019 Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/scheduling-a-variable-maintenance-and-linear-deteriorating-jobs-on-a-single 4/7

7/21/2019 Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/scheduling-a-variable-maintenance-and-linear-deteriorating-jobs-on-a-single 5/7

W. Luo, M. Ji / Information Processing Letters 115 (2015) 33–39   37

Step 3. Output  the  schedule  π   =  arg minπ (i),i=0,1,···,l ×

{C max(π (i))}  as the solution.

Note  that  in  each  time  interval  [si , si+1]   we  have  si+1  ≤(1 + ε)si   and  f  (si+1) ≤ (1 + ε) f  (si ).

 Theorem 5. If   f  (s)   is a continuous and nondecreasing   func-

tion, 

and 

can 

be 

computed 

in 

 polynomial 

time, 

then 

 Algo-rithm H 1   is a  fully  polynomial time approximation scheme  for  

the 1, VM| p j  = α j + β j s j|C max  problem.

Proof.   Let  s∗ denote  the  starting  time of  maintenance  in 

an  optimal  schedule  π ∗.  Let  S ∗1   denote  the  set  of   jobs 

scheduled before s∗ in π ∗ and S ∗2(=   J  \  S ∗1)  denote the set 

of   jobs scheduled after the maintenance in π ∗. Clearly we 

have  s∗ = s0, s1   or  s∗ ∈ (si−1, si],  i = 2, · · · , l.  If   s∗ = s0   or 

s1, it is easy to obtain the optimal schedule. Thus we only 

need to consider the cases that s∗ ∈ (si−1, si ], i = 2, 3, · · · , l.

For schedule π (i), with simple calculations we have

C max

π (i)

=

C max

S i1

+   f 

C max

S i1 n

k=|S i1|+1

(1 + β[k])

+ α[n] +

n−1k=|S i1|+1

α[k]

  n

 j=k+1

(1 + β[ j])

,

where 

|S i1|  denote the number of   jobs in S i1  and 

[k]  denote 

the  job location in schedule π (i).

Now consider the 1, nr-a| p j  =  α j  +  β j s j|C max   problem, 

where the starting time of  maintenance is si   and the du-

ration 

of  

maintenance 

is 

 f  (si), 

we 

construct 

schedule 

π∗

corresponding  to  schedule  π ∗ and  a  schedule  π (i)   cor-

responding  to  schedule  π (i).  The  subset  of    jobs  before 

the maintenance and after the maintenance are the same 

in  π ∗ and  π ∗.  The  only  difference  in  π ∗ and  π ∗ is  the 

different  starting  time  and  the  duration  of   maintenance. 

The same relations on schedules π ∗ and π ∗ also apply to 

schedules π (i)  and π (i).

Clearly we have C max( π (i)) ≤ (1 + ε)C max( π ∗). Further-

more, we have

C max

π ∗

=

s∗ +   f 

s∗

n

k=|S ∗1|+1

(1 + β[k])

+ α[n] +

n−1k=|S ∗1|+1

α[k]

  n

 j=k+1

(1 + β[ j])

,

and

C max

π ∗

=

si +   f  (si ) n

k=|S ∗1|+1

(1 + β[k])

+ α[n] +

n−1k=|S ∗1|+1

a[k]

  n

 j=k+1

(1 + β[ j])

.

Since 

 f  (s)   is 

continuous 

and 

nondecreasing, 

according to  the  choice  of   si ,  we  have  si   ≤ (1 

+ ε )s∗ and   f  (si ) ≤

(1 

+ ε) f  (s∗). Then we have C max( π ∗) ≤ (1 

+ ε)C max(π ∗). 

Then we obtain

C max

π (i)

≤ C max

π (i)

1 + ε

C max

π ∗

1 + ε

2

C max

π ∗

.

Let 

ε = ε2 + 2ε , 

we 

achieve 

C max(π ) 

≤ C max(π (i)) 

≤ (1 

+ε)C max(π ∗).  Computing  each  si , i =  0, 1, 2 · · · , l   needs  at 

most logsd

2   time by using binary search because the func-

tion   f  (s)   is continuous and nondecreasing. Thus, with the 

assumption that  f  (s)  can be computed in polynomial time, 

Algorithm H 1   runs in polynomial time.  

