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AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm THESE Présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Lorraine en Automatique, traitement du signal et des images, génie informatique par Antoine MANCEAUX Contribution au rééquilibrage dynamique des lignes d'assemblage : modélisation, résolutions et applications. Soutenue publiquement le 11/12/2015 devant le jury composé de : RAPPORTEURS : MR. YANNICK FREIN PROFESSEUR À L’I.N.P. DE GRENOBLE MR. ARMAND TOGUYÉNI PROFESSEUR À L'ÉCOLE CENTRALE DE LILLE EXAMINATEURS : MR. YVES SALLEZ MAÎTRE DE CONFÉRENCES HDR À L’UNIVERSITÉ DE VALENCIENNES MR. JEAN-FANÇOIS PÉTIN PROFESSEUR À L’UNIVERSITÉ DE LORRAINE MR ANDRÉ THOMAS PROFESSEUR À L’UNIVERSITÉ DE LORRAINE (DIRECTEUR DE LA THÈSE) MME. HIND BRIL EL-HAOUZI MAÎTRE DE CONFÉRENCES À L’UNIVERSITÉ DE LORRAINE (CO-DIRECTEUR) INVITÉ : MR. THIERRY MUNIER RESPONSABLE INDUSTRIEL, ENTREPRISE TRANE Centre de Recherche en Automatique de Nancy, UMR 7039 Université de Lorraine - CNRS École Doctorale IAEM Lorraine Remerciements Je souhaite tout d'abord remercier MonsieurArmand Toguyéni, professeur à l'École Centrale de Lille et Monsieur Yannick Frein, professeur à l'Institut National Polytechnique de Grenoble et à l'École Nationale Supérieure de Génie Industriel pour m'avoir fait l'honneur de considérer mes travaux de thèse en tant que rapporteurs. Leur lecture attentive a permis des discutions pertinentes et enrichissantes. Mes remerciements s'adressent également à Monsieur Yves Sallez, maître de conférences HDR à l'Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis pour avoir accepté d'étudier mes travaux en temps que membre du jury. Je tiens également à remercier mes encadrants de thèse Monsieur André Thomas, Madame Hind Bril El- Haouzi et Monsieur Jean-François Pétin pour leurs précieux conseils, leur soutien et leur patience. Leurs compétences complémentaires ont été une des clés dans l'aboutissement de cette thèse et je leur en suis reconnaissant. Je remercie également Monsieur Thierry Munier et Stéphane Hacquard ainsi que les collègues de l'entreprise TRANE pour leurs encouragements et pour leur aide lors des différents projets réalisés au sein de l'entreprise. J'ai pu alors en apprendre autant sur l'entreprise que sur moi-même. Mes remerciements s'adressent également à l’ensemble des membres du CRAN, pour les fructueuses discutions et leur chaleureux accueil au sein du laboratoire. Je souhaite remercier mes amis pour leur soutien de tous les instants que ce soit à Épinal ou à distance. Enfin, ma gratitude va à mes parents et à mes proches pour m'avoir soutenu pendant toutes ces années. Table des Matières Table des Matières Liste des Figures..........................................................................................................................................9 Index des tableaux....................................................................................................................................10 Introduction générale................................................................................................................................11 Chapitre 1 : Contextes industriel et scientifique........................................................................................15 I. Introduction........................................................................................................................................17 II. Objet d'étude : système de production & DFT...................................................................................17 II.1. La DFT..............................................................................................................................................17 II.2. Le takt time, la « voix du client » et outil de pilotage.......................................................................18 II.2.1. Conception des lignes d'assemblage.........................................................................................19 II.2.2. Équilibrage des lignes d’assemblage........................................................................................19 III. Problématique industrielle : le réactif en support du prédictif..........................................................21 III.1. Les variations à moyen ou/et long termes :....................................................................................21 III.1.1. Description...............................................................................................................................21 III.1.2. Leviers d’action........................................................................................................................22 III.2. Les variations à court terme:..........................................................................................................23 III.2.1. Description...............................................................................................................................23 III.2.2. Leviers d’action........................................................................................................................24 III.3. Proposition d'un équilibrage prédictif et réactif..............................................................................25 IV. Contexte de recherche......................................................................................................................26 IV.1. Les différents type de problèmes ALB..............................................................................................26 IV.1.1. Introduction.............................................................................................................................26 IV.1.2. Définitions des problèmes d'équilibrage des lignes d'assemblage...........................................27 IV.1.3. Classifications des SALBP.........................................................................................................28 IV.1.4. Classifications des GALBP.........................................................................................................28 IV.1.5. La reconfiguration ALBP...........................................................................................................29 IV.2. Problème scientifique......................................................................................................................30 IV.3. Formalisation..................................................................................................................................31 IV.3.1. Éléments du problème.............................................................................................................31 IV.3.2. La prise en compte de l'aléa....................................................................................................31 IV.3.3. Objectif....................................................................................................................................32 IV.3.4. Contraintes d'allocation...........................................................................................................32 5 / 140 Table des Matières IV.3.5. Contraintes de précédence.......................................................................................................32 IV.3.6. Contraintes de parallélisation..................................................................................................33 V. Conclusion.........................................................................................................................................33 Chapitre 2 : Les méthodes de résolution des ALBP....................................................................................35 I. Introduction........................................................................................................................................37 II. État de l'art sur les méthodes de résolution ALBP..............................................................................38 II.1. Méthodes exactes............................................................................................................................38 II.1.1. Programmation dynamique......................................................................................................38 II.1.2. Procédure par séparation et évaluation...................................................................................38 II.2. Méthodes approchées.....................................................................................................................39 II.2.1. Méthodes constructives............................................................................................................40 II.2.2. Méthodes incrémentales..........................................................................................................40 