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Production and maintenance planning of deteriorating manufacturing systems taking into account the quality of products

Rivera Gómez, Héctor (2013). Production and maintenance planning of deteriorating manufacturing systems taking into account the quality of products. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The research work presented in this thesis addresses the integration of quality aspects in the development of stochastic dynamic programming models. The goal is to determine the joint optimal production planning, and several maintenance strategies for an unreliable and deteriorating manufacturing system. In particular, we conjecture that deterioration has a severe influence on various aspects of the machine, thus this leads to divide our research work in three (3) phases.

In the first one, we analyze the simultaneous production planning and quality control problem for an unreliable manufacturing system. The machine is subject to deterioration whose effect is observed mainly on the quality throughput. The quality related decisions involves a major overhaul strategy that counters the effect of deterioration. A simulation optimization approach is applied to determine the optimal control policy, providing a better understanding about the influence of quality deterioration on such system.

The second phase of the research analyzes the fact where the deterioration of the production system is originated by a combination of several factors. We consider that the system deteriorates by the combined effect of the wear of the machine and imperfect repairs. Multiple operational states are implemented to model variations on the rate of defectives. Furthermore at failure, either a repair or a major overhaul can be conducted; however the machine deteriorates even more following repairs. We use a Semi-arkov decision model, since the rate of defectives is depended of the machine’s history denoted by the number of repairs and the set of multiple operational states. Then the simultaneous production plan, and repair/overhaul switching strategy are determined through numerical methods.

The third phase complements the previous models by considering that the deterioration of the production systems has a twofold effect that decreases the quality of the parts produced and also increases the failure intensity. We employ the age of the machine to denote the progressive deterioration. At failure it is conducted a minimal repair that leaves the machine at the same level of deterioration before failure. To counter completely the effect of deterioration it can be performed a major overhaul. Moreover, this phase introduces preventive maintenance strategies to reduce partially the level of deterioration. This set of characteristics yields to formulate a Semi-Markov model that thorough numerical methods, we determine the joint optimal production plan and the overhaul and preventive maintenance strategies. This model clarifies the role of quality aspects on the optimal control policy.

In this way our research deepens the effects of quality aspects and deterioration on the optimal control policy, and provides interesting contributions to the domain of stochastic control of manufacturing systems. Additionally, a number of numerical examples are conducted as illustration, and extensive sensitivity analyses are presented with the purpose to confirm the structure and validity of the obtained control policies. The models developed in this thesis provide further insights into the relations between the production policy and quality aspects in the context of deterioration, and also contribute to a better understanding about the behavior of stochastic manufacturing systems.

Titre traduit

Planification de la production et de maintenance des systèmes manufacturiers détériorés tenant compte de la qualité des produits

Résumé traduit

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent sur l'intégration des aspects de qualité pour le développement de nouveaux modèles de programmation dynamique stochastique. Le but c’est de déterminer conjointement la planification de la production optimale, ainsi que plusieurs stratégies de maintenance pour un système manufacturier pas fiable et sujet à détérioration. En particulier, nous supposons que la détérioration a une influence sévère sur plusieurs aspects de la machine, donc cela conduit à diviser notre travail de recherche en trois (3) phases.

Dans la première phase, nous analysons simultanément la planification de la production et le problème de contrôle de la qualité d'un système manufacturier pas fiable. La machine est soumise à une dégradation dont l'effet est observé principalement sur le débit de qualité. Les décisions relatives à la qualité impliquent une stratégie de révision majeure qui s'oppose à l'effet de la détérioration. Une démarche d'optimisation des modèles de simulation est appliquée pour déterminer la politique de contrôle optimale, permettant une meilleure compréhension de l'influence de la détérioration de la qualité dans ces systèmes.

La deuxième phase de l'étude analyse le fait où la détérioration du système de production est générée par une combinaison de plusieurs facteurs. Nous considérons que le système se détériore en fonction de l'effet de l'usure de la machine et des réparations imparfaites. Plusieurs états opérationnels sont mis en oeuvre pour modéliser les variations sur le taux d'unités défectueuses. En outre à la panne, soit une réparation ou une révision majeure peut être effectuée, mais la machine se détériore encore plus avec les réparations suivantes. Nous concevons un modèle de décision semi-markovien, puisque le taux d'unités défectueuses est dépendant de l'histoire de la machine dénoté par le nombre de réparations et de l'ensemble des multiples états opérationnels. Ensuite, le plan simultané de production, et de la stratégie de réparation/révision sont déterminés par des méthodes numériques.

La troisième phase complète les modèles précédents, puisqu’elle considère que la détérioration des systèmes de production a un double effet qui diminue la qualité des pièces produites et augmente également l'intensité des pannes. Nous employons l'âge de la machine pour désigner la détérioration progressive. À la panne, il est mené une réparation minimale qui laisse la machine au même niveau de détérioration qu’avant la défaillance. Pour faire cesser totalement l'effet de la détérioration, on peut effectuer une révision majeure. En outre, cette phase présente des stratégies d'entretien préventif pour réduire partiellement le niveau de détérioration. Ce large éventail de caractéristiques conduit à formuler un modèle semimarkovien que par moyen des méthodes numériques, nous déterminons conjointement le plan de production optimale et les stratégies de révision majeure et de maintenance préventive. Ce modèle précise le rôle des aspects de la qualité dans la politique de contrôle optimale.

De cette façon, notre recherche approfondit sur les effets des aspects de qualité et de la détérioration dans la politique de contrôle optimale, et fournit des contributions intéressantes dans le domaine du contrôle stochastique des systèmes de manufacturiers. Par ailleurs, un certain nombre d'exemples numériques sont effectuées à titre d'illustration. Des analyses de sensibilité approfondies sont présentées dans le but de confirmer la structure et la validité des politiques de contrôle obtenues. Les modèles développés dans cette thèse fournissent de nouvelles connaissances sur les relations entre la politique de production et les aspects de qualité dans le contexte de détérioration, et aussi contribuent également à une meilleure compréhension du comportement des systèmes de production en environnent incertain.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctorate in enginnering [i.e. engineering]" Bibliogr. : p. [187]-196.
Mots-clés libres: Production Planification. Qualité Contrôle. Industrie manufacturière. Théorie de la commande. Commande stochastique. Entretien prédictif. détérioration, système, systèmes manufacturier, contrôle optimal, maintenance préventive
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gharbi, Ali
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Kenné, Jean-Pierre
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 30 juill. 2013 16:13
Dernière modification: 10 mars 2017 21:04
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1187

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