Pull control for Job Shop: Holonic Manufacturing System approach using multicriteria decision-making

International audienceFaced with international competition, industrial production increasingly requires implementation conditions which, in some cases, lead to seek new techniques for workshop control. This is the case when it is asked to establish Just in Time management in a Job Shop having the characteristics of working with small series. A new approach for the organization of the ‘control’ function in such a context is presented here. This approach relies on the use of the holonic paradigm on an isoarchic architecture and on a decision-making capacity based on a multicriteria analysis. The various concepts of this approach are addressed first. Then, the multicriteria decision mechanisms that are used are detailed, as well as the implementation and instrumentation phases. The first results that were obtained are presented

Models and Algorithms for the Optimisation of Replenishment, Production and Distribution Plans in Industrial Enterprises

Tesis por compendio[ES] La optimización en las empresas manufactureras es especialmente importante, debido a las grandes inversiones que realizan, ya que a veces estas inversiones no obtienen el rendimiento esperado porque los márgenes de beneficio de los productos son muy ajustados. Por ello, las empresas tratan de maximizar el uso de los recursos productivos y financieros minimizando el tiempo perdido y, al mismo tiempo, mejorando los flujos de los procesos y satisfaciendo las necesidades del mercado. El proceso de planificación es una actividad crítica para las empresas. Esta tarea implica grandes retos debido a los cambios del mercado, las alteraciones en los procesos de producción dentro de la empresa y en la cadena de suministro, y los cambios en la legislación, entre otros. La planificación del aprovisionamiento, la producción y la distribución desempeña un papel fundamental en el rendimiento de las empresas manufactureras, ya que una planificación ineficaz de los proveedores, los procesos de producción y los sistemas de distribución contribuye a aumentar los costes de los productos, a alargar los plazos de entrega y a reducir los beneficios. La planificación eficaz es un proceso complejo que abarca una amplia gama de actividades para garantizar que los equipos, los materiales y los recursos humanos estén disponibles en el momento y el lugar adecuados. Motivados por la complejidad de la planificación en las empresas manufactureras, esta tesis estudia y desarrolla herramientas cuantitativas para ayudar a los planificadores en los procesos de la planificación del aprovisionamiento, producción y distribución. Desde esta perspectiva, se proponen modelos realistas y métodos eficientes para apoyar la toma de decisiones en las empresas industriales, principalmente en las pequeñas y medianas empresas (PYMES). Las aportaciones de esta tesis suponen un avance científico basado en una exhaustiva revisión bibliográfica sobre la planificación del aprovisionamiento, la producción y la distribución que ayuda a comprender los principales modelos y algoritmos utilizados para resolver estos planes, y pone en relieve las tendencias y las futuras direcciones de investigación. También proporciona un marco holístico para caracterizar los modelos y algoritmos centrándose en la planificación de la producción, la programación y la secuenciación. Esta tesis también propone una herramienta de apoyo a la decisión para seleccionar un algoritmo o método de solución para resolver problemas concretos de la planificación del aprovisionamiento, producción y distribución en función de su complejidad, lo que permite a los planificadores no duplicar esfuerzos de modelización o programación de técnicas de solución. Por último, se desarrollan nuevos modelos matemáticos y enfoques de solución de última generación, como los algoritmos matheurísticos, que combinan la programación matemática y las técnicas metaheurísticas. Los nuevos modelos y algoritmos comprenden mejoras en términos de rendimiento computacional, e incluyen características realistas de los problemas del mundo real a los que se enfrentan las empresas de fabricación. Los modelos matemáticos han sido validados con un caso de una importante empresa del sector de la automoción en España, lo que ha permitido evaluar la relevancia práctica de estos novedosos modelos utilizando instancias de gran tamaño, similares a las existentes en la empresa objeto de estudio. Además, los algoritmos matheurísticos han sido probados utilizando herramientas libres y de código abierto. Esto también contribuye a la práctica de la investigación operativa, y proporciona una visión de cómo desplegar estos métodos de solución y el tiempo de cálculo y rendimiento de la brecha que se puede obtener mediante el uso de software libre o de código abierto.[CA] L'optimització a les empreses manufactureres és especialment important, a causa de les grans inversions que realitzen, ja que de vegades aquestes inversions no obtenen el rendiment esperat perquè els marges de benefici dels productes són molt ajustats. Per això, les empreses intenten maximitzar l'ús dels recursos productius i financers minimitzant el temps perdut i, alhora, millorant els fluxos dels processos i satisfent les necessitats del mercat. El procés de planificació és una activitat crítica per a les empreses. Aquesta tasca implica grans reptes a causa dels canvis del mercat, les alteracions en els processos de producció dins de l'empresa i la cadena de subministrament, i els canvis en la legislació, entre altres. La planificació de l'aprovisionament, la producció i la distribució té un paper fonamental en el rendiment de les empreses manufactureres, ja que una planificació ineficaç dels proveïdors, els processos de producció i els sistemes de distribució contribueix a augmentar els costos dels productes, allargar els terminis de lliurament i reduir els beneficis. La planificació eficaç és un procés complex que abasta una àmplia gamma d'activitats per garantir que els equips, els materials i els recursos humans estiguen disponibles al moment i al lloc adequats. Motivats per la complexitat de la planificació a les empreses