Τα σύγχρονα συστήματα παραγωγής πρέπει να λειτουργούν αποδοτικά σε ένα δυναμικά μεταβαλλόμενο περιβάλλον. Ένα βασικό χαρακτηριστικό που πρέπει να λάβουν υπόψη τους οι μηχανικοί στη βιομηχανία είναι η ευελιξία των συστημάτων παραγωγής. Η ευελιξία αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος παραγωγής να ανταποκρίνεται και να προσαρμόζεται στις αλλαγές του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργεί. Αλλά η ευελιξία είναι δύσκολο να συμπεριληφθεί στη διαδικασία λήψης αποφάσεων κατά τον σχεδιασμό ή τη λειτουργία ενός συστήματος, αν δεν έχει περιγραφεί ποσοτικά. Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι να αναπτύξει και να επιδείξει μια μέθοδο για την εκτίμηση και ποσοτικοποίηση της ευελιξίας. Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πραγματικά προβλήματα στη βιομηχανία και να βοηθήση στη λήψη αποφάσεων σχετικά με τον απαραίτητο βαθμό της ευελιξίας που πρέπει να έχει ένα σύστημα παραγωγής ειδικά στην περίπτωση που υπάρχει αβεβαιότητα και είναι δύσκολο να γίνουν αξιόπιστες προβλέψεις σχετικά με τις απαιτήσεις της αγοράς. Στην διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία έχουν καταγραφεί αρκετές εργασίες που προσεγγίζουν το πρόβλημα της εκτίμησης της ευελιξίας ενός συστήματος παραγωγής. Οι περισσότερες όμως από τις εργασίες αντιμετωπίζουν μεμονωμένα προβλήματα, κάτω από ειδικές συνθήκες, που τις περισσότερες φορές αναφέρονται και σε συγκεκριμένους τύπους συστημάτων παραγωγής. Η προτεινόμενη μέθοδος στηρίζεται στη θεώρηση ότι η ευελιξία ενός συστήματος παραγωγής καθορίζεται από την ευαισθησία του στις αλλαγές. Όσο λιγότερο ευαίσθητο ένα σύστημα είναι στις αλλαγές του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργεί τόσο περισσότερο ευέλικτο είναι. Η βασική αυτή θεώρηση εφαρμόζεται μέσω της μέτρησης του εύρους των διαφόρων τιμών του συνολικού κόστους ενός συστήματος παραγωγής. Οι τιμές του συνολικού κόστους υπολογίζεται για καθένα σενάριο από ένα μεγάλο αριθμό πιθανών σεναρίων αγοράς. Στη συνέχεια με στατιστική ανάλυση στις τιμές του συνολικού κόστους οδηγούμαστε σε συμπεράσματα για την ευαισθησία ενός συστήματος παραγωγής σε ένα αβέβαιο περιβάλλον λειτουργίας. Ο υπολογισμός του συνολικού κόστους λαμβάνει υπόψη του διάφορες φάσεις του συστήματος παραγωγής στον κύκλο ζωής του όπως την αρχική επένδυση και το κόστος των αλλαγών. Επιπλέον, για να μπορούν οι διαφορετικές τιμές του κόστους να είναι συγκρίσιμες θα πρέπει να υπολογιστούν με βάση κάποιον κανόνα. Η εργασία αυτή προτείνει έναν τρόπο για την εύρεση του ελάχιστου κόστους στον κύκλο ζωής ενός συστήματος παραγωγής. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται σε μια περίπτωση μελέτης στην αυτοκινητοβιομηχανία και τέλος περιγράφεται ένα λογισμικό που υλοποιεί την προτεινόμενη μέθοδο καθώς και η UML (Unified Modelling Language) περιγραφή των βασικών οντοτήτων. / Modern manufacturing firms must learn to operate effectively in very dynamic environments. One key aspect that firms must consider is manufacturing flexibility. Manufacturing flexibility refers to the ability of a manufacturing system to accommodate uncertainty in the production environment. But flexibility cannot be considered in the decision making process if it is not assessed in quantifiable terms. The goal of this dissertation is to develop and demonstrate a practical method to assist manufacturers in managing environmental uncertainty and in determining the appropriate level of flexibility in their