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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Simulação de um sistema logístico de produção

Mafalda Rocha

VERSÃO PROVISÓRIA

Relatório Final de Projecto realizado no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Automação

Orientador: Prof. Dr. José Soeiro Ferreira

Fevereiro de 2013

© Mafalda Rocha, 2013

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Índice

Índice ........................................................................................................... iii

Lista de figuras ................................................................................................. v

Capítulo 1 ....................................................................................................... 1

Introdução ....................................................................................................... 1

1.1. Motivação .......................................................................................... 1

1.2. Estrutura do Documento ........................................................................ 2

Capítulo 2 ....................................................................................................... 3

Estado da Arte .................................................................................................. 3

2.1. Caracterização das linhas de montagem ..................................................... 3

2.2. Diagrama de Precedências ..................................................................... 4

2.3. Balanceamento ................................................................................... 5

2.4. Tipos de Algoritmos.............................................................................. 6

Capítulo 3 ....................................................................................................... 8

Caracterização do Problema ................................................................................. 8

Capítulo 4 ..................................................................................................... 10

Plano de Trabalho ........................................................................................... 10

Referências ................................................................................................... 11

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Lista de figuras

Figura 1 - Tipos de linha de montagem ................................................................... 4

Figura 2 - Exemplo de Diagrama de Precedências ....................................................... 5

Figura 3 - Diagrama de Gantt ............................................................................. 10

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Capítulo 1

Introdução

1.1. Motivação

Num mercado cada vez mais global e competitivo, as empresas industriais precisam de

maximizar a eficiência com que utilizam os seus recursos pois só assim conseguem minimizar

os seus custos de produção e alcançar uma posição competitiva face aos seus concorrentes.

As operações de montagem são uma parte da cadeia de produção, definindo-se como a

agregação de todos os processos pelos quais diversos componentes e montagens são reunidas

e montadas para formar um produto final ou montagem completa, através de um processo

individual, em lote ou contínuo.

A montagem de produtos de elevado consumo é, normalmente, efetuada em linhas de

montagem, as quais consistem num conjunto de postos de trabalho dispostos

sequencialmente e interligados por um sistema de transporte de materiais. Em cada posto de

trabalho executa-se um conjunto de tarefas pré-especificadas num processo de montagem.

O problema de balanceamento de linhas de montagem consiste na determinação da

afetação das tarefas, definidas num dado processo de montagem, aos postos de trabalho por

forma a minimizar uma determinada medida do tempo ou do custo envolvido nesse processo

de montagem.

Nos dias de hoje existe uma grande necessidade de costumizar a produção, requerendo

uma flexibidade no processo produtivo, de modo a produzir itens que atendam às

preferências individuais dos clientes a preços similares aos dos produtos padrozinados

obtendo, assim, um diferencial competitivo. Esta costumização pode ser adquirida através da

adoção de linhas de montagem capazes de alternar diferentes modelos de um mesmo

produto: as linhas de montagem misto ou múltiplo.

2 Introdução

1.2. Estrutura do Documento

Para além da introdução, este relatório contem mais três capítulos.

No capítulo 2 é descrito o estado da arte e nela apresentados questões relacionadas com

o tema proposto.

No capítulo 3 é introduzida uma abordagem inicial da problemática do trabalho assim

como questões principais a tratar.

Por fim, no capítulo 4 pode-se verificar uma proposta do planeamento do trabalho a ser

desenvolvido durante a dissertação com o que fora abordado na unidade curricular de

Preparação para a Dissertação.

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Capítulo 2

Estado da Arte

As linhas de montagem (assembly lines) são tradicionais desde os tempos de Henry Ford e

largamente utilizadas para a produção em massa e em grande escala de produção.

Consistem num conjunto de estações de trabalho (workstations) com tarefas especificas,

colocadas de uma forma sequencial e interligada através de meios de transporte, usualmente

por tapetes rolantes. Em cada estação de trabalho certas tarefas são realizadas, de forma

repetitiva, com um determinado tempo médio de ciclo.

Como todas as linhas de montagem não possuem os mesmos objetivos e os mesmos

problemas há a necessidade de optimizar cada uma delas de modo a que possam satisfazer a

solução pretendida. O problema de decisão de forma otimizada, o trabalho de montagem

entre as estações com respeito a alguns objectivos é conhecido como o problema de

balanceamento de linha de montagem, Assembly Line Balancing Problem (ALBP) [2].

