On the assessment of manufacturing systems complexity

Abstract

Objective of the present study is the development of methods for the assessment of manufacturing systems complexity and the investigation of flexibility and complexity relationship. Towards this target, a complete approach based on information theory permitting the analytical, quantitative and systematic modeling and quantification of both static and dynamic manufacturing complexity is proposed. Static complexity concerns the structure of the manufacturing systems, namely the products, the processes, the resources that constitute the systems as well as their interconnections. Static complexity is treated as the information that is required for the description of a manufacturing system. Multi domain matrices modeling the relationships between products, processes and resources are formalized as networks following the notions of graph theory. The information content of each matrix is assessed employing Shannon entropy measure and their aggregation yields the static complexity. Dynamic complexity is related to the uncertainty in the behaviour of a manufacturing system and in the present study is associated with the unpredictability of the performance indicators timeseries. The unpredictability of the performance indicators timeseries, which are provided by computer simulation, is captured employing the Lempel Ziv algorithm that calculates the Kolmogorov complexity. The dynamic complexity is either the unpredictability of a specific timeseries or the weighted mean of a series of performance indicators timeseries produced under different product demand scenarios. The relationship between flexibility and complexity is investigated for a group of 19 different configurations of a manufacturing system. In particular, operation flexibility that refers to the system’s ability to produce a set of products through different machines, materials, operations and sequences of operations and total complexity, and both static and dynamic are examined employing a utility function. As a case study, two assembly lines producing three car floor model types at three different product mixes are investigated. The dynamic complexity of each assembly line is assessed and the relationship between product mix and dynamic complexity is studied. The evaluation of the case study revealed the efficiency of the suggested approach validated its applicability to industrial environments.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για την εκτίμηση πολυπλοκότητας συστημάτων παραγωγής και η διερεύνηση της σχέσης ευελιξίας και πολυπλοκότητας. Προς αυτή την κατεύθυνση προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση βασισμένη στην θεωρία της πληροφορίας που επιτρέπει μια αναλυτική, ποσοτικοποιημένη και συστηματική προτυποποίηση και εκτίμηση τόσο της στατικής όσο και της δυναμικής πολυπλοκότητας των συστημάτων παραγωγής. Η στατική πολυπλοκότητα αφορά την δομή των συστημάτων παραγωγής, και σχετίζεται με τα προϊόντα, τις διεργασίες, τους παραγωγικούς πόρους που αποτελούν το σύστημα καθώς και τις μεταξύ τους σχέσεις. Η στατική πολυπλοκότητα αντιμετωπίζεται ως η πληροφορία που απαιτείται για να περιγραφεί ένα σύστημα παραγωγής. Πολυ-πεδιακοί πίνακες αναπαριστούν τις σχέσεις μεταξύ προϊόντων, διεργασιών και πόρων και προτυποποιούνται ως δίκτυα ακολουθώντας την θεωρία γράφων. Το πληροφοριακό περιεχόμενο κάθε πίνακα εκτιμάται με την χρήση της εντροπίας Shannon και το άθροισμα για όλους τους πίνακες δίνει την στατική πολυπλοκότητα. Η δυναμική πολυπλοκότητα σχετίζεται με την αβεβαιότητα της συμπεριφοράς των συστημάτων παραγωγής και στην παρούσα διατριβή συνδέεται με την απροβλεψιμότητα των χρονοσειρών δεικτών απόδοσης ενός συστήματος. Οι χρονοσειρές των δεικτών απόδοσης προκύπτουν από υπολογιστική προσομοίωση και η απροβλεψιμότητα τους εκτιμάται με των αλγόριθμο Lempel Ziv ο οποίος υπολογίζει την πολυπλοκότητα Kolmogorov. Η δυναμική πολυπλοκότητα είναι η απροβλεψιμότητα είτε μιας συγκεκριμένης χρονοσειράς είτε ο σταθμισμένος μέσος όρος ενός συνόλου χρονοσειρών δεικτών απόδοσης. Η σχέση ευελιξίας – πολυπλοκότητας διερευνάται για 19 διαμορφώσεις ενός συστήματος παραγωγής. Συγκεκριμένα, η ευελιξία λειτουργίας που αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος να παράγει ένα σύνολο προϊόντων χρησιμοποιώντας διαφορετικές μηχανές και διεργασίες και πολυπλοκότητα τόσο η στατική όσο και η δυναμική μελετώνται με μια συνάρτηση χρησιμότητας. Ως περίπτωση μελέτης εξετάζονται δύο γραμμές συναρμολόγησης που παράγουν τρία δάπεδα αμαξιού σε τρία μείγματα παραγωγής. Η δυναμική πολυπλοκότητα κάθε γραμμής και η σχέση μείγματος παραγωγής και δυναμικής πολυπλοκότητα μελετώνται. Η αξιολόγηση της περίπτωσης μελέτης αποδεικνύει την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων σε βιομηχανικό περιβάλλον.