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New Solution Approaches for Scheduling Problems in Production and Logistics

Abedinnia, Hamid :
New Solution Approaches for Scheduling Problems in Production and Logistics.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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PhD Thesis defended on 09.11.2018 at TU-Darmstadt - Text
New Solution Approaches for Scheduling Problems in Production and Logistics_Hamid Abedinnia_Doctoral Thesis.pdf - Submitted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: New Solution Approaches for Scheduling Problems in Production and Logistics
Language: English
Abstract:

The current cumulative PhD thesis consists of six papers published in/submitted to scientific journals. The focus of the thesis is to develop new solution approaches for scheduling problems encountering in manufacturing as well as in logistics. The thesis is divided into two parts: “ma-chine scheduling in production” and “scheduling problems in logistics” each of them consisting three papers. To have most comprehensive overview of the topic of machine scheduling, the first part of the thesis starts with two systematic review papers, which were conducted on tertiary level (i.e., re-viewing literature reviews). Both of these papers analyze a sample of around 130 literature re-views on machine scheduling problems. The first paper use a subjective quantitative approach to evaluate the sample, while the second papers uses content analysis which is an objective quanti-tative approach to extract meaningful information from massive data. Based on the analysis, main attributes of scheduling problems in production are identified and are classified into sever-al categories. Although the focus of both these papers are set to review scheduling problems in manufacturing, the results are not restricted to machine scheduling problem and the results can be extended to the second part of the thesis. General drawbacks of literature reviews are identi-fied and several suggestions for future researches are also provided in both papers. The third paper in the first part of the thesis presents the results of 105 new heuristic algorithms developed to minimize total flow time of a set of jobs in a flowshop manufacturing environ-ment. The computational experiments confirm that the best heuristic proposed in this paper im-proves the average error of best existing algorithm by around 25 percent. The first paper in second part is focused on minimizing number of electric tow-trains responsi-ble to deliver spare parts from warehouse to the production lines. Together with minimizing number of these electric vehicles the paper is also focused to maximize the work load balance among the drivers of the vehicles. For this problem, after analyzing the complexity of the prob-lem, an opening heuristic, a mixed integer linear programing (MILP) model and a taboo-search neighborhood search approach are proposed. Several managerial insights, such as the effect of battery capacity on the number of required vehicles, are also discussed. The second paper of the second part addresses the problem of preparing unit loaded devices (ULDs) at air cargos to be loaded latter on in planes. The objective of this problem is to mini-mize number of workers required in a way that all existing flight departure times are met and number of available places for building ULDs is not violated. For this problem, first, a MILP model is proposed and then it is boosted with a couple of heuristics which enabled the model to find near optimum solutions in a matter of 10 seconds. The paper also investigates the inherent tradeoff between labor and space utilization as well as the uncertainty about the volume of cargo to be processed. The last paper of the second part proposes an integrated model to improve both ergonomic and economic performance of manual order picking process by rotating pallets in the warehouse. For the problem under consideration in this paper, we first present and MILP model and then pro-pose a neighborhood search based on simulated annealing. The results of numerical experiment indicate that selectively rotating pallets may reduce both order picking time as well as the load on order picker, which leads to a quicker and less risky order picking process.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende kumulative Doktorarbeit besteht aus sechs Artikeln, die in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit liegt in der Entwick-lung neuer Lösungsansätze für die Planungsprobleme, die in der Fertigung und in der Logistik auftreten. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile: „Maschinenplanung in der Produktion“ und „Planungsprobleme in der Logistikplanung“, die jeweils aus drei Artikeln bestehen. Um einen möglichst umfassenden Überblick über das Thema Maschinenplanung zu erhalten, beginnt der erste Teil der Arbeit mit zwei systematischen Literaturüberblickarbeiten, die im Ter-tiärstudie durchgeführt wurden (d.h. Überblick von Literaturüberblicke). In beiden diese arbeiten wird eine Stichprobe von rund 130 Literaturüberblicken zu Problemen in Bereich der Maschi-nenplanung analysiert. Der erste Artikel verwendet einen subjektiven quantitativen Ansatz zur Bewertung der Stichprobe, während der zweite Artikel die sogenannte Inhaltsanalyse (Content Analyse, CA) verwendet. Dies ist ein objektiver quantitativer Ansatz, um aussagekräftige Infor-mationen aus massiven Daten zu extrahieren. Basierend auf der Analyse werden die Attribute von Planungsproblemen in der Produktion identifiziert und in verschiedene Kategorien klassifi-ziert. Obwohl liegt der Fokus dieser beiden Arbeiten auf der Überprüfung von Planungsproble-men in der Fertigung, die Ergebnisse beschränken sich jedoch nicht auf das Maschinenpla-nungsproblem, und die Ergebnisse können auf den zweiten Teil der Doktorarbeit ausgedehnt werden. Allgemeine Nachteile als auch Hindernisse von Literaturüberblickarbeiten werden iden-tifiziert, und in beiden Artikeln werden auch einige Vorschläge für zukünftige Forschungen ge-geben. Der dritte Artikel im ersten Teil der Arbeit stellt die Ergebnisse von 105 neuen heuristischen Al-gorithmen vor, die entwickelt wurden, um die Gesamtauslaufzeit einer Reihe von Jobs in einer Fertigungsumgebung eines Flowshops zu minimieren. Die rechnerischen Experimente bestätigen, dass die in diesem Artikel vorgeschlagene beste Heuristik den durchschnittlichen Fehler des bes-ten vorhandenen Algorithmus um etwa 25 Prozent verbessert. Der erste Artikel im zweiten Teil konzentriert sich auf die Minimierung der Anzahl elektrischer Schleppzüge, die für die Lieferung von Ersatzteilen vom Lager an die Produktionslinien verant-wortlich sind. Zusammen mit der Minimierung der Anzahl dieser Elektrofahrzeuge ist das Papier auch darauf ausgerichtet, die Arbeitslast unter den Fahrern der Fahrzeuge abzugleichen. Für die-ses Problem werden nach Analyse der Komplexität des Problems eine Öffnungsheuristik, ein MILP-Modell (Mixed Integer Linear Programing) und ein Nachbarschaftssuchansatz mit hilfe die so genante Tabu-Search meta-heuristikvorgeschlagen. Darüber hinaus werden einige Erkenntnis-se aus dem Management diskutiert, beispielsweise der Einfluss der Batteriekapazität auf die An-zahl der benötigten Fahrzeuge. Der zweite Artikel des zweiten Teils befasst sich mit dem Problem der Vorbereitung von Unit-Loaded Devices (ULDs) an Luftfrachtgütern, die in Ebenen geladen werden sollen. Das Ziel dieses Problems besteht darin, die Anzahl der erforderlichen Arbeitskräfte so zu minimieren, dass alle bestehenden Abflugzeiten eingehalten werden und die Anzahl der verfügbaren Plätze für die Ladung von ULDs nicht gestört wird. Für dieses Problem wird zunächst ein MILP-Modell vorgeschlagen und anschließend mit einigen Heuristiken verstärkt, wodurch das Modell inner-halb von 10 Sekunden nahezu optimale Lösungen finden konnte. Der Artikel untersucht auch den inhärenten Kompromiss zwischen Arbeits- und Raumnutzung sowie die Ungewissheit über das zu verarbeitende Frachtvolumen. Der letzte Artikel des zweiten Teils schlägt ein integriertes Modell vor, um die Ergonomie und die Wirtschaftlichkeit des manuellen Kommissionierprozesses durch rotierende Paletten im La-ger zu verbessern. Für das in dieser Arbeit behandelte Problem stellen wir zuerst ein MILP-Modell vor und schlagen dann eine Nachbarschaftssuche vor, die auf so genannte Simuliertem Anealing meta-heuristik basiert ist. Die Ergebnisse des numerischen Experiments zeigen, dass selektiv rotierende Paletten sowohl die Kommissionierzeit als auch die Belastung des Kommissi-onierers reduzieren können, was zu einem schnelleren und weniger riskanten Kommissionier-prozess führt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 01 Department of Law and Economics > Betriebswirtschaftliche Fachgebiete
01 Department of Law and Economics > Betriebswirtschaftliche Fachgebiete > Fachgebiet Produktion und Supply Chain Management
Date Deposited: 22 May 2019 07:04
Last Modified: 22 May 2019 07:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87140
Referees: Glock, Prof. Dr. Christoph and Emde, Prof. Dr. Simon
Refereed: 9 November 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8714
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