فصل دوم: ادبیات تحقیق.. 8

2-1. مقدمه. 9

2-2. پردازش بدون انتظار. 14

2-2-1. سیستم تولید جریانی با دو ماشین.. 14

2-2-2. سیستم تولید جریانی با بیش از دو ماشین.. 15

2-2-3. سیستم تولید جریانی منعطف… 16

2-3. زمان نصب وابسته به توالی کارها 18

2-3-1. سیستمهای تولید جریانی.. 19

2-3-2. سیستمهای تولید جریانی بدون انتظار. 20

2-4. محدودیت کاری ماشین آلات… 21

2-5. استراتژی های مدیریت تولید. 22

2-6. تابع هدف… 24

2-7. جمع بندی.. 25

فصل سوم: مدل ریاضی پیشنهادی.. 26

3-1. مقدمه. 27

3-2. تعریف مسئله. 27

3-2-1. مفروضات مسئله. 28

3-3. مدل پیشنهادی.. 29

3-3-1. پارامترهای ورودی مسئله. 29

3-3-2. متغیرهای تصمیم گیری مسئله. 30

3-3-3. تابع هدف… 31

3-3-4. محدودیت ها 32

3-4. اعتبارسنجی مدل. 37

3-4-1. اعتبارسنجی مدل به کمک مساله حل شده 37

3-4-2. اعتبار سنجی مدل به کمک مسئله تولیدی.. 38

3-5. تعیین پیچیدگی مسئله. 40

3-6. جمع بندی.. 42

فصل چهارم: الگوریتم های فراابتکاری پیشنهادی و نتایج محاسباتی.. 43

4-1. مقدمه. 44

4-2. الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی.. 45

4-2-1. شمای کلی الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی.. 47

4-2-2. مفاهیم الگوریتم تولید انتخابی سیستم ایمنی مصنوعی و نحوه بکارگیری آنها 48

4-2-2-1. کدگذاری جواب.. 48

4-2-2-2. تولید جامعه اولیه 50

4-2-2-3. تابع تطابق. 52

4-2-2-4. عملگر تکثیر. 52

4-2-2-5. عملگر جهش… 53

4-2-2-6. شروط توقف… 54

4-3. الگوریتم تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری.. 56

4-3-1. شمای کلی الگوریتم تبرید شبیه سازی شده 57

4-3-2. تئوری ابری.. 57

4-3-3. الگوریتم تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری.. 59

4-3-3-1. مفاهیم الگوریتم تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری و نحوه بکارگیری آنها 59

4-3-3-1-1. نمایش جواب.. 60

4-3-3-1-2. تابع ارزیابی جواب.. 60

4-3-3-1-3. تولید جواب همسایگی.. 61

4-3-3-1-4. معیار پذیرش جواب.. 61

4-3-3-1-5. فرایند تبرید. 61

4-4. مسائل آزمایشی.. 63

4-5. تنظیم پارامترهای الگوریتم ها(کالیبراسیون) 66

4-5-1. تنظیم پارامترهای الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی.. 67

4-6.  ارزیابی عملکرد الگوریتم ها 71

4-7. جمع بندی.. 76

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات.. 77

5-1. نتیجه گیری و پیشنهادات آتی.. 78

فهرست منابع. 81

 

فهرست جداول
عنوان                                                                                                      صفحه  

جدول 2-1. نمادهای متداول برای . 10

جدول 2-2. نمادهای متداول برای . 11

جدول 2-3. نمادهای متداول برای . 12

جدول 2-4. مسائل تولید جریانی با محدودیت پردازش بدون انتظار. 16

جدول 2-5. مسائل سیستم تولید جریانی با محدودیت زمان نصب وابسته به توالی کارها 20

جدول 2-6. مسائل سیستم تولید جریانی با محدودیت حجم کاری ماشین آلات… 22

جدول 2-7. مسائل با محدودیت استراتژی های ترکیبی مدیریت تولید. 24

جدول 2-8. مسائل سیستم تولید جریانی با تابع هدف های تولید به موقع. 25

جدول 3-1. تغییرات اعمال شده در مدل پیشنهادی جهت اعتبارسنجی.. 37

جدول 3-2. داده های لازم جهت پیاده سازی مدل ریاضی.. 39

جدول 4-1. پارامترهای تولید شده تصادفی. 64

 

جدول 4-2. مسائل آزمایشی تولید شده. 65

جدول 4-3. سطوح ارائه شده برای تنظیم پارامترهای الگوریتم تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری. 69

جدول 4-4. جدول آرایه های متعامد L9. 70

جدول 4-5. میانگین مقادیر  به ازای پارامترها و سطوح آنها. 70

جدول 4-6. نتایج  الگوریتمه ای سیستم ایمنی مصنوعی و تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری. 72