manufactureres, aquesta tesi estudia i desenvolupa eines quantitatives per ajudar als planificadors en els processos de la planificació de l'aprovisionament, producció i distribució. Des d'aquesta perspectiva, es proposen models realistes i mètodes eficients per donar suport a la presa de decisions a les empreses industrials, principalment a les petites i mitjanes empreses (PIMES). Les aportacions d'aquesta tesi suposen un avenç científic basat en una exhaustiva revisió bibliogràfica sobre la planificació de l'aprovisionament, la producció i la distribució que ajuda a comprendre els principals models i algorismes utilitzats per resoldre aquests plans, i posa de relleu les tendències i les futures direccions de recerca. També proporciona un marc holístic per caracteritzar els models i algorismes centrant-se en la planificació de la producció, la programació i la seqüenciació. Aquesta tesi també proposa una eina de suport a la decisió per seleccionar un algorisme o mètode de solució per resoldre problemes concrets de la planificació de l'aprovisionament, producció i distribució en funció de la seua complexitat, cosa que permet als planificadors no duplicar esforços de modelització o programació de tècniques de solució. Finalment, es desenvolupen nous models matemàtics i enfocaments de solució d'última generació, com ara els algoritmes matheurístics, que combinen la programació matemàtica i les tècniques metaheurístiques. Els nous models i algoritmes comprenen millores en termes de rendiment computacional, i inclouen característiques realistes dels problemes del món real a què s'enfronten les empreses de fabricació. Els models matemàtics han estat validats amb un cas d'una important empresa del sector de l'automoció a Espanya, cosa que ha permés avaluar la rellevància pràctica d'aquests nous models utilitzant instàncies grans, similars a les existents a l'empresa objecte d'estudi. A més, els algorismes matheurístics han estat provats utilitzant eines lliures i de codi obert. Això també contribueix a la pràctica de la investigació operativa, i proporciona una visió de com desplegar aquests mètodes de solució i el temps de càlcul i rendiment de la bretxa que es pot obtindre mitjançant l'ús de programari lliure o de codi obert.[EN] Optimisation in manufacturing companies is especially important, due to the large investments they make, as sometimes these investments do not obtain the expected return because the profit margins of products are very tight. Therefore, companies seek to maximise the use of productive and financial resources by minimising lost time and, at the same time, improving process flows while meeting market needs. The planning process is a critical activity for companies. This task involves great challenges due to market changes, alterations in production processes within the company and in the supply chain, and changes in legislation, among others. Planning of replenishment, production and distribution plays a critical role in the performance of manufacturing companies because ineffective planning of suppliers, production processes and distribution systems contributes to higher product costs, longer lead times and less profits. Effective planning is a complex process that encompasses a wide range of activities to ensure that equipment, materials and human resources are available in the right time and the right place. Motivated by the complexity of planning in manufacturing companies, this thesis studies and develops quantitative tools to help planners in the replenishment, production and delivery planning processes. From this perspective, realistic models and efficient methods are proposed to support decision making in industrial companies, mainly in small- and medium-sized enterprises (SMEs). The contributions of this thesis represent a scientific breakthrough based on a comprehensive literature review about replenishment, production and distribution planning that helps to understand the main models and algorithms used to solve these plans, and highlights trends and future research directions. It also provides a holistic framework to characterise models and algorithms by focusing on production planning, scheduling and sequencing. This thesis also proposes a decision support tool for selecting an algorithm or solution method to solve concrete replenishment, production and distribution planning problems according to their complexity, which allows planners to not duplicate efforts modelling or programming solution techniques. Finally, new state-of-the-art mathematical models and solution approaches are developed, such as matheuristic algorithms, which combine mathematical programming and metaheuristic techniques. The new models and algorithms comprise improvements in computational performance terms, and include realistic features of real-world problems faced by manufacturing companies. The mathematical models have been validated with a case of an important company in the automotive sector in Spain, which allowed to evaluate the practical relevance of these novel models using large instances, similarly to those existing in the company under study. In addition, the matheuristic algorithms have been tested using free and open-source tools. This also helps to contribute to the practice of operations research, and provides insight into how to deploy these solution methods and the computational time and gap performance that can be obtained by using free or open-source software.This work would not have been possible without the following funding sources: Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte, Generalitat Valenciana for hiring predoctoral research staff with Grant (ACIF/2018/170) and the European Social Fund with the Grant Operational Programme of FSE 2014-2020. Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte, Generalitat Valenciana for predoctoral contract students to stay in research centers outside the research centers outside the Valencian Community (BEFPI/2021/040) and the European Social Fund.Guzmán Ortiz, BE. (2022). Models and Algorithms for the Optimisation of Replenishment, Production and Distribution Plans in Industrial Enterprises [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/187461Compendi

