Reinforcement Learning Based Production Control of Semi-automated Manufacturing Systems

In an environment which is marked by an increasing speed of changes, industrial companies have to be able to quickly adapt to new market demands and innovative technologies. This leads to a need for continuous adaption of existing production systems and the optimization of their production control. To tackle this problem digitalization of production systems has become essential for new and existing systems. Digital twins based on simulations of real production systems allow the simplification of analysis processes and, thus, a better understanding of the systems, which leads to broad optimization possibilities. In parallel, machine learning methods can be integrated to process the numerical data and discover new production control strategies. In this work, these two methods are combined to derive a production control logic in a semi-automated production system based on the chaku-chaku principle. A reinforcement learning method is integrated into the digital twin to autonomously learn a superior production control logic for the distribution of tasks between the different workers on a production line. By analyzing the influence of different reward shaping and hyper-parameter optimization on the quality and stability of the results obtained, the use of a well-configured policy-based algorithm enables an efficient management of the workers and the deduction of an optimal production control logic for the production system. The algorithm manages to define a control logic that leads to an increase in productivity while having a stable task assignment so that a transfer to daily business is possible. The approach is validated in the digital twin of a real assembly line of an automotive supplier. The results obtained suggest a new approach to optimizing production control in production lines. Production control shall be centered directly on the workers’ routines and controlled by artificial intelligence infused with a global overview of the entire production system

Using a reinforcement learning approach in a discrete event manufacturing system

Ergänzung der gedruckten Ausgabe. Diese ist nur online verfügbar ist

Application of Reinforcement Learning to Multi-Agent Production Scheduling

Reinforcement learning (RL) has received attention in recent years from agent-based researchers because it can be applied to problems where autonomous agents learn to select proper actions for achieving their goals based on interactions with their environment. Each time an agent performs an action, the environment¡Šs response, as indicated by its new state, is used by the agent to reward or penalize its action. The agent¡Šs goal is to maximize the total amount of reward it receives over the long run. Although there have been several successful examples demonstrating the usefulness of RL, its application to manufacturing systems has not been fully explored. The objective of this research is to develop a set of guidelines for applying the Q-learning algorithm to enable an individual agent to develop a decision making policy for use in agent-based production scheduling applications such as dispatching rule selection and job routing. For the dispatching rule selection problem, a single machine agent employs the Q-learning algorithm to develop a decision-making policy on selecting the appropriate dispatching rule from among three given dispatching rules. In the job routing problem, a simulated job shop system is used for examining the implementation of the Q-learning algorithm for use by job agents when making routing decisions in such an environment. Two factorial experiment designs for studying the settings used to apply Q-learning to the single machine dispatching rule selection problem and the job routing problem are carried out. This study not only investigates the main effects of this Q-learning application but also provides recommendations for factor settings and useful guidelines for future applications of Q-learning to agent-based production scheduling

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

Optimizing Production Manufacturing using Reinforcement Learning

Many industrial processes involve making parts wit