 

فهرست شکل ها و نمودارها
عنوان                                                                                                      صفحه  

شکل 3-1. نمای کلی مسئله مورد بررسی.. 28

شکل 3-2. گانت چارت جواب بهینه مسئله طراحی شده جهت اعتبارسنجی مدل ریاضی. 40

شکل 3-4. سلسله مراتب پیچیدگی در توابع هدف مسائل زمانبندی [6]. 41

شکل 3-3. سلسله مراتب پیچیدگی در مسائل کارگاهی زمانبندی [6]. 41

شکل 4-1. نمایش کدگذاری جواب در الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی. 49

شکل 4-2. نمایش نحوه افراز فضای جواب در الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی. 52

شکل 4-3. شبه برنامه الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی. 56

شکل 4-4. نمایش سه ویژگی یک ابر با توزیع نرمال [35]. 58

شکل 4-5. مقایسه فرایند تبرید دما در دو الگوریتم [35]. 60

شکل 4-6. شبه برنامه الگوریتم تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری. 63

شکل 4-7. نمودار مقادیر مختلف . 69

شکل 4-8. نمودار  برای پارامترهای الگوریتم تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری. 71

شکل 4-9. مقایسه  الگوریتم های سیستم ایمنی مصنوعی و تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری. 73

شکل 4-10. مقایسه سرعت همگرایی الگوریتم های سیستم ایمنی مصنوعی و تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری. 74

شکل 4-11. نمودارهای واکنش الگوریتم های سیستم ایمنی مصنوعی و تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری نسبت به تغییر تعداد ایستگاه های کاری. 75

شکل 4-12. نمودارهای واکنش الگوریتم های سیستم ایمنی مصنوعی و تبرید شبیه سازی شده با رویکرد ابری نسبت به تغییر بیشینه تعداد محصولات قابل سفارش. 76

 

فصل اول
کلیات تحقیق
 

1-1. مقدمه
زمان­بندی[1] را می­توان فرایند تخصیص منابع عمدتا محدود به فعالیت­ها با در نظر گرفتن دوره­های زمانی و با رویکرد بهینه­سازی یک یا چند هدف تعریف کرد.

امروزه با توجه به افزایش رقابت در بازارهای جهانی، بهبود مستمر عملکرد سیستم­های تولیدی و خدماتی برای افزایش توان رقابتی آنها ضروری به نظر می­رسد. از آنجا که زمان­بندی به عنوان یک فرایند تصمیم ­گیری در صورت استفاده درست می ­تواند تاثیر قابل ملاحظه­ای در بهبود عملکرد سیستم­ها داشته باشد، مطالعه و بکارگیری این علم با شیب تندی رو به افزایش است.

اصولا فرایند زمان­بندی برای یک سیستم مشخص با تعریف یک مدل ریاضی آغاز می­گردد. این مدل مختصات و ویژگی­های سیستم واقعی را به تصویر می­کشد. هر مدل ریاضی از دو بخش توابع هدف و محدودیت­ها تشکیل می­شود. محدودیت­های مدل زمان­بندی براساس ویژگی­ها و محدودیت­های حاکم بر منابع و فعالیت­های سیستم شکل می­گیرد. از ویژگی­های منابع می­توان به نوع و میزان آنها، زمان دسترسی به آنها اشاره کرد. ویژگی­های فعالیت­ها نیز شامل منابع مورد نیاز برای هر واحد فعالیت، زمان مورد نیاز، موعد تحویل و … خواهد بود. توابع هدف نیز که عمدتا بیانگر هزینه­ های ناشی از تخصیص منابع به فعالیت­ها است، منعکس کننده اهداف مدیریت سیستم از اجرای زمان­بندی است و معمولا حول محورهای بهره ­برداری کاراتر از سیستم تولیدی، تحویل به موقع فعالیت­ها، انطباق کامل زمان­های تحویل با موعدهای تحویل و… می­گردد.

از آنجا که غالب مسائل مطرح شده در حوزه زمان­بندی که باعث بسط و گسترش این علم نیز گردیده­اند با نگاهی به مسایل واقعی در محیط­های صنعتی بوده ­اند، واژه­های بکار رفته در این حوزه علمی نیز عموما برخاسته از محیط­های صنعتی خواهند بود. براین اساس، در بیان مسائل زمان­بندی از لفظ ماشین در معنای منبع و از واژه کار به عنوان فعالیت نام برده می­شود. در نتیجه این تعاریف می­توان گفت در یک مسئله زمان­بندی غالبا کارها روی مجموعه ­ای از ماشین­ها که در ایستگاه­های کاری با نظم و اولویت­بندی خاصی چیده شده ­اند پردازش می­شوند.

