Commande optimale stochastique des systèmes manufacturiers en boucle fermée sous contrôle des émissions de gaz à effet de serre (GES)

Kuegoua Takengny, Armel Leonel (2021). Commande optimale stochastique des systèmes manufacturiers en boucle fermée sous contrôle des émissions de gaz à effet de serre (GES). Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Au fil des ans, les investissements des organismes gouvernementaux et non-gouvernementaux sont beaucoup tournés vers les solutions des menaces que posent les changements climatiques à l’échelle mondiale. Dans l’exemple des pays de l’Amérique du nord, le modèle d’échange de droits d’émission du programme Western Climate Iniative (WCI) permet d’agir pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). De plus, pour une consommation responsable de nos ressources naturelles, le concept de l’économie circulaire attire beaucoup d’attention pour répondre à ses préoccupations environnementales. Au Canada, à travers les grandes orientations de la stratégie fédérale de développement durable, son déploiement est de plus en plus croissant, en particulier dans le secteur manufacturier par le biais de la logistique inverse.

Afin de préserver notre environnement, les gestionnaires d’industries manufacturières doivent s’approprier de ces challenges environnementaux dans leur pratique de production sans toutefois perdre de vue l’aspect économique. C’est dans ce cadre, que s’inscrit le travail de ce mémoire visant l’intégration du contrôle des émissions de GES et de la logistique inverse dans la commande des systèmes manufacturiers dans un contexte dynamique stochastique. Les systèmes manufacturiers étudiés sont sujets aux phénomènes aléatoires tels que les pannes et réparations des machines et génèrent les émissions de GES nocives à l’environnement. Le problème de commande devient très complexe avec la prise en compte de tous ces aspects. Les contributions de ce mémoire sont présentées en trois parties.

Dans la première partie, nous considérons que le système manufacturier est constitué d’une machine fabriquant un seul type de produits et supposons que son taux de panne et index d’émission sont constants. L’étude est d’élaborer la politique de commande rétroactive de production incluant le niveau d’émissions dans la prise de décision afin de minimiser le coût total. En plus des coûts de mise en inventaire de produits finis, de pénurie dans le coût total, nous avons aussi pris en compte le coût des émissions excédant la limite maximale imposée par les autorités compétentes. Cependant, en pratique industrielle le système se détériore, alors affecte sa fiabilité et son taux d’émission. Les réparations effectuées suite à la survenue de pannes étant minimes, l’envoi en maintenance préventive est donc nécessaire.

La deuxième partie nous permet d’intégrer dans la première la dégradation progressive du système manufacturier durant son fonctionnement affectant sa fiabilité et son taux d’émission. Nous supposons que le taux de panne et l’index d’émission dépendent de l’âge de la machine. En raison des réparations minimes et l’effet de vieillissement, il est intéressant d’appliquer l’activité de maintenance préventive. Les politiques de commande rétroactives (production et maintenance préventive) sont élaborées dans cette partie afin de minimiser le coût total. En plus des coûts de mise en inventaire de produits finis, de pénurie, le coût des émissions excédant la limite maximale imposée par les autorités compétentes dans le coût total, nous avons intégré le coût de maintenance corrective et préventive.

La dernière partie fait l’objet de l’étude du problème de planification de la production en contexte de logistique inverse sous contrôle de ses émissions de GES. Les politiques de commande rétroactives de production pour un système manufacturier hybride manufacturing/ remanufacturing en boucle fermée sont élaborées afin de minimiser le coût total. La machine de manufacturing produisant à partir de la matière première et celle de remanufacturing permettant la remise à neuf des produits usagés récupérés sur le marché, nous avons intégré dans le coût total, le coût de manufacturing et remanufacturing.

Dans ce travail, nous avons utilisé pour la modélisation, d’une part les processus markoviens homogènes et d’autre part, semi-markoviens non homogènes où la dynamique de la machine était affectée par son historique. Une résolution numérique des conditions d’optimum, décrites par les équations d’Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB), a conduit à la solution du problème étudié. Pour valider la structure de nos politiques de commande obtenues, une analyse de sensibilité a été faite. Nous avons poursuivi par une étude comparative afin de montrer l’avantage des politiques proposées à celles de la littérature. Enfin, le travail s’achève par une implication managériale pour faciliter la mise en oeuvre des résultats obtenus.