Heuristic Solutions for Loading in Flexible Manufacturing Systems

Production planning in flexible manufacturing system deals with the efficient organization of the production resources in order to meet a given production schedule. It is a complex problem and typically leads to several hierarchical subproblems that need to be solved sequentially or simultaneously. Loading is one of the planning subproblems that has to addressed. It involves assigning the necessary operations and tools among the various machines in some optimal fashion to achieve the production of all selected part types. In this paper, we first formulate the loading problem as a 0-1 mixed integer program and then propose heuristic procedures based on Lagrangian relaxation and tabu search to solve the problem. Computational results are presented for all the algorithms and finally, conclusions drawn based on the results are discussed

Ensemble of heterogeneous flexible neural trees using multiobjective genetic programming

Machine learning algorithms are inherently multiobjective in nature, where approximation error minimization and model's complexity simplification are two conflicting objectives. We proposed a multiobjective genetic programming (MOGP) for creating a heterogeneous flexible neural tree (HFNT), tree-like flexible feedforward neural network model. The functional heterogeneity in neural tree nodes was introduced to capture a better insight of data during learning because each input in a dataset possess different features. MOGP guided an initial HFNT population towards Pareto-optimal solutions, where the final population was used for making an ensemble system. A diversity index measure along with approximation error and complexity was introduced to maintain diversity among the candidates in the population. Hence, the ensemble was created by using accurate, structurally simple, and diverse candidates from MOGP final population. Differential evolution algorithm was applied to fine-tune the underlying parameters of the selected candidates. A comprehensive test over classification, regression, and time-series datasets proved the efficiency of the proposed algorithm over other available prediction methods. Moreover, the heterogeneous creation of HFNT proved to be efficient in making ensemble system from the final population