3.  The 1,  VM| p  j =α j + β j s j | 

 j  C  j  problem

In  this  section,  we  consider  the  1, VM| p j   =   α j   +

β j s j | 

 j C  j   problem.  Again  we  use  the  Subset  Product 

Problem  for  the  reduction  to  show  that  the  problem  is 

NP-hard. 

Then, 

we 

point 

out 

that 

there 

exists 

an 

FPTAS 

for the special case α j  =  β j .

 3.1.  Proof  of  NP-hardness

Again  the  NP-hardness proof   is  constructed  by  per-

forming a reduction from the NP-complete Subset Product 

Problem.

 Theorem 6. The 1, VM| p j  =  α j  +  β j s j | 

 j C  j  problem is NP-

hard.

Proof.   For 

given 

instance 

I   of  

the 

Subset 

Product 

Prob-lem,  we  construct  an  corresponding  instance  I    of   the 

1, VM| p j =  α j + β j s j | 

 j C  j  problem as follows:

Let  A 

= X /B , where  X  =

 j∈S  x j .

•   There  are  totally  n = m +  3 linear  deteriorating  jobs 

such  that  α j   =  β  j   =  x j   −   1 for   j =  1, 2, · · · , m   and 

3 large  jobs αm+1 =  βm+1 =  X 2 A − 1, αm+2 =  βm+2 =

 X 2 B − 1, αm+3 = βm+3 =  X 4 − 1.

•   The starting time of  maintenance s   is prior to  X 3 − 1

(i.e., s ≤ sd =  X 3 − 1) and the duration of  maintenance 

d   is  X 3 (i.e., d 

=   f  (s) =  X 3).

•   The threshold value G   is defined as G = X 3 − 1 + 2(m +

1)( X 6 − 1/2) 

+ 2 X 10 − 1.

It  can  be  verified  that  the  above  construction  can  be 

completed  in  polynomial  time.  We  show  that  the  in-

stance   I   has  a  solution  if   and  only  if   there  exists  a  fea-

sible  schedule  π   for  the  scheduling  instance  I   such  that 

 Z (π ) ≤ G , where  Z (π )   denote  the  total completion  time 

of  schedule π .

Before we present our main result, we state some aux-

iliary lemmas.

Lemma  7.  (See  [2,9].) For   any  subset   S 1   ⊆   S,  we  have

 j∈S \S 1 x j  +  A 

 j∈S 1 x j ≥  2 X , 

and 

the 

equality 

holds 

if  

and 

only if  

 j∈S 1 x j =  B and 

 j∈S \S 1

 x j =  A .

7/21/2019 Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/scheduling-a-variable-maintenance-and-linear-deteriorating-jobs-on-a-single 6/7

38   W. Luo, M. Ji / Information Processing Letters 115 (2015) 33–39

Lemma 8. Let   Z (π ) denote the total completion time of  sched-

ule π . If  the schedule π   for  the 1, VM| p j  =  α j  +  β j s j | 

 j C  j problem satisfies  Z (π ) ≤ G , then the  following  two claims hold.

(1)   One of  the  jobs   J m+1   and   J m+2   is scheduled before the 

maintenance, and the other  after  the maintenance;

(2)   the  job  J m+3 is scheduled after  the maintenance.

Proof.   The proof  is straight. We omit it.  

Next we prove Theorem 6.

Suppose  that  there  exists  a  subset  S 1   ⊆   S   satisfying  j∈S 1

 x j  =  B   (i.e., 

 j∈S 2 x j  =  A, where  S 2 =  S \S 1) for in-

stance  I . We construct a schedule π   for instance  I   in the 

following way:

•   First we process the  jobs in S 1   according to the nonde-

creasing order of  α j

β jstarting at time 0, then we pro-

cess   J m+1,  and  start  the  maintenance  right  after  the 

completion 

time 

of  

 job 

 J m+1, 

after 

the 

maintenance 

we  process  the  jobs  in  S 2   according  to  nondecreas-

ing order of  α j

β j, and finally we process  jobs   J m+2   and 

 J m+3.

For  convenience,  we  denote  the  schedule  π   as  π   =

(S 1,  J m+1, VM, S 2,  J m+2,  J m+3).

With simple calculations we have

C m+1 =

 j∈S 1

(1 + α j)(1 + αm+1) − 1 = X 3 − 1,

C m+2 =  j∈S 1

(1 + α j )(1 + αm+1) + X 3×

 j∈S 2

(1 + α j )(1 + αm+2) − 1

= 2 X 6 − 1,

C m+3 = (1 + C m+2)(1 + αm+3) − 1 = 2 X 10 − 1.

