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Optimisation conjointe des stratégies de production et de réutilisation en environnements incertains

Kouedeu, Annie Francie (2014). Optimisation conjointe des stratégies de production et de réutilisation en environnements incertains. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le travail de cette thèse est d’élaborer des stratégies optimales conjointes de production, de réutilisation et de maintenance des systèmes de production dans un contexte dynamique intégrant la logistique inverse. Les procédés de production et de réutilisation sont intégrés au modèle d’optimisation stochastique des systèmes manufacturiers soumis aux pannes et réparations aléatoires des machines. Une analyse de la dégradation de l’unité de production en fonction de son utilisation est faite. Parallèlement des pièces usagées retournées au fabricant peuvent être remises à niveau comme des pièces neuves dans le cadre de la réutilisation. La disponibilité de pièces usagées et les différences de coûts et de performance des machines de production et de réutilisation justifient le recours à ce procédé logistique inverse. Les contributions de cette thèse sont présentées en quatre phases.

La première phase est l’étude de l’optimisation conjointe de la production et des stratégies de maintenance (préventive et corrective) d’un système manufacturier soumis à des réparations imparfaites. Le système est constitué d’une machine produisant un seul type de pièce. Suite aux défaillances du système, des réparations imparfaites sont effectuées. Ainsi, le taux de défaillance dépend du nombre de pannes. Une approche hiérarchique de prise de décision permettant au premier niveau de déterminer le taux de panne de la machine et au second niveau les politiques de production, de maintenance préventive et corrective est utilisée. Le problème d’optimisation est résolu par des méthodes numériques. Et pour illustrer l’utilité de nos résultats, une analyse de sensibilité a été faite. Cependant, dans cette phase, la question de savoir ce qui se passe lorsque la machine est sollicitée à sa vitesse de production maximale pendant une longue période n’a pas été posée.

La deuxième phase permet de répondre à cette question. Pour cela, nous avons travaillé sur la planification de la production d’un système manufacturier constitué de deux machines non-identiques en parallèle produisant un seul type de pièce. Le taux de panne de la machine principale (machine dont le taux de production est le plus élevé) dépend de son taux de production. Une modélisation a été faite par une chaîne de Markov non-homogène, et une résolution numérique à travers des équations d’Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) a conduit à la solution du problème étudié. Les résultats ont montré que pour tenir compte de la fiabilité de la machine et réduire le coût total du système de production, il est nécessaire de réduire le taux de production en fonction du stock des produits finis. Cette approche est très importante dans le cas des systèmes manufacturiers où la vitesse de la production influence considérablement l’usure de l’outil de coupe (exemple des machines d’usinage). Nos résultats ont été analysés par le biais d’une étude de sensibilité.

Bien que les phases une et deux permettent d’obtenir des résultats intéressants, nous ne pouvions conclure ce travail sans explorer l’aspect de la logistique inverse. En effet, de nos jours, plusieurs entreprises réintègrent les produits usagers dans la chaîne de production à cause de la rareté et du coût des matières premières, du respect de l’environnement et des législations sur l’environnement. Nous avons tenu compte de cet aspect dans la troisième phase.

Dans cette phase, la seconde machine de la deuxième phase est considérée comme une machine de remanufacturing (réutilisation des pièces récupérées sur le marché). Ainsi, nous faisons une étude combinée des systèmes hybrides de production / réutilisation avec une dégradation de la machine de production en fonction de son taux d’utilisation. En réduisant le taux de production de la machine de production pour tenir compte de sa fiabilité, celle-ci ne peut plus satisfaire la demande, d’où la réutilisation des produits retournés pour combler la demande manquante. L’objectif ici est de trouver les politiques optimales de production et de réutilisation qui permettent d’avoir un coût total minimal incluant les coûts du stock des produits finis, les coûts de pénurie et les coûts du stock des produits retournés. Le modèle est résolu par des méthodes numériques. Des analyses de sensibilité sont élaborées pour montrer la pertinence de l’approche proposée.

