ABSTRACT FLEXIBLE ASSEMBLY LINE DESIGN PROBLEM WITH FIXED NUMBER OF WORKSTATIONS Barut&ccedil / uoglu, Sirin M.S. Department of Industrial Engineering Supervisor: Prof. Dr. Meral Azizoglu July 2009, 70 pages In this thesis, we study a Flexible Assembly Line Design problem. We assume the task times and equipment costs are correlated in the sense that for all tasks the cheaper equipment gives no smaller task time. Given the cycle time and number of workstations we aim to find the assignment of tasks and equipments to the workstations that minimizes the total equipment cost. We study a special case of the problem with identical task times. For the general case, we develop a branch and bound algorithm that uses powerful lower bounds and reduction mechanisms. We test the performance of our branch and bound algorithm on randomly generated test problems. The results of our experiments have revealed that we are able to solve large-sized problem instances in reasonable times.

Diversas pesquisas e estudos científicos mostram que uma grande porcentagem das pessoas com deficiência é excluída do mercado de trabalho, sobretudo em países em desenvolvimento. Com o intuito de alterar essa realidade, destacam-se, entre outras medidas, a criação de Centros de Trabalho para Deficientes (CTDs). Tais organizações empregam trabalhadores com deficiência em vários setores empresariais, dando-lhes oportunidades iniciais e preparando-os para que possam, mais tarde, ser inseridos no mercado de trabalho convencional. Vários destes centros operam linhas de produção, principal objeto de estudo desta tese. Nosso estudo é situado em uma etapa idealmente posterior aos CTDs, referente à inserção de trabalhadores com deficiência em linhas de produção convencionais. A demanda por estudos neste contexto tem crescido nos últimos anos, devido sobretudo a políticas corporativas de responsabilidade social e exigências legislativas, como a \"Lei das Cotas\", presentes em diversos países. O planejamento da operação de linhas de produção na presença de trabalhadores com deficiência envolve uma série de desafios, devido à heterogeneidade entre trabalhadores, que faz com que o tempo de execução das tarefas seja dependente de cada indivíduo. Nos deparamos, assim, com um problema de dupla alocação, em que as variáveis de decisão determinam as tarefas a serem inseridas em estações e a alocação de trabalhadores para as mesmas, de modo a otimizar alguma medida de eficiência. O balanceamento de linhas de produção convencionais com uma parcela de trabalhadores com deficiência é denominado problema de balanceamento de linhas de produção e integração de trabalhadores (ALWIBP, do inglês: assembly line worker integration and balancing problem), sendo um caso particular do problema de balanceamento de linhas de produção e designação de trabalhadores (ALWABP, do inglês: assembly line worker assignment and balancing problem), cuja ocorrência é mais comum em linhas de CTDs. Nosso objetivo consiste em estudar formas eficientes de proporcionar a integração de trabalhadores com deficiência em linhas convencionais. Para tanto, abordamos variações do ALWIBP que consideram: (i) minimização de diferentes funções objetivo (número de estações ou tempo de ciclo); (ii) linha de produção com leiautes distintos (simples ou em U); (iii) incertezas quanto ao tempo de execução de cada tarefa (abordagem robusta); (iv) estratégias de rotação de tarefas ou alocação de trabalhadores com deficiência na linha com espaçamento regular. Para cada uma destas extensões, foram desenvolvidos formulações matemáticas, métodos de resolução e novos conjuntos de instâncias teste. Experimentos computacionais indicam possibilidades de adaptação de linhas de produção convencionais à inserção de trabalhadores com deficiência, a custos adicionais baixos ou quase nulos. Portanto, este trabalho oferece alternativas para uma maior flexibilidade na integração de pessoas com deficiência, tornando-os tão eficientes quanto qualquer outro trabalhador denominado \"convencional\". / A number of studies show that a large percentage of disabled people are excluded from the labor market, in particular in developing countries. In order to deal with this problem, one can highlight the importance of Sheltered Work Centers for Disabled (SWDs). These organizations employ disabled workers in various corporate sectors, giving them initial opportunities and preparing them so that they can be later integrated into the conventional labor market. Many of these centers operate assembly lines, the main object of study of this thesis. Our study considers an ideally later stage of SWDs, related with the insertion of disabled workers in conventional assembly lines. The demand for studies in this field has grown over the years, due to corporate social responsibility policies and legal requirements such as \"quotas legislations\", present in many countries. Planning the operation of assembly lines with disabled workers involves a series of challenges due to the heterogeneity among workers, which are reflected in task times being worker dependent. This results in a double allocation problem, where decisions must determine both the tasks and the workers to be assigned to the stations, in order to optimize some efficiency measure. The conventional assembly line balancing with a parcel of disabled workers is known as the assembly line worker integration and balancing problem (ALWIBP), being a particular case of the assembly line worker assignment and balancing problem (ALWABP), which occurance is more common in SWDs. Our goal consists in studying efficient ways to promote the integration of people with disabilities in conventional assembly lines. For that, we address ALWIBP variants that consider: (i) minimization of different objective functions (number of stations or cycle time); (ii) different assembly line layouts (simple or U-shaped); (iii) uncertainties on task execution times (robust approach); (iv) job rotation strategies or allocation of disabled workers in the line with regular spacing. For each of these extensions, we develop mathematical formulations, solution methods and new sets of benchmark instances. Computational experiments indicate possibilities for adapting conventional assembly lines to the insertion of disabled workers, at low or close to null additional costs. Therefore, this study offers alternatives ways of increasing exibility in the integration of people with disabilities, making them as efficient as any other conventional worker.