Because C  j  <  C m+2   for  j = 1, 2, · · · , m, we achieve

 Z (π ) ≤

m j=1

C  j +

3k=1

C m+k

< X 3 − 1 + 2(m + 1) X 6 − 1/2

+ 2 X 10 − 1 = G.

Now suppose  that  there  is a  feasible schedule π   such 

that   Z (π ) ≤  G .  According  to  Lemma 8,  we  only  need  to 

consider two cases.

Case 1.  Job   J m+1   is scheduled before the maintenance.

Case 2.  Job   J m+2   is scheduled before the maintenance.

Consider  Case  1.  Let  S 2  ⊆ {1, 2, · · · , n}   denote  the  in-

dices of   jobs scheduled after the maintenance except the 3 

large  jobs and  S 1 = {1, 2, · · · , n}\{S 2}. Then the maximum 

completion 

time 

of  

the 

 jobs 

scheduled 

before 

the 

mainte-nance is

C Bmax =

 j∈ S 1

(1 + α j )(1 + αm+1) − 1

=  X 2

 A

 j∈S 1

(1 + α j )

− 1,

and the maximum completion time of  the  jobs processed 

after 

the 

maintenance 

is

C  Amax =

 X 2

 A

 j∈S 1

(1 + α j )

+ X 3

×

 j∈S 2

(1 + α j )(1 + αm+2)(1 + αm+3) − 1

=  X 10 + X 9

B

 j∈S 2

(1 + α j )

− 1.

Hence, we have

 Z (π ) > C 

B

max + C 

 A

max

= X 2

 A

 j∈S 1

(1 + α j )

− 1 + X 10

+ X 9

B

 j∈S 2

(1 + α j )

− 1

= X 10 + X 9

 A

 j∈ S 1

(1 + α j ) + B

 j∈  S 2

(1 + α j )

−  X 9 − X 2 A  j∈

ˆS 1

(1 + α j )− 2.

Clearly  C Bmax   ≤   sd ,  i.e.,   X 2( A 

 j∈S 1

(1 +  α j)) ≤   X 3 −  1. 

We  have   A 

 j∈S 1

(1 + α j ) ≤  X ,  which  implies 

 j∈S 1(1 +

α j ) ≤  B . Suppose there is no solution for instance  I , then  j∈S 1

(1 + α j ) <  B .  By  Lemma 7,  we  have  B 

 j∈S 2

 x j  +

 A 

 j∈S 1

 x j   >   2 X ,  and  thus  B 

 j∈S 2

 x j   +   A 

 j∈S 1

 x j   ≥

2 X  + 1. With simple calculations we have

 Z (π ) >  X 10 + 2 X 10 + X 9

− X 9 − X 2

 A

 j∈S 1

(1 + α j )

− 2

> X 10 + 2 X 10 + X 9 − X 9 − X 2

 X  − 2

> 2 X 10 + X 9 + X 3 − 2

> G,

which  achieves  a  contradiction.  Thus 

 j∈S 1(1 

+  α j ) = j∈S 1

 x j  =  B , i.e., there exists a solution for instance  I .

For Case 2, the proof  is similar to Case 1, and we omit 

it.  

For  the 1, VM| p j  =  α j  +  β j s j | 

 j C  j   problem with the 

special  case  α j   = β j ,  it  is  easily  verified  that  there  exist 

an  optimal  solution  such  that  the  jobs  before  the  main-

tenance 

are 

sequenced 

according 

to 

the 

nondecreasing 

α j

order, and so are the  jobs scheduled after the maintenance. 

7/21/2019 Scheduling a variable maintenance and linear deteriorating jobs on a single machine.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/scheduling-a-variable-maintenance-and-linear-deteriorating-jobs-on-a-single 7/7

W. Luo, M. Ji / Information Processing Letters 115 (2015) 33–39   39

Using  the  similar  idea  for  the  1, VM| p j  = α j  +  β j s j |C max

problem, we can also derive an FPTAS. But for the general 

case α j     = β j , whether it admits an FPTAS is open.

