Tích hợp tối ưu vào mô phỏng để giải bài toán cân bằng chuyền
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (823.06 KB, 127 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
NGUYỄN VÂN PHƯỚC SƠN
TÍCH HỢP TỐI ƯU VÀO MƠ PHỎNG ĐỂ GIẢI BÀI
TOÁN CÂN BẰNG CHUYỀN
Chuyên ngành : KĨ THUẬT HỆ THỐNG CƠNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH. Tháng 9 năm 2008
i
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS HỒ THANH PHONG
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ kí)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :ThS NGUYỄN VĂN CHUNG
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ kí)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :TS NGUYỄN TUẤN ANH
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ kí)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 13 tháng 09 năm 2008
ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
------------------oOo--Tp. Hồ Chí Minh, ngày. . . .tháng. . . .năm. . . .
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN VÂN PHƯỚC SƠN
Ngày tháng năm sinh: 17-11-1983
Giới tính: Nam / Nữ
Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành : KỸ THUẬT HỆ THỐNG CƠNG NGHIỆP
Khóa (Năm trung tuyển): 2006-2008
1. TÊN ĐỀ TÀI: TÍCH HỢP TỐI ƯU VÀO MƠ PHỎNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG CHUYỂN
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Kỹ thuật mô phỏng và giải thuật di truyền trong tối ưu hóa bài tốn cân bằng
dây chuyền sản xuất
Xây dựng mơ hình tích hợp kỹ thuật tối ưu hóa dùng giải thuật di truyền vào
cân bằng dây chuyền sản xuất
Áp dụng vào bài toán cụ thể của nhà máy
Đưa ra kết luận kiến nghị .
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: (Ghi đầy đủ học hàm, học vị):
PGS TS HỒ THANH PHONG
Nội dung và để cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ kí)
CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ kí)
PGS TS HỒ THANH PHONG
ThS NGUYỄN NHƯ PHONG
iii
LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc đến ba mẹ và gia đình, là
những người đã khơng ngừng giúp đỡ và động viên tôi rất nhiều trong suốt thời gian
học tập cao học.
Tôi xin chân thành cám ơn thầy Hồ Thanh Phong, thầy đã hết lịng truyền đạt
kiến thức và tận tình hướng dẫn cho tơi trong suốt q trình làm luận văn cũng như
trong suốt thời gian học tập cao học.
Lời cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến tất cả bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ
tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2008
Nguyễn Vân Phước Sơn
-----------------------------------------------------------------------
iv
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Đã có nhiều nghiên cứu về bài tốn cân bằng chuyền được thực hiện nhưng vẫn có
những khỏang cách giữa lý thuyết nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Vì kết quả có
được khi giải bài tốn cân bằng chuyền dựa trên dữ liệu tất định của thời gian gia
công tại các công đoạn. Điều này làm kết quả tính tốn khi áp dụng thực tế khác xa
với mong đợi. Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính cho phép chúng ta
có thể mơ hình hóa các hệ thống bằng cơng cụ mơ phỏng, hỗ trợ cho việc đánh giá
và xem xét các phương án cải tiến một cách hiệu quả hơn trước khi áp dụng vào
thực tế. Do đó hướng nghiên cứu giải quyết bài tốn cân bằng chuyền trong mơi
trường mơ phỏng là một hướng đi mới giúp chúng ta xây dựng lời giải cân bằng
chuyền hiệu quả hơn. Nhưng bản thân mô phỏng là công cụ đánh giá các phương án
sẵn có, nó khơng tự tìm được lời giải tối ưu cho hệ thống. Giải thuật di truyền là một
trong những giải thuật rất mạnh trong việc tìm kiếm lời giải tối ưu cho các bài tóan
bùng nổ về tổ hợp các lời giải như bài tốn cân bằng chuyền.Vì vậy luận văn này tập
trung vào việc tích hợp giải thuật di truyền vào mơi trường mơ phỏng để giải bài
tóan cân bằng chuyền.
Giải thuật di truyền di truyền sẽ đóng vai trị dẫn hướng cho mơ phỏng trong q
trình tìm kiếm lời giải cân bằng chuyền, cịn mơ phỏng sẽ đóng vai trị là cơng cụ
đánh giá các lời giải tìm được trong quá trình tìm kiếm. Quá trình tìm kiếm sẽ kết
thúc khi giải thuật đạt tới số bước lặp tối đa cho trứơc hay đám đông lời giải đã hội.
