Strumenti per la simulazione: dal "Discrete Event Simulation" all’"Agent Based Modeling" - Lo stato dell’arte attraverso lo sviluppo di casi reali e la sperimentazione delle nuove metodologie

Abstract

This PhD thesis presents the course of research characterized by application of simulation tool to production systems. First, an optimization study by DES methodology of paper mill is presented. After gained longstanding experience in DES methodology, advantages and disadvantages are indicated. From modeling point of view, DES proposes model building by combination of standard logical blocks in order to reproduce process flow. This kind of approach adapts to simulate manufacturing production system especially human factors are not considered. Besides, this approach requires a depth detail level. From user point of view, more details means higher accuracy and credibility of models. Notwithstanding, DES is “data hungry” methodology respect other ones. Another important aspect concerns complexity: even if, in the last years some firms are using these DES tools, many times optimization studies are conducted by external consultants because internal staff does not have skills requested. DES application requires high training costs and high modeling costs due to long building model time. A software architecture is presented to speed up building of models and to simplify use to notexpert user. The results in terms of modeling time and number of elementary operation are compared to traditional procedure of QUEST (software DES). The evaluation is done by building of lots models of production system and to rebuild paper mill model. The result showed a reduction of 50% in terms of modeling time. Last part of this research presents a simulation study based on agent (Agent based simulation) realized on DRC system. In particular, flow shop assembly line is considered. Assigment operator rules are implemented to model “workforce flexibility”. ABM permits to realize a model of assembly line with 8 assembly station and inter-operational buffers. The complexity of modeling assignment rules was overcome thanks to ABM modeling. Three king of agents was defined: “Machine”, “Product” and “Operator”. Agents can exchange information among their and show a behavior based on fixed defined rules. DOE and ANOVA analysis was conducted to evaluate the system in terms of system effects and human effects.” A comparation with literature was done. ABM methodology showed bigger potentialities to embed human factors in operations than other methodologies. [edited by Author]

Questa tesi presenta un percorso di attività caratterizzato dall’applicazione della simulazione in ambienti produttivi. Viene prima presentato uno studio di ottimizzazione di un impianto di cartotecnica attraverso simulazione DES in ambiente Digital Factory. L’esperienza maturata nella modellazione DES ha permesso di apprezzare i vantaggi di questo tipo di approccio ma anche di individuare i suoi punti deboli. Dal punto di vista della modellazione, DES propone la costruzione del modello attraverso la combinazione di blocchi logici standard predefiniti che riproducono lo schema di flusso del processo. Questo tipo di approccio si adatta bene alla simulazione di sistemi manifatturieri soprattutto se i fattori umani non sono considerati. Lo studio su un caso reale ha evidenziato l’approfondito livello di dettaglio che questo approccio richiedere. Dal punto di vista dell’utilizzatore, questo rappresenta un vantaggio perché aumenta l’accuratezza e la credibilità dei modelli realizzati e quindi delle soluzioni migliorative proposte. Dall’altro però rappresenta un ostacolo poiché rispetto ad altri approcci, DES è decisamente una metodologia “data hungry”. Un altro aspetto importante riguarda la complessità di utilizzo: sebbene negli ultimi anni, alcune società fanno uso di questi tool, quasi sempre si avvalgono di consulenza esterna perché mancano le risorse specializzate per realizzare questo tipo di studio. Inoltre i costi di training sono elevati così come i costi di sviluppo dei modelli. In particolare, questi ultimi sono causati da lunghi tempi di sviluppo dei modelli sia per la complessità computazionale che per procedure di modellazione lunghe e ripetitive. Un’applicazione basata su ACCESS è stata sviluppata per accelerare la fase di costruzione dei modelli e facilitare l’utilizzo agli utenti meno esperti. I risultati, valutati in termini di tempo di modellazione e numero di operazioni elementari realizzate sono stati comparati con la procedura tradizionale del software DES di QUEST. La verifica è stata effettuata attraverso la costruzione di numerosi modelli di impianti produttivi e infine è stato ricostruito il modello della linea rotoli della cartotecnica Confalone. I risultati hanno evidenziato una riduzione del 50% dei tempi di costruzione del modello evidenziando come è possibile facilitare l’utilizzo di tool DES attraverso questo tipo di applicazione. Infine, la tesi ha presentato uno studio di simulazione basato su metodologia ABM per l’analisi di un sistema DRC configurato come una linea di assemblaggio con layout flow-shop. Regole di assegnazione degli operatori sono state implementare per modellare la cosiddetta “workforce flexibility”. L’approccio di modellazione non convenzionale di ABM, seppur non sviluppato specificatamente per sistema produttivi, ha comunque permesso di realizzare un modello ad agenti per una linea di assemblaggio costituita da 8 stazioni di assemblaggio e buffer intermedi. La complessità di modellare le regole di assegnazione degli operatori è venuta meno grazie alla tipologia di costruzione dei sistemi ad agenti. Nel modello infatti sono stati definiti tre tipologie di agenti: agente “Macchina”, agente “Prodotto” e agente “Operatore”. Gli agenti così definiti e inseriti in un ambiente possono scambiare informazioni tra di loro e mostrare un comportamento che scaturisce da regole definite per ognuno di essi. Una campagna di esperimenti (DOE) e un’analisi ANOVA hanno permesso di valutare i risultati del sistema produttivo in termini di prestazioni del sistema e “human effects”.Il modello ABM sviluppato ha permesso di comparare i risultati ottenuti sul sistema di produzione in configurazione DRC con quelli presenti in letteratura. La metodologia ABM ha inoltre mostrato grandi potenzialità nell’integrazione di fattori umani nei processi di ottimizzazione dei sistemi produttivi superando la complessità di programmazione dell’approccio DES. Future applicazioni proveranno ad implementare fattori di fatica nel modello. [a cura dell'Autore]