A simulation model for the flow shop scheduling problem

Since the main goal of a company is to generate value for its customers while being profitable and due to today’s turbulent marketplaces, modern firm is characterised by a severe degree of flexibility, which has become the pivotal target of every enterprise so as to develop cross-functional synergies to strengthen their performance and sustain their competitive advantage. Indeed, every organisation must shape its internal structure and operations according to the characteristics of the context, and within the production planning and control process, scheduling undoubtedly plays a critical role. Scheduling decisions constitute the last decision-making phase of the planning activity, where industrial managers have to act for fixing any short-noticed variations preserving at the same time expected medium-term efficiency performance. This research consists in the development of a scheduling algorithm for pre-shop sequencing in a flow shop manufacturing system, aiming at minimising setup time with respect to delivery due date restraint, and its subsequent application to an existing assembly line working on customer orders – thus not relying on forecasts – to verify the performance of the devised solution. This second task was accomplished by modelling a set of digital replicas – generated through MatLab and Simulink software – of the production structure, so as real-life factual outcomes were compared against the outputs provided by several iterations of simulative exercises – fed with the same historical data – carried out on the models within various parametrically defined conditions. Results obtained through experimental verification demonstrated a better performance of the research algorithm when compared to the currently employed scheduling system, validating it for an eventual implementation. Moreover, although clearly associated with a push control approach, the solution is capable of overcoming traditional push system boundaries, thanks to an extremely lean procedure which enables to reschedule the entire jobs pool in a few minutes and thus to almost immediately react to eventual modifications in the production scenario. This possibility renders our algorithm universally implementable by any manufacturing system, also pull-oriented and hybrid ones, since it hurdles all obstacles related to the necessary quickness and agility of pull operations through a fluent and straightforward, nonetheless flexible and efficient, set of working rules. Recognising the importance and achievable remarkable implications of Industry 4.0, the endeavour is founded from this perspective, therefore relying on those technologies – simulation environments, integrated advanced manufacturing resources, industrial internet, cloud computing – distinctive of this industrial trend.

Considerando lo scopo ultimo di un’azienda, ovvero generare un profitto creando al contempo valore per i propri clienti, ed a causa degli odierni mercati turbolenti, un’organizzazione moderna risulta caratterizzata da un alto grado di flessibilità, oggigiorno diventato obiettivo cardine di ogni impresa, in modo tale da sviluppare sinergie inter-funzionali per rafforzare le performance e sostenere il proprio vantaggio competitivo. Di fatto, ogni organizzazione deve modellare la propria struttura interna e le proprie operations secondo le caratteristiche del contesto in cui opera e, all’interno del processo di pianificazione e controllo della produzione, la schedulazione indubbiamente gioca un ruolo critico. Le decisioni sulla schedulazione ordini costituiscono l'ultima fase decisionale delle attività di pianificazione, dove i manager agiscono con l’intento di correggere eventuali variazioni di breve termine, conservando così le prestazioni di efficienza attese a medio-lungo termine. Questa ricerca consiste nello sviluppo di un algoritmo di schedulazione prodotti in un sistema di produzione flow shop, che mira a ridurre al minimo il tempo di setup necessario nel rispetto delle date di consegna delle commesse, e la sua successiva applicazione ad una reale linea di produzione, utilizzando ordini di clienti effettivi – perciò non basandosi solamente solo su previsioni – per verificare così le prestazioni della soluzione ideata. Questo secondo compito è stato realizzato modellando un set di repliche digitali – generate attraverso i software Matlab e Simulink – del sistema produttivo, cosicché i risultati ottenuti dalla linea reale potessero essere confrontati con gli output relativi alle diverse simulazioni – alimentate con gli stessi dati storici – effettuate sui modelli all'interno di varie condizioni parametriche definite. Gli esiti ottenuti attraverso la verifica sperimentale hanno dimostrato una migliore performance dell’algoritmo di ricerca rispetto al sistema di programmazione attualmente impiegato, convalidando il sistema per un eventuale utilizzo. Inoltre, anche se evidentemente relazionato ad un sistema push, la soluzione è in grado di superare i tradizionali limiti di questo approccio, grazie ad una procedura estremamente snella che consente, in pochi minuti, di riprogrammare interamente la schedulazione e quindi reagire ad eventuali modifiche dello scenario di produzione. Questa possibilità rende l’algoritmo universalmente implementabile da qualsiasi sistema flow shop, anche pull-oriented o ibrido, dal momento che soddisfa le necessità di rapidità ed agilità richieste dall’approccio pull attraverso un insieme di regole lineare, tuttavia flessibile ed efficiente. Riconoscendo le notevoli implicazioni dell’Industry 4.0, il progetto si estende in questa direzione, pertanto basandosi su quelle tecnologie – ambienti di simulazione, risorse produttive avanzate ed integrate, industrial internet, cloud computing – distintive di questo trend industriale.