Modélisation et optimisation des Hoist Scheduling Problems

Modeling and Optimization for Hoist Scheduling Problems

• Auteur / Autrice : Jianguang Feng
• Direction : Chengbin Chu, Ada Che
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies industrielles
• Date : Soutenance le 24/08/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Northwestern Polytechnical University (Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire génie industriel (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Feng Wu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ada Che, Vincent Mousseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Jouglet, Hua Li

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surface

Programmation en nombres entiers

Optimisation mathématique

Programmation linéaire

Ordonnancement (gestion)

Mots clés libres

Hoist scheduling

Optimisation

Programmation linéaire mixte en nombres entiers

Hoist scheduling

Optimization

Mixed-integer linear programming

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions des Hoist Scheduling Problems (HSP) qui se posent fréquemment dans des lignes automatiques de traitement de surface. Dans ces lignes, des ponts roulants sont utilisés pour transporter les pièces entre les bains. Ainsi, les ponts roulants jouent un rôle essentiel dans la performance de ces lignes ; et un ordonnancement optimal de leurs mouvements est un facteur déterminant pour garantir la qualité des produits et maximiser la productivité. Les lignes que nous étudions comportent un seul pont roulant mais peuvent être des lignes de base ou des lignes étendues (où des bains sont à fonctions et/ou capacités multiples). Nous examinons trois Hoist Scheduling Problems : l’optimisation robuste d’un HSP cyclique, l’ordonnancement dynamique d’une ligne étendue de type job shop et l’ordonnancement cyclique d’une telle ligne.Pour l’optimisation robuste d’un HSP cyclique, nous définissons la robustesse comme la marge dans le temps de déplacement du pont roulant. Nous formulons le problème en programmation linéaire en nombres mixtes à deux objectifs pour optimiser simultanément le temps de cycle et la robustesse. Nous démontrons que le temps de cycle minimal augmente avec la robustesse, et que par conséquent la frontière Pareto est constituée d’une infinité de solutions. Les valeurs minimales et maximales des deux objectifs sont établies. Les résultats expérimentaux à partir de benchmarks et d’instances générées aléatoirement montrent l’efficacité de l’approche proposée.Nous étudions ensuite un problème d’ordonnancement dynamique dans une ligne étendue de type job shop. Nous mettons en évidence une erreur de formulation dans une un modèle existant pour un problème similaire mais sans bains multi-fonctions. Cette erreur peut rendre l’ordonnancement obtenu sous-optimal voire irréalisable. Nous construisons un nouveau modèle qui corrige cette erreur. De plus il est plus compact et s’applique au cas avec des bains à la fois à capacités et à fonctions multiples. Les résultats expérimentaux menés sur des instances avec ou sans bains multi-fonctions montrent que le modèle proposé conduit toujours à une solution optimale et plus efficace que le modèle existant.Nous nous focalisons enfin sur l’ordonnancement cyclique d’une ligne étendue de type job shop avec des bains à fonctions et capacités multiples. Nous construisons un modèle mathématique en formulant les contraintes de capacité du pont roulant, les intervalles des durées opératoires, et les contraintes de capacité des bains. Nous établissons également des contraintes valides. Les expériences réalisées sur des instances générées aléatoirement montrent l’efficacité du modèle proposé.

This thesis studies hoist scheduling problems (HSPs) arising in automated electroplating lines. In such lines, hoists are often used for material handing between tanks. These hoists play a crucial role in the performance of the lines and an optimal schedule of the hoist operations is a key factor in guaranteeing product quality and maximizing productivity. We focus on extended lines (i.e. with multi-function and/or multi-capacity tanks) with a single hoist. This research investigates three hoist scheduling problems: robust optimization for cyclic HSP, dynamic jobshop HSP in extended lines and cyclic jobshop HSP in extended lines.We first study the robust optimization for a cyclic HSP. The robustness of a cyclic hoist schedule is defined in terms of the free slacks in hoist traveling times. A bi-objective mixed-integer linear programming (MILP) model is developed to optimize the cycle time and the robustness simultaneously. It is proved that the optimal cycle time strictly increases with the robustness, thus there is an infinite number of Pareto optimal solutions. We established lower and upper bounds of these two objectives. Computational results on several benchmark instances and randomly generated instances indicate that the proposed approach can effectively solve the problem.We then examine a dynamic jobshop HSP with multifunction and multi-capacity tanks. We demonstrate that an existing model for a similar problem can lead to suboptimality. To deal with this issue, a new MILP model is developed to generate an optimal reschedule. It can handle the case where a multi-function tank is also multi-capacity. Computational results on instances with and without multifunction tanks indicate that the proposed model always yields optimal solutions, and is more compact and effective than the existing one.Finally, we investigate a cyclic jobshop HSP with multifunction and multi-capacity tanks. An MILP model is developed for the problem. The key issue is to formulate the time-window constraints and the tank capacity constraints. We adapt the formulation of time-window constraints for a simpler cyclic HSP to the jobshop case. The tank capacity constraints are handled by dealing with the relationships between hoist moves so that there is always an empty processing slot for new parts. Computational experiments on numerical examples and randomly generated instances indicate that the proposed model can effectively solve the problem.