PROCEDIMIENTO HEURÍSTICO PARA MINIMIZAR EL C max EN CELDAS ROBOTIZADAS CON BUFFERS FINITOS Y PIEZAS DISTINTAS

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1 27 Congreso Nacional de Estadística e Investigación Operativa Lleida, 8 11 de abril de 2003 PROCEDIMIENTO HEURÍSTICO PARA MINIMIZAR EL C max EN CELDAS ROBOTIZADAS CON BUFFERS FINITOS Y PIEZAS DISTINTAS Juan Pablo Pendones 1, Albert Corominas Subias 2, Rafael Pastor Moreno 2. 1 Departamento Electromecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, 7400 Olavarría, Buenos Aires, Argentina pendones@fio.unicen.edu.ar 2 Institut d Organització i Control de Sistemes Industrials (IOC), Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Barcelona, España. corominas/pastor@ioc.upc.es RESUMEN Se presenta el problema de minimización del makespan de un conjunto de piezas distintas, en celdas robotizadas formadas por un robot único, m máquinas y m 1 buffers ubicados entre las máquinas. Se propone un procedimiento heurístico en dos fases: i) determinación de una secuencia de piezas mediante un procedimiento basado en la técnica GRASP; y ii) dada la secuencia de piezas, determinación de la secuencia de movimientos del robot mediante un procedimiento heurístico basado en branch and bound. Para el GRASP de la primera fase se emplean índices obtenidos a partir de la resolución de modelos de programación lineal mixta. Palabras y frases clave: Celdas robotizadas, buffers, scheduling. Clasificación AMS: 90B Introducción En este trabajo se propone un procedimiento para resolver el problema de minimización del C max en celdas robotizadas de tipo flowshop en el que se procesa un conjunto de n piezas distintas. La figura 1 muestra el esquema de una celda robotizada tratada en este trabajo, la cual está compuesta de un conjunto de m máquinas: M 1, M 2,..., M m, un conjunto de m 1 buffers: B 1, B 2,..., B m 1 de capacidad pequeña b i conocida, una estación de entrada de piezas I, una estación de salida de piezas O, y un robot industrial que realiza el transporte de las piezas entre las máquinas y los buffers. 1

2 PSfrag replacements B 1 = E 3 M 2 = E 4 B 2 = E 5 M 1 = E 2 M 3 = E 6 I = E 1 O = E 7 Robot Figura 1: Esquema de la celda. Problemas de piezas iguales sin buffers para el caso de minimización del tiempo de ciclo C t, son resueltos por Crama y van de Klundert (1997) y Sethi et al. (1992) en tiempo polinomial. El mismo problema con piezas distintas es resuelto mediante heurísticas por Kamoun et al. (1999) para el caso de tres y cuatro máquinas. El problema C max con buffers finitos es resuelto de forma exacta en Hitomi y Yoshimura (1986), donde se asumen tiempos de carga y descarga dependientes de las piezas. En virtud de la complejidad que presenta el problema, se propone un procedimiento heurístico para resolver esta última variante del mismo. Se asumen las siguientes condiciones: 1. Las piezas siguen una ruta tipo flowshop. 2. Todas las máquinas observan la misma secuencia de piezas. 3. Se permiten transportes directos de una máquina a la siguiente sin pasar por el buffer correspondiente, cuando no se viola la condición del punto No se permite la interrupción de los procesos sobre las piezas. 5. Ninguna máquina puede procesar más de una pieza de forma simultánea. 2. Nomenclatura La estación de entrada, las máquinas, los buffers y la estación de salida, según el orden I, M 1, B 1, M 2, B 2,..., B m 1, M m, O conforman una secuencia de estaciones E 1, E 2,..., E 2m+1. A partir de esta notación se introduce la nomenclatura para los tiempos de viaje, carga y descarga de las piezas en las estaciones: t c i,j: denota el tiempo empleado en depositar la pieza P j en la estación E i (i = 2,..., 2m + 1; j = 1,..., n). t d i,j: denota el tiempo empleado en retirar la pieza P j de la estación E i (i = 1,..., 2m; j = 1,..., n). 2