O problema de balanceamento de linhas de produção e designação de trabalhadores (ALWABP, do inglês Assembly Line Worker Assignment and Balancing Problem ) é uma extensão do problema simples de balanceamento de linhas na qual os tempos de execução de tarefas são dependentes dos trabalhadores. Este problema tem sua motivação prática oriunda de linhas de produção com trabalhadores deficientes. Neste trabalho, focamos em uma extensão para o problema que permite lidar com a possibilidade de layouts de linhas com estações em paralelo. Além disso, estudamos uma segunda variante do problema que permite que os trabalhadores colaborem uns com os outros em uma mesma estação. Apresentamos formulações matemáticas para ambas as versões do problema. Adicionalmente, a partir de adaptações de métodos existentes para o ALWABP serial, desenvolvemos heurísticas construtivas para o ALWABP paralelo e ALWABP colaborativo. Testes computacionais em instâncias da literatura e uma análise detalhada dos resultados são apresentados / The assembly line and worker assignment balancing problem is an extension of the classical simple assembly line balancing problem where task execution times are workerdependent. This problem is motivated by the situation faced when balancing assembly lines with disabled workers. In this study, we focus on an extension for the problem with the goal of including the possibility of having layouts with parallel workstations. We also study a second variation for this problem that allows workers collaborating with each other. We present mathematical formulations for both problems. Moreover, constructive heuristics are developed, based on heuristic methods for the serial assembly line worker assignment and balancing problem. Computational tests on literature instances and a detailed analysis of the results are reported