production systems. A number of research efforts have been published in the litterature that deal with the scientific issue of flexibility assessment. However, most of the published research work deals with case specific engineering problems, under certain circumstances, and in most of the cases they are applicable to specific types of production system. The approach suggested by the this dissertation considers that manufacturing flexibility is determined by its sensitivity to changes. The less flexible a manufacturing system is the more flexible it should be considered. We consider flexibility during the lifecycle of a system, from initial investment to major reconfiguration. A large number of market scenarios are being considered and the lifecycle cost of the system for all scenarios is calculated. Following, statistical analysis on the lifecycle cost results provides results on the sensitivity of the system to the uncertainty of the market environment. Furthermore, in order to make the lifecycle cost values comparable amongst the different production systems, their minimum value is calculated at a minimum level with the help of a specially developed optimization algorithm. The proposed method is applied in a case study in the automotive industry. Finally, a web-based software package that implements the proposed method along with the UML (Unified Modelling Language) description of the main entities is also being described.

This work investigates the flexibility of manufacturing systems and the introduction of flexibility considerations into the change management of manufacturing systems. The change drivers that make flexibility important for manufacturing systems are analyzed and the definition and dimensions of flexibility as they have been approached in the literature are discussed. In order to measure flexibility, a Flexibility Evaluation Toolbox comprised of five individual measures is proposed in the thesis. The Flexibility Evaluation Toolbox enables the responsible engineer to select the most appropriate measure to be used in each case under study. Furthermore, each of the measures requires different data providing the opportunity to the engineer to use the Flexibility Evaluation Toolbox in a wide range of situations. A classification table of the five measures in relation to a set of usability criteria has been included. A methodology supporting the user to select the most appropriate measure according to the case under study and the user’s preferences is also provided. The Flexibility Evaluation Toolbox has been integrated in a software platform able to handle the required data, automate the calculations, provide quantitative results and eventually drive the change management directions. The software architecture and the individual modules of the software platform are described. The three basic modules of the platform are the Flexibility Evaluation Toolbox, the Data Collector and the Change Management Component. The solution proposed in this thesis can be used in small, medium or large enterprises and in different industrial sectors. This is demonstrated in the provided four case studies where flexibility evaluation has been used to support change management decisions in the commercial refrigerators sector in local and world-wide scale, the pharmaceutical/cosmetics sector and the mobile communications sector. / Στην παρούσα εργασία διερευνάται η ευελιξία στα συστήματα