v
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ....................................................................... iii
LỜI CÁM ƠN ......................................................................................................... iv
TĨM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................... x
DANH SÁCH BẢNG BIỂU.................................................................................. xii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ...................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề.......................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu luận văn .............................................................................................. 1
1.3 Nội dung và giới hạn của luận văn.................................................................... 2
1.4 Bố cục................................................................................................................ 2
CHƯƠNG 2: CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN .................................................. 3
2.1 Cân bằng chuyền với giải thuật tìm kiếm vùng cấm (Tabu search) của các tác
giả Sophie D. Lapierre, Angel Ruiz, Patrick Soriano ............................................ 3
2.2 Sử dụng giải thuật ủ kim loại (Simulated annealing) để giải bài toán cân bằng
chuyền đa mục tiêu với các trạm làm việc song song của tác giả P. R. Mc Mullen
và G. V. Frazier ....................................................................................................... 4
2.3 Giải thuật di truyền cho bài toán cân bằng chuyền các thiết bị tự động của
Gregory Levitin, Jacob Rubinovitz, Boris Shnits ................................................... 4
2.4 Cách tiếp cận mô phỏng cho bài toán cân bằng chuyền cho sản xuất loạt lớn
và ứng dụng của tác giả Mesut Ozgurler, Ali Fuat Guneri, Bahadir Gulsun .......... 7
2.5 Một số nhận xét và đề xuất................................................................................ 7
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 9
vi
3.1 Tổng quan về bài toán cân bằng chuyền ........................................................... 9
3.1.1 Giới thiệu bài toán cân bằng chuyền .......................................................... 9
3.1.2 Phân loại bài toán cân bằng chuyền.......................................................... 10
3.2.1 Giới thiệu .................................................................................................. 11
3.4 Lý thuyết mô phỏng......................................................................................... 13
3.4.1 Khái niệm.................................................................................................. 13
3.4.2 Mục đích của mơ phỏng ........................................................................... 13
3.4.3 Ứng dụng của mô phỏng........................................................................... 13
3.4.4 Các định nghĩa cơ bản .............................................................................. 14
3.4.5 Những thành phần của mơ hình mơ phỏng............................................... 15
3.4.6 Các bước nghiên cứu mô phỏng ............................................................... 16
3.4.7 Các kĩ thuật thống kê khi thực hiện mô phỏng......................................... 20
3.4.7.1 Kiểm định phânbố lý thuyết cho dữ liệu đầu vào .............................. 20
3.4.7.2 Phương pháp xác định thời gian warm up ......................................... 21
3.4.7.2 Xác định trị trung bình bằng Replication/deletion............................. 22
3.4.7.3 Xác định số lần lặp bằng cách tiếp cận 2 giai đoạn ........................... 22
3.4.7.4 Kiểm tra giá trị mơ hình bằng phương pháp khoảng tin cậy ............. 23
3.5 Cơ chế tối ưu mơ phỏng .................................................................................. 23
CHƯƠNG 4. TÍCH HỢP TỐI ƯU VÀ MƠ PHỎNG CHO BÀI TỐN CÂN BẰNG
CHUYỀN ............................................................................................................... 26
4.1 Xây dựng giải thuật di truyền cho bài toán cân bằng chuyền ......................... 26
4.1.1 Phương pháp mã hóa ................................................................................ 26
4.1.2 Phương pháp chọn lọc .............................................................................. 28
vii
4.1.3 Phương pháp lai ghép ............................................................................... 29
4.1.4 Phương pháp đột biến ............................................................................... 31
4.1.5 Hàm độ thích nghi và điều kiện dừng....................................................... 31
4.2 Xây dựng mơ hình mơ phỏng cho bài toán cân bằng chuyền ......................... 32
4.2.1 Phần mềm ARENA................................................................................... 32
4.2.2 Sơ đồ luận lý ............................................................................................. 33
4.2.2 Xây dựng mơ hình trong ARENA ............................................................ 35
4.2.3 Mơ tả chương trình ................................................................................... 37
CHƯƠNG 5. ÁP DỤNG VÀO BÀI TOÁN THỰC TẾ ........................................ 39
5.1 Giới thiệu về công ty ....................................................................................... 39
5.2 Vấn đề cân bằng chuyền.................................................................................. 39
5.3.2 Phân bố thời gian gia công ....................................................................... 41
5.3 Mô phỏng phương án cân bằng chuyền hiện tại.............................................. 46
5.3.1 Mơ hình hóa phương án cân bằng chuyền hiện tại................................... 47
5.3.2 Mơ hình chi tiết của phương án hiện tại trong ARENA........................... 48
5.3.3 Xác định thời gian warm up và số lần lặp ................................................ 51
5.3.2.1 Xác định thời gian warm up............................................................... 51
5.3.2.2 Xác định số lần lặp............................................................................. 54
5.3.3 Kiểm nghiệm giá trị mơ hình.................................................................... 56
5.3.4 Đánh giá kết quả của phương án hiện tại.................................................. 56
5.4 Xây dựng phương án cân bằng chuyền bằng chương trình tối ưu mơ phỏng . 57
5.4.1 Xây dựng phương án cân bằng chuyền..................................................... 57
viii
