بخشی از مقاله
تشکیل سلول و طراحی چیدمان در سیستم های تولید سلولی
چکیده
تولید سلولی (CM) رویکردی است که در محیطهای تولیدی کوچک - متوسط، باعث افزایش کارایی، انعطاف پذیری و بسیاری از مزایای دیگر می شود. طراحی یک سیستم تولید سلولی به طور کلی شامل ۲ تصمیم اصلی است: تشکیل سلول که در آن خانواده قطعات و گروههای ماشین آلات برای تولید قطعات مشخص می شوند و طراحی چیدمان که در آن چیدمان سلولها و همچنین چیدمان درون سلولی هر دو موردنظر میباشند. این دو تصمیم به یکدیگر مرتبط می باشند؛ به طوری که چیدمان سلولها و چیدمان درون سلولی میتواند بر تشکیل سلولی و تصمیمات تشکیل سلولی میتواند بر چیدمان کل سیستم تأثیرگذار باشد. محققین از دو رویکرد مرحلهای و همزمان برای حل این مسائل استفاده کردهاند. در این تحقیقی سعی شده است تا مرور کامل بر فرضیات، محدودیتها، اهداف و روشهای حلی در نظر گرفته شده در مقالاتی
که این دو مسئله را به صورت یکجا مورد بررسی قرار داده اند، انجام شود.
واژههای کلیدی: تولید سلولی، تشکیل سلولی، تکنولوژی گروهی، طراحی چیدمان
۱- مقدمه
سیستمهای تولید سلولی سیستمهایی هستند که در آنها هر سلولی که از گروهی از ماشینها تشکیل شده است، مخصوصی به تولید زیرمجموعه خاصی از قطعات است که خانواده قطعات نامیده می شود. و مرلوو و هییر || ۱ || طراحی سیستمهای تولید سلولی را به ۴ بخش تقسیم می کنند: ۱- تشکیل سلول (تعیین خانواده قطعات و گروههای ماشین آلات) ۲- تعیین چیدمان درون سلولی (موقعیین ماشینهای درون سلولی نسبت به یکدیگر در هر سلولی) و چیدمان سلولی (تعیین موقعیت سلولها نسبت به یکدیگر در محیط کارگاه) ۳- زمانبندی گروهی (زمانبندی قطعات و خانواده قطعات برای تولید) و ۴- تخصیص منابع و ابزارآلات، مواد اولیه و نیروی انسانی به سلولها و ماشینها. در این دسته بندی و دسته بندیهای مشابه از مسائل موجود در سیستمهای تولید سلولی توسط محققین دیگر از جمله سینق ا۲]، هراگوآ ۳] و جاجد یا و همکاران ۴، دو مسئله تشکیل سلولی و طراحی چیدمان، چه چیدمان درون سلولی و چه بین سلولی از مسائل اساسی برای پیاده سازی سیستم تولید سلولی می باشد.
مسئله تشکیل سلولی در حقیقت تشکیل خانواده قطعات و گروه بندی ماشینها به منظور تولید خانوادههای قطعات تشکیل شده می باشد. بیش از ۳۰۰ روشی مختلف و متنوع برای حل مسئله تشکیل سلولی ارائه شده است. برای اطلاع بیشتر از این روشها، خواننده به مقالات || ۲]، آ۵]، [۶] و [۷] ارجاع داده می شود. مسئله طراحی چیدمان در سیتمهای تولید سلولی به دو بخش تقسیم می شود: بخشی اول طراحی چیدمان درون سلولی است که در آن موقعیت ماشینها در هر سلول نسبت به یکدیگر مشخص می شود. بخش دوم طراحی چیدمان سلولها است که در آن موقعیت سلولها نسبت به یکدیگر مشخص می شود. هدف از مسئله طراحی چیدمان اغلب کاهش هزینه ازمان سفرهای درون سلولی و بین سلولی می باشد. خواننده به منظور آشنایی بیشتر با مسائل طراحی چیدمان در سیستمهای تولید سلولی به ۸ || ارجاع داده می شود.