II.3. Rééquilibrage des lignes d'assemblage............................................................................................41 II.4. Conclusion de l'état de l'art.............................................................................................................43 III. « Iterated Local Search » (ILS)...........................................................................................................43 III.1. Présentation du principe.................................................................................................................43 III.2. Les différents types de voisinage et les critères d'arrêt...................................................................44 III.2.1. Types de voisinage...................................................................................................................44 III.2.2. Critères d’arrêt.........................................................................................................................44 III.3. Formalisation du problème.............................................................................................................45 III.3.1. Variables et paramètres du modèle.........................................................................................45 III.3.2. Contraintes..............................................................................................................................45 III.3.3. Objectif....................................................................................................................................45 III.3.4. Les différents types de voisinages............................................................................................46 III.3.5. Présentation des perturbations................................................................................................46 III.4. L'algorithme....................................................................................................................................46 IV. Recherche d'atteignabilité sur un réseau d'automates......................................................................48 IV.1. Introduction....................................................................................................................................48 IV.2. Historique des méthodes utilisant la théorie des SED.....................................................................48 IV.3. Présentation du formalisme utilisé.................................................................................................49 IV.3.1. Les automates..........................................................................................................................49 IV.3.2. Un réseau d'automates............................................................................................................50 IV.4. Modélisation du problème de rééquilibrage...................................................................................52 IV.4.1. Les tâches................................................................................................................................52 IV.4.2. Les postes de travail.................................................................................................................52 IV.4.3. La ligne d'assemblage..............................................................................................................53 6 / 140 Table des Matières IV.5. La recherche d'atteignabilité...........................................................................................................53 IV.5.1. Principe....................................................................................................................................53 IV.5.2. Définition de la propriété.........................................................................................................55 V. Comparaison des 2 méthodes............................................................................................................55 V.1. Présentation du contexte et des instances.......................................................................................55 V.2. Évaluation des instances..................................................................................................................58 V.2.1. Les indicateurs..........................................................................................................................58 V.2.2. Valeur des indicateurs...............................................................................................................58 V.3. Évaluation des résultats obtenus.....................................................................................................61 V.3.1. Les éléments d'évaluation.........................................................................................................61 V.3.2. Scénario 1 :...............................................................................................................................62 V.3.3. Scénario 2 :...............................................................................................................................63 V.3.4. Scénario 3 :...............................................................................................................................64 V.3.5. Scénario 4 :...............................................................................................................................66 V.4. Analyse des résultats.......................................................................................................................66 VI. Conclusion........................................................................................................................................67 Chapitre 3 : Proposition d'une méthodologie modulaire pour la résolution des ALBP...............................69 I. Introduction........................................................................................................................................71 II. Présentation générale de la méthodologie........................................................................................71 III. Classe de problème : Définition d'une bibliothèque d'opérateurs élémentaires génériques.............73 III.1. Présentation...................................................................................................................................73 III.2. Analyse fonctionnelle......................................................................................................................74 III.3. Conception des modules réalisant les leviers d'action....................................................................76 III.3.1. Conception de l'architecture des modules...............................................................................76 III.3.2. Conception technique des modules..........................................................................................77 III.4. Implémentation des modules avec UPPAAL....................................................................................80 III.4.1. Choix du logiciel.......................................................................................................................80 III.4.2. Implémentation des modules...................................................................................................81 IV. Problème spécifique : Instanciation des opérateurs génériques.......................................................81 IV.1. Choix des leviers et de la stratégie de reconfiguration....................................................................81 IV.2. Conception : assemblage des modules techniques.........................................................................82 IV.3. Implémentation des modules avec le logiciel UPPAAL....................................................................83 IV.3.1. Implémentation.......................................................................................................................83 V. Conclusion.........................................................................................................................................85 Chapitre 4 : Application de la proposition.................................................................................................87 7 / 140 Table des Matières I. Introduction........................................................................................................................................89 II. Présentation générale des cas d'étude...............................................................................................89 II.1. L'entreprise......................................................................................................................................89 II.2. Les cas