Optimización de problemas de distritución en planta mediante algoritmos evolutivos

Resumen

1. Introducción o motivación de la tesis. El diseño de distribución en planta trata de definir la disposición física más efectiva de las instalaciones (máquinas, equipos de procesamiento y departamentos de servicio...) de una planta y sus diversas partes para lograr la mejor coordinación y eficiencia en el uso del hombre, la máquina y materiales. Mediante el diseño de distribución en planta se pretende cubrir los siguientes objetivos: • Reducción del costo de manejo de materiales. • Utilizar el espacio de manera efectiva y eficiente. • Reducción de la congestión en el proceso productivo. • Mejorar la capacidad de producción. • Minimizar el número de accidentes. • Facilitar la supervisión. El problema de distribución en planta es un factor clave para maximizar los beneficios de una industria (García‐Hernández, 2011). Se sabe que un buen diseño de distribución de las instalaciones en una industria es muy eficaz para reducir los costos de fabricación, los plazos de entrega, el trabajo en progreso y la productividad. Contribuye a la eficiencia general de las operaciones y puede reducir significativamente los costos operativos totales, hasta un 50% (Tompkins et. al., 2010). Existen muchas taxonomías dentro del diseño de distribución en planta. Una buena clasificación de los distintos problemas de distribución en planta puede encontrarse en el trabajo realizado por Drira et al (2007). Uno de los problemas más estudiados en el diseño de distribución en planta es el problema de distribución en planta de área desiguales (en inglés: Unequal Area Facility Layout Problem, UA-FLP) (Palomo-Romero et al., 2017). Éste fue propuesto por Armour y Buffa (1963) y es definido con un conjunto de instalaciones rectangulares de área desigual que han de ser distribuidas en base a una función objetivo en un planta también rectangular de dimensiones conocidas, de forma que no haya solapamiento entre las instalaciones y que la suma del área de todas las instalaciones no sea superior al área total de la planta. De acuerdo con (Gonçalves y Resende, 2015), la función objetivo más frecuente a optimizar se basa en la minimización del flujo de materiales, ya que está directamente relacionado con los costes totales en un planta industrial. 2. Contenido de la investigación. El objetivo fundamental que se busca con el desarrollo de esta tesis doctoral se basa en mejorar los resultados obtenidos previamente por las propuestas existentes en el problema de distribución en planta de áreas desiguales (UA-FLP) implementando un algoritmo evolutivo basado en un novedoso enfoque sobre los arrecifes de coral, CRO. Este objetivo principal puede ser a su vez subdividido en varios subobjetivos. 1. Revisión, estudio y análisis de los trabajos previos existentes en la bibliografía que han abordado el problema de distribución en planta de áreas desiguales. A través de ello, se realizará el estado del arte del problema de distribución en planta en general y, posteriormente, será enfocado el problema de distribución en planta de áreas desiguales, en particular. 2. Revisión, estudio y análisis de las estrategias de optimización más novedosas y efectivas en problemas complejos, teniendo como meta seleccionar propuestas prometedoras para abordar el problema de distribución en planta de una forma exitosa que permita mejorar el rendimiento obtenido mediante otros métodos del estado del arte. 3. Diseño e implementación de una nueva estrategia que se base en el método de optimización previamente seleccionado y aborde la optimización de flujo de material existente en el problema de distribución en planta de áreas desiguales. 4. Diseño e implementación de una nueva estrategia paralela que permita mejorar aún más el rendimiento de las estrategias seleccionada previamente, mejorando la diversidad de los diseños industriales y ampliando el rango de búsqueda de soluciones. Esta nueva propuesta se aplicará al problema de distribución en planta de áreas desiguales considerando el coste de flujo de material como función objetivo a minimizar. 5. Revisión, estudio y selección de los problemas de distribución en planta de instalaciones de áreas desiguales de referencia para realizar la experimentación de las estrategias sugeridas, teniendo en cuenta, que se evalúen todos los rangos y tamaños de problemas. 6. Experimentación empírica de las propuestas sugeridas. Extracción de los resultados obtenidos y realización de comparativas con las mejores soluciones obtenidas en la bibliografía. 7. Extracción y análisis de las conclusiones de la investigación realizada a través de los resultados alcanzados por las técnicas propuestas, así como, el establecimiento de las posibles líneas futuras y prometedoras de investigación. 