Linhas de produção são sistemas fabris para produção em larga escala, com grande importância no sistema industrial atual. Como se trata de um sistema já consolidado, é natural que existam métricas de desempenho e estratégias para otimização de eficiência para as diversas configurações de linhas de produção existentes. Este trabalho se concentra em linhas seriais não-ritmadas e estocásticas. Em particular, o interesse é no efeito de se desbalancear adequadamente uma linha de produção para melhorar sua produtividade, o que é denominado na literatura de fenômeno Tigela (Bowl phenomenon). Uma revisão da literatura mostrou que esse fenômeno já foi estudado em diferentes cenários: linhas com e sem buffers, diversos perfis de carga ao longo da linha e diferentes distribuições probabilísticas regendo os tempos de execução das tarefas. Contudo, nenhum dos estudos considerou a indivisibilidade das tarefas, isto é, o fato de que cada tarefa deve ser executada em uma única estação. Essa é a principal lacuna explorada neste estudo. Para isso, são utilizadas instâncias recentemente propostas do Problema Simples de Balanceamento de Linhas de Produção (SALBP, na sigla em inglês) e instâncias do Problema de Designação de Trabalhadores e Balanceamento de Linhas de Produção (ALWABP), que são solucionadas a partir de modelos de programação inteira mista que induzem soluções de acordo com o efeito Tigela. Essas soluções são utilizadas em um modelo de simulação estocástico, também apresentado neste trabalho. Em linhas gerais, os resultados mostram que as soluções do SALBP e ALWABP obtidas podem se beneficiar do efeito Tigela. Além disso, a variedade das instâncias utilizadas nos experimentos argumentam em favor de uma maior capacidade de generalização dos resultados para casos práticos se comparados aos casos simplificados previamente discutidos na literatura. / Assembly lines are large-scale production systems with great value in modern industrial systems. Perfomance measures and strategies have been proposed in order to evaluate and improve the efficiency of numerous assembly line configurations. This dissertation focuses on serial unpaced (stochastic) assembly lines. In particular, the interest of this study is in the effect of deliberately unbalacing the line in a specific manner in order to enhance its performance, a strategy that exploits the so-called Bowl phenomenon. The literature has studied this phenomenon in different scenarios: buffered and unbuffered lines, different workload profiles along the line and different probabilistic task time distributions. However, none of the identified studies considers task indivisibility, an intrisic characteristic of real-world assembly line balancing problems, namely, each task has to be executed in a single station. This is the main gap explored in this study. Thereunto, we use recently proposed instances for the Simple Assembly Line Balancing Problem (SALBP) and some Assembly Line Worker Assignment and Balancing Problem (ALWABP) instances, which are solved using mixed integer programming models capable of inducing bowl workload profiles. These solutions are used as input in a stochastic simulation model, also presented in this study. Overall, the results show that SALBP and ALWABP solutions may benefit from the Bowl phenomenon. Furthermore, the variety of the instances considered in the experiments allows for a better generalization of the results to real-world scenarios if compared to the simplified cases previously shown in the literature.

Dans un environnement compétitif et incertain, l'industrie automobile est confrontée à de nouveaux défis pour répondre aux exigences des clients, qui sont en constante évolution. La personnalisation de masse a augmenté considérablement la diversité des produits et par conséquent, a mis à l’épreuve la capacité des systèmes de production existants à faire face à cette nouvelle conjoncture. La convertibilité traduit la capacité du système de production à produire une diversité de produits à moindre coût. Cette thèse analyse la définition et les dimensions de la convertibilité et examine les inducteurs de la convertibilité des systèmes de production et plus particulièrement celle des lignes d'assemblage automobile. En se basant sur les pratiques industrielles, un nouveau concept, baptisé AutoConvert, autour de la convertibilité du système d’assemblage automobile est explicité. Celui-ci met en exergue l'impact de l’introduction d’une nouvelle variante du produit sur les trois éléments principaux qui composent un système d’assemblage, à savoir les produits, les processus et les ressources. Ensuite, trois indicateurs technologiques sont construits pour quantifier la convertibilité du système d’assemblage et fournir, à la fois aux concepteurs des produits et des lignes d’assemblage, un outil d'aide à la décision pour appuyer leurs orientations et leurs choix. Aussi, une étude de coûts est également menée afin de compléter et consolider les indicateurs technologiques. La pertinence de l'approche est expérimentée sur des cas réels de l'industrie automobile. / : In a highly competitive and uncertain environment, the automotive industry is facing new challenges to meet customer requirements that are constantly changing. Mass customization caused that product variety increased drastically and consequently, tested the capacity of the existing production systems to cope with this new situation. Convertibility is the ability of the assembly system to cope with product variety with minimum cost. This thesis analyzes the definition and dimensions of convertibility and investigates the change drivers that make convertibility important for the case of automotive assembly lines.Based on industrial practices, a new concept is developed, named AutoConvert, regarding the automotive assembly line convertibility. It analyzes the impact of the introduction of a new variant on the three main elements which compose an assembly system, namely Products, Processes and Resources. Then, three technological indicators’ are built to quantify assembly line convertibility and provide both assembly line and product designers’ with efficient decision-making support tools to support their orientations and choices. A cost study is also conducted in order to complete and consolidate the technological indicators. The relevance of the approach is experimented in real cases from the automotive industry.

