Optimization of facility layout planning problems in manufacturing: a simulation-based approach in an industry 4.0 environment

Facility Layout Planning is one of the most important tasks in industries that should rely on high productivity and resources utilization. Recently, novel approaches brought by simulation and digital technologies have shown significant benefits to improve performance of production systems by optimizing the layout configuration from the outset. However, these latter may bring about challenges related to barriers to competences and know-how. Right approaches will let companies embrace benefits of digital tools-like faster, more precise decision-making and improved production processes-without undermining stability and structure offered by traditional systems. The emphasis is thereby placed on how to achieve a more effective integration of the digital and traditional in FLP strategies to improve production, without disruption to continued operations. This work firstly aims at investigating the most used techniques and methods for tackling the Facility Layout Planning problem by means of a literature review. This is fundamental to get familiar with the most adopted techniques, indicators targeted for any optimization of the layout, and the evolution throughout years of methods applied to layout planning of production systems. Secondly, it presents a simulation-based approach for optimizing such problem within the Industry 4.0 Laboratory at Politecnico di Milano. The motivation of this work is therefore to demonstrate the applicability of recent advanced approaches for optimizing plant layouts. The optimization is based on the identification of the most convenient capacity of two buffers with the aim of maximizing the throughput of the line. This has been reasonable since buffer capacity control represents one of the most crucial phases in Facility Layout Planning processes. The results of the optimization through the simulation of the digital model in Siemens Plant Simulation showed an increasing in the daily throughput of the line of around 22%. The improvement in percentage is computed as an average of the 20 experiments conducted. As a result, this work demonstrated the power that simulation and digital technologies can offer to Facility Layout Planning problems. The optimized model achieved a higher throughput which can lead to improvements in the overall performance of the production system. Nonetheless, this work suffers from some limitations that can be explored in future works. Future research could investigate the integration of emerging technologies such as Virtual Reality, Augmented Reality, or Artificial Intelligence to further advance Facility Layout Planning solutions.

La Pianificazione della Disposizione degli Impianti è una delle attività più importanti nelle industrie che devono basarsi su un’elevata produttività e un utilizzo efficiente delle risorse. Recentemente, nuovi approcci introdotti da tecnologie digitali e di simulazione hanno mostrato benefici significativi nel migliorare le prestazioni dei sistemi produttivi, ottimizzando la configurazione della disposizione sin dall'inizio del ciclo di vita. Tuttavia, questi ultimi possono comportare sfide legate a barriere di competenze. Approcci corretti consentiranno alle aziende di abbracciare i benefici degli strumenti digitali, come decisioni più rapide e precise e processi produttivi migliorati, senza compromettere la stabilità e la struttura offerte dai sistemi tradizionali. L'accento viene quindi posto su come raggiungere una più efficace integrazione tra il digitale e il tradizionale nelle strategie di Pianificazione della Disposizione degli Impianti per migliorare la produzione, senza interrompere le operazioni continue. Questo lavoro mira innanzitutto a indagare le tecniche e i metodi più utilizzati per affrontare il problema della Pianificazione della Disposizione degli Impianti mediante una revisione della letteratura. Questo è fondamentale per familiarizzare con le tecniche più adottate, gli indicatori mirati per qualsiasi ottimizzazione della disposizione e l'evoluzione nel corso degli anni dei metodi applicati alla pianificazione della disposizione dei sistemi produttivi. In secondo luogo, presenta un approccio basato sulla simulazione per ottimizzare tale problema all'interno del Laboratorio Industry 4.0 del Politecnico di Milano. La motivazione di questo lavoro è quindi dimostrare l'applicabilità dei recenti approcci avanzati per ottimizzare le disposizioni degli impianti. L'ottimizzazione si basa sull'identificazione della capacità più conveniente di due buffer con l'obiettivo di massimizzare la produttività della linea. Ciò è stato ragionevole poiché il controllo della capacità del buffer rappresenta una delle fasi più cruciali nei processi di Pianificazione della Disposizione degli Impianti. I risultati dell'ottimizzazione attraverso la simulazione del modello digitale in Siemens Plant Simulation hanno mostrato un aumento della produttività giornaliera della linea di circa il 22%. L'incremento in percentuale è calcolato come una media dei 20 esperimenti condotti. Di conseguenza, questo lavoro ha dimostrato il potere che le tecnologie digitali e di simulazione possono offrire ai problemi di Pianificazione della Disposizione degli Impianti. Il modello ottimizzato ha raggiunto una maggiore produttività che può portare a miglioramenti complessivi delle prestazioni del sistema produttivo. Tuttavia, questo lavoro presenta alcune limitazioni che possono essere esplorate in lavori futuri. La ricerca futura potrebbe indagare l'integrazione di tecnologie emergenti come la Realtà Virtuale, la Realtà Aumentata o l'Intelligenza Artificiale per avanzare ulteriormente le soluzioni di Pianificazione della Disposizione degli Impianti.