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Título: Models and exact methods for assembly line balancing problems with assignment restrictions
Título(s) alternativo(s): Modelos e métodos exatos para problemas de balanceamento de linha de produção com restrições de designação
Autor(es): Possan Junior, Moacyr Carlos
Orientador(es): Magatão, Leandro
Palavras-chave: Pesquisa operacional
Otimização combinatória
Balanceamento de linha de montagem
Programação linear
Programação por restrições (Ciência da computação)
Operations research
Combinatorial optimization
Assembly-line balancing
Linear programming
Constraint programming (Computer science)
Data do documento: 3-Mai-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: POSSAN JUNIOR, Moacyr Carlos. Modelos e métodos exatos para problemas de balanceamento de linha de produção com restrições de designação. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: As linhas de manufatura permitiram a produção em larga escala de produtos complexos. Tendo em vista os custos significativos para sua implementação, é indispensável projetá-las e operá- las de forma econômica de modo a garantir uma elevada produtividade. Para tanto, é essencial que exista um equilíbrio na carga de trabalho das diferentes estações (ou postos) que compõem a linha, ou seja, há a necessidade de se propor soluções ao problema de balanceamento da linha. Embora de caráter predominantemente conceitual, o Problema de Balanceamento de Linha de Montagem Simples (PBLMS) é a referência base para o tema balanceamento de linha. Tal abordagem resulta em soluções eficientes para satisfazer requisitos de demanda e otimizar custos operacionais. Entretanto, o projeto e a operação de linhas em geral exigem o atendimento de restrições existentes nas aplicações práticas, fato não contemplado no PBLMS. Com isso, este trabalho propõe e discute três estudos envolvendo modelos e métodos exatos para problemas de balanceamento de linha com restrições de designação, trazendo diferentes contribuições à temática. São adotadas abordagens lexicográficas para os métodos de solução e modelos matemáticos são implementados em solver para realização de experimentos computacionais de otimização. O primeiro trabalho aborda restrições de ergonomia para linhas de montagem manuais do PBLMS. É desenvolvida uma formulação em Programação Linear Inteira Mista (PLIM), com o objetivo principal de minimização do número de estações de trabalho para um dado tempo de ciclo, a fim de minimizar os custos totais na taxa de produção desejada. O objetivo secundário consiste em atender os requisitos ergonômicos para evitar doenças musculoesqueléticas nos trabalhadores. Também é realizada uma análise para uma distribuição nivelada do risco ergonômico entre os trabalhadores da linha. O segundo trabalho envolve o Problema de Balanceamento de Linha de Montagem Multi-operada (PBLMM). Este tipo de linha é comum para produtos de grande porte, e permite que diversos trabalhadores sejam alocados a uma mesma estação de trabalho para realizar diferentes tarefas simultaneamente em um mesmo produto. É apresentado um procedimento exato utilizando métodos pautados em PLIM e Programação por Restrições (PR) para resolver instâncias desafiadoras, superando métodos propostos anteriormente em termos de qualidade de solução. O objetivo principal é a minimização do número de trabalhadores na linha e o objetivo secundário é a minimização do número de estações de trabalho. Já o terceiro trabalho estende o segundo estudo ao considerar restrições de designação relativas aos recursos transformados. Diversos cenários encontrados em linhas de montagem reais são implementados para propor o mais completo modelo disponível na literatura para o Problema de Balanceamento de Linha com Restrições de Designação (PBLRD). Por fim, são descritas as contribuições dos artigos desenvolvidos e apresentadas oportunidades de pesquisas futuras.
Abstract: Manufacturing lines made possible the large-scale production of complex products. Considering the significant implementation costs, designing and operating manufacturing lines economically is imperative to guarantee high productivity. Therefore, reaching a workload equilibrium for the different assembly line (work)stations is essential. In other words, there is a need to propose solutions for the Assembly Line Balancing Problem (ALBP). Although predominantly conceptual, the Simple Assembly Line Balancing Problem (SALBP) is the benchmark for the line balancing subject. Such an approach results in efficient solutions that satisfy demand requirements and optimize operating costs. However, the design and operation of lines often require meeting the satisfaction of real-world constraints not considered in SALBP. This work proposes and discusses three studies involving model and exact methods for assembly line balancing problems with assignment restrictions, bringing different contributions to the theme. Lexicographical approaches are adopted for the solution methods, and mathematical models are implemented in solvers to conduct computational optimization experiments. The first work deals with ergonomic constraints for manually operated SALBPs (ErgoSALBP). A Mixed-Integer Linear Programming (MILP) is formulated with the main objective of minimizing the number of stations for a given cycle time and reducing the total costs at the desired production rate. The secondary objective is to meet the ergonomic requirements to prevent musculoskeletal disorders in workers. An analysis is also performed to determine the level of ergonomic risks among assembly line workers. The second work contemplates the Multi-manned Assembly Line Balancing Problem (MALBP). This type of line is typical for large-size products and allows several workers to be allocated to the same station só that different tasks may be processed simultaneously on the same product. An exact procedure using MILP and Constraint Programming (CP) methods is proposed to solve challenging instances, outperforming previously proposed methods regarding solution quality. The main objective is to minimize the number of workers in the assembly line, and the secondary objective is to minimize the number of stations. The third work extends the second one by considering Assignment Restrictions (Ars) related to transformed resources. Several scenarios found in real-world assembly lines are implemented to propose the most complete model in the literature for the Assignment Restricted Assembly Line Balancing Problem (ARALBP). Lastly, the contributions from the developed papers are described, and future research opportunities are presented.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34503
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

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