Designing an adaptive production control system using reinforcement learning

Modern production systems face enormous challenges due to rising customer requirements resulting in complex production systems. The operational efficiency in the competitive industry is ensured by an adequate production control system that manages all operations in order to optimize key performance indicators. Currently, control systems are mostly based on static and model-based heuristics, requiring significant human domain knowledge and, hence, do not match the dynamic environment of manufacturing companies. Data-driven reinforcement learning (RL) showed compelling results in applications such as board and computer games as well as first production applications. This paper addresses the design of RL to create an adaptive production control system by the real-world example of order dispatching in a complex job shop. As RL algorithms are “black box” approaches, they inherently prohibit a comprehensive understanding. Furthermore, the experience with advanced RL algorithms is still limited to single successful applications, which limits the transferability of results. In this paper, we examine the performance of the state, action, and reward function RL design. When analyzing the results, we identify robust RL designs. This makes RL an advantageous control system for highly dynamic and complex production systems, mainly when domain knowledge is limited

Adaptive Order Dispatching based on Reinforcement Learning: Application in a Complex Job Shop in the Semiconductor Industry

Heutige Produktionssysteme tendieren durch die Marktanforderungen getrieben zu immer kleineren Losgrößen, höherer Produktvielfalt und größerer Komplexität der Materialflusssysteme. Diese Entwicklungen stellen bestehende Produktionssteuerungsmethoden in Frage. Im Zuge der Digitalisierung bieten datenbasierte Algorithmen des maschinellen Lernens einen alternativen Ansatz zur Optimierung von Produktionsabläufen. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen eine hohe Leistungsfähigkeit von Verfahren des Reinforcement Learning (RL) in einem breiten Anwendungsspektrum. Im Bereich der Produktionssteuerung haben sich jedoch bisher nur wenige Autoren damit befasst. Eine umfassende Untersuchung verschiedener RL-Ansätze sowie eine Anwendung in der Praxis wurden noch nicht durchgeführt. Unter den Aufgaben der Produktionsplanung und -steuerung gewährleistet die Auftragssteuerung (order dispatching) eine hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Produktionsabläufe, um eine hohe Kapazitätsauslastung und kurze Durchlaufzeiten zu erreichen. Motiviert durch komplexe Werkstattfertigungssysteme, wie sie in der Halbleiterindustrie zu finden sind, schließt diese Arbeit die Forschungslücke und befasst sich mit der Anwendung von RL für eine adaptive Auftragssteuerung. Die Einbeziehung realer Systemdaten ermöglicht eine genauere Erfassung des Systemverhaltens als statische Heuristiken oder mathematische Optimierungsverfahren. Zusätzlich wird der manuelle Aufwand reduziert, indem auf die Inferenzfähigkeiten des RL zurückgegriffen wird. Die vorgestellte Methodik fokussiert die Modellierung und Implementierung von RL-Agenten als Dispatching-Entscheidungseinheit. Bekannte Herausforderungen der RL-Modellierung in Bezug auf Zustand, Aktion und Belohnungsfunktion werden untersucht. Die Modellierungsalternativen werden auf der Grundlage von zwei realen Produktionsszenarien eines Halbleiterherstellers analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass RL-Agenten adaptive Steuerungsstrategien erlernen können und bestehende regelbasierte Benchmarkheuristiken übertreffen. Die Erweiterung der Zustandsrepräsentation verbessert die Leistung deutlich, wenn ein Zusammenhang mit den Belohnungszielen besteht. Die Belohnung kann so gestaltet werden, dass sie die Optimierung mehrerer Zielgrößen ermöglicht. Schließlich erreichen spezifische RL-Agenten-Konfigurationen nicht nur eine hohe Leistung in einem Szenario, sondern weisen eine Robustheit bei sich ändernden Systemeigenschaften auf. Damit stellt die Forschungsarbeit einen wesentlichen Beitrag in Richtung selbstoptimierender und autonomer Produktionssysteme dar. Produktionsingenieure müssen das Potenzial datenbasierter, lernender Verfahren bewerten, um in Bezug auf Flexibilität wettbewerbsfähig zu bleiben und gleichzeitig den Aufwand für den Entwurf, den Betrieb und die Überwachung von Produktionssteuerungssystemen in einem vernünftigen Gleichgewicht zu halten

Intelligent shop scheduling for semiconductor manufacturing

Semiconductor market sales have expanded massively to more than 200 billion dollars annually accompanied by increased pressure on the manufacturers to provide higher quality products at lower cost to remain competitive. Scheduling of semiconductor manufacturing is one of the keys to increasing productivity, however the complexity of manufacturing high capacity semiconductor devices and the cost considerations mean that it is impossible to experiment within the facility. There is an immense need for effective decision support models, characterizing and analyzing the manufacturing process, allowing the effect of changes in the production environment to be predicted in order to increase utilization and enhance system performance. Although many simulation models have been developed within semiconductor manufacturing very little research on the simulation of the photolithography process has been reported even though semiconductor manufacturers have recognized that the scheduling of photolithography is one of the most important and challenging tasks due to complex nature of the process. Traditional scheduling techniques and existing approaches show some benefits for solving small and medium sized, straightforward scheduling problems. However, they have had limited success in solving complex scheduling problems with stochastic elements in an economic timeframe. This thesis presents a new methodology combining advanced solution approaches such as simulation, artificial intelligence, system modeling and Taguchi methods, to schedule a photolithography toolset. A new structured approach was developed to effectively support building the simulation models. A single tool and complete toolset model were developed using this approach and shown to have less than 4% deviation from actual production values. The use of an intelligent scheduling agent for the toolset model shows an average of 15% improvement in simulated throughput time and is currently in use for scheduling the photolithography toolset in a manufacturing plant