مسائل ارائه شده در طراحی سیستمهای تولید سلولی به یکدیگر مرتبط می باشند؛ به طوری که جواب مسئله تشکیل سلول بر روی جوابهای مسئله طراحی چیدمان تأثیر میگذارد و برعکس. در مرحله تشکیل سلول، قطعات هر خانواده و گروه ماشین آلات در هر سلول مشخص می شود که این تصمیمات به طور واضح بر روی چیدمان درون سلولی تأثیر دارد. به این صورت که اگر ماشینی از سلولی به سلول دیگر انتقال یابد، مشخصاً چیدمان درون سلولی آن سلول تغییر خواهد کرد. همچنین با تغییر در نتایج مسئله تشکیل سلول، چیدمان سلولها به منظور کاهش فاصله سفرهای بین سلولی تغییر خواهد کرد. متقابلا چیدمان درون سلولی باعث تغییر در تعداد ماشین آلات و همچنین قطعاتی که در سلولها تولید خواهند شد، می شود که این کار با هدف کاهش هر چه بیشتر مسافت سفرهای انجام شده می باشد. همچنین این تأثیر هنگامی که کاهش حرکات رو به عقب در سلول به عنوان یکی از اهداف اصلی تعریف شود، اهمیت بیشتری پیدا می کند. به علاوه هنگامی که ماشینهای ناسازگار در سیستم وجود داشته باشد، تأثیرات متقابل تشکیل سلول و طراحی چیدمان محسوس می باشد.
در این مقاله به مرور و دستهبندی مقالات گذشته که دو مسئلهی تشکیل سلولی و طراحی چیدمان سلولی را به صورت همزمان در نظر گرفته اند، پرداخته می شود. این مقالات از جنبههای مختلف شامل فرضیات و محدودیتهای در نظر گرفته شده، اهداف استفاده شده در ترکیب دو مسئله و روشها و رویکردهایی که محققین مختلف در هنگام حلی استفاده کردهاند ارزیابی، دستهبندی و مقایسه شدهاند. ادامه ی این مقاله بدین شرح است. در بخشهای ۲، ۳ و ۴ ادبیات گذشته به ترتیب از نظر فرضیات و محدودیتهای مدلی، اهداف و رویکردها و روشهای حل موجود در مقالات بررسی و تشریح خواهند شد. در بخش ۵ به نتیجه گیری از ادبیات و مقالات گذشته موضوع تشکیل سلولی و طراحی چیدمان پرداخته و زمینه های تحقیقات آتی ذکر خواهد شد.
۲- فرضیات و محدودیتها
از آنجا این مسئله ترکیب دو مسئله تشکیل سلولی و طراحی چیدمان میباشد، لذا فرضیات و محدودیتهایی که در این مسئله در نظر گرفته می شود شامل فرضیات و محدودیتهای هر دو مسئله است. به منظور بررسی مقالات، ابتدا فرضیات و محدودیتهای مختلف در ادامه توضیح داده می شود و نتیجه ارزیابی مقالات در جدول ۱ ارائه خواهد شد. وجود هر یک از این فرضیات در مسئله میتواند باعث تغییر در نتایج مسئله تشکیل سلول و طراحی چیدمان شود.
a( مسیرهای تولید چند گانه )VPR( : در صورت وجود مسیرهای تولید چند گانه برای قطعات، علاوه بر نعیمیر از قطعات هنگامی که برای هر یک از ماشینها، ظرفیت بار کاری قائل شویم، اهمیت بیشتری پیدا می کند. زیرا بایست مسیرهایی برای ساخت قطعات انتخاب شوند که در نهایت میزان بار کاری بر روی هر یک از ماشینها از حد مشخص شده فراتر نرود. مسیرهای تولید چندگانه باعث تغییر در نیاز قطعات به ماشینها برای تولید و در نتیجه تغییر خانواده، گروه ماشینها و در نهایت چیدمان سیستم می شود.