La quatrième phase est la validation des modèles développés sur un cas pratique. Nous visons les compagnies fabricant des cartouches compatibles, Laser et Jet d’encre, neuves et remanufacturées. Sous des hypothèses raisonnables, d’autres domaines industriels tels que les lignes d’assemblage d’automobile et des aéronefs, les usines de fabrication des pièces mécaniques peuvent aussi bénéficier des résultats obtenues.

Résumé traduit

The work of this thesis is to elaborate joint optimal strategies of manufacturing, remanufacturing and maintenance of the production systems in the reverse logistics dynamic context. The manufacturing and remanufacturing processes are integrated into the model of stochastic optimization of manufacturing systems subject to random breakdowns and repairs of machines. An analysis of the degradation of the manufacturing unit according to its production rate is made. The availability of used products returned to the manufacturer and the differences in costs and performances of the machines justifies the development of a reverse logistics process. The contributions of this thesis are presented in four (04) phases:

The first phase deals with the joint analysis of the optimal production and maintenance (repair and preventive maintenance) planning problems for a manufacturing system subject to random failures and repairs. The system consists of one machine producing one part type. When the machine fails down, an imperfect repair is undertaken. Thus, the failure rate depends on the number of failures. A two-level hierarchical decision making approach, based on the determination of the failure rates (first level) of the machine and the statement of a joint optimization of production, preventive and corrective maintenance policies (second level) is proposed. The optimization problem is solved by numerical methods. To illustrate the usefulness of our results, a sensitivity analysis was done. However, at this stage, the question of what happens when the machine is used to its maximum production speed for a long time has not been asked.

The second phase of work permits to answer this question. To do this, we worked on the production planning of a manufacturing system consisting of two non-identical parallel machines producing one part type. The failure rate of the main machine (machine whose production rate is the higher) depends on its production rate. A model has been presented using a non-homogeneous Markov chain, and the numerical solution of the Hamilton-Jacobi- Bellman (HJB) equations has provided the solution for the manufacturing system. The results suggest that to obtain gains in availability of the main machine and to reduce the total cost incurred, it may be beneficial to decrease the production rate when the inventory level approaches the threshold value. This approach is very important in the case of manufacturing systems where the speed of production greatly influences the wear of the cutting tool (for example, in the metallic parts machining industries). Our results have been validated through a sensitivity analysis.

Although phases (01) and two (02) provide interesting results, we could not conclude this work without exploring the aspect of reverse logistics. Indeed, nowadays, many companies remanufacture used products due to the rarity and cost of raw materials, environmental protection and environmental legislation. We considered this issue in the third phase. In the third phase, the second machine of the second phase is the machine of remanufacturing (reuse of recovered parts on the market). Thus, we study hybrid manufacturing/remanufacturing systems with the production-dependent failure rates of the manufacturing machine. By reducing the production rate of the manufacturing machine to account for its reliability, this machine is unable to satisfy the customer demand alone, which is why the remanufacturing machine is called upon to fill the demand. The objective of the system is to find the production rates of the manufacturing and the remanufacturing machines that would minimize a discounted overall cost consisting of serviceable inventory cost, backlog cost and holding cost for returns. The problem is solved by numerical methods. Sensitivity analyses are developed to show the relevance of the proposed approach.

The fourth phase is the validation of the models developed on a practical case. We aim for companies which produce compatible cartridges, Laser and Inkjet, both new and remanufactured. Under reasonable assumptions, other industrial sectors such as automobile and aircraft assembly lines, manufacturing of mechanical parts can also benefit from the results obtained.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliographie : pages 167-174.
Mots-clés libres: Logistique (Organisation) Optimisation mathématique. Production Planification. Reconditionnement. Machines Entretien et réparations. Entretien prédictif. correctif, inverse, logistique, maintenance, systèmes manufacturiers, commande optimale, planification de la production, dégradation, réutilisation, maintenance corrective et préventive, programmation dynamique stochastique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Kenné, Jean-Pierre
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Songmene, Victor
Dejax, Pierre
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 03 juin 2014 14:23
Dernière modification: 23 mars 2015 14:04
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1311

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