L'environnement industriel concurrentiel auquel font face les entreprises manufacturières les pousse à se doter d'un système de production hautement réactif capable de pallier aux incertitudes et aux fluctuations imprévisibles de la demande. La classe des systèmes manufacturiers reconfigurables (RMS pour Reconfigurable Manufacturing System en anglais) fournit une solution efficace et prometteuse à ce défi. Contrairement aux systèmes classiques comme les lignes de fabrication dédiées (DML) et les systèmes de fabrication flexibles (FMS), qui n'arrivent pas à surmonter ces challenges à cause de leurs conceptions qui limitent les options pour mieux gérer les variations de la demande et adapter la capacité du besoin du marché, les RMS présentent une bonne alternative possédant la capacité d'adapter la configuration du système manufacturier au fil du temps afin de répondre aux exigences du marché. Cela est assuré par les machines-outils reconfigurables (RMT pour Reconfigurable Machine Tools en anglais) qui sont considérées comme la composante fondamentale pour un RMS. Ce mémoire propose une nouvelle approche d'ordonnancement de la production en considérant les machines-outils reconfigurables. L'objectif est de minimiser le makespan. Un modèle linéaire mixte en nombres entiers ainsi qu'une heuristique adaptée à deux phases ont été proposés afin de résoudre le problème. Les performances des deux méthodes de résolution sont analysées et comparées pour différentes instances générées aléatoirement. Une analyse de performance des méthodes suite aux variations de certains paramètres est présentée. Finalement, un contexte dynamique (des nouvelles commandes qui surviennent au cours de la production) est considéré où la performance de l'approche heuristique surpasse celle de la méthode exacte pour les instances considérées. / The competitive manufacturing environment faced by manufacturing companies requires a highly responsive production system capable of dealing with uncertainties and unpredictable fluctuations of demand. Reconfigurable Manufacturing Systems (RMS) provide an effective and promising solution to this challenge. Unlike conventional systems such as Dedicated Manufacturing Lines (DML) and Flexible Manufacturing Systems (FMS) which fail to overcome these challenges due to their designs which do not support variations in demand and changes in capacity, RMS present a good alternative with the ability to change the system configuration over time to meet market demands. This is ensured by reconfigurable machine tools (RMT) which are considered as the fundamental component for an RMS. This thesis proposes a new approach to production scheduling for manufacturing systems with reconfigurable machine tools. The objective is to minimize the makespan. A linear mixed-integer model based on the sequence of operations as well as an adapted two-phase heuristic are proposed to solve the problem. The performances of the two resolution methods are analyzed and compared for different randomly generated instances. An analysis of the performance of the methods following variations in certain parameters is presented. Finally, a dynamic context (new orders arise during production) is considered where the heuristic outperforms the exact method.