b) ترتیب انجام عملیات: ترتیب انجام عملیات از جمله معیارهایی است که تأثیر بسزایی در چیدمان سیستم دارد. این ترتیب مخصوصا هنگامی که چیدمان به صورت خطی و هدف سلولی ایجاد جریانهای یک طرفه باشد و یا حرکات برگشت به عقب در سلول یا بین سلولها مجاز نباشد اهمیت فراوان پیدا می کند.
c) ماشینهای تکراری امشابه : این معیار معمولاً در مقالاتی دیده می شود که محدودیت میزان بار کاری برای سلول یا ماشین تعریف شده است. هنگامی که میزان بار کاری یک ماشین از میزان ظرفیت در نظر گرفته شده برای ماشین بیشتر شود، به ماشینهای تکراری در سلولی و یا ماشینهای مشابه در سلولهای دیگر احتیاج خواهد بود. هر چه میزان ماشینهای تکراری امشابه در سیستم کمتر باشد، هزینههای تهیه ی ماشین آلات کمتر و میزان حرکات بین سلولی بیشتر خواهد شد. اکثر محققین در مقالات خود ماشینهای تکراری امشابه را در نظر گرفته اند. به طور واضح وجود ماشینهای تکراری امشابه باعث تغییر در طرح چیدمان می شود.
d) ضرایب شباهت اعدام شباهت: بسیاری از محققین به منظور ترکیب عوامل و فاکتورهای مختلف و درنظرگیری آنها به صورت همزمان در مسئله، به ارائه ضرایب شباهت می پردازند. این ضرایب می تواند بر اساسی یک عامل یا ترکیبی از عوامل مختلف باشد. به عنوان نمونه بالاسوبرامانیان و پانیرسلوام " ۹] از معیار شباهتی استفاده کردند که بر اساس شباهت عملیات قطعات و میزان تولید آنها ساخته شده بود و آکتورک و بالکس ۱۰] معیار عدم شباهتی استفاده کردند که ترتیب انجام عملیات قطعات و طراحی قطعات را در نظر می گرفت. بر اساسی اینکه ضریب شباهت چه عواملی را دربرمی گیرد می تواند بر نتایج مسئله تشکیل سلول و طراحی چیدمان تأثیر داشته باشد.
e) ظرفیت ماشین اسلولی: در دنیای واقعی هر ماشین ظرفیت مشخصی برای کار دارد. این محدودیت یکی از مهمترین محدودیتهایی است که مسئله را به حالت واقعی نزدیکتر می کند و باعث ایجاد ماشینهای تکراری در سیستم می شود. به عنوان مثال لگندران آ۱۱] ظرفیت تعریف شده برای ماشین را ۸ ساعت در روز تعریف می کند. ظرفیت تعین شده برای محاسبه میزان کارایی هر ماشین نیز به کار میرود و به علاوه باعث تغییر در تعداد ماشینها و در نتیجه چیدمان سیستم می شود.
f) تعداد قطعات اماشینها در سلول: به منظور افزایش کارایی و حداکثر استفاده از مزایای سیستم تولید سلولی، معمولا سعی می شود که تعداد ماشینها در سلولها از تعداد مشخصی کمتر یا بیشتر نشود. این محدودیت از زیاد شدن و پیچیده شدن حرکات درون سلولی جلوگیری میکند و به دلیل آنکه باعث تغییر در تعداد ماشینهای درون هر سلولی می شود، به طور واضح بر روی چیدمان سیستم تأثیر گذار است. برخی محققین نیز از جمله پایدار و همکاران || ۱۲ امحدودیت تعداد قطعه و ماشین در سلولی، هر دو را مد نظر قرار دادهاند.