παραγωγής και o τρόπος εξέτασης της ευελιξίας κατά τη διαχείριση αλλαγών σε συστήματα παραγωγής. Αναλύονται οι λόγοι για τις απαιτούμενες αλλαγές που κάνουν την ευελιξία σημαντική για τα συστήματα παραγωγής και συζητούνται οι διάφορες παράμετροι της ευελιξίας, όπως παρουσιάζονται στην βιβλιογραφία. Στοχεύοντας στην μέτρηση της ευελιξίας, μια ‘εργαλειοθήκη’, αποτελούμενη από πέντε διαφορετικά ‘εργαλεία’ για την μέτρηση της ευελιξίας, προτείνεται στην εργασία. Η εργαλειοθήκη μέτρησης της ευελιξίας επιτρέπει στον ενδιαφερόμενο μηχανικό να επιλέξει το πιο κατάλληλο μέτρο για την κάθε κατάσταση που μελετάται. Επιπλέον, κάθε ένα από τα μέτρα χρησιμοποιεί διαφορετικές πληροφορίες για την αξιολόγηση δίνοντας την ευκαιρία στον μηχανικό να τα χρησιμοποιήσει σε πολλές διαφορετικές καταστάσεις. Παρέχεται ένας πίνακας ταξινόμησης των πέντε αυτών μέτρων σε σχέση με τις εφαρμογές και ιδιότητες τους, όπως και μία μεθοδολογία που μπορεί να ακολουθηθεί για την επιλογή του καταλληλότερου μέτρου. Στην εργασία προτείνεται επίσης και η ενσωμάτωση της εργαλειοθήκης των μέτρων αξιολόγησης της ευελιξίας σε μια πλατφόρμα λογισμικού η οποία είναι ικανή να διαχειριστεί τα απαιτούμενα δεδομένα, να αυτοματοποιήσει τους υπολογισμούς, να παράσχει αριθμητικά αποτελέσματα και τελικά να οδηγήσει προς την σωστή κατεύθυνση τις απαραίτητες αλλαγές. Αντίστοιχα, περιγράφονται η αρχιτεκτονική του λογισμικού και κάθε υποσύστημά της. Τα τρία κύρια υποσυστήματα της πλατφόρμας είναι η εργαλειοθήκη των μέτρων αξιολόγησης της ευελιξίας, ο συλλέκτης δεδομένων και ο διαχειριστής των αλλαγών. Η προτεινόμενη προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικρές, μεσαίες και μεγάλες επιχειρήσεις που μπορεί να ανήκουν σε διαφορετικούς βιομηχανικούς τομείς. Αυτό αποδεικνύεται και από τις τέσσερις περιγραφόμενες περιπτώσεις πιλοτικής χρήσης, όπου η μέτρηση της ευελιξίας πραγματοποιείται ώστε να υποστηρίξει τη διαχείριση και να βοηθήσει την επιλογή των κατάλληλων αλλαγών στη βιομηχανία κατασκευής επαγγελματικών συστημάτων ψύξης σε τοπικό και διεθνές επίπεδο, στην φαρμακευτική βιομηχανία και στην βιομηχανία παραγωγής συσκευών κινητής τηλεφωνίας.

Objective of the present study is the development of methods for the assessment of manufacturing systems complexity and the investigation of flexibility and complexity relationship. Towards this target, a complete approach based on information theory permitting the analytical, quantitative and systematic modeling and quantification of both static and dynamic manufacturing complexity is proposed. Static complexity concerns the structure of the manufacturing systems, namely the products, the processes, the resources that constitute the systems as well as their interconnections. Static complexity is treated as the information that is required for the description of a manufacturing system. Multi domain matrices modeling the relationships between products, processes and resources are formalized as networks following the notions of graph theory. The information content of each matrix is assessed employing Shannon entropy measure and their aggregation yields the static complexity. Dynamic complexity is related to the uncertainty in the behaviour of a manufacturing system and in the present study is associated with the unpredictability of the performance indicators timeseries. The unpredictability of the performance indicators timeseries, which are provided by computer simulation, is captured