Ce mémoire démontre l’importance et la possibilité d’intégrer ces exigences environnementales en matière de réductions des émissions de GES et la valorisation des produits usagés dans la commande des systèmes manufacturiers afin de préserver notre environnement. Sous des hypothèses raisonnables, les résultats obtenus peuvent être bénéficiés à une pluralité de domaines industriels tels que les lignes d’assemblage d’automobiles, de véhicules ferroviaires et des aéronefs, les usines de fabrication de machinerie de construction, d’équipements de manutention et d’extraction minière.

Titre traduit

Stochastic optimal control of closed-loop manufacturing systems under greenhouse gas (GHG) emissions control

Résumé traduit

Over the years, investments by governmental and non-governmental organizations have been heavily focused on addressing the threats posed by global climate change. In the example of North American countries, the emissions trading model of the Western Climate Initiative (WCI) program allows for action to reduce greenhouse gas (GHG) emissions. In addition, for a responsible consumption of our natural resources, the concept of the circular economy is attracting a lot of attention to address its environmental concerns. In Canada, through the major orientations of the federal sustainable development strategy, its deployment is increasingly growing, especially in the manufacturing sector through reverse logistics.

In order to preserve our environment, managers of manufacturing industries must appropriate these environmental challenges in their production practices without losing sight of the economic aspect. It is within this framework that the work of this thesis aims at integrating the control of GHG emissions and reverse logistics in the control of manufacturing systems in a dynamic stochastic context. The manufacturing systems studied are subject to random phenomena such as machines breakdowns and repairs and generate GHG emissions harmful to the environment. The control problem becomes very complex with the consideration of all these aspects. The contributions of this paper are presented in three parts.

In the first part, we consider that the manufacturing system consists of a machine producing a single type of product and assume that its failure rate and emission index are constant. The study is to develop the production feedback control policy including the emission level in the decision making in order to minimize the total cost. In addition to the cost of inventorying finished products, shortage in the total cost, we also took into account the cost of emissions exceeding the maximum limit imposed by the competent authorities. However, in industrial practice the system deteriorates, so affects its reliability and emission rate. The repairs carried out following the occurrence of breakdowns are minimal, so the sending of preventive maintenance is necessary.

The second part allows us to integrate in the first one the progressive degradation of the manufacturing system during its operation affecting its reliability and its emission rate. We assume that the failure rate and the emission index depend on the age of the machine. Due to the minimal repairs and the aging effect, it is interesting to apply the preventive maintenance activity. Backward control policies (production and preventive maintenance) are developed in this section to minimize the total cost. In addition to the costs of inventorying finished products, shortages, the cost of emissions exceeding the maximum limit imposed by the competent authorities in the total cost, we have integrated the cost of corrective and preventive maintenance.

The last part is the study of the production planning problem in a reverse logistics context under control of its GHG emissions. Backward production control policies for a hybrid closedloop manufacturing/remanufacturing system are developed to minimize the total cost. Since the manufacturing machine produces from raw material and the remanufacturing machine allows the remanufacturing of used products recovered from the market, we have integrated the cost of manufacturing and remanufacturing in the total cost.

In this work, we used for the modeling, on the one hand, homogeneous Markovian processes and, on the other hand, non-homogeneous semi-Markovian processes where the dynamics of the machine was affected by its history. A numerical resolution of the optimality conditions, described by the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equations, led to the solution of the studied problem. To validate the structure of our obtained control policies, a sensitivity analysis was performed. We continued with a comparative study in order to show the advantage of our proposed policies to those in the literature. Finally, the work ends with a managerial implication to facilitate the implementation of our results.

This thesis demonstrates the importance and the possibility of integrating these environmental requirements in terms of GHG emission reductions and the recovery of used products in the control of manufacturing systems in order to preserve our environment. Under reasonable assumptions, the results obtained can benefit a variety of industrial sectors such as automotive, rail and aircraft assembly lines, construction machinery manufacturing plants, material handling equipment and mining.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 153-160).
Mots-clés libres:	systèmes manufacturiers, commande optimale stochastique, planification de la production, détérioration, maintenance, boucle fermée, émissions de GES
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kenné, Jean-Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Gharbi, Ali
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	07 févr. 2022 16:30
Dernière modification:	07 févr. 2022 16:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2876

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