5.4.2 Phân tích tham số kích cỡ đám đơng ........................................................ 61
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... 63
6.1. Kết luận .......................................................................................................... 63
6.2. Kiến nghị ........................................................................................................ 63
ix
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1: Minh họa cách mã hóa của giải thuật di truyền .......................................... 5
Hình 2.2: Minh họa cách lai ghép của giải thuật di truyền ......................................... 6
Hình 3.1:Minh họa quá trình lai ghép ....................................................................... 12
Hình 3.2: Minh họa quá trình đột biến...................................................................... 13
Hình 3.3: Các phương pháp nghiên cứu hệ thống..................................................... 15
Hình 3.4: Các bước thực hiện mơ phỏng .................................................................. 19
Hình 3.5: Minh họa phương pháp Welch với w=20 ................................................. 21
Hình 3.6: Mơ hình mơ phỏng tổng qt.................................................................... 24
Hình 3.7: Vai trị của tối ưu trong q trình mơ phỏng ............................................ 24
Hình 4.1: Cách mã hóa bài tốn cân bằng chuyền .................................................... 26
Hình 4.2: Bài tốn cân bằng chuyền với thời gian chu kì là 12................................ 26
Hình 4.3: Cách mã hóa bài tốn cân bằng chuyền có thời gian chu kì là 12 ............ 27
Hình 4.4: Phân bố cơng đoạn vào trạm ..................................................................... 28
Hình 4.5: Q trình chọn lọc..................................................................................... 28
Hình 4.6: Phương pháp lai ghép................................................................................ 30
Hình 4.7: Phương pháp đột biến ............................................................................... 31
Hình 4.8: Sơ đồ tổng qt của chương trình tối ưu mơ phịng ................................. 33
Hình 4.9: Sơ đồ luận lý của chương trình tối ưu mơ phỏng ..................................... 34
Hình. 4.10: Nhóm mơđun khởi tạo ........................................................................... 35
Hình 4.11: Nhóm mơđun gia cơng............................................................................ 36
Hình 4.12: Nhóm mơđun ghi nhận dữ liệu ............................................................... 36
x
Hình 4.13: Giao diện chương trình ........................................................................... 37
Hình 5.1: Sơ đồ tổ chức ............................................................................................ 39
Hình 5.2: Sơ đồ trứơc sau của các cơng đoạn CH-1 ................................................. 40
Hình 5.3: Hàm phân bố của cơng đọan 1.................................................................. 45
Hình 5.4: Phương án cân bằng chuyền hiện tại......................................................... 47
Hình 5.5: Nhóm mơđun khởi tạo của phương án hiện tại trong ARENA ................ 48
Hình 5.6: Nhóm mơđun trạm 1 ................................................................................. 48
Hình 5.7: Nhóm mơđun trạm 2 ................................................................................. 49
Hình 5.8: Nhóm mơđun trạm 3 ................................................................................. 49
Hình 5.9: Nhóm mơđun trạm 4 ................................................................................. 50
Hình 5.10: Nhóm mơđun trạm 5 ............................................................................... 50
Hình 5.11: Nhóm mơđun lấy dữ liệu ........................................................................ 51
Hình 5.12: Trung bình dịch chuyển cho sản lượng với w = 1 .................................. 53
Hình 5.13: Trung bình dịch chuyển của biến thời gian rỗi với w = 1....................... 53
Hình 5.14: Quá trình hội tụ của giải thuật................................................................. 59
Hình 5.15: Giá trị lời giải tốt nhất qua các lần lặp.................................................... 59
Hình 5.16: So sánh lời giải........................................................................................ 60
Hình 5.17: Kết quả phân tích tích cỡ đám đơng ...................................................... 62
xi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 5.1: Mô tả các công đoạn................................................................................. 40
Bảng 5.2: Thời gian gia công của các công đoạn ..................................................... 42
Bảng 5.3: Phân bố thời gian gia công ....................................................................... 46
Bảng 5.4: Phương án cân bằng chuyền hiện tại ........................................................ 47
Bảng 5.5: Sản lượng của phương án hiện tại qua 10 lần lặp..................................... 52
Bảng 5.6: Thời gian rỗi của phương án hiện tại qua 10 lần lặp ................................ 52
Bảng 5.7: Trung bình sản lượng trong 1 giờ của phương án hiện tại ....................... 54
Bảng 5.8: Trung bình thời gian rỗi trong 1 giờ của phương án hiện tại ................... 54
Bảng 5.9: Sản lượng trung bình trong 1 giờ với 10 lần lặp ...................................... 55
Bảng 5.10: Thời gian rỗi trung bình trong 1 giờ với 10 lần lặp............................... 55
Bảng 5.11: So sánh sản lượng cùa mơ hình và thực tế ............................................. 56
Bảng 5.12: Hàm lợi nhuận của phương án hiện tại................................................... 57
Bảng 5.13: Kết quả phân tích xác suất lai ghép và đột biến ..................................... 58
Bảng 5.14: Phương án cân bằng chuyền tốt nhất...................................................... 60
Bảng 5.15: So sánh lời giải cân bằng chuyền ........................................................... 61
Bảng 5.16: Kết quả phân tích kích thước đám đông................................................. 61
xii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Trong quá trình làm việc tại nhà máy, phân xưởng lắp ráp gia công, tơi nhận thất cân
bằng chuyền có ảnh hưởng rất quan trọng tới hiệu suất sử dụng nhân cơng, thời gian
hồn thành sản phẩm của chuyền cũng như số lượng nhân công sử dụng để sản xuất
sản phẩm. . .giải quyết tốt bài toán cân bằng chuyền giúp cho nhà máy giảm được
chi phí sản xuất, nâng cao năng lực cạnh tranh cho nhà máy, cơng ty.