Le contexte incertain des marchés actuels a contribué au développement des systèmes manufacturiers, donnant lieu à des systèmes ayant des principes et des fonctionnalités multiples, qui essayent de répondre aux exigences changeantes. Les systèmes manufacturiers reconfigurables (RMS) constituent une classe des systèmes où les machines, les composants des machines ainsi que le système de manutention peuvent être ajoutés, modifiés, supprimés ou échangés selon les besoins de la production. Un RMS combine le haut débit des systèmes manufacturiers dédiés avec la flexibilité des systèmes flexibles. Le principal composant d'un RMS est la machine reconfigurable (RMT) qui possède une structure qui permet sa reconfiguration. Nous consacrons ce travail au problème de génération des plannings de fabrication dans un RMS, en exploitant au mieux les hauts degrés de reconfigurabilité des RMTs pour proposer des plannings efficaces. Trois problèmes liés à la fonction de génération des plannings de fabrication sont considérés : (1) la génération des process plans dans un cas unitaire où nous avons adaptés des techniques d'optimisation multicritère (NSGA-II et AMOSA), (2) la génération des process plans dans le cas multiunité où une optimisation basée sur la simulation a été adaptée, et (3) l'intégration des fonctions de génération des process plans avec l'ordonnancement où nous avons développé une nouvelle heuristique permettant d'effectuer cette intégration Toutes les approches proposées ont été validées par des expériences numériques, démontrant leur applicabilité et efficacité / The uncertain context of current markets has contributed to the development of manufacturing systems, resulting in systems with different features and principles, trying to meet the changing market demands. Reconfigurable manufacturing system (RMS) is a recent class of systems where machines, machine components and the handling system can be added, modified, deleted or exchanged according to the production needs. RMS combines the high throughput of dedicated manufacturing systems with the customizability of flexible systems. The main component of an RMS is the reconfigurable machine (RMT: Reconfigurable Machine Tool) which has a structure that allows reconfiguration. We focus in this work on CAPP (Computer-Aided Process Planning) to generate effective the process plans in an RMS that take advantage of the high degree of RMT reconfigurability Three problems associated with the function process planning are discussed: (1) the generation of process plans for a single-unit case, where we adapted multi-criteria optimization techniques (NSGA-II, AMOSA) (2) the generation of process plans in the multi-unit case, where we developed simulation based optimization technique, and (3) the integration of process planning and scheduling functions, where we developed a new heuristic aiming to achieve this integration. All the proposed approaches have been validated by numerical experiments, demonstrating their applicability and effectiveness

Actuellement, le marché est caractérisé par un haut niveau de compétitivité et des variations très fréquentes. L'examen critique des systèmes manufacturiers conventionnels révèle que ces systèmes ne sont pas capables de répondre aux exigences imposées au marché actuel; ces exigences sont principalement le coût et la qualité des produits et la réactivité du système. Par conséquent, la mise en place d'un nouveau paradigme de système manufacturier capable de répondre à ces exigences est nécessaire. Le système manufacturier reconfigurable ou le RMS est ce nouveau paradigme; il est censé être assez réactif pour faire face aux changements soudains du marché tout en gardant la qualité des produits à un coût bas. Le principal défi des RMS est leur conception. La plupart des méthodes proposées dans la littérature n'abordent pas le problème de conception d’un RMS dans son ensemble; elles traitent une partie du problème. Dans cette thèse, on propose une méthodologie générique de conception d’un RMS basée sur les principes de l'ingénierie systèmes. Cette méthodologie supporte la conception d’un RMS tout au long du processus de développement. Elle est dérivée principalement de la norme ISO/IEC/IEEE-15288. / Nowadays, the market is characterized by a high level of competitiveness and very frequent and sudden variations in the production context. The critical review of the existing manufacturing paradigms which are the dedicated manufacturing lines DMLs and the flexible manufacturing systems FMSs reveals that these systems are not capable of fulfilling the requirements imposed by the actual market; these requirements are mainly resumed in cost, quality and reactivity. Therefore, the need for a new manufacturing paradigm that could fulfill these requirements has arisen. Reconfigurable Manufacturing System or RMSs is this new paradigm; it is supposed to be reactive enough to cope with the sudden changes of the market while keeping the products quality high with a low cost. The main challenge in RMS is their design. Most of the proposed methods in the literature do not address the RMS design issue as a whole; they treat just part of the problem. Hence, as a contribution, we propose in this paper, a generic RMS design methodology based on systems engineering SE. This methodology will support the RMS design along the development process. It is based specifically on the standard ISO/IEC/IEEE15288.