No

The main goal of this diploma thesis is new lay – out of organizational structure of assembly lines, which is leading to the material flow shortening and elimination of problems with factionalism of industrial process. In this thesis is introduce the company, where is proposed new organizational structure of assembly lines, together with description of deficiencies current organization. The good know ledges of assembly process and technology is important for the right modification. According theoretic findings it was proposed new organizational structure of assembly lines and the cost saving was calculated

Replenishment is an important process in automotive industries. It is the process by which parts required at assembly lines are stored and organized in assembly lines supermarket. Over many years replenishment have been done with the aim of positively impacting the varying demand frequency of articles in multi flows mixed-model assembly lines (MMALs) operating in just-in-time (JIT) fashion. However, a series of successive replenishment actions have negative impacts on the number of reallocation movements of parts within volume flows of supermarkets especially within a context of multi-flows supermarkets (MFSs). The cost of movements of parts within the supermarket has not been taken into consideration in previous replenishment methods. This is a significant problem since both un-optimized reallocation movements, and articles misplacement resolutions lead to production halts which cost assembly plants valuable time and money. Therefore, this research study proposes a replenishment method that optimizes flow of material within multi-flow assembly lines supermarkets and hence reduces the cost due to reallocation movement of multi-flow assembly lines supermarkets. The proposed method has been evaluated in the context of Volvo automobile engine assembly plant in Skövde. The proposed replenishment method has been evaluated by conducting an experiment using real-world data for the assembly plant in context. Performance metrics such as accuracy, F1-score, precision, sensitivity, and specificity were used to demonstrate the utility and validity of the proposed method. The evaluation results showed that the proposed method for optimizing material flow in supermarkets performed better than the existing method. In addition to utility, the proposed method provides contribution to knowledge by providing means for the industry to adopt replenishment method that takes into consideration the cost of reallocation movements of the parts within the supermarket.

O problema de balanceamento de linhas de produção e designação de trabalhadores é uma extensão do problema simples de balanceamento de linhas onde os tempos de execução de tarefas são dependentes dos trabalhadores. Este problema tem sua motivação prática oriunda de linhas de produção com trabalhadores com deficiência. Nesta tese de doutorado estudamos duas extensões para o problema: a primeira layouts de linhas com estações em paralelo, enquanto que a segunda possibilita o uso de múltiplas linhas. As extensões fora aplicadas tanto ao problema básico quanto para o problema de rotação de tarefas. Apresentamos formulações matemáticas e métodos exatos e heurísticos para todos os casos. Teste computacionais em instâncias da literatura e novas instâncias e uma análise detalhada dos resultados são apresentados. / The assembly line worker assignment and balancing problems is an extension of the simple assembly line balancing problem in which the task execution times depend on the assigned workers. This problem draws its practical motivation from assembly lines with workers with disabilities. In this doctoral thesis, we study two extensions for this problem: the first one allows layouts with parallel workstations, while the second one allows multiple parallel lines. These extensions were applied for the base problem as well as the job rotation problem. We present mathematical formulations and exact and heuristic methods for all cases. Computational tests in instances from literature and new instances and detailed analysis of the results are presented.

O problema de balanceamento de linhas de produção e designação de trabalhadores é uma extensão do problema simples de balanceamento de linhas onde os tempos de execução de tarefas são dependentes dos trabalhadores. Este problema tem sua motivação prática oriunda de linhas de produção com trabalhadores com deficiência. Nesta tese de doutorado estudamos duas extensões para o problema: a primeira layouts de linhas com estações em paralelo, enquanto que a segunda possibilita o uso de múltiplas linhas. As extensões fora aplicadas tanto ao problema básico quanto para o problema de rotação de tarefas. Apresentamos formulações matemáticas e métodos exatos e heurísticos para todos os casos. Teste computacionais em instâncias da literatura e novas instâncias e uma análise detalhada dos resultados são apresentados. / The assembly line worker assignment and balancing problems is an extension of the simple assembly line balancing problem in which the task execution times depend on the assigned workers. This problem draws its practical motivation from assembly lines with workers with disabilities. In this doctoral thesis, we study two extensions for this problem: the first one allows layouts with parallel workstations, while the second one allows multiple parallel lines. These extensions were applied for the base problem as well as the job rotation problem. We present mathematical formulations and exact and heuristic methods for all cases. Computational tests in instances from literature and new instances and detailed analysis of the results are presented.