Agent-based dynamic scheduling for flexible manufacturing systems

Abstract

The need to react to fluctuations and versatility in market demand and face competition threats has led to the increasing trend to produce a wide variety of product types in small batches. The advent of advanced technology like computerized numerically controlled (CNC) machines and automatic guided vehicles has enabled the realization of flexible manufacturing systems (FMSs). FMSs aim at bringing the efficiency of mass production to small-to-medium sized batch production with high product diversity. This objective calls for scheduling approaches that optimize the utilization of the applied technology and at the same time react to the environmental dynamics flexibly. Conventional scheduling approaches fail to provide a mechanism for reacting to the dynamics of FMSs in a timely and efficient manner. Approaches that cater for optimality by a thorough investigation of available schedule alternatives always fail to exhibit real-time reactivity due to the high complexity of the problem. In this research work, an agent-based concept for the flexible and efficient FMS scheduling is proposed. The inherent complexity of the FMS scheduling problem is tackled by decomposing it into autonomous agents. These agents are organized in a hetrarchical multi-layered architecture that builds on the flexibility of FMSs. Every involved agent applies search heuristics to optimize its assigned task out of its local perspective. Through the interactions among the concerned agents along the different levels of abstraction, the schedule is optimized from the global perspective in reasonable time. Different scheduling modes are supported to account for the different managerial decisions and the different environmental conditions. The generated schedule is adapted to disturbing events such as machine breakdowns based on a schedule repair method that caters for automating the reaction to disturbances efficiently in real-time. In addition, structural changes of FMSs, including the addition of new resources, are incorporated dynamically into the proposed scheduling, which guarantees long-term flexibility.

Die Notwendigkeit, im Markt auf Schwankungen und Vielfalt der Nachfrage sowie auf den harten Wettbewerb zu reagieren, hat zu dem zunehmenden Trend geführt, eine Vielzahl von Produkttypen in Kleinserien zu produzieren. Die Einführung von fortschrittlichen Technologien, wie numerisch gesteuerte Maschinen und fahrerlose Fahrzeuge, hat die Realisierung von flexiblen Fertigungssystemen (FFS) ermöglicht. Ziel dieser flexiblen Fertigungssysteme ist es, die in der Massenproduktion erreichte Effizienz auf die kleine bis mittlere Serienfertigung mit hoher Produktvielfalt zu übertragen. Dieses Ziel setzt Ablaufplanungsansätze voraus, die die eingesetzte Technologie effizient ausnutzen und zugleich eine gewisse Flexibilität in der Reaktion auf die Dynamik im Produktionsumfeld aufweisen. Konventionelle Ansätze der Ablaufplanung sind nicht in der Lage, eine rechtzeitige Reaktion der FFS auf die Dynamik im Produktionsumfeld zu gewährleisten. Ansätze, die eine sorgfältige Untersuchung der verfügbaren alternativen Ablaufpläne verfolgen, sind auf Grund der hohen Komplexität des Problems nicht geeignet, da sie Echtzeit-Bedingungen verletzen. In dieser Arbeit wurde ein agentenbasiertes Konzept für die flexible und effiziente FFS- Ablaufplanung entwickelt. Die Reduzierung der inhärenten Komplexität des FFS-Ablaufplanungs-Problems wird durch die Zerlegung in autonome Agenten erreicht. Diese Agenten sind in einer mehrschichtigen Architektur, die auf der Flexibilität der FFS aufbaut, hierarchisch angeordnet. In jedem der beteiligten Agenten sind Suchheuristiken realisiert, die es ihm ermöglichen, die ihm gestellten Aufgaben aus seiner lokalen Perspektive zu optimieren. Durch die Interaktion zwischen den Agenten auf den verschiedenen Abstraktionsebenen wird der Ablaufplan aus der globalen Perspektive in angemessener Zeit optimiert. Um die verschiedenen Führungsentscheidungen und die verschiedenen Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen, werden verschiedene Ablaufplanungsmodi unterstützt. Der generierte Ablaufplan wird anhand einer Methode, die für eine automatische Reaktion auf Störungen effizient und in Echtzeit sorgt, an Störeinflüsse wie Maschinenausfälle angepasst. Darüber hinaus können strukturelle Veränderungen der FFS, einschließlich der Hinzufügung neuer Ressourcen, dynamisch in die vorgeschlagene Zeitplanung, die zur Gewährleistung einer langfristigen Flexibilität dient, übernommen werden.