Ce mémoire de recherche porte sur l’optimisation et le contrôle dynamique stochastique des activités de production dans les systèmes manufacturiers reconfigurables (Reconfigurable Manufacturing Systems, RMS). Le système considéré est composé d'une installation industrielle conçu pour adapter sa configuration physique à des changements prévisibles connus ou aléatoire qui peuvent survenir dans le temps. Les changements concernent principalement l’environnement interne de l’installation (risques de pannes dus à la non-fiabilité du système) et l’environnement externe (évolution du marché en type de produit et volume de la demande). Les propriétés de reconfiguration du système considéré lui procurent la capacité de produire, à l’intérieur d’une famille de produits, plusieurs types et ce, selon plusieurs modes ou configurations. Le choix de la configuration doit être basé sur les avantages qu’elle procure (capacité, fiabilité, coût) ainsi que les conditions actuelles et futures espérées du système. Étant donné le compromis important entre les coûts de reconfiguration, de production, de stockage et de pénurie, le principal objectif de ce travail de recherche consiste à proposer une stratégie adaptative qui permet un meilleur choix de la séquence de configurations et un meilleur contrôle du rythme de production du système afin de minimiser le coût total encouru sur un horizon fini de planification. Une formulation basée sur la programmation dynamique est présentée pour ce problème. Ensuite, un schéma numérique est adopté pour résoudre les conditions d'optimalité obtenues. Sous la classe des politiques de seuil critique (HPP), une séquence de configurations intégrée à une politique de contrôle des rythmes de production est proposée. Les résultats obtenus montrent un gain significatif en termes de coûts par rapport à ceux encourus lorsque la décision de reconfiguration est développée indépendamment de la stratégie d’exécution de la production. Plusieurs analyses de sensibilité sont réalisées pour illustrer la robustesse et l'efficacité de la stratégie proposée. Pour résoudre le problème dans des situations plus complexes une approche de simulation est également proposée et mise en œuvre. L'application de cette approche nous a permis d'étendre l’analyse pour couvrir des contextes où l'approche de résolution mathématique est limitée. De plus, cette approche nous a permis de mener une étude pour mesurer l’avantage des systèmes reconfigurables en comparaison aux systèmes les plus utilisés dans le contexte sous étude soit les systèmes manufacturiers ajustables (Adjusted Manufacturing Systems, AMS). Mots clés : Programmation dynamique, politique de seuil critique, contrôle de la production, systèmes manufacturier reconfigurables, simulation. / This research work focuses on the optimization and stochastic dynamic control of production activities in Reconfigurable Manufacturing Systems (RMS). The considered system is composed of an industrial facility designed to adapt its physical configuration to predictable changes that may occur randomly in time. The changes mainly concern the internal environment of the system (risk of failures due to the unreliability of the system) and the external environment (market changes in product type and volume of demand). The configurability properties of the system considered provide the ability to produce, within a family of products, various types according to several modes or configurations of the system. The choice of which configuration to adopt is based on: (1) the benefits that it provides in terms of capacity, reliability and cost; (2) the current and the expected future conditions of the system. Given the important compromise between reconfiguration, production, holding and shortage costs, the main objective of this research is to propose an adaptive strategy that allows a better choice of the sequence of configurations and a better control of production activites and minimizes the total cost incurred over a finite planning horizon. A formulation based on dynamic programming is presented for this problem. Then, a numerical scheme is adopted to solve the optimality conditions. In the class of Hedging Point Policies (HPP), a sequence of configurations integrated to a production rate control policy is proposed. The obtained results show a significant gain in terms of incurred costs compared to those incurred when the reconfiguration decisions are developed independently of the production execution strategy. Several sensitivity analyses are carried out to illustrate the robustness and efficiency of the proposed strategy. To address the problem in more complex reconfigurable situations a simulation based approach is also proposed and implemented. The application of this approach allowed us to extend the aforementioned findings to different contexts where the mathematical resolution approach may be limited. In addition, the simulation based approach allowed us to conduct a study to measure the benefit of reconfigurable systems in comparison to the most used systems in the context under study, namely the Adjustable Manufacturing Systems (AMS). Keywords: Dynamic programming, hedging policies, production control, reconfigurable manufacturing systems, simulation.