Đã có nhiều nghiên cứu giải quyết bài toán cân bằng chuyền được thực hiện,
nhưng vẫn còn một khoảng cách giữa lý thuyết nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Vì
kết quả có được khi giải bài toán cân bằng chuyền dựa trên các dữ liệu tất định (ví
dụ: thời gian gia cơng trung bình của các công đoạn. . ,) làm kết quả khi áp dụng
thực tế khác xa so với mong đợi. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính,
cho phép chúng ta có thể mơ hình hóa các hệ thồng bằng máy tính phục vụ cho việc
nghiên cứu đánh giá các phương án cải tiến cho hệ thống một cách đầt đủ trước khi
áp dụng vào thực tế. Do đó việc nghiên cứu giải quyết bài tốn cân bằng chuyền
trong mơi trường mơ phịng là một hướng nghiên cứu khá mới mẻ, giúp ta xây dựng
được lời giải cân bằng chuyền hiệu quả hơn. Nhưng bản thân mô phỏng là một cơng
cụ dùng để đánh giá hệ thống, nó khơng có khả năng tự tìm kiếm hay xây dựng các
phương án tối ưu cho hệ thống.
Từ những nhận định trên, tơi chọn đề tài “Tích hợp kĩ thuật tối ưu vào mơ phỏng
để giải bài tốn cân bằng chuyền” làm hướng nghiên cứu cho đề tài tốt nghiệp thạc
sĩ của mình.
1.2 Mục tiêu luận văn
Xây dựng mơ hỉnh tích hợp mơ phỏng và giải thuật di truyền áp dụng cho bài
toán cân bằng chuyền.
Đề xuất lời giải cân bằng chuyền cho bài toán cụ thể.
1
1.3 Nội dung và giới hạn của luận văn
Tích hợp kĩ thuật tối ưu vào môi trường mô phỏng để áp dụng giải bài toán cân bằng
chuyền là một hướng nghiên cứu mới mẽ và có nhiều thử thách, cùng với áp lực
không nhỏ về tiến độ và hạn chế kiến thức của bản thân, vì thế để đảm bảo hồn
thành luận văn kịp thời hạn tơi xin giới hạn nội dung luận văn gồm các cơng việc
sau:
Tìm hiểu bài tốn cân bằng chuyền
Tìm hiểu giải thuật di truyền áp dụng cho bài tốn cân bằng chuyền
Tìm hiểu kĩ thuật mơ phỏng
Tích hợp giải thuật di truyền vào mơ phỏng cho bài tốn cân bằng chuyền
1.4 Bố cục
Nhằm giúp người đọc dễ dàng theo dõi và nắm bắt được các vấn đề được đề cập
trong luận văn này, luận văn được chia thành các chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu, lý do hình thành đề tài, nội dung và giới hạn
Chương 2: Các nghiên cứu có liên quan
Chương 3: Cơ sở lý thuyết có liên quan đến đề tài nghiên cứu
Chương 4: Tích hợp tối ưu mơ phỏng cho bài tốn cân bằng chuyền
Chương 5: Áp dụng vào bài toán thực tế
Chương 6: Kết luận và kiến nghị
2
CHƯƠNG 2: CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
2.1 Cân bằng chuyền với giải thuật tìm kiếm vùng cấm (Tabu search) của các
tác giả Sophie D. Lapierre, Angel Ruiz, Patrick Soriano
Bài báo này đề xuất giải thuật tìm kiếm kinh nghiệm vùng cấm cho bài toán cân
bằng chuyền loại I (Bài toán cân bằng chuyền được đề xuất bởi Schroll tìm kiếm
cách bố trí cơng việc vào các trạm làm việc sao cho số trạm cần là tối thiểu với thời
gian chu kỉ cho trước) với thịi gian gia cơng của mỗi công đoạn là tất định. Các tác
giả đã đề xuất các định nghĩa mới về vùng lân cận cho các lời giải khi áp dụng thuật
tốn tìm kiếm vùng cấm cho bài toán cân bằng chuyền loại I.
Lân cận loại 1: Là qui trình tráo đổi 2 cơng đoạn, giải thuật tìm trạm làm việc
có tải cơng việc xấp xĩ 50% sau đó giải thuật xem xét tất cả khả năng trao đổi
khả thi các công đoạn giữa các trạm, để tìm trao đổi nào làm cải thiện giá trị
mục tiêu nhiều nhất để thực hiện
Lân cận loại 2: Là qui trình di chuyển 2 cơng đoạn giữa các trạm sao cho
giảm đi số trạm ít cơng đoạn nhất có thể. Tại mỗi bước giải thuật tìm trạm có
ít cơng việc nhầt để di chuyển các cơng đoạn của trạm đó sang các trạm khác
nhằm làm giảm số lượng trạm làm việc hiện tại
Để đánh giá giải thuật tìm kiếm vùng cấm, các tác giả đã áp dụng giải thuật chi
các bai toán cân bằng chuyền mẫu Arcus1 và Arcus2.
