Takım çalışması esaslı demontaj hattı işgören atama ve dengeleme problemi için oyun teorisi odaklı yaklaşımlar
Game theory-oriented approaches for multi-manned disassembly line worker assignment and balancing problem
Yazar: YILDIZ KÖSE
Danışman: PROF. DR. EMRE ÇEVİKCAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN ERTEMEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering

Özet:
Doğal kaynakların korunması, enerji tasarrufu, çevresel kirliliğin azalması ve yeşil iş imkanları sürdürülebilir bir gelecek için gerekli olduğundan ürün geri kazanımının teşvik edilmesi ve desteklenmesi önemlidir. Ürün geri kazanımı atık ürünlerin, malzemelerin veya bileşenlerin toplanması, ayrıştırılması ve işlenerek yeniden kullanıma veya geri dönüşüme kazandırılması sürecidir. Yeniden imalat sayesinde de geri kazanılmış malzemeler, yeni ürünlerin üretiminde kullanılarak kaynakların daha verimli bir şekilde tüketilmesini sağlar, yeni hammaddelerin çıkarılmasını azaltır, atıkların üretimiyle ilişkili olan çevresel etkileri engeller ve yeni iş imkanları yaratır. Bu bağlamda yeniden üretim ve ürün geri kazanımı kavramları döngüsel ekonomi modelinin temel parçalarıdır. Bu kavramlar içerisinde demontaj işlemi önemli bir adımdır. Demontaj faaliyetlerinin iyi yapılandırılmış demontaj hatları aracılığıyla kaynakların etkin bir şekilde kullanılarak yürütülmesi, ürün geri kazanım sürecinin verimliliği üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Bir ürünün yeniden kullanımı için gerekli olan demontaj, ürünün bileşenlerine veya alt montajlarına sistematik bir şekilde ayrılmasıdır. Ürün demontajı için yüksek verim oranı elde etmek ve otomasyonu sağlayabilmek adına en uygun tasarım bir hücre veya bir iş istasyonundan ziyade akış hatlarıdır. Bu hatlarda tek parça akışın sağlanması verimliliği artırarak, hataları azaltarak ya da görünür yaparak ve zamanın etkin bir şekilde kullanılmasını sağlayarak stok miktarını azaltır, maliyeti düşürür ve müşteri taleplerine daha hızlı yanıt verme yeteneği sağlar. Tek parça akışı sağlamak için de önemli noktalardan biri hattın etkin bir şekilde dengelenmesidir. Bu bağlamda demontaj hattı dengeleme problemi (DHDP), demontaj işlerinin çeşitli kısıtları karşılayarak iş istasyonlarına dağıtılması olarak ifade edilebilir. Etkin bir şekilde çözülen DHDP ekonomik, çevresel ve sosyal avantajları sunarak sürdürülebilirlik hedeflerine katkıda bulunur. 
Demontaj hattının fiziksel ve operasyonel yönleri, DHDP için çeşitli çözüm yöntemlerinin geliştirilmesine yol açmıştır. Sistem tasarımı yönlerinden biri takım çalışması esaslı demontaj hatlarıdır. Bu tasarım birden fazla çalışanın bir istasyonda aynı ürün üzerinde eşzamanlı olarak farklı işlemleri yürüttüğü takım çalışması esaslı demontaj hatlarıdır. Bu tür demontaj hattının performans, teslim süresi, alan kullanımı, esneklik ve çalışan motivasyonu üzerinde olumlu etkileri vardır. Ayrıca kusurların çabuk fark edilmesi ve görerek öğrenme de bu istasyonlarda çalışanlar arasındaki bilgi ve deneyim paylaşımı, iş birliği içinde hareket etme ve ortak hedeflere odaklanma sayesinde gerçekleşir. Diğer bir DHDP çözüm yöntemi geliştirme potansiyeli olan yön ise insan faktörüne dayanmaktadır. Bir demontaj hattında çalışanların performansları farklı beceri ve çabalarından dolayı heterojenlik göstermektedir. Dolayısıyla bir demontaj işinin işlem zamanı, kalitesi ve çıktı oranı çalışana bağlı olarak değişebilmektedir. Bu varsayım, problem ile gerçek hayat uygulamaları arasındaki tutarlılığı sağlar. Organizasyonel bakış açısıyla bakıldığında ise atama kararlarında çalışanların tercihlerinin dikkate alınması DHDP için yeni bir yönelimdir. Günümüz örgütlerinde çalışanların tercihlerini dikkate almak iş memnuniyetinin, motivasyonun ve performansın yükseltilmesini sağladığından, çalışan bağlılığını artırmak ve onlara esnek çalışma programları sunmak cazip hale gelmiştir. Tüm bu yönler aynı anda dikkate alındığında DHDP çok amaçlı optimizasyon problemine dönüşmektedir. Bu problemde bazıları birbiriyle çelişebilen çeşitli amaçlar olması nedeniyle çözüme ulaşılması zor olan bir problem türüdür. Bu tarz problemde karar vericiler, tek bir çözüm yerine birbirine baskın olmayan çözümlerden oluşan Pareto optimal çözüm kümesini kullanarak kendi hedefleri doğrultusunda en çok tercih edilen çözümü bulma eğilimindedirler. 