Complexity, Reliability, and Design: Manufacturing Implications (Revised Version)

A major component of IIASA's Technology-Economy-Society (TES) Program is a project to assess "Computer Integrated Manufacturing" (CIM), by which is meant the whole range of application of computers to discrete parts manufacturing and assembly. The various familiar acronyms and buzzwords, such as NC, CNC, DNC, CAD/CAM robotics, FMS, "group technology" and MRP all fit under the broad CIM umbrella. The present paper is the first to be generated, at least in part, under the project. (In fact, an earlier draft was written while the author was at Carnegie-Mellon University). The paper presents some interesting and new ideas about the nature of the forces driving the worldwide trend toward flexible automation. It suggests, in brief, that the demand for CIM arises from what Nathan Rosenberg has termed as "mismatch", i.e. a problem that was created, in effect, by technological progress itself. In this case the "problem" is that defects in manufacturing have become intolerable. The reason for that is that demand for higher and higher levels of product performance, over many decades, has required orders-of-magnitude increases in mechanical complexity, on the one hand, and higher precision, on the other. To satisfy these high standards requires a level of error control that increasingly precludes the use of human workers in direct contact with workpieces as they move through the manufacturing system. This working paper is being made available more widely to stimulate discussion and comment. We hope that it will succeed in that regard

A multi-scale method to assess pesticide contamination risks in agricultural watersheds

The protection of water is now a major priority for environmental managers, especially around drinkingpumping stations. In view of the new challenges facing water agencies, we developed a method designedto support their public policy decision-making, at a variety of different spatial scales. In this paper, wepresent this new spatial method, using remote sensing and a GIS, designed to determine the contami-nation risk due to agricultural inputs, such as pesticides. The originality of this method lies in the useof a very detailed spatial object, the RSO (Reference Spatial Object), which can be aggregated to manyworking and managing scales. This has been achieved thanks to the pixel size of the remote sensing, witha grid resolution of 30 m × 30 m in our application.The method – called PHYTOPIXAL – is based on a combination of indicators relating to the environmen-tal vulnerability of the surface water environment (slope, soil type and distance to the stream) and theagricultural pressure (land use and practices of the farmers). The combination of these indicators for eachpixel provides the contamination risk. The scoring of variables was implemented according knowledgein literature and of experts.This method is used to target specific agricultural input transfer risks. The risk values are first calculatedfor each pixel. After this initial calculation, the data are then aggregated for decision makers, accordingto the most suitable levels of organisation. These data are based on an average value for the watershedareas.In this paper we detail an application of the method to an area in the hills of Southwest France. Weshow the pesticide contamination risk by in areas with different sized watersheds, ranging from 2 km2to 7000 km2, in which stream water is collected for consumption by humans and animals. The resultswere recently used by the regional water agency to determine the protection zoning for a large pumpingstation. Measures were then proposed to farmers with a view to improving their practices.The method can be extrapolated to different other areas to preserve or restore the surface water

Operational Research IO2017, Valença, Portugal, June 28-30

This proceedings book presents selected contributions from the XVIII Congress of APDIO (the Portuguese Association of Operational Research) held in Valença on June 28–30, 2017. Prepared by leading Portuguese and international researchers in the field of operations research, it covers a wide range of complex real-world applications of operations research methods using recent theoretical techniques, in order to narrow the gap between academic research and practical applications. Of particular interest are the applications of, nonlinear and mixed-integer programming, data envelopment analysis, clustering techniques, hybrid heuristics, supply chain management, and lot sizing and job scheduling problems. In most chapters, the problems, methods and methodologies described are complemented by supporting figures, tables and algorithms. The XVIII Congress of APDIO marked the 18th installment of the regular biannual meetings of APDIO – the Portuguese Association of Operational Research. The meetings bring together researchers, scholars and practitioners, as well as MSc and PhD students, working in the field of operations research to present and discuss their latest works. The main theme of the latest meeting was Operational Research Pro Bono. Given the breadth of topics covered, the book offers a valuable resource for all researchers, students and practitioners interested in the latest trends in this field.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Implementation and evaluation of the circular economy model in the construction and demolition waste sector