Le diagnostic des défaillances des systèmes industriels est à l'origine de nombreux travaux depuis ces dernières années. Il est défini comme l'opération permettant de détecter et de localiser un défaut. La détection de défauts consiste à rendre une décision sur l'état du système qu'il soit en fonctionnement normal ou défaillant. Cette opération est ensuite suivie d'une étape de localisation du défaut afin d'identifier ses causes et son origine.<br />Ce mémoire de thèse présente une approche décentralisée avec coordinateur pour le diagnostic des Systèmes à Evénements Discrets (SED) et plus particulièrement pour les systèmes manufacturiers composés de capteurs et d'actionneurs discrets. Cette approche considère la Partie Opérative (PO) comme un ensemble d'éléments composé d'un actionneur et d'un ensemble de capteurs. La construction des diagnostiqueurs s'appuie sur une modélisation modulaire des éléments de la Partie Opérative, d'un modèle des spécifications de la Partie Commande (PC) et d'une information temporelle liée à la réactivité des actionneurs. Chaque diagnostiqueur représente un observateur de l'état du système affecté d'une étiquette de décision, cette décision étant le résultat de l'observation des événements, des conditions sur les états du système et/ou sur le temps de retard entre événements.<br />Afin de définir la capacité de l'ensemble des diagnostiqueurs locaux à diagnostiquer un ensemble de défauts dans un délai fini, une notion de codiagnosticabilité a été établie. Dans cette thèse, cette notion tient compte de la modélisation des défauts à base d'événements, à base d'états et à base d'informations temporelles. Elle détermine ainsi l'ensemble des défauts que la structure décentralisée peut diagnostiquer.<br />L'ensemble des décisions locales doit être ensuite agrégé afin d'obtenir une décision globale sur l'état du système. Cette fusion est réalisée par un coordinateur construit à partir d'un ensemble de règles permettant de résoudre les différents problèmes d'indécision et d'ambiguïté entre les diagnostiqueurs locaux. Ce coordinateur permet d'obtenir des performances de diagnostic équivalentes à celles d'un diagnostiqueur centralisé. Deux exemples d'applications manufacturières illustrent l'efficacité et l'intérêt de la structure décentralisée en terme d'explosion combinatoire. Un simulateur basé sur Stateflow de Matlab permet de tester et valider l'approche proposée.

Aujourd’hui, les industriels cherchent de nouvelles approches qui permettent aux concepteurs d’adapter efficacement les systèmes de fabrication face à un environnement incertain et perturbant. Le concept de la reconfiguration des systèmes de fabrication est proposé afin de trouver des solutions face à l’occurrence d’aléas au sein d’un système manufacturier complexe. Dans la littérature, l’intégration de la reconfiguration dès la phase de conception dans le cadre de l’ingénierie système en suivant une approche basée sur des normes et paradigmes commence à faire appel à plusieurs nouveaux travaux de recherche. Nous proposons une nouvelle approche basée sur l’ingénierie système pour concevoir les systèmes de production manufacturiers pour qu’ils soient reconfigurables du point de vue partie opérative et commande, en assurant la cohérence entre les modèles et en respectant les exigences de l’industrie nouvelle. Cette approche vise à guider le concepteur pour modéliser les systèmes manufacturiers en intégrant le concept de la reconfiguration dans le cadre de l’ingénierie système.Ensuite, les modèles développés des différents points de vue sont transformés suivant des règles prédéfinies vers des modèles d’architectures holoniques qui permettent de combler l’écart entre le processus de modélisation conceptuelle et le processus de simulation. Ces modèles holoniques sont exécutables par la technologie des systèmes multi-agents afin de faciliter leurs implémentations. Après, le concepteur sera capable de vérifier et valider par simulation les critères et les caractéristiques clés de la reconfiguration dans le but d’atteindre les indicateurs demandés. Les résultats obtenus montrent une réactivité efficace aux aléas internes et externes avec la configuration la plus adéquate. Nous avons choisi un système manufacturier reconfigurable qui est le système de conversion d’acier afin d’illustrer l’utilité et la fiabilité de l’approche proposée dans différents scénarios. / Today, manufacturers are seeking new approaches that allow designers to effectively adapt manufacturing systems to an uncertain