g) تعداد ماشینها اسلولها: محدودیت تعداد مشخصی ماشینها در مواقعی به وجود میآید که شرکت قصد خرید و تهیه ماشینی بیشتر از ماشینهای موجود را ندارد و سیستم تولیدی را تنها برای ماشینهای موجود پیادهسازی می کند. در برخی موارد نیز تعداد سلولها را از قبل مشخص می کنند که اینکار می تواند به دلیل تعداد کارگر مشخصی برای قبول مسئولیت هر سلول و از این قبیل باشد. با وجود اینکه کابرنیک و همکاران ۱۳] در مقاله خود پس از حل مسئله با ۳، ۴ و ۵ سلول و در نهایت با در نظر گرفتن ۴ سلولی باعث می شد هیج حرکت بین سلولی در سیستم اتفاق نیفتد، اما شرکت با توجه به تجربه خود چیدمان با ۵ سلول را برمیگزیند. تعداد ماشینها و سلولها بر روی چیدمانهای درون سلولی و بین سلولی تأثیر واضح دارند.
hو i) نوع چیدمان درون سلولی (h) بین سلولی(i): نوع چیدمان درون سلولی موقعیت ماشینها نسبت به یکدیگر در درون سلول و چیدمان بین سلولی موقعیت سلولها نسبت به یکدیگر در محیط کارخانه را مشخص میکند. اکثر محققین درمقالات خود از چیدمان به صورت خطی یا دو خطی چه برای چیدمان درون سلولی و چه چیدمان بین سلولی استفاده کردهاند. همچنین یکی از مدلهای پرکاربرد، مدل QAP می باشد. در این حالت نوع طرح چیدمان به صورت دقیق مشخص نمیباشد، اما ورودی بر اساسی چیدمان فرضی به صورت ماتریسی فاصله و بر اساسی موقعیتهای کاندید برای چیدمان ماشینها یا سلولها می باشد. در مدل دیگری به نام مدل bi-OAP نه تنها برای ماشینها بلکه برای سلولها نیز مکانهای کاندید مشخص می شود و در نتیجه ماشینها و سلولها به صورت همزمان استقرار پیدا می کنند. از انواع دیگر طرحهای چیدمان، طرح لاشکل است که آرویند و ایرانی ۱۴] در مقاله خود استفاده کردهاند. نوع چیدمان از جمله دوبعدی بودن یا خطی بودن می تواند بر روی نتایج مسئله تشکیل سلول تأثیر داشته باشد. j) زمان هزینه حمل مواد: این فاکتور هنگامی در نظر گرفته می شود که هدف مسئله به جای حداقل کردن تعداد حرکات بین سلولی، کاهش میزان زمان هزینه حرکات باشد. این فرضی باعث نزدیکتر شدن هدف مسئله به حالت واقعی می شود. k) حرکات برگشت به عقب: در برخی مقالات حرکات برگشت به عقب مجاز نمیباشد، بلکه ترتیب ماشینها در سلول و یا ترتیب سلولها در هنگام چیدمان بایست به صورتی باشد که قطعات تنها حرکات رو به جلو داشته باشند. این مورد تنها در چیدمانهایی که به صورت خطی هستند و معمولاً در خطوط تولید مورد توجه است. در صورتی که این فرضی در مسئله در نظر گرفته شود، باعث تغییر در تعداد ماشینها و طرح چیدمان درون سلولی می شود تا سلول به سیستم خط تولید نزدیک تر شود.