Bu çalışmada ele alınan demontaj hattı işgören atama ve dengeleme probleminde (DHİADP) yalnızca heterojen çalışanlara sahip takım çalışması esaslı iş istasyonları değil, aynı zamanda çalışanların demontaj işleri üzerindeki tercihleri ve performansları da dikkate alınmaktadır. Bu doğrultuda, yeni çok amaçlı karma tamsayılı doğrusal programlama modeli (KTDPM), amaçları işgören sayısını, iş istasyonu sayısını, iş yükü dengesizliğini en aza indirmek, işgören memnuniyetini ve performansını en üst düzeye çıkarmak olan beş amaçla formüle edilmiştir. Aynı anda dikkate alınan ve birbiriyle çelişebilen çeşitli amaç fonksiyonlarının varlığı DHDP'de çözüme ulaşmanın zor olmasına neden olabilmektedir. Bu nedenle bu çalışmada ele alınan DHİADP bağlamında oyun teorisi odaklı yaklaşımlardan yararlanılarak sezgisel yöntemler geliştirilmiştir. Etmenleri iş, okul, ev gibi kaynaklarla verimli ve adil bir şekilde eşleştirmek için kullanılan eşleştirme algoritmaları uyarlanmıştır. Bu amaçla, Olasılıksal seri, Rassal diktatörlük ve Ertelemeli kabul algoritmalarının çeşitli versiyonlarını formüle edilmiştir. Eşleştirme algoritmaları gibi oyun teorisi odaklı sezgisel yöntemler, birden fazla etkileşimli karar vericinin olduğu problemler de dahil olmak üzere çok çeşitli karar verme problemlerine uygulanabilir. Birden çok etmenin aynı anda aynı kaynağı kullanmak istemesi gibi, farklı etmenlerin veya kaynakların amaçlarının çeliştiği durumlarla başa çıkabilirler. 
Olasılıksal seri, Rassal diktatörlük ve Ertelemeli kabul algoritmalarını içeren oyun teorisi mekanizmalarına ve işgören tercihlerini ve performanslarını içeren listelere göre altı farklı sezgisel yöntem geliştirilmiştir. Geliştirilen sezgisel yöntemlerin performansını test etmek ve karşılaştırmak için çeşitli analizler yapılmıştır. Demontaj hattı dengeleme literatüründeki algoritmalar ile endüstriyel vakalar üzerinden karşılaştırılması yapılarak önerilen algoritmaların geçerliliği test edilmiştir. Literatürde montaj hattı dengeleme problemlerinin çözümü için kullanılan bazı test problemleri, geliştirilen bir prosedür ile demontaj hattı dengeleme problemlerine uygun olacak şekilde dönüştürülmüştür. Yeni oluşturulan doksan tane test örneği üzerinden önerilen altı sezgisel yöntemin birbirleriyle karşılaştırılması yapılmıştır. Küçük problemler üzerinden optimal sonuçlara göre sezgisel yöntemleri karşılaştırmak için de problemin matematiksel modeli Artırılmış Epsilon Kısıt Yöntemi 2 (AUGMECON2) metodu ile çözülmüştür. Yeni oluşturulan test problemlerinin çözümleri üzerinde yapılan istatistiksel analizler ile DHDP çözümünü etkileyen faktörlerin etkileri ortaya konulmuştur. Bağımlı değişken olarak alan kullanım faktörünü (AKF), bağımsız değişken olarak çevrim süresi ve esneklik oranını içeren bir varyans analizi (ANOVA) testi gerçekleştirilmiştir. Önerilen sezgisel yöntemlerin üstünlüğü karşılaştırmalı çalışmalarla gösterildikten sonra atık elektrikli ve elektronik eşya (AEEE) endüstrisindeki bir çamaşır makinesi demontaj sistemine uygulanmıştır. Uygulama, klasik bir demontaj sistemi tasarımına kıyasla önerilen sistemin demontaj hazırlık süresi (%65) ve alan gereksinimi (%64) için performans artışı sağladığını göstermiştir.
