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Inteligência Artificial Aplicada aSistemas de Controle e Automação
DAS 6607
Simulador da Produção
Departamento de Automação e Sistemas
Universidade Federal de Santa Catarina
Professor:Guilherme Bittencourt
Aluno: Denis Pinha
2
TópicosTópicos
IntroduçãoExemplo de um problema (Contexto)Universo de Soluções, complexidade e técnicas para resolver o problema Hierarquia dos frames (objetos ou conceitos) de um simulador de fábricaApresentação básica de um simulador de produção desenvolvido para uma empresa
3
Introdução: O que é Inteligência Introdução: O que é Inteligência Artificial?Artificial?
Conjunto de técnicas para resolver problemas complexos, isto é, problemas que, apesar de não ter solução algorítmica , são solucionados por seres humanos.
4
Introdução ao ambiente Introdução ao ambiente fabrilfabril
o conhecimento sobre o mundo não precisa, necessariamente,
obedecer a nenhuma propriedade matemática global, como
coerência ou completude. Sua adequação deve ser medida pela sua
utilidade na solução de problemas práticos;
Ex:
Cabine de Pintura , Operações
Simultâneas, Peças Conjugadas, Estoque
Alto
5
SEQÜENCIAMENTO DA SEQÜENCIAMENTO DA PRODUÇÃOPRODUÇÃO
Problema Introdutório:Problema Introdutório:O Caso dos LeitoresO Caso dos Leitores
6
EnunciadoEnunciadoParte 1Parte 1
Alberto (A), Bruno (B), Carlos (C) e Daniel (D) moram juntos. Aos domingos, pela manhã, gostam de ler os jornais O Globo (GlGl), Jornal do Brasil (JBJB), O Dia (DiDi) e o semanário Casseta e Planeta (CPCP), que recebem à porta de casa por volta das 8:00 horas.
Além disso, após todos terem lido todos os jornais, desejam sair juntos, e o mais cedo possível, para a praia no (único) carro que possuem.
A hora em que acordam, bem como a ordem em que preferem ler os jornais e os respectivos tempos de leitura, podem ser vistos no quadro apresentado a seguir.
Por uma questão de organização, os jornais não são subdivididos em partes ou cadernos e, portanto, só podem ser lidos por uma pessoa de cada vez.
7
DadosDados
Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP
60 min 30 min 2 min 5 min
Bruno 8:45 Gl Di JB CP
75 min 3 min 25 min 10 min
Carlos 8:45 Di Gl JB CP
5 min 15 min 10 min 30 min
Daniel 9:30 CP JB Gl Di
90 min 1 min 1 min 1 min
8
QuestõesQuestões
Supondo que os quatro amigos conseguem se alimentar e realizar as suas higienes matinais enquanto estão lendo os jornais, pergunta-se:
Qual a relação deste enunciado com o de um problema de programação e controle da produção? Isto é, o que seriam neste enunciado os:
• Produtos ou itens• Máquinas ou recursos de produção• Tempos de operação ou de fabricação• Roteiros de produção• Prioridades ou seqüências de produção
Quais técnicas ou ferramentas de Sistemas, Planejamento e Controle da Produção e/ou Pesquisa Operacional podem ser usadas para a solução do problema ?
9
QuestõesQuestões
Qual a seqüência de leitura de cada jornal (isto é, quem lê o
quê em primeiro, segundo, terceiro e quarto lugar) que permite
a Alberto, Bruno, Carlos e Daniel saírem juntos o mais cedo
possível para a praia? Que hora é esta ?
É possível provar que a resposta dada ao item anterior é a
resposta ótima do problema ? Como ?
Supondo que os quatro amigos possam ler os jornais em
qualquer ordem, quantas soluções possíveis tem esse
problema?
10
QuestõesQuestões
Nesse caso, considerando que um computador rápido leva um
segundo para processar (isto é, encontrar e avaliar) mil
soluções possíveis do problema, qual o tempo computacional
necessário para pesquisar todo o universo de soluções com o
objetivo de se encontrar a solução ótima ? Expresse este
tempo na maior unidade possível (isto é segundos, minutos,
hora, dia, semanas, meses ou o que for apropriado).
Como este tempo computacional cresceria se o número de
leitores passasse a ser cinco ? E se fossem seis os leitores ?
E se fossem sete ?
11
SEQÜENCIAMENTO DA SEQÜENCIAMENTO DA PRODUÇÃOPRODUÇÃO
Problema Introdutório:Problema Introdutório:O Caso dos LeitoresO Caso dos Leitores
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AnalogiasAnalogias
Qual a relação do problema com a programação e controle
da produção? Isto é, o que seriam no enunciado os:
Produtos ou itens ?
Seriam as pessoas: Alberto, Bruno, Carlos e Daniel.
Máquinas ou recursos de produção ?
Seriam os jornais: Jornal do Brasil, Globo, Dia e
Planeta.
Tempos de operação ou de fabricação ?
Seriam os tempos estimados de leitura.
