Contribution à l'ordonnancement des activités de maintenance dans les systèmes de production.

156 Pages·2017·1.46 MB·French

Contribution à l’ordonnancement des activités de
maintenance dans les systèmes de production.
Jihène Kaabi-Harrath
To cite this version:
Jihène Kaabi-Harrath. Contribution à l’ordonnancement des activités de maintenance dans les sys-
tèmes de production.. Automatique / Robotique. Université de Franche-Comté, 2004. Français.
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N° 1019 Année : 2004
THESE

présentée à

L’UFR des Sciences et Techniques

de l’Université de Franche-Comté

pour obtenir le

GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE

DE FRANCHE-COMTE

en Automatique et Informatique
(Ecole Doctorale Sciences Physiques pour l’Ingénieur et Microtechniques)

CONTRIBUTION A L’ORDONNANCEMENT DES
ACTIVITES DE MAINTENANCE DANS LES SYSTEMES DE
PRODUCTION

par

Jihène KAABI-HARRATH

Soutenance prévue le 20 septembre devant la Commission
d’examen :

Rapporteurs PORTMANN M.-C. Professeur, Ecole des Mines, Nancy

SIMEU-ABAZI Z. H.D.R., Maître de Conférences, LAG-Grenoble

Examinateurs CHU Chengbin. Professeur, Université de Technologie de Troyes
LESAGE J.-J. Professeur, ENS-Cachan

Directeur de thèse
ZERHOUNI N. Professeur, ENSMM, Besançon

Co-encadrant VARNIER Ch. Maître de Conférences, ENSMM, Besançon

Invité REBOUL D. Chef de Projet, CEGELEC, Belfort
Sommaire
Introduction générale 1
1 L’ordonnancement dans les ateliers de production 5
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 L’ordonnancement dans les ateliers de production . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Description d’un problème d’ordonnancement . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2.2 Critères d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Les problèmes d’ordonnancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4 Modélisation et représentation des ordonnancements . . . . . . . . 13
1.2.4.1 Modélisation d’un problème d’ordonnancement . . . . . . 13
1.2.4.2 Représentation des ordonnancements . . . . . . . . . . . . 14
1.2.5 Complexité des problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Les méthodes de résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Les méthodes exactes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Les méthodes heuristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2.1 Les méthodes constructives . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2.2 Les méthodes amélioratrices . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2.3 Méthodes basées sur l’intelligence artificielle . . . . . . . . 23
1.3.3 Les Algorithmes Génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.3.1 Terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3.2 Mise en Oeuvre d’un Algorithme Génétique . . . . . . . . 25
1.3.3.3 Application desalgorithmes génétiquesàl’ordonnancement 31
1.4 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
i
ii
2 L’ordonnancement de la maintenance et de la production: nécessité de
la coopération 41
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2 Description de la fonction maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.1 Typologie de la maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2 Concepts de maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Structure de la fonction maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.4 La GMAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3 L’ordonnancement de la maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.1 Spécificité de l’ordonnancement de la maintenance . . . . . . . . . 48
2.4 Ordonnancement conjoint de la production et de la maintenance . . . . . 49
2.4.1 Nécessité de l’ordonnancement conjoint . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.2 État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2.1 Cas déterministe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.2.2 Cas stochastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 Ordonnancement de la production et de la maintenance sur une ma-
chine 65
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2 Politiques d’ordonnancement conjoint de laproduction etde lamaintenance 67
3.3 Description du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.1 Notations et hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.2 Critère d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.2.1 Aspect maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.2.2 Aspect Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2.3 Aspects Production & Maintenance . . . . . . . . . . . . 72
3.4 État de l’art des problèmes classiques d’ordonnancement sur une machine 72
3.5 Méthodes de résolution proposées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.1 Approche séquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.1.1 Planification de la maintenance . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.1.2 Ordonnancement de la production . . . . . . . . . . . . . 74
3.5.1.3 Ordonnancement conjoint Production/Maintenance . . . 75
3.5.2 Approche intégrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.3 Borne Inférieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6 Étude expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
iii
4 L’ordonnancement conjoint de la production et de la maintenance dans
un atelier flow shop 97
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2 Problème d’atelier de type flow shop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.1 Notations et Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.2 Critère d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Flow shop à deux machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1 Méthode de résolution proposée pour le problème de permutation . 102
4.3.1.1 Evaluation des noeuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.1.2 Sélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.1.3 Branchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.1.4 Séparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4 Résultats préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5 Flow shop à plusieurs machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.5.1 Méthode de résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.5.1.1 Codage des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.5.1.2 Génération de la population initiale . . . . . . . . . . . . 112
4.5.1.3 Fonction d’évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.5.1.4 Opérateurs génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6 Étude expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.6.1 Schéma de génération des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.6.2 Étude comparative pour le cas de deux machines . . . . . . . . . . 118
4.6.3 Étude comparative pour le cas de plusieurs machines . . . . . . . . 120
4.6.3.1 Cas de Périodes de maintenance courtes . . . . . . . . . . 122
4.6.3.2 Cas de Périodes de maintenance moyennes . . . . . . . . 123
4.6.3.3 Cas de Périodes de maintenance longues . . . . . . . . . . 123
4.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Conclusion générale et perspectives 127