3. Conclusión. En esta tesis, se ha presentado un estado del arte exhaustivo y reciente, relacionado con el problema de distribución en planta, en general, y en el problema de distribución en planta de áreas desiguales, en particular. Por un lado, en esta tesis doctoral, se ha realizado una evaluación en profundidad del rendimiento de aplicar el algoritmo de arrecifes de coral para optimizar los problemas de distribución en planta de áreas desiguales considerando como estructura de representación la estructura de bahías flexibles. Tras un análisis exhaustivo de la bibliografía, parece que es la primera propuesta que usa un algoritmo de optimización de arrecifes de coral para resolver el problema de distribución en planta de áreas desiguales. Del estudio empírico realizado, puede decirse que la propuesta de optimización basada en arrecifes de coral tiene un rendimiento excelente cuando se aplica al problema de distribución en planta de áreas desiguales. Por otro lado, en esta tesis doctoral, se ha propuesto un nuevo enfoque que combina un modelo de islas y el algoritmo de optimización de arrecifes de coral. Este novedoso sistema de modelo de islas basado en la optimización de arrecifes de coral se ha aplicado al problema de distribución en planta de áreas desiguales considerando la estructura de bahías flexibles como estructura de representación de la planta industrial. Se han propuesto y probado dos versiones diferentes del algoritmo de modelo de islas basado en la optimización de arrecifes de coral: las versiones del modelo de islas basado en la optimización de arrecifes de coral básica y la del modelo de islas basado en la optimización de arrecifes de coral extendida. El sistema del modelo de islas basado en la optimización de arrecifes de coral también ha demostrado ser eficaz para abordar los problemas de distribución en planta de áreas desiguales de diferentes categorías según su tamaño, es decir, los problemas de distribución en planta de áreas desiguales pequeños, medianos y grandes. Esta efectividad se debe a la independencia existente entre cada arrecife (o isla), que alienta a explorar diferentes zonas del espacio de búsqueda en la misma cantidad de tiempo, lo que lleva a un uso eficiente de los recursos informáticos, y además mejora en un factor significativo el tiempo necesario para encontrar una solución óptima. Por otro lado, la migración también ayuda a aumentar la diversidad, debido a la independencia de las islas mencionadas anteriormente. Dada la importancia de una distribución correcta de los departamentos en cualquier instalación, especialmente en las industriales, el impacto de la nueva propuesta es alto. El diseño de la planta afecta sustancialmente en la eficiencia de la producción y es un tema relevante en cada construcción de planta nueva o en la remodelación de las existentes. Aquí, la minimización del costo de flujo de materiales se considera crucial para el éxito del diseño en términos de la economía de producción. Sin embargo, también es importante tener en cuenta la forma de cada departamento individual para mejorar el rendimiento de la planta. Estos dos requisitos son opuestos, en la forma en que cuanto peor es la relación de aspecto, mejor es el costo de manejo del material. Por lo tanto, encontrar el diseño que ofrezca el mejor costo posible de manejo de materiales y al mismo tiempo respetar las restricciones de relación de aspecto es un problema crítico que aún no se ha resuelto satisfactoriamente, especialmente en problemas de gran tamaño y relaciones complejas de flujo de materiales entre departamentos. En el enfoque actual, se ha obtenido una clara mejora en la mayoría de los problemas probados, por lo que es una línea prometedora que debe explorarse más a fondo. 4. Bibliografía. Lorenzo Salas-Morera, Laura García-Hernández, Antonio Arauzo-Azofra: An evolutionary algorithm for the unequal area facility layout problem.11th International Conference on Intelligent Systems Design and Applications, 2011. J. Tompkins, J. White, Y. Bozer, J. Tanchoco, Facilities Planning, Wi-ley, New York, 4rd ed. edition, 2010. Amine Drira, Henri Pierreval, Sonia Hajri-Gabouj: Facility layout problems: a survey; Annual Reviews in Control 31 (2007) 255–267. J.M. Palomo Romero, L. Salas-Morera, L. Garcia-Hernandez, An island model genetic algorithm for unequal area facility layout problemas, Expert Systems with Applications, 68, páginas 151-162, 2017. Armour, G. C., & Buffa, E. S. (1963). A heuristic algorithm and simulation approach to relative allocation of facilities. Management Science, 9(2), 294–300. J.F. Gonçalves, M.G. Resende, A biased random-key genetic algorithm for the unequal area facility layout problem, Eur. J. Oper. Res. 246 (2015) 86–107.