13
Solução GráficaSolução Gráfica
Qual a seqüência de leitura de cada jornal (isto é, quem lê o
quê em primeiro, segundo, terceiro e quarto lugar) que permite
ao Alberto, Bruno, Carlos e Daniel saírem juntos o mais cedo
possível para a praia? Que hora é esta ?
Para solução da questão será utilizado um método de
"tentativas e erros". Serão testadas três alternativas
baseadas em três hipóteses distintas de priorização (isto
é, seqüência de leitura de cada jornal), escolhendo-se o
melhor resultado obtido.
14
Solução 1Solução 1Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
JB
Gl
Di
CP
DanielAlberto Bruno Carlos
9:30 10:008:30 8:45 12:0010:15 11:00
Jornal Leitor 1 Leitor 2 Leitor 3 Leitor 4
JB
Gl
Di
CP
AA
11:5111:51
BB
CC
DD
DD
DD
DD
BB
BB
BB
CC
CC
CC
AA
AA
AA
15
Solução 1 / ObservaçõesSolução 1 / Observações
• O Roteiro (que é uma restrição do problema) pode levar a jornais ociosos .
ex: às 10:00 horas, Bruno pega O Dia ao invés do Jornal do Brasil (que assim fica mais tempo ocioso), porque o seu roteiro obriga que assim seja.
10:00
JB
Gl
Di
CP
12:0010:15 11:009:30 10:008:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
16
Solução 1 / ObservaçõesSolução 1 / Observações
• A Seqüência (que é fruto da solução adotada) pode levar a
leitores ociosos .
ex: às 10:15 horas, Carlos pode pegar o Jornal do Brasil mas tem que esperar Daniel, porque a seqüência de produção adotada obriga que assim seja.
JB
Gl
Di
CP
12:0010:15 11:009:30 10:008:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
Jornal Leitor 1 Leitor 2 Leitor 3 Leitor 4
JB
Gl
Di
CP
AA
BB
CC
DD
DD
DD
DD
BB
BB
BB
CC
CC
CC
AA
AA
AA
10:15
17
Solução 3Solução 3Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
Jornal Leitor 1 Leitor 2 Leitor 3 Leitor 4
JB
Gl
Di
CP
AA
11:3011:30
BB
CC
DD
DD
DD
DD
BB
CC
CC
AA
AA
AA
BB
BB
CC
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Conclusão do ProblemaConclusão do ProblemaComparando-se as três soluções verifica-se que a melhor
solução é a terceira. Um resultado nada óbvio já que das três hipóteses examinadas essa é aquela onde mais leitores são submetidos a esperas forçadas (vide quadro abaixo).
Solução Fim Planejado Esperas Forçadas
1 11:45 Bruno de 10:03 até 11:11
Carlos de 9:15 até 11:01
2 11:45 ---
3 11:30Alberto de 8:30 até 9:15
Bruno de 8:45 até 9:05
Daniel de 9:30 até 9:45
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
11:30
19
ConclusãoConclusão
Portanto, decisões “locais” que, à primeira vista, possam parecer irracionais,
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
11:30
Por exemplo,
Alberto acorda, todos continuam
dormindo, o seu jornal preferido
(JB) está disponível, e mesmo
assim ele é impedido de lê-lo
antes de Carlos que, por sua vez,
só acordará 15 minutos depois, e
ainda lerá 2 outros jornais antes
de pegar o JB !
numa visão “global” e estruturada do problema - proporcionada pelo gráfico de Gantt - mostram-se perfeitamente lógicas .
Aqui, o entendimento integral do problema mostra como a paciência (de Alberto, Bruno e Daniel) pode ser uma virtude necessária e compensadora !
20
Análise do Melhor CasoAnálise do Melhor Caso
Como provar que esta resposta é ótima ?
21
Solução ÓtimaSolução Ótima
• O que não significa que seja a única solução ótima !
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
11:3011:30
• Por exemplo, podemos só inverter os 2 últimos leitores do
Planeta na Solução 3 :
22
Universo de SoluçõesUniverso de Soluções
Caso os quatro amigos possam ler os jornais em qualquer
ordem, quantas soluções possíveis tem esse problema ?
Se houvesse apenas um jornal, haveria (4 !) = 24 soluções(4 !) = 24 soluções de seqüenciamento.
Como, entretanto, há quatro jornais em questão e o seqüenciamento da leitura de cada um deles é independente da seqüência de leitura dos demais, há
(4 !)(4 !)44 = 331.776 soluções = 331.776 soluções.
Com efeito, o número de soluções possíveis (factíveis e
não factíveis) de seqüenciamento é da ordem de (n !)(n !)mm,
onde nn são os itens e mm são os recursos envolvidos no problema.
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Complexidade do Problema Complexidade do Problema
Neste caso, considerando que um computador rápido leva um
segundo para processar (isto é, encontrar e avaliar) mil
soluções possíveis do problema, qual o tempo computacional
necessário para pesquisar todo o universo de soluções com o
objetivo de se encontrar a solução ótima ? Expresse este
tempo na maior unidade possível (isto é, segundos, minutos,
horas, dias, semanas, meses ou o que for apropriado).