Construction and demolition waste (CDW) is a major environmental concern that requires immediate attention. The large volumes of CDW produced and its associated environmental effects have led to explore new alternatives addressing this problem in more sustainable ways. In this context, the Circular Economy (CE) paradigm emerged as an innovative solution for creating more sustainable production and consumption patterns, fostering economic growth, and providing environmental protection and social welfare. At the global level, the concept of CE has gained increasing interest from government bodies, business organizations and academics. This has resulted in multiple political agendas including CE as a core driver, as well as an emerging trend of research exploring its concept and applications. However, because of the novelty and dynamism of the concept, research developments on practical applications and quantitative assessments are at an early stage. The main aim of this study was to propose an approach to integrate the CE concept in the construction and demolition sector, as well as providing the basis for evaluating the environmental and economic effects of circularity strategies and to monitor their implementation. For this purpose, an integrative framework of strategies for CE adoption in the CDW sector is proposed. This together with a methodological proposal to evaluate and compare the environmental and economic performance of different circularity alternatives incorporating multi-criteria decision analysis. In addition, this work proposes a system of indicators for measuring CE features for CDW products. The proposed framework identifies 14 influential strategies for the circularity of the CDW sector and describes their interaction throughout its lifecycle stages. The methodological proposal incorporates the Life Cycle Analysis (LCA) methodology to assess the environmental dimension., while the economic criteria adopt a complex cost method. The multicriteria VIKOR method was used to perform the multi-criteria analysis. The methodology is applied to evaluate the use of concrete waste in high-grade applications, specifically the production of structural and non-structural concrete mixes in the region of Catalonia, Spain. The indicators framework incorporates a systematic approach considering the most relevant factors and parameters for successful measurement of CE interventions. It consists of 22 measures within the three dimensions of environment, economic and innovation/materials. Preconstruction strategies are highlighted as the most influential in the circularity of the sector. CE strategies presented better environmental and economic performance; however, results are conditioned by the particular context of the study. Transportation and landfilling are identified as the most conditioning parameters affecting both environmental and economic performance.Los residuos de construcción y demolición (RCD) son un grave problema medio ambiental que requiere atención inmediata. Los grandes volúmenes de RCD producidos y sus efectos ambientales han llevado a buscar nuevas alternativas para resolver esta problemática de forma más sostenible. En ese contexto, la Economía Circular (EC) ha emergido como una solución innovadora para crear patrones de producción y consumo más sostenibles, fomentar el crecimiento económico, asegurar la protección medio ambiental y la protección social. A nivel global, el concepto de la EC ha ganado interés entre organismos gubernamentales, sector empresarial y académicos. Ello ha resultado en la incorporación de la EC como eje conductor en múltiples agendas políticas y con una tendencia emergente en la investigación de su concepto y aplicaciones. Sin embargo, la investigación de las potenciales aplicaciones y su evaluación se encuentran en una fase temprana de desarrollo debido a la novedad y dinamismo del concepto. El objeto principal de este estudio fue el de desarrollar una propuesta de integración del concepto de EC en el sector de la construcción y la demolición, así como proveer las bases para evaluar los efectos económicos y ambientales de estrategias de circularidad y monitorear su implementación. Para ello, se propone un marco integrativo de estrategias para la adopción de la EC en el sector de los RCD, además de una propuesta metodológica para evaluar y comparar el desempeño económico y ambiental de diferentes alternativas de circularidad incorporando análisis de decisión multi-criterio. Asimismo, este trabajo propone un sistema de