Table des figures
1.1 Représentation d’un atelier flow Shop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Représentation d’un atelier job shop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Graphe disjonctif d’un flow shop à trois machines et trois travaux . . . . . 14
1.4 Graphe disjonctif arbitré de l’exemple précédant. . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Diagramme de Gantt de la solution du problème F3|n = 3,d | T . . . . 15
i i
1.6 Codage Binaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
P
1.7 Roulette de sélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.8 Croisement à un point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.9 Croisement multi-points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.10 Croisement uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.11 Le vecteur permutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.12 Le vecteur rang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.13 La matrice de permutation MT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.14 Croisement 1.X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.15 Croisement MPX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.16 Opérateur de croisement pour le flow shop hybride à un étage . . . . . . . 39
3.1 La problématique générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 Variation du coût de la maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Les différents cas d’affectation de la je`me maintenance . . . . . . . . . . . 71
3.4 Planification de la maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5 Ordonnancement obtenu par l’heuristique HS1. . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6 Emplacements possibles des tâches de maintenance . . . . . . . . . . . . . 78
3.7 Recherche en profondeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.8 Diagramme de Gantt du résultat de l’heuristique HS2 . . . . . . . . . . . 79
3.9 Diagramme de Gantt du résultat de l’heuristique HI1 . . . . . . . . . . . . 82
3.10 Diagramme de Gantt du résultat de l’heuristique HI2 . . . . . . . . . . . . 85
v
vi
3.11 Évolutiondupourcentaged’erreurentreHS1etHS2enfonctiondunombre
de travaux n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.12 Comparaison entre HS1 et HS2 en fonction du nombre de travaux n . . . 89
3.13 Coût de maintenance de HS1 et HS2 en fonction du nombre de travaux n 90
3.14 Coût de maintenance de HS1 et HS2 en fonction du nombre de travaux n 90
3.15 Coût Total de HI1 et HI2 en fonction du nombre de travaux n . . . . . . . 91
3.16 Évolution du pourcentage de nombre de fois où HI3 améliore strictement
HI2 en fonction du nombre de travaux n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.17 Variation de la différence des coût de maintenance en fonction de φ et φ 92
1 2
3.18 variation du coût de maintenance de HI2 et HI3 en fonction de φ et φ . 93
1 2
3.19 Évolution du pourcentage d’erreur moyen de HI2 par rapport à LB en
fonction du nombre de travaux n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1 Ordonnancement obtenu par l’algorithme de séparation et évaluation . . . 109
4.2 Croisement d’ordre maximal de deux individus P1 et P2 . . . . . . . . . . 114
4.3 Mutation d’un chromosome par insertion-décalage . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4 Courbes de convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5 Variation des coûts de production et maintenance en fonction de φ . . . 122
2
4.6 Variation des coûts de production et maintenance en fonction de φ . . . . 123
2
4.7 Variation des coûts de production et maintenance en fonction de φ . . . 124
2
Liste des tableaux
1.1 Critères d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Données du problème F3|n = 3,d | T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
i i
1.3 Principales règles de priorité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
P
1.4 Le codage de permutation généralisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5 La matrice M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1 Résumé des différents problèmes à une machine étudiés dans la littérature 53
2.2 Résumé des différents problèmes à machines parallèles étudiés dans la
littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Résumé des différents problèmes de flow shop étudiés dans la littérature . 59
2.4 Résumé des différents problèmes de job shop et open shop étudiés dans la
littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1 Notations utilisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Données choisies pour les tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3 Variation du coût de production et du temps d’exécution de HS1 et HS2 89
3.4 Variation du coût de maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5 Pourcentage d’erreur moyen de HI2 par rapport à LB pour n = 20, α =
0.5, β = 0.25 et γ = 0.15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1 Notations utilisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2 Exemple d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3 Résultats obtenus par la procédure de séparation et évaluation . . . . . . 109
4.4 Comparaison entre PSE (pour des flow shops de permutation) et Algo-
rithme Génétique (pour des flow shops généraux) . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5 Résultats de 10 exécutions indépendantes par l’AG pour φ = 0.5 et φ =
1 2
0.75 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6 Résultats de 10 exécutions indépendantes par l’AG . . . . . . . . . . . . . 122
vii