The Distributed and Assembly Scheduling Problem

Abstract

[EN] Nowadays, manufacturing systems meet different new global challenges and the existence of a collaborative manufacturing environment is essential to face with. Distributed manufacturing and assembly systems are two manufacturing systems which allow industries to deal with some of these challenges. This thesis studies a production problem in which both distributed manufacturing and assembly systems are considered. Although distributed manufacturing systems and assembly systems are well-known problems and have been extensively studied in the literature, to the best of our knowledge, considering these two systems together as in this thesis is the first effort in the literature. Due to the importance of scheduling optimization on production performance, some different ways to optimize the scheduling of the considered problem are discussed in this thesis. The studied scheduling setting consists of two stages: A production and an assembly stage. Various production centers make the first stage. Each of these centers consists of several machines which are dedicated to manufacture jobs. A single assembly machine is considered for the second stage. The produced jobs are assembled on the assembly machine to form final products through a defined assembly program. In this thesis, two different problems regarding two different production configurations for the production centers of the first stage are considered. The first configuration is a flowshop that results in what we refer to as the Distributed Assembly Permutation Flowshop Scheduling Problem (DAPFSP). The second problem is referred to as the Distributed Parallel Machine and Assembly Scheduling Problem (DPMASP), where unrelated parallel machines configure the production centers. Makespan minimization of the product on the assembly machine located in the assembly stage is considered as the objective function for all considered problems. In this thesis some extensions are considered for the studied problems so as to bring them as close as possible to the reality of production shops. In the DAPFSP, sequence dependent setup times are added for machines in both production and assembly stages. Similarly, in the DPMASP, due to technological constraints, some defined jobs can be processed only in certain factories. Mathematical models are presented as an exact solution for some of the presented problems and two state-of-art solvers, CPLEX and GUROBI are used to solve them. Since these solvers are not able to solve large sized problems, we design and develop heuristic methods to solve the problems. In addition to heuristics, some metaheuristics are also designed and proposed to improve the solutions obtained by heuristics. Finally, for each proposed problem, the performance of the proposed solution methods is compared through extensive computational and comprehensive ANOVA statistical analysis.

[ES] Los sistemas de producción se enfrentan a retos globales en los que el concepto de fabricación colaborativa es crucial para poder tener éxito en el entorno cambiante y complejo en el que nos encontramos. Una característica de los sistemas productivos que puede ayudar a lograr este objetivo consiste en disponer de una red de fabricación distribuida en la que los productos se fabriquen en localizaciones diferentes y se vayan ensamblando para obtener el producto final. En estos casos, disponer de modelos y herramientas para mejorar el rendimiento de sistemas de producción distribuidos con ensamblajes es una manera de asegurar la eficiencia de los mismos. En esta tesis doctoral se estudian los sistemas de fabricación distribuidos con operaciones de ensamblaje. Los sistemas distribuidos y los sistemas con operaciones de ensamblaje han sido estudiados por separado en la literatura. De hecho, no se han encontrado estudios de sistemas con ambas características consideradas de forma conjunta. Dada la complejidad de considerar conjuntamente ambos tipos de sistemas a la hora de realizar la programación de la producción en los mismos, se ha abordado su estudio considerando un modelo bietápico en la que en la primera etapa se consideran las operaciones de producción y en la segunda se plantean las operaciones de ensamblaje. Dependiendo de la configuración de la primera etapa se han estudiado dos variantes. En la primera variante se asume que la etapa de producción está compuesta por sendos sistemas tipo flowshop en los que se fabrican los componentes que se ensamblan en la segunda etapa (Distributed Assembly Permutation Flowshop Scheduling Problem o DAPFSP). En la segunda variante se considera un sistema de máquinas en paralelo no relacionadas (Distributed Parallel Machine and Assembly Scheduling Problem o DPMASP). En ambas variantes se optimiza la fecha de finalización del último trabajo secuenciado (Cmax) y se contempla la posibilidad que existan tiempos de cambio (setup) dependientes de la secuencia de trabajos fabricada. También, en el caso DPMASP se estudia la posibilidad de prohibir o no el uso de determinadas máquinas de la etapa de producción. Se han desarrollado modelos matemáticos para resolver algunas de las variantes anteriores. Estos modelos se han resuelto mediante los programas CPLEX y GUROBI en aquellos casos que ha sido posible. Para las instancias en los que el modelo matemático no ofrecía una solución al problema se han desarrollado heurísticas y metaheurísticas para ello. Todos los procedimientos anteriores han sido estudiados para determinar el rendimiento de los diferentes algoritmos planteados. Para ello se ha realizado un exhaustivo estudio computacional en el que se han aplicado técnicas ANOVA. Los resultados obtenidos en la tesis permiten avanzar en la comprensión del comportamiento de los sistemas productivos distribuidos con ensamblajes, definiendo algoritmos que permiten obtener buenas soluciones a este tipo de problemas tan complejos que aparecen tantas veces en la realidad industrial.