and disruptive environment. The concept of the reconfiguration of manufacturing systems is proposed in order to find solutions to the occurrence of disturbances within a complex manufacturing system. In the literature, integrating reconfiguration early in the design phase into system engineering by following an approach based on standards and paradigms is beginning to call for several new research studies. We propose a new approach based on system engineering to design manufacturing production systems so that they are reconfigurable from the point of view of operative and control part, ensuring coherence between models and meeting the requirements of the new industry. This approach is intended to guide the designer in modeling the manufacturing systems by integrating the concept of reconfiguration into system engineering.Then, developed models of different viewpoint are transformed according to predefined rules into holonic architecture models that bridge the gap between the conceptual modeling process and the simulation process. These holonic models are executable by the technology of multi-agent systems to facilitate their implementations. Afterwards, the designer will be able to verify and validate by simulation the criteria and key features of the reconfiguration in order to achieve the requested indicators. The obtained results show an effective reactivity to the internal and external disturbances with the most adequate configuration. We chose a reconfigurable manufacturing system which is the steel converter system to illustrate the utility and reliability of the proposed approach in different scenarios.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la reconfiguration dynamique des systèmes de production. Elle apporte sa contribution au diagnostic de services en présence de défaillances de la partie opérative. L'objectif visé est de mettre à jour, en ligne, un modèle représentant les capacités offertes par une partie opérative. Aussi, sur la base d'un tel modèle reprenant les principes issus de la planification automatique, nous avons tout d'abord proposé un mécanisme de suivi permettant de construire et de gérer un modèle d'historique. Ensuite, un algorithme de recherche avant/arrière basé sur un système de règles a été développé afin, sous l'occurrence de défaillances, de localiser non seulement les services étant à l'origine possible du dysfonctionnement constaté mais aussi ceux potentiellement affectés. Après quoi, une mise à jour du modèle de partie opérative est opérée afin de présenter au système de reconfiguration une image "honnête" des capacités opératoires encore disponibles.

Tous les secteurs industriels sont aujourd'hui soumis à une pression économique importante et à une concurrence internationale accrue de part la globalisation des marchés. Pour répondre à cet état de fait, les entreprises sont contraintes d'innover et d'améliorer le cycle d'élaboration des produits et/ou processus depuis l'idée jusqu'au la mise sur le marché des produits. L'évolutivité rapide des produits et de la concurrence ont conduit les entreprises industrielles à faire un pas supplémentaire en imaginant de nouveaux systèmes de fabrication pour assurer simultanément une haute productivité et une haute flexibilité avec la contrainte nouvelle de changements rapides de famille de pièces. Le principe de « reconfigurabilité » de système de fabrication répond à ces contraintes. Or, il faut aujourd'hui faire preuve d'une très grande réactivité, pouvoir répondre rapidement à l'apparition d'un nouveau produit (évolution du design) et/ou une nouvelle demande (fluctuation de volume) afin de rester compétitif. L'objectif de notre travail est de proposer une méthodologie de conception concernant les « Machines-Outils Reconfigurable » (MORs). Ces nouvelles machines-outils disposant de multibroches sont une réponse face aux fluctuations (changements fréquents) de la demande, de manière rapide et rentable en tenant compte du nombre croissant de variantes (variabilité en fonctionnalités et en volumes). La particularité de ce type de machine par rapport aux autres types conventionnels réside dans la possibilité d'évolution au niveau de la capacité et/ou de la flexibilité et d'exécuter simultanément plusieurs opérations à l'aide de broches actionnant de façon simultanée. Le domaine concerné porte sur la fabrication de famille de pièces mécaniques essentiellement prismatiques utilisant les techniques d'usinage (fraisage, opérations axiales