2.1. Caracterização das linhas de montagem

Os estudos sobre as linhas de montagens remontam desde os anos 50 e a maioria de toda

a pesquisa tem sido centrada na linha de produção de modelo único (Single Model Assembly

Line) visto que, apesar de não reflectir a complexidade existente no mundo real, é nela que

as maiores questões e causas provêm devido à produção em massa e simples comodidade. Os

ALBP’s são formulados com o intuito de minimizar o tempo de ciclo ou o número de estações

utilizadas ao longo da linha [5].

Nas ultimas décadas com o aumento da procura de produtos costumizados e a

proliferação de recursos as empresas viram-se obrigadas a corresponder às necessidades do

mercado melhorando, assim, as linhas de montagem de forma a que estas fossem do mais

flexivel possível e capazes de produzir simultaneamente vários modelos de produtos

similares.

4 Estado da Arte

Foi então criada a linha de produção mista (Mixed Model Assembly Line) onde se produz

unidades de diferentes modelos na mesma linha de montagem, de sequência arbitrária.

Apesar de ser um sistema mais versátil, requer que os processos sejam homogéneos, isto é,

todos os modelos produzidos são variantes do mesmo produto-base que apenas diferem de

pequenos atributos [8].

Por fim tem-se a linha de produção múltipla (Multi Model Assembly Line) capaz de

produzir de vários lotes do mesmo tipo de modelo ou grupo de modelos similares com

operações intermediárias de produção [2].

Os diferentes tipos de linha de montagem estão ilustradas na Figura 1 onde diferentes

modelos estão representados por diferentes formas geométricas.

Figura 1 - Tipos de linha de montagem

2.2. Diagrama de Precedências

Uma linha de produção contém um conjunto de estações de trabalho k = 1, …, m ao longo

de um tapete rolante, por exemplo. Em cada estação, são atribuídas certas tarefas que são

executadas de forma repetitiva cumprindo um tempo de ciclo (espaço de tempo entre duas

entradas de peças na mesma estação). A fabricação de um produto consiste em pequenas

partições de operações V = {1, …, n} denominadas por tarefas. Uma tarefa j demora tj a ser

executada, dependendo das habilidades dos trabalhadores e dos equipamentos, sendo que no

final o tempo de produção desse produto é medido pela soma tSUM de todas as tarefas

adjacentes à sua concepção.

Todas essas tarefas podem ser sumarizadas e visualizadas num diagrama de precedências.

É atribuído um nó a cada tarefa, com um determinado valor correspondendo ao tempo que

demora a ser executada e respectivas tarefas antecedentes à mesma, como se verifica na

figura seguinte como jeito de exemplo (retirado de [8]).

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Figura 2 - Exemplo de Diagrama de Precedências

Como é possível verificar a tarefa 8 apenas pode ser iniciada quando as tarefas 7 e 6

estiverem concluídas. Assim como as restantes tarefas que possuem uma, ou mais, tarefa(s)

anterior(es) à sua.

Uma das diferenças entre linhas de modelo único e misto/múltiplo reside no diagrama de

precedências. Enquanto que na linha de modelo único apenas existe um diagrama sendo mais

simples de se obter o balanceamento, na linha de produção mista/multipla para cada modelo

existe um diagrama e o balanceamento não deve violar as suas restrições [6].

2.3. Balanceamento

O balanceamento de linha consiste na associação de operações a estações de trabalho de

forma a que nenhuma relação de precedência seja violada.

De acordo com Chen [4], e sendo с o tempo de ciclo, existem três tipos de problemas de

balanceamento, para a maioria das linhas de montagem:

Tipo 1: tem como objetivo minimizar o número de estações de trabalho para um

determinado tempo de ciclo c;

Tipo 2: através de um número fixo de estações tem como objetivo maximizar a

taxa de produção minimizando, assim, o tempo de ciclo с;

Tipo 3: para um dado número de estações, maximizar a distribuição de trabalho

entre as mesmas.

Contudo é necessário obdecer às seguinte restrições:

Todas as tarefas têm que ser executadas;

A duração de cada tarefa não pode exceder c;

As precedências têm que ser satisfeitas.

Para problemas do Tipo 1, uma das soluções será baixo custo de mão-de-obra e reduzir a

área de trabalho. Para o Tipo 2, como se pretende aumentar a taxa de produção, com um

número de estações, este poderá ser visto como contrapartida do Tipo 1. Atribuir tarefas a

um determinado número de estações da forma mais uniforme possível será uma solução para

o Tipo 3.