Như đã đề cập bài báo giải quyết bài toán cân bằng chuyền với mục tiêu là tối
thiểu số trạm cơng việc và giải quyết bài tốn với thời gian gia công của các công
đoạn là tất định mà chưa quan tâm tới tính ngẫu nhiên của yếu tố thời gian gia cơng
của các cơng đoạn có thể làm thay đổi kết quả lời giải khi áp dụng vào thực tế.
3
2.2 Sử dụng giải thuật ủ kim loại (Simulated annealing) để giải bài toán cân
bằng chuyền đa mục tiêu với các trạm làm việc song song của tác giả P. R.
Mc Mullen và G. V. frazier
Nghiên cứu giới thiệu thuật tốn tìm kiếm ủ kim loại để giải bài tốn cân bằng
chuyền đa mục tiêu với các trạm làm việc song song. Hai mục tiêu chính được dùng
để giải bài tóan cân cân bằng chuyền là chi phí nhân cơng hay thiết bị cho mỗi sản
phẩm và thời gian chu kì. Một số bài tốn đề cập trong nghiên cứu bao gồm nhiều
loại sản phẩm khác nhau được tuần tự theo mơ hình hỗn hợp với các trạm làm việc
song song và thời gian gia công là ngẫu nhiên. Mỗi lời giải sau đó sẽ được kiểm
chứng bằng mơ phỏng. Trong nghiên cứu này tác giả cũng đã đề xuất cấu trúc lân
cận cho các lời giải khi áp dụng giải thuật ủ kim loại.
Lân cận loại 1: Trao đổi công đoạn giữa các trạm, giải thuật thực hiện trao
đổi ngẫu nhiên công đoạn giữa các trạm kế nhau sao cho không vi phạm ràng
buộc trứơc sau của các công đoạn
Lân cận loại 2:Chuyển công đoạn từ trạm này sang trạm khác sau đó sẽ cập
nhật lại số lượng công nhân hay thiết bị và số trạm cần
Tại mỗi bước lặp sẽ ưu tiên chọn lân cận loại 2 trước để trao đổi nếu khơng tìm
được lời giải khả thi sẽ áp dụng lân cận loại 1.
Để đánh giá lời giải tim được tác giả dùng kĩ thuật mô phỏng, phương pháp này
giúp đánh giá lời giải một cách đầy đủ trước khi áp dụng lời giải vào thực tế. Nhưng
phương pháp này có hạn chế là chỉ đánh giá được lời giải cuối cùng tìm được chứ
khơng thể đánh giá được toàn bộ các lời giải khác trong quá trình tìm kiếm.
2.3 Giải thuật di truyền cho bài toán cân bằng chuyền các thiết bị tự động của
Gregory Levitin, Jacob Rubinovitz, Boris Shnits
Bài báo sử dụng giải thuật di truyền để cân bằng chuyền cho dây chuyền sử dụng
thiết bị tự động hóa với hai mục tiêu là tối ưu kết quả cân bằng chuyền với số trạm
4
cho trước hay với thời gian chu kì cho trước và phân phối công việc cho các trạm
với các thiết bị tự động phù hợp nhất. Để sử dụng giải thuật di truyền cho bài toán
cân bằng chuyền với các thiết bị tự động, tác giả giới thiệu cách mã hóa lời giải và
các tốn tử lai ghép, đột biến như sau:
Phương pháp mã hóa: Để mã hóa lời giải cho loại bài toán cân bằng chuyền này
tác giả sử dụng 3 loại vector:
Vectơ v gồm 1 chuỗi thứ tự của các công việc cần thực hiện
Vectơ chỉ vi trí của các cơng việc đầu tiên tại mỗi trạm trên chuyền
Vectơ chỉ loại máy cho trạm đó
7
1
4
8 Sơ đồ trước sau
6
2
10
5
3
9
Cách trình bày lời giải
Vectơ v
2
7
3
5
1
4
6
Trạm
1
3
5
8
Máy
2
1
3
2
9
8
10
Hình 2.1: Minh họa cách mã hóa của giải thuật di truyền
(Nguồn: Gregory Levitin , Jacob Rubinovitz , Boris Shnits )
Toán tử lai ghép: Nghiên cứu sử dụng toán tử lai ghép và đột biến Fragment
Reodering Crossover được giới thiệu bởi Rubinoviz và Levitin (Gregory Levitin ,
Jacob Rubinovitz , Boris Shnits )
5
Tất cả các gien của cá thể cha (mẹ) đầu tiên được giữ lại và truyền cho cá
thể con
Một đoạn gien của cá thể con được cấu thành từ các cặp gần kề được
chọn ngẫu nhiên từ cá thể cha (mẹ) đầu tiên
Tất cả các gien trong đoạn lai ghép chọn được ở bước trên sẽ được hốn
đổi thứ tự theo thứ tự xuất hiện của nó trong cá thể cha (mẹ) thứ 2
Cá thể 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cá thể 2
7
8
9
2
4
5
1
3
6
10
Cá thể con
1
2
7
4
5
3
6
8
9
10
Hình 2.2: Minh họa cách lai ghép của giải thuật di truyền
(Nguồn: Gregory Levitin, Jacob Rubinovitz , Boris Shnits )
Toán tử đột biến: Để thực hiện đột biến tác giả đề xuất cách thực hiện như sau:
Chọn ngẫu nhiên 2 vị trí trong cá thể con và tìm các gien gần nhất có thể
hóan đổi mà khơng vi phạm thứ tự trứơc sau trong ràng buộc về cơng
nghệ
Ngồi ra để đảm bảo lời giải phát sinh ngẫu nhiên tại bước khởi tạo lời giải ban
đầu của giải thuật cho ra các lời giải khả thi, bài báo đề xuất cách giải mã cho các lời
giải đó mà vẫn đảm bảo tính khả thi của từng lời giải.
