A holonic manufacturing architecture for line-less mobile assembly systems operations planning and control

Abstract

O Line-Less Mobile Assembly Systems (LMAS) é um paradigma de fabricação que visa maximizar a resposta às tendências do mercado através de configurações adaptáveis de fábrica utilizando recursos de montagem móvel. Tais sistemas podem ser caracterizados como holonic manufacturing systems (HMS), cujas chamadas holonic control architecture (HCA) são recentemente retratadas como abordagens habilitadoras da Indústria 4.0 devido a suas relações de entidades temporárias (hierárquicas e/ou heterárquicas). Embora as estruturas de referência HCA como PROSA ou ADACOR/ADACOR² tenham sido muito discutidas na literatura, nenhuma delas pode ser aplicada diretamente ao contexto LMAS. Assim, esta dissertação visa responder à pergunta \"Como uma arquitetura de produção e sistema de controle LMAS precisa ser projetada?\" apresentando os modelos de projeto de arquitetura desenvolvidos de acordo com as etapas da metodologia para desenvolvimento de sistemas holônicos multi-agentes ANEMONA. A fase de análise da ANEMONA resulta em uma especificação do caso de uso, requisitos, objetivos do sistema, simplificações e suposições. A fase de projeto resulta nos modelos de organização, interação e agentes, seguido de uma breve análise de sua cobertura comportamental. O resultado da fase de implementação é um protótipo (realizado com o Robot Operation System) que implementa os modelos ANEMONA e uma ontologia LMAS, que reutiliza elementos de ontologias de referência do domínio de manufatura. A fim de testar o protótipo, um algoritmo para geração de dados para teste baseado na complexidade dos produtos e na flexibilidade do chão de fábrica é apresentado. A validação qualitativa dos modelos HCA é baseada em como o HCA proposto atende a critérios específicos para avaliar sistemas HCA. A validação é complementada por uma análise quantitativa considerando o comportamento dos modelos implementados durante a execução normal e a execução interrompida (e.g. equipamento defeituoso) em um ambiente simulado. A validação da execução normal concentra-se no desvio de tempo entre as agendas planejadas e executadas, o que provou ser em média irrelevante dentro do caso simulado considerando a ordem de magnitude das operações típicas demandadas. Posteriormente, durante a execução do caso interrompido, o sistema é testado sob a simulação de uma falha, onde duas estratégias são aplicadas, LOCAL\_FIX e REORGANIZATION, e seu resultado é comparado para decidir qual é a opção apropriada quando o objetivo é reduzir o tempo total de execução. Finalmente, é apresentada uma análise sobre a cobertura desta dissertação culminando em diretrizes que podem ser vistas como uma resposta possível (entre muitas outras) para a questão de pesquisa apresentada. Além disso, são apresentados pontos fortes e fracos dos modelos desenvolvidos, e possíveis melhorias e idéias para futuras contribuições para a implementação de sistemas de controle holônico para LMAS.

Abstract: The Line-Less Mobile Assembly Systems (LMAS) is a manufacturing paradigm aiming to maximize responsiveness to market trends (product-individualization and ever-shortening product lifecycles) by adaptive factory configurations utilizing mobile assembly resources. Such responsive systems can be characterized as holonic manufacturing systems (HMS), whose so-called holonic control architectures (HCA) are recently portrayed as Industry 4.0-enabling approaches due to their mixed-hierarchical and -heterarchical temporary entity relationships. They are particularly suitable for distributed and flexible systems as the Line-Less Mobile Assembly or Matrix-Production, as they meet reconfigurability capabilities. Though HCA reference structures as PROSA or ADACOR/ADACOR² have been heavily discussed in the literature, neither can directly be applied to the LMAS context. Methodologies such as ANEMONA provide guidelines and best practices for the development of holonic multi-agent systems. Accordingly, this dissertation aims to answer the question \"How does an LMAS production and control system architecture need to be designed?\" presenting the architecture design models developed according to the steps of the ANEMONA methodology. The ANEMONA analysis phase results in a use case specification, requirements, system goals, simplifications, and assumptions. The design phase results in an LMAS architecture design consisting of the organization, interaction, and agent models followed by a brief analysis of its behavioral coverage. The implementation phase result is an LMAS ontology, which reuses elements from the widespread manufacturing domain ontologies MAnufacturing's Semantics Ontology (MASON) and Manufacturing Resource Capability Ontology (MaRCO) enriched with essential holonic concepts. The architecture approach and ontology are implemented using the Robot Operating System (ROS) robotic framework. In order to create test data sets validation, an algorithm for test generation based on the complexity of products and the shopfloor flexibility is presented considering a maximum number of operations per work station and the maximum number of simultaneous stations. The validation phase presents a two-folded validation: qualitative and quantitative. The qualitative validation of the HCA models is based on how the proposed HCA attends specific criteria for evaluating HCA systems (e.g., modularity, integrability, diagnosability, fault tolerance, distributability, developer training requirements). The validation is complemented by a quantitative analysis considering the behavior of the implemented models during the normal execution and disrupted execution (e.g.; defective equipment) in a simulated environment (in the form of a software prototype). The normal execution validation focuses on the time drift between the planned and executed schedules, which has proved to be irrelevant within the simulated case considering the order of magnitude of the typical demanded operations. Subsequently, during the disrupted case execution, the system is tested under the simulation of a failure, where two strategies are applied, LOCAL\_FIX and REORGANIZATION, and their outcome is compared to decide which one is the appropriate option when the goal is to reduce the overall execution time. Ultimately, it is presented an analysis about the coverage of this dissertation culminating into guidelines that can be seen as one possible answer (among many others) for the presented research question. Furthermore, strong and weak points of the developed models are presented, and possible improvements and ideas for future contributions towards the implementation of holonic control systems for LMAS.