Ontwikkelen van een innovatieve productieplanner op basis van een intelligent machine learning-algoritme

De maakindustrie ontwikkelt zich voortdurend. Omstandigheden zoals fluctuerende vraag, dynamische aanbodcondities en de verregaande trend van maatwerk en personalisatie brengen de nodige uitdagingen met zich mee op het gebied van productieplanning. In grotere fabrieken wordt de productiehal ingericht om te voldoen aan de productie-eisen van de wereld van vandaag de dag, met back-to-back en parallelle productiemogelijkheden. Het probleem waar fabrikanten tegenaan lopen, is dat hun planningstools dit niet kunnen bijbenen.

De dynamische marktomstandigheden en hoge mate van maatwerk onder producten brengen unieke, complexe productiestromen met zich mee. Vanwege dringende verzoeken van klanten en tekorten in de toeleveringsketen hebben fabrikanten slimme, geavanceerde planningstools nodig, die deze dynamische veranderingen en onzekerheid meenemen en hierop anticiperen.

Bestaande productieplanningstools zijn vaak rule-based en werken op computerkracht. Deze tools hebben veel tijd nodig om planningsproblemen op te lossen: het kan bijvoorbeeld tot een uur duren voor een verandering in de planning correct is doorgerekend. Dit is niet geschikt voor het verwerken van dynamische orders en de flexibiliteit die nodig is in make-to-order productieomgevingen. Dit resulteert in een vertraging in het hele productieproces. Het offerteproces voor nieuwe bestellingen wordt hier bijvoorbeeld door vertraagd en de productieomgeving wordt niet optimaal benut.

Om hier een oplossing voor te ontwikkelen, is het AMP-gesubsidieerde project TIMELY geïnitieerd. Het projectconsortium bestaat uit Limis uit Enschede, specialist in productieplanningssoftware, Hittech Bihca, onderdeel van de Hittech Group – systeemleverancier voor hightech apparatuur, Bihca is producent van halfgeleiders of elektronische componenten, en het FIP-AM@UT.

Het doel van het project is het ontwikkelen, trainen en implementeren van een rekenkundig efficiënte planningsdemonstrator voor hybride job-shop productiesystemen. De planningstool zal gebruik maken van reinforcement learning, een vorm van kunstmatige intelligentie, voor een sterkere rekenkracht en snellere systeemreacties op veranderingen in de vraag of productie. Het is belangrijk dat de planner snel een nieuwe planning kan maken op basis van een dringend verzoek van de klant, terwijl hij robuuste planningen maakt die rekening houden met onzekerheden. Dit zal op zijn beurt leiden tot een geoptimaliseerde bedrijfsvoering.

Industriepartners

AANPAK

Om deze uitdagingen aan te gaan, was het doel van het project om een planningstool te ontwikkelen die gebruikmaakt van reinforcement learning, een vorm van kunstmatige intelligentie. Deze AI-gebaseerde planner wordt ontworpen om de complexiteit van hybride job-shop productiesystemen aan te kunnen, en biedt snelle rekenkracht en flexibiliteit.

Het project omvatte onderzoek naar de behoeften van MKBfabrikanten, het analyseren van productiegegevens van jobshops en het evalueren van bestaande AI-planners om beperkingen vast te stellen. Het einddoel was het creëren van een rekenkrachtige, efficiënte planningsdemonstrator die zich snel kan aanpassen aan dringende veranderingen en onzekerheden, en zo de productieprocessen optimaliseert en de algehele productieefficiëntie verbetert. De tool zal worden gevalideerd op zijn snelheid en robuustheid in verschillende probleemscenario’s, zodat hij voldoet aan de uiteenlopende behoeften van hightech MKB’s.

RESULTAAT

Het TIMELY-project leidde tot de implementatie van twee AI-gebaseerde end-toend planners voor snelle productieplanning. De eerste implementatie bestond uit een geherstructureerde (refactored) codebase voor een vergelijkbare paper, afgestemd op chipfabricage en orderdeadlines. De tweede implementatie werd vanaf de basis opgebouwd met Python-libraries voor neurale netwerken en databases. Beide implementaties waren gericht op het oplossen van het Flexible Job Shop Scheduling Problem (FJSP) met behulp van Deep Reinforcement Learning (DRL) technieken.

De planners werden getest op verschillende scenario’s, waaronder standaard werkdagen van 8 uur, kortere werkdagen van 6 uur en 4 uur en gevallen met en zonder prioriteiten. Hoewel de AI-modellen veelbelovend bleken in het omgaan met complexe planningsscenario’s, lieten ze ook verbeterpunten zien, met name in het consequent overtreffen van traditionele methoden zoals de heuristiek voor de Earliest Due Date (EDD) en de Limis Planner in alle scenario’s.

• Succesvolle integratie van variabele machineuren en -beschikbaarheid
• Getest op zowel salesdemo-case (1 machine met meerdere werktijden) als Hittech-case (meerdere machines met verschillende tijden)
• Succesvol getest op problemen met maximaal 30 taken en 4 machines
• Aantoonbaar vermogen om grotere problemen aan te kunnen dan eerdere methoden
• Getest op echte datasets van Hittech (producent van precisieonderdelen)
• Gevalideerde haalbaarheid voor praktische productiescenario’s

Dit project is mogelijk gemaakt door de Regio Deal, ondersteund door de Provincie Overijssel en de Rijksoverheid.

“ De samenwerking met FIP-AM@UT in het TIMELY-project was een positieve ervaring voor Limis. Dankzij de steun van de RegioDeal-subsidie konden we deelnemen aan dit project, dat ons geholpen heeft om complexe, reële productie-uitdagingen aan te gaan. Door deze samenwerking hebben we inzicht gekregen in de toepassing van AI op tools voor productieplanning door echte productiedata te gebruiken bij end-to-end-benaderingen van machine learning”
– Jur ten Brug
Commercieel Manager, Limis B.V

VOOR MEER INFORMATIE OVER TIMELY-PROJECT, NEEM GERUST CONTACT OP MET

Can Ölmezoğlu

Can Ölmezoğlu

Engineering Support, Software Development

Engin Topan

Associate Professor Smart Manufacturing and Supply Chain Planning