۳- اهداف به منظور بررسی هر یک از مقالات از نظر اهداف در نظر گرفته شده در آنها، در این بخشی اهداف مختلف موجود در مقالات شناسایی و توضیح داده خواهند شد. این اهداف می توانند از جنسی مسئله تشکیل سلول و یا طراحی چیدمان باشند. نتایج این بررسی در جدول ۱ نشان داده شده است. ۱) حداقل کردن تعداد حرکات درون سلولی ابین سلولی: حرکات بین سلولی به دلیل محدودیتهایی از قبیل هزینههای ماشینآلات، تعداد ماشین آلات و یا محدودیت فضا به وجود می آیند و در نتیجه آنها یک قطعه به طور کامل در یک سلولی تولید نمی شود و برخی از عملیات آن در سلولهای دیگر انجام می شود. در این حالت یک حرکت بین سلولی انجام شده است. به طور شماتیک، این هدف باعث کاهش یک های خارج از بلوکهای قطری تشکیل شده در ماتریسی ماشین - قطعه پس از حل مسئله تشکیل سلولی می شود. حرکات بین سلولی معایب مختلف از جمله افزایش پیچیدگی حرکات و مشکلی تر کردن زمانبندی کارها در سیستم را موجب می شود. ۲) حداقل کردن زمان /هزینه حرکات درون سلولی / بین سلولی: این هدف حالت پیشرفته تر هدف قبلی میباشد که به حالت واقعی نزدیک تر است و در آن زمان هزینه ی حرکات درون سلولی و بین سلولی کاهش داده می شود. اکثر محققین این هدف را جزو اهداف مورد نظر خود قرار دادهاند. ۳) حداقل کردن ماشینهای تکراری - هزینه سرمایه گذاری ماشینها: محدودیت بودجه یکی از عواملی است که در اکثر و بلکه تمامی شرکتها وجود دارد. تعداد ماشین آلاتی که هر شرکت می تواند تهییه کند محدود میباشد. این هدف در مقابل هدف حداقل کردن حرکات بین سلولی قرار می گیرد. آکتورک و ترکان ا۱۵] در مقاله خود علاوه بر حداقل کردن میزان هزینه های سرمایه گذاری ماشینآلات و هزینه های عملیاتی و کاهش حرکات و هزینه های حرکات درون سلولی و بین سلولی درامد تولید هر قطعه را در نظر گرفته و در پی افزایشی میزان سود شرکت می باشند. ۴) حداقل کردن هزینه های عملیاتی - راه اندازی: این هدف مخصوصاً هنگامی که مسیرهای تولید چندگانه برای
قطعات فرض شده باشد مورد توجه قرار میگیرد. در این حالت برای هر عمل یک هزینه در نظر گرفته میشود و سعی می شود مسیری انتخاب شود که کمترین هزینه عملیاتی را داشته باشد. همچنین لگندران و کوا آ۱۶ ازمان راه اندازی برای هر عمل را نیز در نظر گرفته اند.
۵) حداقل کردن عدم تعادل در بار کاری ماشین | سلولی: یکی از مهمترین اهداف در سیستم تولید سلولی می باشد. در این هدف برای هر کار یک نسبت و یا مقدار بار کاری بر اساسی واحد زمان در نظر گرفته می شود. با توجه به این هدف سعی می شود کلی کارهایی که به یک ماشین | سلولی تعلق می گیرد به طوری باشد که تفاوت چندانی از نظر مجموع بار کاری با دیگر ماشینها اسلولها نداشته باشد. این کار باعث ایجاد تعادل بار کاری بین ماشینها می شود. لیاو ۱۷ا، آکتورک و بالکس ۱۰، هو و سو" ۱۸ او مینگ و پانومبالام" آ۱۹] از جمله افرادی هستند که از این هدف در مقاله خود استفاده کردهاند.
۴- رویکردها و روشهای حل رویکردهایی که محققین در ادبیات موضوع مسئلهی تشکیل سلول و طراحی چیدمان در پیش گرفته اند به دو دسته تقسیم می شود. در رویکرد اولی که به صورت مرحله ای است، در ابتدا مسئله تشکیل سلول حل می شود و بر اساسی خانواده قطعات و گروه های ماشینآلات تشکیل شده به طراحی چیدمان سیستم پرداخته می شود(اغلب در ابتدا چیدمان درون سلولی و سپس چیدمان بین سولی مشخص می شود). این رویکرد در دو حالت وجود دارد. در حالت اول پس از حل مسئله تشکیل