Assembly line balancing
Authors: Γενηκομσάκης Κωνσταντίνος 
Published: January 2014

Το τελευταίο στάδιο μαζικής παραγωγής προϊόντων σε βιομηχανική κλίμακα συχνά συνίσταται στη συναρμολόγηση των εξαρτημάτων που τα αποτελούν με αυστηρά καθορισμένο τρόπο, ώστε να επιτυγχάνονται οι απαραίτητες μηχανικές ή/και ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ τους. Με αυτόν τον δομημένο τρόπο σχεδίασης ενός προϊόντος, αφενός είναι δυνατή η κατασκευή μιας οικογένειας ομοειδών προϊόντων με την προσθήκη, την αφαίρεση ή/και την αλλαγή ενός ή περισσοτέρων εξαρτημάτων από ένα βασικό προϊόν και αφετέρου διευκολύνεται η οργάνωση της παραγωγής του σε γραμμές συναρμολόγησης. Οι γραμμές παραγωγής είναι τα επικρατέστερα συστήματα μαζικής παραγωγής για ένα ευρύ φάσμα προϊόντων, από απλές ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές συσκευές έως αυτοκινούμενα οχήματα. Είναι προφανές ότι οι γραμμές συναρμολόγησης προϊόντων αποκτούν ιδιαίτερη σημασία στη χαμηλού κόστους μαζική παραγωγή τυποποιημένων αγαθών, καθώς επίσης και στην χαμηλού όγκου παραγωγή εξατομικευμένων προϊόντων. Το πρόβλημα της ανάθεσης των στοιχείων εργασίας, που απαρτίζουν τη διαδικασία συναρμολόγησης ενός προϊόντος, σε σταθμούς εργασίας κατά τρόπο που να βελτιστοποιούνται ένα ή περισσότερα μέτρα απόδοσης και ταυτόχρονα να ικανοποιούνται οι περιορισμοί προτεραιοτήτων μεταξύ των εργασιών, αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως το πρόβλημα της εξισορρόπησης γραμμών παραγωγής. Το πρόβλημα της εξισορρόπησης γραμμών παραγωγής προϊόντων (και οι παραλλαγές του) ανήκει στην κατηγορία προβλημάτων συνδυαστικής βελτιστοποίησης NP-hard και επομένως ο αντικειμενικός του στόχος συχνά ανάγεται στην εύρεση εφικτών μη-βέλτιστων λύσεων για γραμμές παραγωγής μεγάλης κλίμακας. Η κατάσταση επιδεινώνεται με τη θεώρηση της έμφυτης μεταβλητότητας των χρόνων εκτέλεσης των εργασιών συναρμολόγησης. Η εκτενής ανάλυση της βιβλιογραφίας αναδεικνύει ότι η συνήθης πρακτική της οργάνωσης γραμμών παραγωγής στηρίζεται στη χρήση πλειάδας μαθηματικών εργαλείων σε δεδομένα που θεωρείται ότι έχουν ντετερμινιστική υφή, παρότι αντιπροσωπεύουν κατά βάση ασαφή τεχνο-οικονομικά κριτήρια. Με δεδομένη τη μεταβλητότητα της παραγωγής, η προσέγγιση αυτή οδηγεί συχνά σε συστημικές αστοχίες που δεν είναι δυνατόν να προβλεφθούν από τα αναλυτικά εργαλεία. Επιπρόσθετα, οι τυπικές μέθοδοι εξισορρόπησης γραμμών παραγωγής συχνά υιοθετούν μια αυστηρά μαθηματική θεώρηση του προβλήματος και σπάνια λαμβάνουν υπόψη την πραγματική φύση των εργασιών που απαιτούνται για τη συναρμολόγηση του προϊόντος καθώς και τη συνάφεια μεταξύ των εργασιών αυτών. Παρόλο που η προσέγγιση αυτή αποφέρει θεωρητικά βέλτιστο ρυθμό παραγωγής, συχνά οδηγεί σε ακατάλληλες αναθέσεις εργασιών σε σταθμούς εργασίας που στερούνται λειτουργικότητας και ενδέχεται να μην είναι πρακτικά υλοποιήσιμες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή υποστηρίζεται ότι αντί να βελτιώνουμε σταδιακά την επίδραση των αλγοριθμικών τεχνικών σε ιδανικές συνθήκες, πρέπει να αναπτύξουμε ένα συνοπτικό πλαίσιο εργασίας για την αποτίμηση της πραγματικής απόδοσης υπό ρεαλιστικές συνθήκες και της λειτουργικότητας των προτεινόμενων λύσεων, που αναπαριστούν υλοποιήσεις γραμμών παραγωγής, πριν την οριστική εφαρμογή τους στην πράξη. Κατά συνέπεια, η προσέγγιση που παρουσιάζεται εδώ αποτελείται από δύο βασικές ενότητες. Στην πρώτη ενότητα αναπτύσσεται μια πλατφόρμα προσομοίωσης, η οποία παρέχει ένα αξιόπιστο εργαλείο για την αποτίμηση της πραγματικής παραγωγικότητας των προτεινόμενων ντετερμινιστικών λύσεων σε τυπικά προβλήματα εξισορρόπησης γραμμών παραγωγής, θεωρώντας μεταβλητούς χρόνους εκτέλεσης των εργασιών συναρμολόγησης. Ειδικότερα, προσομοιώνονται εναλλακτικές καταστάσεις ροής των ημιέτοιμων προϊόντων στους σταθμούς εργασίας για τις προτεινόμενες λύσεις. Συγκεκριμένα, μοντελοποιούνται ως γραμμές παραγωγής με χρονισμό (paced), σύγχρονες χωρίς βηματισμό (unpaced synchronous) και ασύγχρονες χωρίς βηματισμό (unpaced asynchronous), και τα αποτελέσματα που προκύπτουν αναδεικνύουν τα μειονεκτήματα των υφιστάμενων μέτρων απόδοσης να χαρακτηρίσουν επακριβώς την ποιότητα της εξισορρόπησης των προτεινόμενων λύσεων. Για το σκοπό αυτό προτείνεται ένας καινοτόμος δείκτης για την περίπτωση των γραμμών παραγωγής με χρονισμό, ενώ εξάγονται πολύτιμα συμπεράσματα για τις δύο περιπτώσεις γραμμών παραγωγής χωρίς χρονισμό, σύγχρονες και ασύγχρονες. Στη δεύτερη ενότητα, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην λειτουργικότητα των προτεινόμενων λύσεων του προβλήματος της εξισορρόπησης. Αναφέρεται στη βιβλιογραφία ότι η ανάθεση συναφών εργασιών στο ίδιο σταθμό εργασίας προσφέρει διακριτά πλεονεκτήματα και επιτυγχάνεται με μικρές μειώσεις στον θεωρητικό ρυθμό παραγωγής. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή διερευνά την εφαρμογή μιας καινοτόμου έννοιας για τη βελτίωση της λειτουργικότητας των προτεινόμενων αναθέσεων εργασίας σε σταθμούς εργασίας, και παράλληλα προτείνει ένα λεπτομερές πλαίσιο για την αξιολόγηση της λειτουργικότητάς τους, λαμβάνοντας υπόψη την εγγύτητά τους στο διάγραμμα προτεραιοτήτων, που αποτελεί την τυπική μέθοδο απεικόνισης της διαδικασίας συναρμολόγησης ενός προϊόντος.