employing the Lempel Ziv algorithm that calculates the Kolmogorov complexity. The dynamic complexity is either the unpredictability of a specific timeseries or the weighted mean of a series of performance indicators timeseries produced under different product demand scenarios. The relationship between flexibility and complexity is investigated for a group of 19 different configurations of a manufacturing system. In particular, operation flexibility that refers to the system’s ability to produce a set of products through different machines, materials, operations and sequences of operations and total complexity, and both static and dynamic are examined employing a utility function. As a case study, two assembly lines producing three car floor model types at three different product mixes are investigated. The dynamic complexity of each assembly line is assessed and the relationship between product mix and dynamic complexity is studied. The evaluation of the case study revealed the efficiency of the suggested approach validated its applicability to industrial environments. / Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για την εκτίμηση πολυπλοκότητας συστημάτων παραγωγής και η διερεύνηση της σχέσης ευελιξίας και πολυπλοκότητας. Προς αυτή την κατεύθυνση προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση βασισμένη στην θεωρία της πληροφορίας που επιτρέπει μια αναλυτική, ποσοτικοποιημένη και συστηματική προτυποποίηση και εκτίμηση τόσο της στατικής όσο και της δυναμικής πολυπλοκότητας των συστημάτων παραγωγής. Η στατική πολυπλοκότητα αφορά την δομή των συστημάτων παραγωγής, και σχετίζεται με τα προϊόντα, τις διεργασίες, τους παραγωγικούς πόρους που αποτελούν το σύστημα καθώς και τις μεταξύ τους σχέσεις. Η στατική πολυπλοκότητα αντιμετωπίζεται ως η πληροφορία που απαιτείται για να περιγραφεί ένα σύστημα παραγωγής. Πολυ-πεδιακοί πίνακες αναπαριστούν τις σχέσεις μεταξύ προϊόντων, διεργασιών και πόρων και προτυποποιούνται ως δίκτυα ακολουθώντας την θεωρία γράφων. Το πληροφοριακό περιεχόμενο κάθε πίνακα εκτιμάται με την χρήση της εντροπίας Shannon και το άθροισμα για όλους τους πίνακες δίνει την στατική πολυπλοκότητα. Η δυναμική πολυπλοκότητα σχετίζεται με την αβεβαιότητα της συμπεριφοράς των συστημάτων παραγωγής και στην παρούσα διατριβή συνδέεται με την απροβλεψιμότητα των χρονοσειρών δεικτών απόδοσης ενός συστήματος. Οι χρονοσειρές των δεικτών απόδοσης προκύπτουν από υπολογιστική προσομοίωση και η απροβλεψιμότητα τους εκτιμάται με των αλγόριθμο Lempel Ziv ο οποίος υπολογίζει την πολυπλοκότητα Kolmogorov. Η δυναμική πολυπλοκότητα είναι η απροβλεψιμότητα είτε μιας συγκεκριμένης χρονοσειράς είτε ο σταθμισμένος μέσος όρος ενός συνόλου χρονοσειρών δεικτών απόδοσης. Η σχέση ευελιξίας – πολυπλοκότητας διερευνάται για 19 διαμορφώσεις ενός συστήματος παραγωγής. Συγκεκριμένα, η ευελιξία λειτουργίας που αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος να παράγει ένα σύνολο προϊόντων χρησιμοποιώντας διαφορετικές μηχανές και διεργασίες και πολυπλοκότητα τόσο η στατική όσο και η δυναμική μελετώνται με μια συνάρτηση χρησιμότητας. Ως περίπτωση μελέτης εξετάζονται δύο γραμμές συναρμολόγησης που παράγουν τρία δάπεδα αμαξιού σε τρία μείγματα παραγωγής. Η δυναμική πολυπλοκότητα κάθε γραμμής και η σχέση μείγματος παραγωγής και δυναμικής πολυπλοκότητα μελετώνται. Η αξιολόγηση της περίπτωσης μελέτης αποδεικνύει την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων σε βιομηχανικό περιβάλλον.