Vì mục tiêu của nghiên cứu là cân bằng dây chuyền cho nhà máy sử dụng các
thiết bị tự động nên bài báo dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả của giải thuật dựa trên
các bài toán mẫu với các dữ liệu tất định để so sánh với những giải thuật khác, do đó
nghiên cứu này cũng khơng quan tâm tới tính ngẫu nhiên của thời gian gia cơng của
các công đoạn.
6
2.4 Cách tiếp cận mơ phỏng cho bài tốn cân bằng chuyền cho sản xuất loạt lớn
và ứng dụng của tác giả Mesut Ozgurler, Ali Fuat Guneri, Bahadir Gulsun
Mục đích của bài bào là sử dụng phần mềm mô phỏng ARENA để hỗ trợ đánh giá
lời giải cân bằng chuyền có sẵn khi có những thay đổi về mặt bằng, công nghệ hay
yêu cầu sản xuất thay đổi. Qua kết quả mơ phỏng tác giả có thể đánh giá được hiệu
quả của phương án cân bằng chuyền, nhận dạng các trạm làm việc nào bị quá tải do
ảnh hưởng của thời gian gia công thay đổi.
Cũng như bài báo đã đề cập ở trên, mô phỏng là công cụ đánh giá rất mạnh để
kiểm chứng lời giải cân bằng chuyền trước khi áp dụng thực tế, tuy nhiên bài báo
chỉ mới tập trung vào việc mô phỏng một phương án cân bằng chuyền có sẵn và
khơng quan tâm tới việc tìm kiếm lời giải tối ưu cho các mục tiêu tương ứng.
2.5 Một số nhận xét và đề xuất
Bài báo sử dụng giải thuật tìm kiếm vùng cấm của các tác giả Sophie D. Lapierre,
Angel Ruiz, Patrick Soriano và bài báo sử dụng kĩ thuật di truyề n của Gregory
Levitin, Jacob Rubinovitz, Boris Shnits đã đề xuất ý tưởng giải bài tốn cân bằng
chuyền bằng kĩ thuật tìm kiếm kinh nghiệm (giải thuật tìm kiếm vùng cấm v à di
truyền) tuy nhi ên tác giả chỉ quan tâm tới việc tìm lời giải tối ưu cho bài tốn cân
bằng chuyền với thời gian gia công là tất định, đây là một trong nh ững giới hạ n của
nghiên cư ú vì vậy lời giải có được chưa đảm bảo hiệu quả khi áp dụng thực tế.
Đối với nghiên cứu sử dụng giải thuật ủ kim loại của các tác giả P. R. Mc
MULLEN và G. V. FRAZIER đã đề xuất việc dùng mô phỏng để đánh giá cho lời
giải cuối cùng trứơc khi áp dụng thực t ế, tuy vậy tác giả của bài báo này cũng chưa
quan tâm tới việc đánh giá sự ảnh hưởng của tính ngẫu nhiên của các thời gian gia
công lên các lời giải khác trong q trình tìm kiếm.
Cịn nghiên cứu của các tác giả Mesut Ozgurler, Ali Fuat Guneri, Bahadir
Gulsun chỉ tập trung vào mô phỏng một phư ơng án cân bằng dây chuyền sản xuất
sẵn có và khơng quan tâm tới việc t ìm kiếm lời giải mới.