d'étude.................................................................................................................................90 III. Premier cas d'étude..........................................................................................................................92 III.1. Description......................................................................................................................................92 III.2. Application de la méthode..............................................................................................................92 IV. Deuxième cas d'étude.......................................................................................................................94 IV.1. Description......................................................................................................................................94 IV.2. Application de la méthode..............................................................................................................94 IV.2.1. Phase d'analyse.......................................................................................................................94 IV.2.2. Phase de conception................................................................................................................95 IV.2.3. Phase d'implémentation..........................................................................................................96 IV.3. Résolution.......................................................................................................................................96 V. Validation de la méthode proposée par une analyse du troisième cas d'étude..................................97 V.1. Description du cas d'étude...............................................................................................................97 V.2. Description des scénarios et des facteurs étudiés............................................................................98 V.3. L'analyse..........................................................................................................................................99 V.3.1. Analyse des effets des facteurs sur le temps de résolution.....................................................100 V.3.2. Analyse des effets des facteurs sur le nombre de changements.............................................102 VI. Conclusion......................................................................................................................................103 Conclusion générale et perspectives........................................................................................................105 Bibliographie...........................................................................................................................................107 Annexe 1 : Implémentation de la méthode ILS........................................................................................115 Annexe 2 : Implémentation de la méthode proposée..............................................................................126 Annexe 3 : Applications développées pour l'entreprise Trane..................................................................133 Annexe 4 : Données du troisième cas d'étude.........................................................................................135 Annexe 5 : Résultats du troisième cas d'étude.........................................................................................137 8 / 140 Liste des Figures Liste des Figures Figure 1: Ligne de production et ses feeders..................................................................................................19 Figure 2: Diagramme Yamazumi représentant un équilibrage initial..............................................................21 Figure 3: Exemple d'un "Takt playbook" simplifié...........................................................................................23 Figure 4: Interaction entre les calculs prédictifs et les aléas...........................................................................26 Figure 5: Exemple d'un graphe de précédence...............................................................................................27 Figure 6: Les différents types de reconfiguration de ligne et leurs horizons temporels..................................42 Figure 7: Principe de fonctionnement de ILS..................................................................................................44 Figure 8: Algorithme de la méthode ILS..........................................................................................................47 Figure 9: Exemple de l’évolution synchrone de deux automates communicants............................................51 Figure 10: Modèle générique d'une tâche......................................................................................................52 Figure 11: Modèle générique d'un poste de travail........................................................................................53 Figure 12: Modèle d'une ligne d'assemblage de 3 postes de travail et 6 tâches.............................................54 Figure 13: L'organisation du feeder échangeur...............................................................................................56 Figure 14: Équilibrage initial pour chacune des 3 instances............................................................................57 Figure 15: Répartition des durées des tâches de la ligne 1.............................................................................59 Figure 16: Répartition des durées des tâches de (Rashboogari and Kermanshah, 2012)................................60 Figure 17: Répartition des durées des tâches de (Dolgui, 2005).....................................................................60 Figure 18 : Les étapes principales de la méthode proposée..........................................................................71 Figure 19: Les étapes de notre proposition méthodologique.........................................................................72 Figure 20: Composition de modules formant les leviers d'action...................................................................76 Figure 21: Interaction entre les différents types de modules..........................................................................77 Figure 22: Modèle générique d'un module maître.........................................................................................78 Figure 23: Modèle générique d'un module d'action.......................................................................................79 Figure 24: Modèle générique d'un module de vérification.............................................................................79 Figure 25: Heuristique de la stratégie de rééquilibrage..................................................................................82 Figure 26: Levier « déplacement » : 1 module de sélection, 1 module d'action et 1 module de vérification. 83 Figure 27: Levier « parallélisation » : 1 module de sélection, 2 modules d'action et 2 modules de vérification. ........................................................................................................................................................................84 Figure 28: Résolution d'une instance par un script python............................................................................85 Figure 29: Aperçu des produits et des services proposés par l'entreprise Trane............................................89 Figure 30: Un « fancoil » Trane.......................................................................................................................90 Figure 31: Les différences entre les cas d'étude étudiés.................................................................................91 Figure 32: Équilibrage initial du premier cas d'étude......................................................................................92 Figure 33: Modèle du levier de déplacement.................................................................................................93 Figure 34: Équilibrage initial du deuxième cas d'étude...................................................................................94 Figure 35: Stratégie de reconfiguration du deuxième cas d'étude..................................................................95 Figure 36: Exemple de résolution du deuxième cas........................................................................................96 Figure 37: Équilibrage initial du troisième cas d'étude pour l'analyse............................................................97 Figure 38: Représentation graphique des effets principaux sur la durée de résolution................................100 Figure 39: Diagramme des interactions pour sur uploads/Litterature/ ddoc-t-2015-0279-manceaux.pdf