و تعیین چیدمان آن دوباره به مسئله تشکیل سلولی بازگشته و تا حدودی خانواده قطعات و ماشینها بر اساسی چیدمان ارائه شده تنظیم و بهبود داده می شود. در این حالت تا حدودی اثرات چیدمان بر روی جوابهای مسئله تشکیل سلولی در نظر گرفته میشود، اما این حالت اغلب وقت گیر و خستهکننده است. در حالت دوم حرکت برگشتی به سمت مسئله تشکیل سلولی از مسئله طراحی چیدمان وجود ندارد و هر یک از این مسائلی تنها یک بار حل می شوند. ایراد این حالت این است که تنها اثرات مسئله تشکیل سلول بر روی مسئله طراحی چیدمان در نظر گرفته می شود و جوابهای نهایی معمولاً تا حد قابل توجهی از جوابهای بهینه فاصله دارد. در رویکرد دوم که به رویکرد همزمان معروف است، هر دو مسئله به صورت همزمان و یکجا حل می شوند. بنابراین اثرات این دو مسئله بر روی یکدیگر به طور کامل در نظر گرفته می شود. مسئله ی تشکیل سلولی از دسته مسائل NP-Complete می باشد([۲۰] و [۲۱]). همچنین مسئله طراحی چیدمان نیز جزو دسته مسائل NP-Complete قرار میگیرد(بالاکور [۲۲ ، سهنی و گنزالز ۲۳]). بنابراین ترکیب مسئله تشکیل سلول و طراحی چیدمان نیز NP-COmplete می باشد. محققین مختلف از روشهای مختلف برای رویارویی با این مسئله استفاده کردهاند که به شرح و توضیح آنها می پردازیم. اکثر محققین مسئله ی ترکیبی تشکیل سلولی و طراحی چیدمان را به صورت مدل ریاضی در مقاله خود ارائه کردهاند. این کار به صورت مدلهای ریاضی برای مراحل جداگانه در رویکرد مرحله ای (از جمله ا۱۵ ا، ۲۴ او ا۲۵]) و یا به صورت یک مدل یکپارچه برای رویکرد همزمان وجود دارد (از جمله آ۲۶]، [۲۷] و [۲۸]). برخی محققین نیز از جمله بازرگان لاری و همکاران ||۲۹|| از برنامهریزی آرمانی و پایدار و همکاران || ۱۲ || از برنامهریزی آرمانی فازی در مقاله خود استفاده کردهاند. افراد مختلف از روشهای هیوریستیک مختلفی برای حل این مسئله ترکیبی استفاده کردهاند. استفاده از هیوریتسیکها اغلب در رویکرد حل مرحلهای مشاهده می شود. لگندران یک هیوریستیک ۴ مرحله ای برای مسئله ارائه میدهد. آکتورک و بالکسیا ۱۰] از روش هیوریستیک آنالیز گروهی چند هدفه که ۷ مرحله می باشد استفاده می کنند. لگندران و کوا ۱۶ ایک روش هیوریستیک بر مبنای جستجوی ممنوعه ارائه می دهند که در مسئله خود نوع وسیله حمل و نقل را نیز در نظر گرفته اند.
اوربان و همکاران||۳۰|| نیز هیوریستیک بر مبنای جستجوی ممنوعه برای حل مسئله و با رویکردها شبکه و گراف و جریان ارائه کردهاند. سارکر و ژو||۳۱|| نیز ۳ هیوریستیک برای حل ۳ مرحله ای تشکیل سلول، چیدمان درون سلولی و چیدمان بینسلولی ارائه کردهاند. استفاده از الگوریتمهای متاهیوریستیک مخصوصاً در سالهای اخیر و برای رویکرد حل همزمان، توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. مینگ و پنامبالام آ۱۹] از ترکیب دو الگوریتم ژنتیک و حرکات پرندگان برای حل همزمان مسائل استفاده کردهاند. چیانگ و لی آ۲۸] از ترکیب الگوریتم ژنتیک و برنامهریزی پویا برای حل مسائل بهره بردهاند. آهی و همکاران ||۳۲|| از روشهای تصمیم گیری چندمعیاره برای حل مسئلهی تشکیل سلول و طراحی چیدمان استفاده کردند که در این مقاله از ترکیب روش تاپسیس و وزن دهی تجمعی ساده بهره گرفتهاند. یکی از کامل ترین مدلهای ارائه شده در زمینه تشکیل سلول و طراحی چیدمان، مدل وو و همکاران ||۲۷||امی باشد. اگر P,K,j به ترتیب اندیس ماشین، قطعه، سلول و مکانهای کاندید باشند، مدل ریاضی مسئله به صورت زیر است:
