Assembly lines balancing with disabled workers

Pessoas portadoras de deficiências encontram enormes dificuldades ao tentarem entrar no mercado de trabalho. De fato, sobretudo em países em desenvolvimento, esta parcela significativa da população representa uma fração ínfima dos trabalhadores empregados. Dentre as iniciativas que tentam reverter este quadro, destaca-se a criação de Centros de Trabalhadores Deficientes (CTDs), empresas sem fins lucrativos que empregam pessoas portadoras de deficiências, geralmente em linhas de produção. Um dos fins últimos dos CTDs é expor os trabalhadores a situações encontradas em uma gama diversa de contextos produtivos, de modo que eles possam, eventualmente, vir a compor o quadro de empresas convencionais. A organização e planejamento da operação de CTDs envolve uma série de dificuldades. Questões ligadas à ergonomia do trabalho ou ao gerenciamento de qualidade, por exemplo, adquirem características particulares neste ambiente. Da mesma forma, problemas clássicos de balanceamento de linhas de produção ganham novas particularidades devido, sobretudo, à enorme heterogeneidade existente entre os trabalhadores. Neste contexto, nos interessamos por problemas referentes ao balanceamento da linha de produção com trabalhadores deficientes, onde se busca obter a maior eficiência produtiva dadas as habilidades específicas de cada trabalhador. De maneira mais precisa, o problema de balanceamento de linhas de produção em CTDs, conhecido na literatura como problema de balanceamento e designação de trabalhadores em linhas de produção (ALWABP, na sigla em inglês) consiste em alocar tarefas e trabalhadores a estações de trabalho, de modo a minimizar o gargalo produtivo e levando em consideração que cada tarefa tem um tempo de duração que depende do trabalhador escolhido para sua execução. Isto dá ao problema um caráter de dupla alocação, aumentando seu caráter combinatório e, consequentemente, sua dificuldade de resolução. Nesta dissertação, estudamos uma variedade de técnicas de resolução do ALWABP. Os objetivos deste estudo são, primeiramente, obter métodos diversos para resolução do problema que sejam eficazes tanto em termos do tempo computacional necessário para sua utilização como em termos da qualidade da solução obtida. Dentre as abordagens propostas e testadas encontram-se versões de algoritmos com diferentes complexidades, indo desde heurísticas construtivas e estratégias de busca monotônica em vizinhança até meta-heurísticas como GRASP e Busca Tabu. A variedade de técnicas desenvolvidas permitiu a resolução de um problema ainda mais complexo que o ALWABP, que consiste em programar a linha para diversos períodos produtivos, levando em consideração a rotação de tarefas entre os trabalhadores. Deste modo, os trabalhadores podem ser expostos ao maior número de tarefas possível (atendendo, assim, o fim de treinamento almejado no ambiente dos CTDs). Para resolução do problema de rotação de tarefas, as técnicas desenvolvidas foram utilizadas em um esquema de otimização híbrido que faz uso de um pool de soluções (obtidas pelos métodos heurísticos) que são integradas através de modelos de otimização linear inteira mista. Os resultados obtidos sugerem que as técnicas desenvolvidas são eficientes e flexíveis para o problema ALWABP e que a sua integração permite a obtenção de soluções eficientes para o problema de rotação de tarefas. Deste modo, esta dissertação propõe um esquema completo para o balanceamento de linhas de produção em CTDsDisabled workers face enormous difficulties when trying to enter to the labor market. At the present moment, in particular in developing countries, this group constitutes a small portion of the labor force in productive processes. Among the initiatives that attempt to reverse this situation, we highlight the creation of sheltered work centers for the disabled (referred to as SWD henceforth), which are non-profit companies that employ people with disabilities, often in assembly lines. The organization and planning of the operation of a SWD involves a number of challenges. Issues related to ergonomy or production quality management, for instance, acquire particular characteristics in this environment. Likewise, classic assembly lines balancing modeling and solving techniques have to be modified, due to the significant heterogeneity among workers. In this context, we are concerned with problems related to the assembly line balancing with disabled workers, which attempts to achieve the higher production efficiency as possible, given the specific skills of each worker. More precisely, the assembly line balancing problem in SWD, known in the literature as the assembly line worker assignment and balancing problem (ALWABP), consists in assigning tasks and workers to workstations, in order to minimize the bottleneck of the production line while considering that each task duration time depends on the worker chosen for its execution. This double assignment structure leads to a much more complex problem. In this dissertation, we study a variety of techniques for solving the ALWABP. The goals of this study are, first of all, the development of a number of efficient techniques for solving the problem, both in terms of computational time required for their use and in terms of the quality of the obtained solutions. Among the techniques proposed and tested, we have versions of algorithms with different complexities, ranging from constructive heuristics and monotonic neighborhood search strategies to metaheuristics such as Tabu Search and GRASP. The diversity of the developed techniques allowed the resolution of a problem even more complex than the ALWABP, which consists of programming the line for a set of periods, taking into account the rotation of tasks among workers. The objective of this new problem is to propose a solution for a given production period that considers the fact that it might be positive to expose the workers to as many tasks as possible (for training, therapeutical and motivational reasons). In order to solve this job rotation problem, the techniques developed were integrated into a hybrid optimization scheme that uses a pool of solutions (obtained with the heuristic methods) which become inputs of mixed integer linear optimization models. The results suggest that the techniques developed are efficient and flexible to the ALWABP and their integration allows the obtention of efficient solutions to the job rotation problem. Thus, this dissertation proposes a complete scheme for the resolution of the balancing problem in SWD production line