indicadores para medir características de circularidad de los RCD. El sistema propuesto identifica 14 estrategias de influencia para la circularidad del sector de los RCD, describiendo su interacción a lo largo de sus etapas de ciclo de vida. La propuesta metodológica de evaluación incorpora la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) para el criterio ambiental, y el análisis de costes complejos para el criterio económico. Mientras que para el desarrollo del análisis multi-criterio fue utilizado el método VIKOR. La metodología es aplicada en la evaluación del uso de residuos de concreto en aplicaciones de alto grado, específicamente en la producción de hormigón estructural y no estructural en la región de Cataluña, España. El marco de indicadores incorpora un enfoque sistémico que considera los factores y parámetros más relevantes para la adecuada medición de estrategias de EC. Este consiste en 22 medidas contenidas en tres grupos o dimensiones: ambiental, económica y de innovación/materiales. Las estrategias durante la etapa pre-constructiva son identificadas como las más influyentes en la circularidad del sector. Resultados de la evaluación muestran un mejor desempeño económico y ambiental de las alternativas de EC, sin embargo, éstos son condicionados por el contexto específico de la zona de estudio. En particular, el transporte y el vertido son identificados como los parámetros más condicionantes tanto para el aspecto ambiental, como el económico.Els residus de construcció i demolició (RCD) són un greu problema mediambiental que requereix atenció immediata. Els grans volums de RCD produïts i els seus efectes ambientals han conduit a buscar noves alternatives per resoldre aquesta problemàtica en formes més sostenibles. En aquest context, l'Economia Circular (EC) ha emergit com una solució innovadora per a crear patrons de producció i de consum més sostenibles, impulsar el creixement econòmic, assegurar la protecció del medi ambient i la protecció social. A nivell global, el concepte de l'EC ha guanyat l'interès d'organismes governamentals, del sector empresarial i d'acadèmics. Això ha resultat en la incorporació de l'EC com eix conductor en múltiples agendes polítiques i amb una tendència emergent en la investigació del seu concepte i aplicacions. No obstant això, la investigació de les potencials aplicacions i la seva avaluació es troben en fase primerenca de desenvolupament degut a la novetat i dinamisme del concepte. L'objectiu principal d'aquest estudi va ser el desenvolupar una proposta d'integració de l'EC en el sector de la construcció i la demolició, així com proporcionar les bases per avaluar els efectes econòmics i ambientals d'estratègies de circularitat i monitoritzar la seva implementació. Per això, es proposa un marc integratiu d'estratègies per a l'adopció de l'EC en el sector dels RCD. A més, d'una proposta metodològica per avaluar i comparar el rendiment econòmic i ambiental de diferents alternatives de circularitat incorporant un anàlisi de decisió multi-criteri. Seguidament, aquest treball proposa un sistema d'indicadors per mesurar característiques de circularitat dels RCD. Aquest sistema identifica 14 estratègies d'influència per la circularitat del sector dels RCD, descrivint la seva interacció al llarg de les etapes de cicle de vida. La proposta metodològica d'avaluació incorpora la metodologia d'Anàlisis de Cicle de Vida (ACV) per al criteri ambiental, i l'anàlisi de costos complexos per al criteri econòmic. Mentre que per al desenvolupament de l'anàlisi multi-criteri s'ha utilitzat el mètode VIKOR. La metodologia s'aplica en l'avaluació del ús de residus de formigó en aplicacions d'alt grau, específicament en la producció de formigó estructural i no estructural en la regió de Catalunya, Espanya. El marc d'indicadors incorpora un enfocament sistèmic que considera els factors i paràmetres mes rellevants per a l'adequada mesura d'estratègies d'EC. Aquest consisteix en 22 mesures agrupades en 3 grups o dimensions: ambiental, econòmica i d'innovació/materials. S'identifica que les estratègies de l'etapa pre-constructiva són les més influents en la circularitat del sector. Els resultats de l'avaluació demostren que les alternatives d'EC presenten millor rendiment econòmic i ambiental, però, aquests són influenciats per les condicions particulars de la zona d'estudi. Particularment, el transport i abocament són identificats com els paràmetres més condicionants tan per el criteri ambiental, com per l'econòmic.Postprint (published version