Integrated scheduling decision making in enterprise wide optimization

Premi extraordinari doctorat curs 2010-2011, àmbit d’Enginyeria Enginyeria IndustrialIn the current environment of markets globalization and fierce competition, process industries must strive to remain competitive. In this sense, companies pursue decision integration among the different space and time levels of their organizational structure in order to improve their overall results. Indeed, several cases reported in the literature confirm the economic benefits derived from decision integration. Hence, much research is devoted to obtain improved models, integration and information tools as well as optimization algorithms which provide with decision support tools within a coherent framework for the enterprise design. From a plant level perspective, the short-term scheduling problem deals with the management of production orders in order to optimally fulfill customers' demands by assigning the available resources. This decision level is further related to other decision levels such as planning and control. The need for integration of these decision levels has been reported from the 60s, but the contributions in this area are still scarce. Therefore, further efforts have to be devoted to the integration within the operational level. This thesis aims at contributing to the integration of the short-term scheduling problem of batch process industries from a structural and functional point of view. The structural perspective refers to other decision levels from the managerial organization, specifically the basic process control in this work. As for the functional issues, the completion of the objective functions used at scheduling level may lead to integrated decisions from an overall perspective. Therefore, the inclusion of non-economic objectives in the decision making may lead to more concerned solutions from other problem perspectives, such as environmental. Thus, the extension of economic criteria to consider process variables costs may ease the integration approaches. First of all, an overview of the current global scenario, the relevance of scheduling problem and of its integration in the decision making, as well as the existing solution approaches are presented. The second part of this work is devoted to the description and extension of the immediate and general precedence formulations of the scheduling problem, in order to consider non-trivial problem features such as the batch cleaning operations, equipment transfer operations, variable processing rates, timing synchronization of operations and the introduction of process dynamics. Precisely, the third part of this thesis is devoted to the introduction of process dynamics at the scheduling level, which can be achieved either (i) indirectly: by considering cost functions of time; or (ii) directly: by combining discretized dynamic equations in the scheduling formulation. This part explores the adequacy of each integration method andEn el entorno actual de globalización de los mercados las industrias de proceso deben esforzarse para seguir siendo competitivas. En este sentido, las empresas buscan la integración de decisiones dentro de su estructura organizativa con el fin de mejorar sus resultados globales. A nivel de planta, el problema de programación de operaciones a corto plazo busca la gestión óptima de las órdenes de producción mediante la asignación de los recursos disponibles con el fin de cumplir con las demandas de los clientes. Este nivel de decisión está además relacionado con otros niveles como la planificación y control. La necesidad de integración de estos niveles se ha citado ya desde los años 60, pero las contribuciones en esta área de investigación son escasas. El principal objetivo de esta tesis consiste en contribuir a la integración del problema de programación de operaciones a corto plazo de las industrias discontinuas de proceso desde un punto de vista estructural y funcional. La perspectiva estructural se refiere a la integración con otros niveles de decisión de la estructura organizativa de la empresa, que se limita en esta tesis al nivel de control básico. En cuanto a las cuestiones funcionales, la adopción de funciones objetivo que incluyan todos los aspectos del problema de programación de operaciones puede llevar a decisiones integradas desde un punto de vista global. En este sentido, la inclusión de los costes de las variables de proceso en la función objetivo del problema de programación de operaciones puede facilitar la integración de los niveles. Además, la inclusión de objetivos no económicos en la toma de decisiones puede generar soluciones más comprometidas desde otras perspectivas del problema como la medioambiental. En primer lugar, se presentan una visión general del panorama actual de la industria de proceso, la relevancia del problema de programación de operaciones y de su integración en la toma de decisiones, así como los enfoques existentes para la solución de dicho problema. La segunda parte de esta tesis está dedicado a la descripción y la extensión de las varias formulaciones del problema de programación de operaciones, a fin de considerar características no triviales del problema, tales como las operaciones de limpieza, las operaciones de transferencia de equipo, velocidades de proceso variables, la sincronización de operaciones y la introducción de la dinámica del proceso. Precisamente, la tercera parte de esta tesis está dedicada a la introducción de la dinámica del proceso dentro del nivel de programación de operaciones, que se puede lograr ya sea (i) indirectamente: considerando funciones de coste en función del tiempo, o (ii) directamente: mediante la discretización de las ecuaciones dinámicas del modelo de proceso y su incorporación a la formulación del problema. En esta parte, se analiza la idoneidad de cada método de integración y se evalúan los beneficios que pueden lograrse con la integración. Además, se estudia la repercusión de velocidades de proceso variables, en procesos semicontinuos con producción de un solo lote por campaña de producto. La última contribución de esta tesis se centra en la ampliación de la tradicional función objetivo económica del problema de programación de operaciones para examinar cuestiones medioambientales. En concreto, se estudian las soluciones de compromiso que aparecen entre los criterios ambientales y económicos mediante fronteras de Pareto, que proporcionan información sobre los compromisos existentes. En esta parte, se observa que cuando se consideran diferentes funciones objetivo, se puede llegar a soluciones de la frontera de Pareto completamente diferentes, tanto en términos de número como secuencia de los lotes de productos, así como en los métodos de limpieza. Por último, se presenta una estrategia híbrida de optimización, para poder resolver problemas de tamaño real, que consiste en un algoritmo genético combinado con una búsqueda local matemática rigurosa.Award-winningPostprint (published version