6 Estado da Arte

2.4. Tipos de Algoritmos

Como foi dito atrás para cada linha de montagem existe um ALBP agregado. Para tal

existem algoritmos com soluções, mais ou menos eficazes, que podem resolver os problemas

a ela relacionados. Depois de feitas análises a vários algoritmos serão apresentados alguns

que estarão mais interiorizados com o tema deste projeto.

Genetic Algorithm

Entre os vários métodos o GA é o mais popular tendo sido empregado na solução ALBP,

em comparação com outros tipos de algoritmos heurísticos tais como Pesquisa Tabu ou

Simulated Annealing. Consiste numa representação de um problema através de um conjunto

de indivíduos que são soluções potenciais para o problema em questão. Tem como

características

Usa um parâmetro de codificação, não tendo que saber o significado dos

parâmetros.

Trabalha com uma população de soluções e não de uma única explorando, assim,

uma maior porção do espaço de busca.

Usa transições probabilísticas e não deterministas. Para uma repetição de um

problema (mesmas condições iniciais e de dados) os resultados podem ser

diferentes após duas voltas diferentes.

Por exemplo, se o problema de optimização for de maximização será max f(x) e a Função

Objetivo será utilizada como fitness function (fi). Quanto mais alto o valor de fi melhor a

qualidade da respectiva solução. Logo uma função genérica será m = Max { fi(x) : x pertence à

população}.

Uma das desvantagens é não poder incoporar informações específicas sobre um dado

problema.

Simulated Annealing

De forma análoga com um processo térmico, o algoritmo de arrefecimento simulado

substitui a solução actual por uma solução próxima (i.e., na sua vizinhança no espaço de

soluções), escolhida de acordo com uma Função Objectivo e com uma

variável T (dita Temperatura, por analogia). Quanto maior for T, maior a componente

aleatória que será incluída na próxima solução escolhida. À medida que o algoritmo progride,

o valor de T é decrementado, começando o algoritmo a convergir para uma solução óptima.

Neste contexto, segundo Haeser [15], o processo de optimização é realizado por níveis,

simulando os níıveis de temperatura no resfriamento. Em cada nível, dado um ponto u ∈ S,

vários pontos na vizinhança de u são gerados e o correspondente valor de f é calculado. Cada

ponto gerado é aceite ou rejeitado de acordo com uma certa probabilidade. Esta

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probabilidade de aceitação decresce de acordo com o nível do processo, ou

equivalentemente, de acordo com a temperatura.

Ant Colony Optimization

É uma heurística baseada na probabilidade de forma a resolver problemas computacionais

que podem ser reduzidos a encontrar bons caminhos através de gráficos.

Como o próprio nome indica, este algoritmo foi inspirado através do percurso de várias

formigas. Assim pode-se descrever este algoritmo da seguinte maneira:

1. A formiga encontra o destino, seja de que maneira for e retorna até ao ponto

inicial deixando para trás uma espécie de “feromona” para saber que já passou

por lá.

2. As outras formigas irão percorrer mais caminhos mas o fortalecimento da pista

anterior torna mais atraente como a rota mais curta.

3. À medida que mais formigas passem pelo mesmo caminho, mais feromona é

deixada lá mostrando que aquele caminho é utilizado várias vezes concluíndo

assim que é o caminho mais directo desde o ponto inicial ao destino.

Branch-and-Bound

Desenvolvida para encontrar soluções óptimas em vários problemas de optimização,

focalizada para optimização discreta e combinatorial. É um método de busca em árvore que

numera os pontos inteiros implicitamente, desde que haja uma quantidade finita deles,

descartando os inexequíveis e sempre acompanhando as soluções possíveis e os melhores

valores para a função objetivo. Este método pára quando todas as soluções parciais já foram

ramificadas ou terminadas.

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Capítulo 3

Caracterização do Problema

O tema proposto consistem em simular logisticamente uma linha de produção sendo o

objetivo fundamental o desenvolvimento de um sistema de simulação que possa contribuir

para o funcionamento e validação de requisitos e configurações de linhas de produção de

modelos mistos na indústria do calçado.

O trabalho enquadrar-se-á em projetos aplicados em curso, envolvendo o INESC TEC, tais

como empresas de calçado e outras empresas ligadas a essa fileira industrial.

Tratando-se de novos equipamentos de produção para linhas de costura é fundamental

validar os mais variados requisitos dos sistemas mecânicos envolvidos para que, finalmente,

possa existir um bom desempenho produtivo de modo a responder às necessidades do

mercado de forma costumizada e eficaz.

