Assembly line balancing: assessment tools and indices

Abstract

Most industrially-manufactured durable goods are designed in a modular structure such that inserting, changing and/or excluding specific interchangeable parts, which integrate customizable attributes of a base product, facilitates organizing their production in assembly lines. The importance of assembly lines extends from low unit cost production of standardized goods to the low-volume production of customized products, from simple electronics devices to motor vehicles. The problem of assigning the set of timed tasks (work elements) required to assemble a product to workstations with the objective of optimizing some performance measures, while satisfying precedence constraints, is known as the Assembly Line Balancing (ALB) problem. The ALB problem (and its variants) is an NP-hard combinational optimization problem and for large-scale lines the objective is often reduced to finding feasible solutions. The situation is further exacerbated by the time variability inherent in assembly tasks. A rigorous analysis of the literature on the field reveals that the common practice of organizing production in assembly lines is typically based on applying numerous mathematical tools on data that are frequently regarded of deterministic nature, even though they represent techno-economical criteria under uncertainty. Moreover, conventional approaches assume a strict mathematical posture for ALB and seldom take into consideration the actual nature of the tasks and their interrelations, resulting to inconvenient task assignments of poor applicability. In this doctoral thesis, it is advocated that instead of incrementally improving the performance envelope of algorithmic techniques in ideal situations, we should develop a concise framework to assess the actual performance under realistic conditions and the practicality of the proposed assembly lines before they are implemented in practice. Accordingly, the approach presented here consists of two parts. In the first part, simulation experiments are employed as a reliable tool for assessing the production output of proposed deterministic solutions to benchmark ALB problems under variable task processing times. The proposed assembly lines are simulated with alternative flow control modes, namely paced, unpaced synchronous and unpaced asynchronous transfer of the work pieces to the workstations, and the results obtained reveal the shortcomings of existing ALB performance measures to accurately characterize the quality of a line balance. To this end, a novel index is proposed for the case of paced assembly lines, while valuable conclusions are drawn for the two latter cases, namely unpaced synchronous and unpaced asynchronous assembly lines. In the second part, the focus is shifted on the practicality of the proposed ALB solutions. It has been postulated in the literature that assigning related tasks to workstations offers several benefits at the expense of a slight decrease in theoretical production rate. In this context, this thesis explores the applicability of a novel concept to enhance the practicality of proposed task assignments as well as proposes a detailed framework to assess their practicality in terms of their proximity on the precedence diagram, which is the typical representation scheme of the assembly process employed for ALB purposes.

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.