DHDP'nin popüler bir araştırma konusu olduğu düşünüldüğünde, bu çalışmanın sunduğu katkılar literatürü oldukça zenginleştirecektir. Bu katkılardan biri oyun teorisine dayalı yaklaşımlar geliştirilerek ilk kez takım çalışması esaslı istasyonlarla demontaj hattı dengeleme probleminin çözülmesidir. Dahası DHDP'inde işgören tercihleri modellenerek çalışan memnuniyeti ilk kez ele alınmıştır. İşgören becerilerine ve çabalarına dayalı olarak demontaj işlerinin süreleri tempo derecelendirme yöntemine başvurularak hesaplanmış ve işgörene bağlı olarak kabul edilmiştir. Literatürdeki montaj hattı dengeleme veri setinin demontaj hattı dengeleme veri setine dönüştürülmesi için bir prosedür geliştirilmiş ve geliştirilen sezgisellerin performans karşılaştırması bu veri kümeleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Son olarak da çamaşır makinesi demontajı için gerçek bir endüstriyel DHDP veri seti literatüre kazandırılmıştır.

Abstract:
Product recovery is promoted as the protection of natural resources, energy savings, reduction of environmental pollution, and green jobs are essential for a sustainable future. Product recovery is collecting, sorting, and processing waste products, materials, or components for reuse or recycling. Through remanufacturing, recycled materials are used in the production of new products, enabling more efficient use of resources, reducing the extraction of new raw materials, preventing the environmental impacts associated with waste products, and creating new job opportunities. In this context, remanufacturing and product recovery are essential parts of the circular economy model. The circular economy decouples economic growth from resource consumption, waste generation, and disposal by incorporating reuse, remanufacturing, and recycling processes in their supply chains. The most critical and time-consuming step of remanufacturing is disassembly which refers to the extraction of valuable components and subassemblies from the End-of-Life (EOL) products. A reduction of the disassembly related time and cost will increase the viability of the circular economy. The efficient use of resources through well-structured disassembly lines has a direct impact on the product recovery process. Because of the reprocessing of EOL products in bulk, high throughput rates, and integration of automation to disassembly processes, the flow line can be regarded as the most appropriate system for disassembly rather than a cell or a workstation. By increasing efficiency, identifying hidden abnormalities, and using time effectively, one-piece flow on these lines reduces inventory and costs, and provides the ability to respond to customer requests more quickly. One of the important points to ensure a one-piece flow is effective line balancing. Moreover, due to the unpredictability of the quantity, quality, timing, and content of parts and subassemblies of waste products, disassembly lines have a higher complexity. The improvement of disassembly line balancing is caused by these issues. In this context, the disassembly line balancing problem (DLBP) can be expressed as the assignment of disassembly tasks to workstations by satisfying various constraints. Effectively resolved DHDP contributes to sustainability goals by offering economic, environmental, and safety advantages.
The physical and operational aspects of the disassembly line have led to the development of various solution methods for DLBP. One of the system design aspects is team-oriented disassembly line design. This design has the line where more than one operator simultaneously performed different operations on the same product at a workstation. Team-oriented disassembly line has positive effects on performance, lead time, space utilization, flexibility, and operator motivation. In addition, rapid identification of defects and learning by glance are realized through sharing of knowledge and experience among operators, acting in cooperation and focusing on common goals. On the other hand, as a neglected issue for disassembly lines, multi-manned stations bring the necessity to keep workload balance among workers within stations. Another aspect that has the potential to develop a DLBP solution method is based on the human factor. The performance of workers on a disassembly line include heterogeneity due to their different skills and efforts. Therefore, the performing time, quality, and output rate of a disassembly task may vary depending on the operator. This assumption ensures consistency between the problem and real-life applications. From an organizational viewpoint, considering the preferences of the operators in assignment decisions provides a new orientation for DLBP. In today's organizations, it has become attractive to increase employee loyalty and offer flexible work programs to them, since taking into account the preferences of the employees in their assignment decisions increases job satisfaction, motivation, and performance. When all these aspects are considered at the same time, DLBP transforms into a multi-objective optimization problem. It is a type of problem that is NP-hard because of various objectives some of which may conflict with each other. Furthermore, the inclusion of worker-dependent task times and multi-manned workstations increase the complexity of DLBP. In this type of problem, decision-makers tend to find the most preferred solution in line with their concerns by using the Pareto optimal solution set instead of a single solution.
In the disassembly line worker assignment and balancing problem (DLWABP) discussed in this study, not only team-oriented workstations with heterogeneous operators, but also the preferences and performances of operators on disassembly tasks are taken into account. Accordingly, the new multi-objective mixed integer linear programming model (MILPM) has been formulated with five objectives whose are to minimize the number of operators, the number of workstations, workload imbalance, and maximize operator satisfaction and performance. The existence of various objective functions some of which may conflict with each other can make it difficult to reach a solution in DLBP. To this end, heuristic methods have been developed by using game theory-oriented approaches in the context of the DLWABP. Game theory provides a collection of models that helps analysing of interactive situations in which several decision-makers take action and outcome depends on each decision makers. Matching algorithms that are generally used to match agents with resources, such as jobs, schools, houses in an efficient and fair way are adapted. To this end, we formulate several versions of probabilistic serial, random dictatorship, and deferred acceptance algorithms. Game theoretical heuristics such as our matching algorithms can be applied to a wide range of decision-making problems, including those with multiple, interacting decision-makers. They can handle situations where the objectives of different agents or resources are conflicting, such as when multiple agents want to use the same resource at the same time. Therefore, the main motivation of this study is to integrate game theory into DLWABP with the consideration of worker preferences and performance. Such an approach has potential of enhancing disassembly line performance together with worker satisfaction. Probabilistic Serial Mechanism (PSM), Random Serial Mechanism (RSM), and Deferred Acceptance Algorithm (DAA) are powerful methods to generate heuristics for the DLWABP.
Six different heuristic methods have been developed according to game theory mechanisms including probabilistic serial, random serial dictatorship, and deferred acceptance algorithms and workers' lists including workers' preferences and performances. Various comparative analyses were performed to compare the performance of the developed heuristics. The validity of the proposed algorithms has been tested by comparing the algorithms in the disassembly line balancing literature with industrial cases. Some test problems used for the solution of assembly line balancing problems in the literature have been transformed in a way that is suitable for the solution of disassembly line balancing problems with a developed procedure. The proposed six heuristic methods were compared with each other over ninety newly created test samples including small, medium, and large-sized problems. The mathematical model of the problem is solved with the augmented ϵ-constrained 2 (AUGMECON2) method to compare the heuristic methods according to optimal results over small-sized problems. The effects of the factors affecting the DLBP solution were revealed with the statistical analyses on the solutions of the newly generated test problems. An analysis of variance (ANOVA) test was performed, which included space utilization factor (SUF) as dependent variables, cycle time and flexibility ratio as independent variables. After demonstrating the superiority of the proposed heuristics in comparative studies, it was applied to a washing machine disassembly system in the waste electrical and electronic equipment (WEEE) industry. Application has shown that the proposed system provides performance improvement for disassembly setup time (65%) and space requirement (64%) compared to a conventional disassembly system design. The proposed heuristics can effectively balance workers factor and economic benefits. For the washing machine disassembly case and test problems, numerous solutions are obtained via the proposed heuristics. These solutions have a focus on worker satisfaction or worker performance while minimizing number of workers, number of workstations, and workload imbalance. Therefore, decision makers can use different methods according to their concerns
This interdisciplinary study blends the realms of economics and industrial engineering, bringing together diverse perspectives and expertise. By leveraging algorithms and game theory, disassembly line balancing is aimed. To emphasize the quality of the study, we have addressed the novelty, methodologies, and managerial insights. Firstly, considering that the disassembly line balancing problem is a popular research topic, this study has several novelties to the literature. One of these is to develop game theory-based approaches to solve the DLBP with team-oriented disassembly line. Moreover, in the DLBP, operators' preferences are modelled and satisfaction was discussed for the first time. Based on operator skills and efforts, disassembly task times were calculated using the tempo rating method. A system has been developed to convert the assembly line data set in the literature to the disassembly line data set and a real industrial data for washing machine disassembly has been brought to the literature. These exemplary data will provide convenience in setting a guideline for researchers dealing with disassembly lines and organizations in the remanufacturing industry. Secondly, the contribution of the study in terms of methodological aspect is depending on multi-objective MILPM for disassembly line balancing with multi-manned workstations coded in GAMS-CPLEX, six different game theory-oriented heuristics algorithms coded in MATLAB-coded software, and ANOVA modelled in SPSS. Finally, crucial managerial insights are gained from the study in terms of various factors such as economics, design, planning, and sustainable society. The economic implications of the study are related to short lead times, low computational time of the algorithms, higher efficiency of disassembly line, and higher solution quality of the developed algorithms. The relationships between design for disassembly and disassembly line balancing are mentioned in the context of implications. Precise capacity determination by providing a one-piece flow for disassembly processes is a fundamental part of production planning and control. Last but not least, human-centred aspects of the disassembly process considering workers' preferences, skills, and effort ratios have impacts on a sustainable society.