7
Qua các bài báo tham khảo, có thể thấy rằng việc giải bài toán cân bằng chuyền
đã được quan tâm nghiên cứu khá nhiều. Tuy nhiên, các nghiên cứu này hoặc là tìm
lời giải tối ưu với những dữ liệu tất định của thời gian gia công của các công doạn
hoặc dùng mô phỏng để đánh giá các lời giải đã tìm được bằng các kĩ thuật tìm kiếm
hay luật kinh nghiệm. Việc nghiên cứu tìm kiếm lời giải tối ưu cho bài tốn cân
bằng chuyền trong mơi trường mơ phỏng vẫn còn mới mẽ và là một đề tài khá thú
vị. Do đó tơi quyết định chọn đề tài này làm hướng nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ.
8
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Tổng quan về bài toán cân bằng chuyền
3.1.1 Giới thiệu bài toán cân bằng chuyền
Dây chuyền lắp ráp phát triển để sản xuất các loại sản phẩm được chuẩn hóa có sản
lượng lớn đạt hiệu quả về mặt chi phí. Nó gồm nhiều trạm được sắp xếp nối tiếp
nhau, mỗi trạm thực hiện một hay nhiều cơng đoạn.
Bài tốn cân bằng chuyền sản xuất là bài tốn sắp xếp cơng đoạn gia cơng vào các
trạm làm việc sao cho thõa mãn các mục tiêu đề ra (ví dụ: tối thiểu số trạm cơng
việc hay tối thiểu thời gian chu kì. . .)các thuật ngữ được dùng trong bài tốn cân
bằng chuyền:
a) Phần tử cơng việc hợp lý nhỏ nhất
Là những phần tử công việc không thể chia nhỏ hơn được nữa. Tập hợp các phần tử
công việc hợp lý nhỏ nhất sẽ tạo nên tồn bộ các cơng việc cần thiết để làm ra sản
phẩm.
Kí hiệu: Tej là thời gian cần thiết để thực hiện phần tử công việc hợp lý nhỏ nhất.
b) Thời gian hồn thành tồn bộ cơng việc
Là tổng thời gian của tất cả các phần tử công việc hợp lý nhỏ nhất cần thiết để làm
ra sản phẩm.
Kí hiệu: Twc =
ne
∑T
j =1
ej
với ne là tổng số công việc cần thiết để làm ra sản phẩm.
c) Thời gian hồn thành cơng việc tại 1 trạm
Là tổng thời gian của tất cả phẩn tử công việc hợp lý nhỏ nhất tại một trạm làm việc
bất kì trong qui trình sản xuất sản phẩm
Kí hiệu: Tsi =
nsi
∑T
j =1
ej
với nei là tổng số cơng việc tại trạm thứ i.
9
d) Nhịp xuất xưởng
Là khoảng thời gian giữa hai lần hịan thành sản phẩm. Nhịp xuất xưởng u cầu
được tính toán dựa vào năng suất yêu cầu Rp và hiệu suất chuyền E.
Kí hiệu: Tc =
E
RP
e) Độ mất cần bằng chuyền (Balance delay)
Là chỉ số đo độ mất cân đối của chuyền sản xuất khi phân bố công việc tại các trạm
làm việc chưa hợp lý dẫn đến có sự chênh lệch về tổng thời gian làm việc tại các
trạm trong chuyền.
Kí hiệu: d =
nTc − TWC
nTc
f) Các ràng buộc ưu tiên
Trình tự thực hiện các cơng việc phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ tạo nên các ràng
buộc về thứ tự trước sau của các công đoạn cần thiết.
3.1.2 Phân loại bài tốn cân bằng chuyền
Theo Scholl (1999) thì bài toán cân bằng chuyền được phân loại dựa vào các mục
tiêu khác nhau, và có thể phân làm 4 loại chính như sau:
Loại 1: Bài tốn cân bằng chuyền với mục tiêu cực tiểu số trạm m với thời gian
chu kì c cho trước
Loại 2: Bài tốn cân bằng chuyền với mục tiêu cực tiểu thời gian chu kì với số
trạm m cho trước
Loại E: Bài toán cân bằng chuyền với mục tiêu cực đại hiệu suất chuyền hay
tối thiểu thời gian rỗi
Loại F: Bài toán cân bằng chuyền với mục tiêu tìm lời giải khả thi với thời gian
chu kì c và số trạm m cho trước
10
Ngoài ra Boysen và đồng sự (2006a) đã giới thiệu cách phân loại bài toán cân
bằng chuyền dựa trên hệ thống các kí hiệu [α | β | γ] mà Graham và đồng sự (1979)
đã dùng để phân loại các bài tốn điều độ. Trong đó kí hiệu [α] mơ tả đặc tính của
bài tốn cân bằng chuyền, kí hiệu [ β] mô tả cấu trúc của trạm và chuyền, kí hiệu [γ]
để mơ tả các hàm mục tiêu.