3 t v h,i,j : denota el tiempo empleado por el robot en viajar transportando la pieza P j desde la estación E h hasta la estación E i (h = 1,..., 2m; i = 2,..., 2m + 1; j = 1,..., n). Se denota mediante t v h,i,ø el tiempo empleado en el movimiento del robot sin pieza. t p i,j : representa el tiempo de proceso de la pieza P j en la máquina M i (i = 1,..., m; j = 1,..., n). 3. Descripción del método El procedimiento se basa en la separación del problema en dos subproblemas: a) la determinación de una secuencia de piezas y b) en base a ésta, la determinación de la secuencia de movimientos del robot. Puede resumirse en los siguientes pasos. Paso 1: Determinar mediante la resolución de un programa lineal mixto unos índices de prioridad para ser empleados en el paso 2.1. Paso 2: Repetir un cierto número de veces los pasos siguientes: Paso 2.1: Determinar una secuencia de piezas σ p mediante un procedimiento aleatorizado basado en GRASP, tratado en la sección 3.2. Paso 2.2: Determinar la secuencia de movimientos del robot σ m a partir de la secuencia de piezas mediante un procedimiento basado en Branch and Bound, tratado en la sección Determinación de los índices de prioridad El primer paso del método consiste en los índices de prioridad. Éstos se obtienen mediante la programación lineal mixta formulando un modelo simplificado. En este modelo se tienen en cuenta las precedencias de piezas en una máquina dada, las precedencias entre máquinas para una pieza dada, y las restricciones impuestas por la capacidad limitada de los buffers; no se tiene en cuenta las disyunciones que surgen a partir de que el robot es único, y por tanto, que no puede realizar más de una actividad simultáneamente. Con el fin de simplificar la nomenclatura del modelo lineal se amplia la notación incorporando nuevos tiempos derivados de los definidos previamente. Se definen las matrices y vectores siguientes (todos de componentes reales) que constituyen los datos del problema. 3

4 C : c i,j = t d 2i,j + t v 2i,2i+1,j + t c 2i+1,j (i = 1,..., m 1; j = 1,..., n) D : d i,j = t d 2i+1,j + t v 2i+1,2i+2,j + t c 2i+2,j (i = 1,..., m 1; j = 1,..., n) U : u i,j = d i,j + t p i,j + c i,j (i = 1,..., m; j = 1,..., n) V : v i = t v 2i 1,2i+1,Ø (i = 1,..., m 1) W : w i = t v 2i,2i+2,Ø (i = 1,..., m 1) Las variables del problema son: la matriz de instantes de salida S (de variable real) y la matriz asignación X (de variable binaria). Las ecuaciones que modelizan el problema son las siguientes: Asignación de una pieza en una dada posición: imponen la condición de que toda posición k puede contener una y sólo una pieza P j. x j,k = 1 (1 k n) (1) Asignación de una posición para una dada pieza: imponen la condición de que toda pieza P j sólo puede ocupar una y sólo una posición k. x j,k = 1 (1 j n) (2) k=1 Primera pieza en la primera máquina: expresa el instante de salida de la primera pieza en la primera máquina. u 1,j x j,1 s 1,1 0 (3) Precedencia entre posiciones consecutivas en una máquina dada: expresan la condición de que en una dada máquina M i, la pieza que ocupa la posición k sólo puede comenzar una vez finalizado el proceso de la pieza en la posición k 1 en la misma máquina. u i,j x j,k + s i,k 1 s i,k v i (1 i m, 2 k n) (4) Precedencia entre máquinas consecutivas para una posición dada: para toda posición k, la pieza que ocupa dicha posición, no puede comenzar su proceso en una máquina M i si no ha terminado de procesarse en la máquina anterior M i 1. u i,j x j,k + s i 1,k s i,k 0 (2 i m, 1 k n) (5) 4