The objective of the present study is the development of a method for the automated design of assembly lines using a multiple criteria approach. This method aims at supporting the decision making process during the early design stages as well as during the reconfiguration stages of assembly lines. Towards this target, a complete approach is proposed investigating the aspects of the design problem in both human and automation based assembly lines. At first, the current practices for design /reconfiguration of automated/ human based assembly lines were analysed and the decision making process was modelled in each case. Following the design problem was formulated in a way that allows its solution by the use of search algorithms which are easier and more efficient to apply. Models capable of systematically generating the alternative assembly lines designs were designed and implemented. An intelligent search algorithm was applied to these models allowing the efficient exploration of the design problem solution space and the fast identification of high quality design solutions with respect to several user defined criteria (such as investment cost, flexibility etc.). All the aforementioned were incorporated into two distinct software tools, having as objective the support of assembly line design and reconfiguration. The first tool incorporates the design model and algorithms in a standalone application that can automatically generate, simulate and evaluate alternative assembly lines designs based on the product structure and the available equipment and processes. The second tool was developed as a web based application that allows the reconfiguration of human based assembly lines through the concept of dynamic job rotation. The tool is able to derive alternative rotation schedules and evaluate them against criteria that are used for the case of human based assembly lines. The main outcome of this work is the complete method that was proposed and realized through software tools, which is capable of providing solutions for the design and reconfiguration of assembly lines. The method can assist design engineers in real time through the automated generation, evaluation and identification of high quality design alternatives. The evaluation of the case studies revealed the efficiency of the suggested approach to produce such designs and validated its applicability to industrial environments. / Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη μια πολυκριτηριδιακής μεθόδου για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας σχεδιασμού γραμμών συναρμολόγησης. Η μέθοδος προορίζεται για την υποστήριξη της διαδικασίας λήψης αποφάσεων τόσο κατά τα αρχικά στάδια του σχεδιασμού όσο και κατά τον επανασχεδιασμό / αναδιαμόρφωση της γραμμής παραγωγής. Προς αυτή την κατεύθυνση προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση του προβλήματος η οποία εξετάζει τις ιδιαιτερότητες τόσο των αυτοματοποιημένων γραμμών συναρμολόγησης όσο και των γραμμών που απασχολούν ανθρώπινο δυναμικό. Αρχικά, ερευνήθηκαν οι σημερινές πρακτικές που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό αυτοματοποιημένων συστημάτων παραγωγής αλλά και των γραμμών που βασίζονται στο ανθρώπινο δυναμικό. Κατόπιν οι διαδικασίες αυτές μοντελοποιούνται με αποτέλεσμα, την ανάπτυξη μοντέλων, τα οποία είναι ικανά να παράγουν με συστηματικό τρόπο εναλλακτικούς σχεδιασμούς μιας γραμμής συναρμολόγησης. Επιπρόσθετα, ένας ευφυής αλγόριθμος εφαρμόζεται στα μοντέλα αυτά, επιτρέποντας την αποδοτική και γρηγορότερη ανάδειξη σχεδιασμών υψηλής ποιότητας ως προς τα κριτήρια που έχει θέσει ο σχεδιαστής. Τα παραπάνω μοντέλα και ο αλγόριθμος αναζήτησης υλοποιήθηκαν σε δύο λογισμικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν, με στόχο την στήριξη του σχεδιασμού γραμμών παραγωγής. Το πρώτο εργαλείο αποτελεί ένα αυτοτελές λογισμικό το οποίο έχει ως κύρια λειτουργία του την δημιουργία και αξιολόγηση εναλλακτικών σχεδιασμών αυτοματοποιημένων γραμμών παραγωγή, χρησιμοποιώντας ως εισόδους την δομή του προϊόντος και τον διαθέσιμο εξοπλισμό. Το δεύτερο εργαλείο χρησιμοποιεί την τεχνολογία των ιστοσελίδων (web interface) και χρησιμοποιείται για την δημιουργία χρονοπρογραμμάτων για τους εργάτες μιας γραμμής παραγωγής επιτρέποντας την αναδιαμόρφωση της σε σύντομο χρονικό διάστημα. Η ερευνητική συμβολή της παρούσας διατριβής έγκειται στην ανάπτυξη μεθόδου η οποία προσφέρει ολοκληρωμένη λύση για την υποστήριξη λήψης αποφάσεων κατά τον σχεδιασμό και την αναδιαμόρφωση γραμμών συναρμολόγησης και υλοποιείται μέσω των κατάλληλων εργαλείων λογισμικού. Η αξιολόγηση των περιπτώσεων της αυτοκινητοβιομηχανίας απέδειξε την αποδοτικότητα και εφαρμοσιμότητά της σε βιομηχανικό περιβάλλον.