Theo cách phân loại của Scholl thì bài tốn cân bằng chuyền được nghiên cứu
trong đề tài thuộc loại E với thời gian gia công của các công đoạn là ngẫu nhiên, nếu
kí hiệu theo Boysen thì có dạng như sau [ spec , tsto | | E ]
Spec: Cấu trúc của biểu đồ trước sau là xác định và phụ thuộc vào trình
tự cơng nghệ
tsto : Thời gian gia công của các công đoạn là ngẫu nhiên
E: Cực đại hiệu suất chuyền
3.2 Giải thuật di truyền
3.2.1 Giới thiệu
Lấy ý tưởng từ q trình tiến hóa trong tự nhiên, giải thuật di truyền sẽ mã hóa các
lời giải thành các nhiễm sắc thể của các cá thể trong đám đông. Sự khác biệt của cấu
trúc các nhiễm sắc thể sẽ thể hiện khả năng tồn tại của cá thể (hay mức độ thõa mãn
hàm mục tiêu của lời giải) qua các thế hệ. Những cá thể (lời giải) thích nghi tốt hơn
với môi trường sẽ tồn tại lâu hơn và đóng vai trị là các cá thề bố mẹ cho quá trình
lai tạo, đột biến nhằm tạo ra các ca thể con mới tốt hơn.
Giải thuật bắt đầu bằng việc tạo ra các cá thể của đám đông, mỗi cá thể sẽ đại diện
cho một lời giải trong miền lời giải khả thi. Hàm mục tiêu của bài toán được dùng để
làm cơ sở đánh giá độ thích nghi của các cá thể.
Khởi tạo đám đông ban đầu (Initiate population): phương pháp khởi tạo
được thực hiện bằng cách lấy ngẫu nhiên các cá thể trong miền lời giải
khả thi là phương pháp thường được áp dụng. Các giải thuật di truyền
11
truyền thống biểu diễn nhiễm sắc thể dưới dạng 0,1, tuy nhiên tùy vào bài
tốn mà sẽ có những cách biễu diễn nhiễm sắc thể khác nhau.
Đánh giá độ thích hợp (Evaluate fitness): mỗi cá thể sẽ có giá trị độ
thích hợp khác nhau tùy thuộc vào khả năng thõa mãn hàm mục tiêu bài
tốn. Giá trị độ thích hợp càng cao thì lời giải càng tốt. Với bài tốn cực
đại thì hàm độ thích hợp (Fitness function _ F(x)) chính là hàm mục tiêu
f(x) của bài tốn. Trong bài tốn cực tiểu thì hàm độ thích hợp là nghịch
đảo của hàm mục tiêu bài toán F ( x) =
1
.
(1 + f ( x))
Chọn lọc (Selection): là toán tử quan trọng được áp dụng cho đám đông
để chọn các cá thể tốt cho quá trình lai ghép và đột biến. Cá thể bố mẹ
càng tốt (lời giải tốt) thì khả năng được chọn để hình thành hồ lai tạo
càng lớn (Mating pool).
Lai ghép (Crossover): hốn chuyển thơng tin trong các chuỗi nhiễm sắc
thể của các cá thể trong hồ lai tạo để tạo ra các cá thể mới. Cá thể con sẽ
chứa các thông tin của cá thể bố và mẹ trong đoạn nhiễm sắc thể của
mình
Vị trí lai ghép
00|0000
11|1111
001111
110000
Cá thể bố mẹ
Cá thể lai ghép
Hình 3.1:Minh họa quá trình lai ghép
(Nguồn: Tapan P. Bagchi, 1999)
Nếu các thể bố mẹ tốt thì sẽ tạo ra những cá thể con tốt khi lai ghép. Xác
suất lai ghép Pc sẽ quyết định khả năng lai ghép giữa 2 cá thể bất kì.
12
Đột biến (Mutation): tốn tử đột biến góp phần duy trì tính đa dạng của
các cá thể trong đám đơng. Q trình đột biến được minh họa như hình
sau:
Vị trí đột biến
Vị trí đột biến
110110
110010
(Trước đột biến)
(Sau đột biến)
Hình 3.2: Minh họa quá trình đột biến
(Nguồn: Tapan P. Bagchi, 1999)
Giải thuật di truyền được ứng dụng vào việc tìm kiếm lời giải tối ưu cho
các bài tốn có sự bùng nổ tổ hợp của lời giải như bài toán điều độ đơn
mục tiêu, bài toán điều độ đa mục tiêu, giải thuật di truyền cịn được ứng
dụng để tìm lời giải cho các bài toán cân bằng chuyền hay bố trí mặt bằng
3.4 Lý thuyết mơ phỏng
3.4.1 Khái niệm
Mơ phỏng là phương pháp thể hiện một hệ thống thực thông qua chương trình máy
tình và những đặc tính của hệ thống được trình bày thơng qua một nhóm các biến số
thay đổi theo thời gian để mơ hình hóa bản chất động của hệ thống.
3.4.2 Mục đích của mơ phỏng
Mục đích của mơ phỏng là mơ hình hóa hệ thống thực, thường sử dụng máy tính với
một phần mềm thích hợp, để thực hiện phân tích và đánh giá các phương pháp nào
đó tác động lên hệ thống thực thơng qua mơ hình được thực hiện trên máy tính
3.4.3 Ứng dụng của mô phỏng
Mô phỏng được ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong tất cả các lĩnh vực như:
13