4. Concluding  remarks

In 

this 

paper, 

we 

study 

the 

problem 

of  

scheduling a  variable  maintenance  and  (general)  linear  deteriorating 

 jobs on a single machine. For the makespan and total com-

pletion  time  minimization  objectives,  we  show  that  both 

problems  are  NP-hard  and  there  exists  an  FPTAS  for  the 

makespan minimization problem. But for the total comple-

tion  time minimization problem,  in general case whether 

it admits an FPTAS is open.

 Acknowledgements

We  thank  three  anonymous  referees  for  their  help-

ful 

comments 

on 

an 

earlier 

version 

of  

our 

paper. 

Luo was  supported  by  Ningbo  Natural  Science  Foundation 

(2013A610099),  Hu  Lan  outstanding  doctoral  foundation 

of   Ningbo  University,  Science  Foundation  of   Ningbo  Uni-

versity (xkl1320) and the K.C. Wong Magna Foundation of  

Ningbo University.  Ji was supported in part by the National 

Social Science Foundation of  China (Grant No. 14CGL071), 

the Humanities and Social Sciences Planning Foundation of  

the  Ministry  of   Education  (Grant  No.  13YJA630034),  and 

the Contemporary Business and Trade Research Center of  

Zhejiang Gongshang University, which is the key Research 

Institute of  Social Sciences and Humanities of  the Ministry 

of  Education.

References

[1]   S. Browne, U. Yechiali, Scheduling deteriorating  jobs on a single pro-

cessor, Oper. Res. 38 (3) (1990) 495–498.

[2]   Z.-L. Chen, Parallel machine scheduling with  time dependent pro-

cessing times, Discrete Appl. Math. 70 (1) (1996) 81–93.

[3]   B. Fan, S. Li, L. Zhou, L. Zhang, Scheduling resumable deteriorating 

 jobs on a  single machine with non-availability  constraints, Theor. 

Comput. 

Sci. 

412 (4–5) 

(2011) 

275–280.[4]   R.L. 

Graham, 

E.L. 

Lawler, 

 J.K. 

Lenstra, 

A.H.G. 

Rinnooy 

Kan, 

Optimiza-

tion and approximation in deterministic sequencing and scheduling: 

a survey, Ann. Discrete Math. 5 (1979) 287–326.

[5]   S. Gawiejnowicz, Scheduling deteriorating  jobs subject to  job or ma-

chine availability constraints, Eur.  J. Oper. Res. 180 (2007) 472–478.

[6]   S.  Gawiejnowicz,  Time-Dependent  Scheduling,  Springer-Verlag, 

Berlin, 2008.

[7]   S.  Gawiejnowicz,  A.  Kononov,  Complexity  and  approximability  of  

scheduling resumable proportionally deteriorating  jobs, Eur.  J. Oper. 

Res. 200 (2010) 305–308.

[8]   D.S.  Johnson, The NP-completeness column: an ongoing guide,  J. Al-

gorithms 2 (1983) 393–405.

[9]   M.  Ji, Y. He, T.C.E. Cheng, Scheduling linear deteriorating  jobs with 

an availability constraint on a single machine, Theor. Comput. Sci. 

362 (2006) 115–126.

[10]   M. 

 Ji, 

T.C.E. 

Cheng, 

Scheduling 

resumable 

simple 

linear 

deteriorating 

 jobs 

on 

single 

machine 

with 

an 

availability 

constraint 

to 

minimize 

makespan, Comput. Ind. Eng. 59 (4) (2010) 794–798.

[11]   W. Luo, L. Chen, Approximation scheme  for scheduling resumable 

proportionally deteriorating  jobs,  in: Frontiers  in Algorithmics and 

Algorithmic Aspects in Information and Management, AAIM’10, 2011, 

pp. 36–45.

[12]   W.  Luo,  L.  Chen,  Approximation  schemes  for  scheduling  a  main-

tenance and  linear deteriorating  jobs,  J.  Ind. Manag. Optim. 8 (2) 

(2012) 271–283.

[13]   G.J.  Woeginger,  When  does  a  dynamic  programming  formulation 

guarantee  the existence of  a  fully polynomial  time approximation 

scheme (FPTAS)?, INFORMS  J. Comput. 12 (1) (2000) 57–74.

[14]   C.C. Wu, W.C. Lee, Scheduling linear deteriorating  jobs to minimize 

makespan with an availability constraint on a single machine,  Inf. 

Process. Lett. 87 (2003) 89–93.