Modular UML statechart modelling for simulating the behaviour of production systems with integrated dispatching policies

This thesis offers a comprehensive study on production system modeling using UML statecharts, with a specific emphasis on integrating dispatching policies to optimize part flow through machines and buffers. The primary focus is the development of an advanced, UML statechart for a controller that governs a manufacturing system, integrating dispatching policies, such as FIFO, LIFO, and EDD, in conjunction with the CONWIP release policy. The study begins with an evaluation of existing statechart models already developed in the Virtual Learning Factory Toolkit, developed by Urgo M and Terkaj W., which implement release policies without integrating dispatching mechanisms. The research introduces a new framework involving the creation of enhanced, modular UML statecharts for manufacturing systems composed by buffers and machines, managed by a controller. These statecharts are specifically designed to be adaptable across diverse scenarios and compatible with various policies. A primary objective was to create models that enable users to implement different release and dispatching policies seamlessly, without requiring modifications to the statecharts themselves. The simulation phase of this research utilized the Python-based Sismic simulation library, which supports both modeling and execution of UML statecharts. To validate the model's accuracy, simulation results from Sismic were compared with those from Siemens Plant Simulation, a widely recognized industrial tool, which confirmed the robustness and reliability of the statechart design. Experiments were conducted across varied conditions, specifically analyzing the response of dispatching and release policies to fluctuations in part flow and machine availability. The findings affirmed that the developed statecharts adapted effectively to these dynamic changes. In conclusion, this thesis introduces a novel production system modeling approach by incorporating dispatching policies into UML statecharts, enhancing modularity and flexibility for research and industrial use. It also lays the foundation for future research on real-world systems, offering advanced tools for real-time process optimization.

Questa tesi offre uno studio completo sulla modellazione dei sistemi di produzione tramite UML statecharts, con un'enfasi particolare sull'integrazione delle politiche di dispatching per ottimizzare il flusso attraverso macchine e buffer. L'obiettivo principale è lo sviluppo di UML statechart per un controller che gestisce un sistema di produzione, integrando politiche di dispatching come FIFO, LIFO e EDD in combinazione con la politica di rilascio CONWIP. Lo studio inizia con una valutazione dei modelli di statechart esistenti già sviluppati nel Virtual Learning Factory Toolkit, creato da Urgo M. e Terkaj W., nella quale sono implementate politiche di rilascio senza l’integrazione di meccanismi di dispatching. La ricerca introduce un nuovo framework che prevede la creazione di statechart UML modulari per sistemi di produzione composti da buffer e macchine, gestiti da un controller. Queste statechart sono progettate specificamente per essere adattabili a scenari diversi e compatibili con varie politiche. Un obiettivo primario è stato creare modelli che permettano agli utenti di implementare diverse politiche di rilascio e dispatching senza dover modificare le statechart stesse. Nella fase di simulazione di questa ricerca è stata utilizzata la libreria di simulazione Sismic basata su Python, che supporta sia la modellazione che l’esecuzione di UML statechart. Per validare l'accuratezza del modello, i risultati della simulazione in Sismic sono stati confrontati con quelli ottenuti con Siemens Plant Simulation, uno strumento industriale ampiamente riconosciuto, confermando la robustezza e l'affidabilità del design degli statechart. Gli esperimenti sono stati condotti in condizioni variabili, analizzando specificamente la risposta delle politiche di dispatching e rilascio a fluttuazioni nel flusso delle parti e nella disponibilità delle macchine. I risultati hanno confermato che le statechart sviluppate si sono adattate efficacemente a questi cambiamenti dinamici. In conclusione, questa tesi introduce un nuovo approccio alla modellazione dei sistemi di produzione, integrando politiche di dispatching in UML statechart, migliorando la modularità e la flessibilità per la ricerca e l'uso industriale. Essa getta inoltre le basi per future ricerche su sistemi reali, offrendo strumenti avanzati per l’ottimizzazione dei processi in tempo reale.