Há dificuldades adicionais associadas a estes problemas, que advêm do aumento da

diversidade de modelos em curso de fabrico, da excepcional informação a gerir e,

consequentemente, das exigências para os sistemas mecânicos inovadores.

Complementarmente, e em fase posterior, um sistema de simulação a desenvolver deverá

contribuir para a validação de cenários propostos para o balanceamento de linha(s), através

do sequenciamento de operações.

Serão efectuadas simulações numa empresa com a sua linha de montagem e serão

analisados os tempos de ciclo de produção bem como o número de trabalhadores,

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polivalência dos mesmos, listagem de operações e números de máquinas por operação. Serão

introduzidas variáveis correspondentes aos modelos a produzir e suas quantidades.

Com isto, e com base em algumas restrições e/ou limitações (por exemplo: atrasos,

habilidades dos trabalhadores em lidar com as máquinas, número insuficiente de

trabalhadores, etc), serão estudadas e analisadas posteriormente algoritmos que satisfaçam o

objetivo principal com um output de alocar um certo trabalhador numa certa estação de

trabalho.

Todos os meios computacionais, bibliografia e publicações de Investigação Operacional e

de Optimização e Sistemas de Software de simulação estarão disponíveis no INESC TEC/FEUP.

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Capítulo 4

Plano de Trabalho

Com o intuito de se atingir os objetivos propostos é essencial a realização de um

planeamento para o projeto, com a intenção de incentivar o cumprimento dos mesmos pois

permite a divisão de tarefas a realizar durante períodos de tempo determinados e conseguir

assim dedicar atenção a cada etapa. Ao existirem atrasos é necessário redefinir o

planeamento e fazer um esforço para que o projeto seja levado a bom porto.

Ao definir as etapas do projeto faz-se uma divisão por módulos principais de tarefas que

tomam ínicio ainda no 2ºsemestre e durante até ao final do período de duração da

dissertação.

14-Fev 06-Mar 26-Mar 15-Abr 05-Mai 25-Mai 14-Jun

Criação e manutenção da pagina web

Revisão do Estado da Arte

Integração no ambiente de projetos em causa

Complemento do estudo de simulação

Desenvolvimento de modelos de simulação

Programação, teste e validação

Realização do relatório final

Duração Prevista

Figura 3 - Diagrama de Gantt

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Referências

[1] Askin, R. G. & Zhou, M. (1997). A parallel station heuristic for the mixed-model

production line balancing problem. Int. J. Prod. Res., 35, 3095-3105.

[2] Becker, C. & Scholl, A. (2006). A survey on problems and methods in generalized

assembly line balancing. European Journal of Operations Research, 168, 694-715.

[3] Erel, E. & Sarin, S. C. (1998). A survey of the assembly line balancing procedures.

Production Planning & Control, 9, 414-434.

[4] Chen, J. C., Chen C., Su, L., Wu, H. & Sun, C. (2012). Assembly line balancing in garment

industry. Expert Systems with Applications, 39, 10073-10081.

[5] Gocken, H. & Erel, E. (1997). A goal programming approach to mixed-model assembly line

balancing problem. Int. J. Production Economics, 48, 177-185.

[6] Gerhardt, M. P., Fogliatto, F. S. & Cortimiglia, M. N. (2007). Metodologia para o

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massa. Gest. Prod., São Carlos, 14, 267-279.

[7] Sprecher, A. (2003) Dynamic search tree decomposition for balancing assembly lines by

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[8] Boysen, N., Fliedner, M & Scholl, A. (2006). Assembly line balancing: Which model to use

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lock company in Taiwan. Computers & Industrial Engineering, 64, 492-499.

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via genetic algorithm for mixed-model assembly line balancing problem with sequence

dependent setup times between tasks. Applied Soft Computing, 13, 574-589.

[13] Bukchin, Y. & Rabinowitch, I. (2006). A branch-and-bound based solution approach for

the mixed-model assembly line-balancing problem for minimizing stations and task

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12 Referências

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algorithm for a mixed model assembly U-line balancing type-I problem considering human

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[15] Haeser, G., Gomes-Ruggiero, M. (2008). Aspectos Teóricos de Simulated Annealing e um

Algoritmo duas Fases em Otimização Global. Sociedade Brasileira de Matemática Aplicada e

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[16] Fonseca, M. (2011) Sistema Integrado de balanceamento de linhas de produção na

indústria do calçado. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.