5 Restricciones impuestas por la capacidad de los buffers: debido a la capacidad limitada de los buffers la pieza que ha entrado primero a un dado buffer de capacidad b i (la pieza que ocupa la posición k b i ) debe ser retirada para permitir la entrada de una nueva pieza (la pieza que ocupa la posición k). c i+1,j x j,k bi + d i,j x j,k s i,k + s i+1,k bi 1 w i v i+1 (1 i m 1, b i + 2 k n) (6) A partir de la resolución del modelo presentado, o de la relajación del mismo, se obtiene una solución en la que algunos de los elementos de X pueden resultar valores no enteros. El índice de prioridad de cada pieza se obtiene a partir de la expresión siguiente: I j = k=1 kx j,k 3.2. Determinación de la secuencia de piezas σ p. En esta sección se describe un procedimiento aleatorizado basado en la técnica GRASP que deriva en la obtención de la secuencia de piezas σ p. El procedimiento consiste en lo siguiente: Paso 1: Crear una lista L p de piezas. Paso 2: Determinar la secuencia de piezas σ p según el siguiente procedimiento: para toda posición k de la secuencia σ p hacer: Paso 2.1: Realizar un sorteo entre las piezas que componen la lista, en el que cada pieza participa con una probabilidad dada por la expresión siguiente: p j = I γ j Is γ s/p s σ p (7) En la ecuación 7, γ tiene como función regular la distribución de probabilidades asociadas a las piezas. Paso 2.2: Asignar la pieza favorecida en el sorteo a la posición k de la secuencia σ p, y eliminarla de la lista de piezas a ser asignadas. 5

6 3.3. Determinación de la secuencia de movimientos del robot σ m La secuencia de movimientos del robot σ m se determina a partir de la secuencia de piezas hallada, σ p, mediante una variante heurística del método de Branch and Bound que se explica a continuación. Se denota BB(e i, L m ) e f, σ m a un procedimiento tipo Branch and Bound aplicado al problema enunciado, con el objetivo de optimización consistente en minimizar C max, en el que se parte de un estado inicial e i y se secuencia una lista de movimientos candidatos L m, y, como resultado se obtiene un estado final e f y una secuencia de movimientos σ m para la lista de movimientos L m. La estrategia de selección de los movimientos que son incorporados en la lista se basa en una estimación de los instantes de inicio de los mismos. Concretamente, son incluidos en la lista los 2 m primeros movimientos según su estimación de los instantes de inicio. La exploración es guiada por la cota más prometedora. A partir de esta definición se describe el método de la forma siguiente: Paso 1: Inicializar e i al estado que corresponde a todas las máquinas sin pieza y las piezas todas en la estación de entrada. Paso 2: En cada paso k = 1,..., n hacer: Paso 2.1: Determinar una lista de movimientos candidatos L m de cardinalidad 2 m compatibles con la secuencia de piezas σ p. Paso 2.2: Resolver BB(e i, L m ). Paso 2.2: Incorporar la secuencia de movimientos parcial σ m a la solución σ m. Hacer e i = e f. Al final del método se han secuenciado un máximo de 2 n m movimientos, correspondiente al caso en que todos los movimientos se realizan a través del buffer intermedio; y un mínimo de n m movimientos, correspondiente al caso en que todos los movimientos se realizan de máquina a máquina sin pasar por los buffers. 6

7 Referencias Crama, Y. y van de Klundert, J. J. (1997). Cyclic scheduling of identical parts in a robotic cell. Operations Research 45, 6, Hitomi, K. y Yoshimura, M. (1986). Operation scheduling for work transportation by industrial robots in automated manufacturing systems. Material Flow 3, Kamoun, H., Hall, N. G., y Sriskandarajah, C. (1999). Scheduling in robotic cells: heuristics and cell design. Operations Research 47, Sethi, S. P., Sriskandarajah, C., Sorger, G., Blazewicz, J., y Kubiak, W. (1992). Sequencing of parts and robot moves in a robotic cell. The International Journal of Flexible Manufacturing Systems. 4,