مسائل زمان­بندی بسته به تعداد و نحوه چیدمان ماشین­ها به شاخه­های متعددی تقسیم می­شود. ساده­ترین حالت، زمان­بندی تک ماشین است. این مسئله اگرچه ساده به نظر می­رسد اما پایه و اساس مسائل پیچیده­تر را تشکیل می­دهد.

همگام با گسترش سیستم­های تولیدی مسائل زمان­بندی نیز پیچیدگی بیشتری پیدا کردند. در یک تقسیم­بندی کلی چیدمان ماشین­آلات در یک فضای صنعتی می ­تواند به صورت سری[2](جریانی)، موازی[3] و یا ترکیبی از این دو حالت باشد. در حالت سری هر کار باید از همه یا تعدادی از ماشین­هایی که به طور سری قرار گرفته­اند عبور کند. در حالت چیدمان موازی، تعدادی ماشین با عملکرد مشابه یا غیر مشابه به صورت موازی چیده شده­اند. در این محیط مفهوم تخصیص کار به ماشین­ها اهمیت پیدا خواهد کرد. در حالت آخر که البته به دنیای واقعی نزدیک­تر است مفهوم ایستگاه­های کاری نمود بیشتری می­یابد. در یک سیستم ترکیبی عموما چندین ایستگاه کاری وجود دارد که در هریک از آنها چندین ماشین با چیدمان­های متفاوت اعم از سری و موازی وجود دارند.

در این تحقیق، مسئله یافتن توالی بهینه کارها در سیستم تولیدی جریانی بدون انتظار[4] منعطف[5] مورد بررسی قرار می­گیرد. این سیستم تولیدی مدل بسط یافته روش تولیدی سری است. در این سیستم ایستگاه­های کاری که به طور متوالی قرار گرفته­اند، هر کدام حاوی چند ماشین هستند که به صورت موازی چیده شده­اند. در ادامه فصل، مسئله مذکور به طور کامل تشریح می­شود.

1-2. تعریف مسئله
سیستم تولید جریانی منعطف حالت تعمیم یافته­ای از سیستم تولید جریانی است. در این حالت ایستگاه­های کاری به صورت متوالی قرار می­گیرند و هر ایستگاه حاوی تعدادی ماشین با عملکرد یکسان یا غیر یکسان است. هر کار به محض ورود به ایستگاه کاری باید با استراتژی مشخصی به یکی از ماشین­ها تخصیص یابد. البته انتخاب یکی از ماشین­ها یک ضرورت نیست و در برخی مسائل یک کار می ­تواند در اثنای عمل پردازش ماشین خود را تغییر دهد.

در یک سیستم تولید جریانی ممکن است بین تمام شدن کار در یک ایستگاه تا ورود کار به ایستگاه بعدی به دلیل مشغول بودن ایستگاه بعدی، خرابی آن یا دلایل دیگر وقفه زمانی وجود داشته باشد. اما برخی ویژگی­های حاکم بر کارها ممکن است با چنین وقفه­هایی در تضاد باشد. از این رو بسیاری از سیستم­های تولیدی شرط سیستم جریانی بدون انتظار را به دلیل محدودیت­هایی که در تولید کارها وجود دارد به کار می­برند [28]. برای مثال، در تولید محصولات فولادی، فلز ذوب شده باید بدون هیچ اتلاف زمانی از ایستگاه ذوب فلز به ایستگاه های بعدی منتقل شود چرا که در غیر این صورت دمای مذاب به سرعت کاهش یافته و برای شکل­دهی مناسب نخواهد بود. بسیاری از صنایع مهم نظیر صنایع ذوب فلز و آلیاژ، پلاستیک، فرایندهای پتروشیمی و … از این سیستم تبعیت می­ کنند.

یکی از مهم­ترین مسائل در مدیریت تولید[6] و به طبع آن زمان­بندی یک سیستم تولیدی تعیین استراتژی تولید است. به این معنی که محصول تولیدی برای برآورده کردن نیاز یک مشتری خاص ساخته می­شود یا به عبارتی تولید برای سفارش[7] است یا برای تامین نیازهای بازار ساخته می­شود و پس از تولید به انبار می­رود یا به عبارتی تولید برای ذخیره[8] است. از آنجا که زمان رسیدن سفارش در سیستم تولید برای سفارش در دست مشتریان است، تحویل به موقع و چرخه تولید کوتاه و واقعی به عنوان فاکتورهای رقابتی اصلی برای بردن سهم بیشتری از بازار  شناخته می­شوند در حالی که در سیستم­های تولید برای ذخیره بالا بودن نرخ بهره­برداری، نرخ خروجی، و نرخ رسیدن محصول از فاکتورهای رقابتی اصلی هستند [16]. امروزه در غالب محیط­های صنعتی تلفیقی از دو استراتژی­ مورد استفاده قرار می­گیرد. در این میان چالش اصلی زمان­بندی همزمان تمامی کارها است به نحوی که هم نیازهای بازار و هم نیازهای مشتریان به بهترین شکل برآورده شود.

هر سیستم تولیدی به صورت معمول توانایی تولید یک یا چند محصول را دارد. در استراتژی تولید برای سفارش ممکن است سفارش تحویل شده به مرکز تولیدی به یکی از چند حالت زیر باشد: یا سفارش براساس همان محصولات قابل تولید برای سیستم تعریف شده باشد، که در این حالت سفارش دهنده ترکیبی از محصولات استاندارد تولیدی کارخانه را سفارش داده و موعد تحویل مشخصی را برای آنها تعیین می­ کند. یا سفارش برای تولید نیاز به انجام تغییراتی در خط تولید معمول سیستم دارد. به عبارت بهتر مشتری خواهان مقداری شخصی سازی در سفارش است. در این صورت ممکن است در زمان­های پردازش یا در تعداد عملیات­های تولید تغییراتی حاصل شود. و حالت سوم که ترکیبی از دو حالت قبلی است، به این معنی که مشتری تعدادی محصول بدون تغییر و تعدادی محصول همراه با تغییر را سفارش می­دهد. از آنجا که سیستم تولیدی مورد بحث در این پژوهش تولید جریانی بدون انتظار بوده و محصولات تولیدی توسط این سیستم نظیر قطعات فولادی یا مواد پتروشیمی عموما دارای استانداردهای بین ­المللی هستند، لذا در این پژوهش استراتژی تولید برای سفارش نوع اول مورد بررسی قرار می­گیرد.

امروزه با توجه به مختصات بازارهای جهانی و لزوم حفظ توانایی رقابتی برای محیط­های تولیدی مفهوم تولید به موقع[9] به خوبی پذیرفته شده است. تولید به موقع به معنای در نظر گرفتن همزمان هزینه­ های ناشی از تولید زودتر از موعد یا زودکرد[10] و هزینه­ های دیرکرد[11] است. از آنجا که مفاهیم مربوط به تولید به موقع در غالب هزینه بیان می­شوند، به کارگیری این مفاهیم در مسائل زمان­بندی اغلب در توابع هدف مدل ریاضی نمود می­یابند.

در این تحقیق، مسئله زمان­بندی سیستم تولید جریانی بدون انتظار منعطف با محدودیت زمانی ظرفیت تولید روی ماشین آلات و درنظر گرفتن استراتژی ترکیبی تولید برای سفارش و تولید برای ذخیره با هدف حداقل کردن مجموع هزینه­ های ناشی از رد سفارشات، تحویل ناقص سفارشات و زودکرد و دیرکرد وزنی مورد بررسی قرار می­گیرد. یک مدل برنامه ریزی غیرخطی برای این مسئله ارائه می­شود. همچنین دو الگوریتم فراابتکاری[12] سیستم ایمنی مصنوعی[13] و تبرید شبیه­سازی شده با رویکرد تئوری ابری[14] برای حل این مسئله ارائه می­گردد.

1-3. اهداف تحقیق
از آنجا که سیستم تولید جریانی بدون انتظار برای تولید محصولات استراتژیکی همچون صنایع فولاد و ذوب فلزات و پتروشیمی کاربرد دارد، تلاش در جهت بهره ­برداری کارا از سیستم تولیدی ضروری به نظر می­رسد. براین اساس، این تحقیق با هدف کاهش فاصله میان مطالعات تئوریک حوزه زمان­بندی و مسائل واقعی دنیای صنعت انجام می­گردد. لذا، یک مدل ریاضی جدید برای مسئله سیستم تولید جریانی منعطف بدون انتظار با محدودیت ظرفیت تولید و استراتژی ترکیبی مدیریت تولید ارائه می­شود. به علاوه جهت یافتن توالی بهینه کارها دو الگوریتم فراابتکاری سیستم ایمنی مصنوعی و تبرید شبیه­سازی شده با رویکرد ابری برای مسئله مذکور پیاده­سازی می­شوند.

1-4. مفروضات مسئله
مفروضات حاکم بر مدل ریاضی ارائه شده برای مسئله مورد بحث به شرح زیر است:

تمام ماشین­آلات در لحظه صفر در دسترس خواهند بود و برای آنها هیچ­گونه خرابی متصور نیست.