[CA] Els sistemes de producció s'enfronten a reptes globals en què el concepte de fabricació col.laborativa és crucial per a poder tindre èxit en l'entorn canviant i complex en què ens trobem. Una característica dels sistemes productius que pot ajudar a aconseguir este objectiu consistix a disposar d'una xarxa de fabricació distribuïda en la que els productes es fabriquen en localitzacions diferents i es vagen acoblant per a obtindre el producte final. En estos casos, disposar de models i ferramentes per a millorar el rendiment de sistemes de producció distribuïts amb acoblaments és una manera d'assegurar l'eficiència dels mateixos. En esta tesi doctoral s'estudien els sistemes de fabricació distribuïts amb operacions d'acoblament. Els sistemes distribuïts i els sistemes amb operacions d'acoblament han sigut estudiats per separat en la literatura però, en allò que es coneix, no s'han trobat estudis de sistemes amb ambdós característiques conjuntament. Donada la complexitat de considerar conjuntament ambdós tipus de sistemes a l'hora de realitzar la programació de la producció en els mateixos, s'ha abordat el seu estudi considerant un model bietàpic en la que en la primera etapa es consideren les operacions de producció i en la segona es plantegen les operacions d'acoblament. Depenent de la configuració de la primera etapa s'han estudiat dos variants. En la primera variant s'assumix que l'etapa de producció està composta per sengles sistemes tipus flowshop en els que es fabriquen els components que s'acoblen en la segona etapa (Distributed Assembly Permutation Flowshop Scheduling Problem o DAPFSP). En la segona variant es considera un sistema de màquines en paral.lel no relacionades (Distributed Parallel Machine and Assembly Scheduling Problem o DPMASP). En ambdós variants s'optimitza la data de finalització de l'últim treball seqüenciat (Cmax) i es contempla la possibilitat que existisquen temps de canvi (setup) dependents de la seqüència de treballs fabricada. També, en el cas DPMASP s'estudia la possibilitat de prohibir o no l'ús de determinades màquines de l'etapa de producció. S'han desenvolupat models matemàtics per a resoldre algunes de les variants anteriors. Estos models s'han resolt per mitjà dels programes CPLEX i GUROBI en aquells casos que ha sigut possible. Per a les instàncies en què el model matemàtic no oferia una solució al problema s'han desenrotllat heurístiques i metaheurísticas per a això. Tots els procediments anteriors han sigut estudiats per a determinar el rendiment dels diferents algoritmes plantejats. Per a això s'ha realitzat un exhaustiu estudi computacional en què s'han aplicat tècniques ANOVA. Els resultats obtinguts en la tesi permeten avançar en la comprensió del comportament dels sistemes productius distribuïts amb acoblaments, definint algoritmes que permeten obtindre bones solucions a este tipus de problemes tan complexos que apareixen tantes vegades en la realitat industrial.