Cette thèse porte sur la navigation d'agents dans un environnement manufacturier. Le cadre général du travail relève de la navigation d'AGVs (véhicules autoguidés), transportant librement et intelligemment leur produit. L'objectif est de proposer des outils permettant la navigation autonome et coopérative d’une flotte d’AGVs dans des systèmes de production manufacturiers où les contraintes temporelles sont importantes. Après la présentation d'un état de l'art sur chaque domaine (systèmes manufacturiers et navigation d'agents), les impacts de la mutualisation entre ceux-ci sont présentés. Ensuite, deux problématiques, liées à la navigation d'agents mobiles dans des environnements manufacturiers, sont étudiées. La première problématique est centrée sur la planification de trajectoire décentralisée où une fonction d'ordonnancement est combinée au planificateur pour chaque agent. Cette fonction permet de choisir une ressource lors de la navigation afin d'achever l'opération du produit transporté le plus tôt possible. La première solution consiste en une architecture hétérarchique où les AGVs doivent planifier (ou mettre à jour) leur trajectoire, ordonnancer leur produit pour l'opération en cours et résoudre leurs propres conflits avec les agents à portée de communication. Pour la seconde approche, une architecture hybride à l'aide d'un superviseur, permettant d'assister les agents durant leur navigation, est proposée. L'algorithme de planification de trajectoire se fait en deux étapes. La première étape utilise des informations globales fournies par le superviseur pour anticiper les collisions. La seconde étape, plus locale, utilise les données par rapport aux AGVs à portée de communication afin d'assurer l'évitement de collisions. Afin de réduire les temps de calcul des trajectoires, une optimisation par essaims particulaires est introduite. La seconde problématique se focalise sur la commande coopérative permettant un rendez-vous d'agents non holonomes à une configuration spécifique. Ce rendez-vous doit être atteint en un temps donné par un cahier des charges, fourni par le haut-niveau de contrôle. Pour résoudre ce problème de rendez-vous, nous proposons une loi de commande à temps fixe (i.e. indépendant des conditions initiales) par commutation permettant de faire converger l’état des AGVs vers une resource. Des résultats numériques et expérimentaux sont fournis afin de montrer la faisabilité des solutions proposées. / This thesis is focused on agent navigation in a manufacturing environment. The proposed framework deals with the navigation of AGVs (Automated Guided Vehicles), which freely and smartly transport their product. The objective is to propose some tools allowing the autonomous and cooperative navigation of AGV fleets in manufacturing systems for which temporal constraints are important. After presenting the state of the art of each field (manufacturing systems and agent navigation), the impacts of the cross-fertilization between these two fields are presented. Then, two issues, related to the navigation of mobile agents in manufacturing systems, are studied. The first issue focuses on decentralized motion planning where a scheduling function is combined with the planner for each agent. This function allows choosing a resource during the navigation to complete the ongoing operation of the transported product at the soonest date. The first proposed approach consists in a heterarchical architecture where the AGVs have to plan (or update) their trajectory, schedule their product and solve their own conflict with communicating agents. For the second approach, hybrid architecture with a supervisor, which assists agents during the navigation, is proposed. The motion planning scheme is divided into two steps. The first step uses global information provided by the supervisor to anticipate the future collisions. The second step is local and uses information from communicating agents to ensure the collision avoidance. In order to reduce the computational times, a particle swarm optimization is introduced. The second issue is focused on the cooperative control, allowing a rendezvous of nonholomic agents at a specific configuration. This rendezvous must be achieved in a prescribed time, provided by the higher level of control. To solve this rendezvous, a fixed time (i.e. independent of initial conditions) switching control law is proposed, allowing the convergence of agent states towards a resource configuration. Some numerical and experimental results are provided to show the feasibility of the proposed methods.