Equilibrado de líneas de montaje en paralelo con estaciones multilínea y dimensionado de buffers

Abstract

(English) Assembly lines are mass production systems which are relevant in the manufacture of standard and customized products. One of the most elementary optimization problems in this field is the Assembly Line Balancing Problem (ALBP). ALBP consists of assigning a set of tasks to a set of ordered stations, satisfying some specific constraints, in such a way that one or more objectives are optimized. Nowadays, companies dedicated to production usually have more than one assembly line or multiple lines to face demand fluctuations, design reasons, group products in different lines, etc. The use of multiple lines located in parallel has attracted the interest of researchers in the last years. Parallel assembly lines are two or more lines that, if they are close enough, can be balanced together using shared stations (multi-line stations) between adjacent lines. In a multi-line station, the operator performs tasks assigned to his/her station of two adjacent lines in the cycle time of each line. Parallel Assembly Lines Balancing Problem (PALBP) can have lines with different cycle times. As a consequence of working with different cycle times, the systems with multi-line stations may have to produce in batches. In that case, the use of buffers in multi-line stations may be needed. The review of the state-of-the-art of PALBP reveals that no studies consider the use of some type of buffers in the case of production in batches. It should be noted that not considering the need (existence and sizing) of buffers in the PALB with lines with different cycle times can lead to the design of academic solutions that cannot be implemented in the industry. This doctoral thesis deals with the parallel assembly lines balancing problem and buffer sizing (PALBP-B). Precisely, PALBPB consists of a PALB system with multi-line stations and lines with different cycle times, in which there is the possibility of needing buffers. The problem of study in this thesis focuses on the PALBP-B of straight lines and single model. The PALBP-B resolution consists of two (sub)problems that should be solved simultaneously: 1) line balancing: assigning tasks to stations (and its definition as regular or multi-line stations); and 2) buffers sizing in the multi-line stations. The review of the state-of-the-art reveals that the problem presented in this thesis has not been studied in the literature. This implies defining and formalising the PALBP-B. First, the buffer sizing (sub)problem is characterized and defined, and a mixed integer linear programming (MILP) model and two modifications derived from it are presented for its optimal resolution. In addition, non-exact procedures (heuristics and metaheuristic) are also presented to solve real-size instances. Secondly, nonexact procedures (heuristics and metaheuristics) are presented in order to solve the PALBP-B, that is, the line balancing (sub)problem and the buffer sizing (sub)problem (using the procedures developed previously for this purpose) together. All the methods developed to solve the buffer sizing (sub)problem are evaluated via a computational experiment based on a set of instances generated for this purpose. The approximate approaches developed to solve the PALBP-B are evaluated via an exhaustive computational experiment based on a set of realistic instances from the literature.

(Español) Las líneas de montaje son sistemas de producción en masa las cuales tienen una relevancia en la fabricación de productos estándar y personalizados. Uno de los problemas de optimización más elementales en este ámbito es el problema de equilibrado de líneas de montaje (Assembly Line Balancing Problem (ALBP)). EL ALBP consiste en asignar un conjunto de tareas a una serie de estaciones, satisfaciendo a su vez una serie de restricciones, de tal forma que uno o más objetivos son optimizados. Actualmente es común que las empresas dedicadas a la producción dispongan de más de una línea de montaje o líneas múltiples, ya sea para hacer frente a fluctuaciones en la demanda, por motivos de diseño, agrupar productos en diferentes líneas, etc. El uso de líneas múltiples, como por ejemplo las líneas ubicadas en paralelo, han suscitado el interés de los investigadores en los últimos años. Las líneas de montaje en paralelo son dos o más líneas que, si están ubicadas suficientemente cerca, pueden ser equilibradas conjuntamente utilizando estaciones compartidas (estaciones multilínea) entre líneas adyacentes. En una estación multilínea, el operario realiza las tareas asignadas a su estación de dos líneas adyacentes, en el tiempo de ciclo de cada línea. Los problemas de equilibrado de líneas de montaje en paralelo (Parallel Assembly Lines Balancing Problem (PALBP)) pueden presentar líneas con tiempos de ciclo diferentes. Como consecuencia de trabajar con tiempos de ciclo diferentes, los sistemas con estaciones multilínea pueden tener que producir en lotes, por lo que, en ese caso puede ser necesario el uso de buffers en dichas estaciones. La revisión del estado del arte del PALBP revela que no hay ningún estudio que manifieste el uso de algún tipo de almacenaje (o buffers) en el caso de producir en lotes. Y cabe mencionar que no considerar la necesidad (existencia y dimensionado) de buffers en el equilibrado de líneas en paralelo con líneas con tiempos de ciclo diferente, puede llevar a diseñar soluciones académicas no implementables en la industria. Esta tesis doctoral trata el problema de equilibrado de líneas de montaje en paralelo y dimensionado de buffers (PALBP-B). En específico, el PALBP-B consiste en un sistema PALB con estaciones multilínea y líneas con tiempos de ciclo diferentes, en el cual existe la posibilidad de necesitar buffers. El problema de estudio en esta tesis se centra en el PALBP-B de líneas rectas y modelo único. La resolución del PALBP-B implica solucionar dos (sub)problemas que, idealmente, se deberían resolver de manera simultánea: 1) equilibrado de líneas: asignación de las tareas a las estaciones (y su definición como estación regular o multilínea); y 2) dimensionado del buffer en las estaciones multilínea. La revisión del estado del arte manifiesta que el problema presentado en esta tesis no ha sido estudiado en la literatura, lo que conlleva a definir y formalizar el PALBP-B. En primer lugar, se caracteriza y se define el (sub)problema de dimensionado de buffers, y se presenta un modelo de programación lineal entera mixta (PLEM) y dos modificaciones respecto al modelo original, para su resolución óptima. Además, también se presentan procedimientos no exactos (heurísticos y metaheurístico) para resolver ejemplares de un tamaño realista. En segundo lugar, se presentan procedimientos no exactos (heurísticos y metaheurísticos) con el fin de resolver el PALBP-B, es decir, el (sub)problema de equilibrado de líneas y el (sub)problema de dimensionado de buffers (utilizando los procedimientos desarrollados anteriormente para este fin) de manera conjunta. La evaluación de los procedimientos desarrollados para resolver el (sub)problema de dimensionado de buffers se realiza mediante un conjunto de ejemplares generados para este fin. Los procedimientos para resolver el PALBP-B se evalúan mediante ejemplares realistas extraídos de la literatura.