331.776 soluções / 1000 soluções por segundo / 60= 5 ½ minutos
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Natureza Combinatória Natureza Combinatória ExplosivaExplosiva
Como este tempo computacional cresceria se o número de leitores passasse a ser cinco ?E se fossem seis leitores ?E se fossem sete ?
A tabela abaixo registra a evolução do universo de soluções e correspondente tempo de processamento:
Leitores/ Itens
Jornais /Máquinas
Universo deSoluções
Tempo deProcessamento
Requerido
4 4
5 4
6 4
7 4
331.776
2,1 x 10 8
2,7 x 10 11
6,5 x 10 14
5,5 minutos
2,4 dias !
8,5 anos !!
205 séculos !!!!205 séculos !!!!
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Técnicas para ResolverTécnicas para Resolver o Problema o Problema
Quais técnicas ou ferramentas de Administração, Sistemas
(Sistema Multiagente (SMA) , Planejamento e Controle e/ou
Pesquisa Operacional podem ser usadas para a solução do
problema ?
Ferramentas gráficas (e.g. gráficos de Gantt), métodos
analíticos ou matemáticos (e.g. programação linear,
programação combinatorial, programação inteira,
programação dinâmica) e métodos heurísticos,
baseados no bom-senso (e.g modelos de simulação
computacional).
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Métodos heurísticosMétodos heurísticosDiante da complexidade do problema de programação,
analisaremos agora quatro métodos estruturados para resolução do problema. São eles:
PROGRAMAÇÃO PARA FRENTEPROGRAMAÇÃO PARA FRENTE (pedido a pedido) => comumente (embora imprecisamente) chamado de “FORWARD PLANNING”
PROGRAMAÇÃO PARA TRÁS BASEADA NA ABORDAGEM PROGRAMAÇÃO PARA TRÁS BASEADA NA ABORDAGEM MRPMRP (pedido a pedido) => comumente (embora imprecisamente) chamado de “BACKWARD PLANNING”
PROGRAMAÇÃO BASEADA NA TEORIA DAS RESTRIÇÕESPROGRAMAÇÃO BASEADA NA TEORIA DAS RESTRIÇÕES (operação a operação) => também chamado de “PROGRAMA-ÇÃO MISTA”
PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃOPROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃO (operação a operação) => também chamado (embora imprecisamente) de “PROGRAMA-ÇÃO POR CAPACIDADE FINITA”
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Programação por SimulaçãoProgramação por Simulação
Com os dados do problema dos Leitores, construa uma solução estruturada baseada na “PROGRAMAÇÃO POR PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃOSIMULAÇÃO (operação a operação)”. Utilize para tanto a seguinte lógica de construção:
Avance o “relógio da simulação” até o instante onde ocorre o primeiro evento significativo (por exemplo, a chegada de um material, o fim de processamento num recurso, etc.)
Com base no critério de prioridade adotado (MDE), identifique os pedidos que podem ser processados nesse instante no recurso em questão e selecione o mais prioritário para programação.
Repita o passo 2 até que todas as operações tenham sido programadas.
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Regras Heurísticas de CarregamentoRegras Heurísticas de Carregamento
PEPSPEPS (Primeiro a entrar deve ser o primeiro a sair)
MTPMTP (Item de menor tempo de processamento deve ser processado primeiro)
MDEMDE (Item com data de entrega mais apertada deve ser processado primeiro)
Maior MultaMaior Multa (Item que induz a maior multa deve ser processado primeiro)
Maior PreçoMaior Preço (Item que induz a maior preço deve ser processado primeiro)
Menor FolgaMenor Folga (Item que tem a menor folga calculada como:
(Data de entrega - Instante da decisão) - Tempo remanescente de processamento
Razão CríticaRazão Crítica (Item que tem a menor folga calculada como:
(Data de entrega - Instante da decisão) / Tempo remanescente de processamento
“... o número de regras de descarregamento de filas existentes só é limitado pela nossa ingenuidade ! ”
Você é capaz de imaginar outras regras heurísticas de descarregamento de filas ?
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I
A 0 Atraso
Freqüência
a) situação “quase ótima” em termos de cumprimento de prazo de entrega.
0 I
A
b) regra ignorando os tempos de processamento e datas de entrega.Ex: PEPS
0 I
A
c) regra baseada em tempos de processamento.Ex: MTP
0 I
A
d) regra baseada em data de entrega (carga e capacidade balanceadas).Ex: MDE
0 I
A
e) regra baseada em data de entrega (carga e capacidade desbalanceadas).Ex: MDE
PEDIDOSADIANTADOS
PEDIDOSATRASADOS
30
Complicadores do ProblemaComplicadores do Problema
Tempos de preparação de máquina
Tempos de transporte
Descontinuidades do tempo (turnos, fins-de-semana, feriados)
Manutenção preventiva
Perdas históricas de capacidade (e.g. manutenção corretiva)
Disponibilidade restrita de ferramentas ou moldes (além das
máquinas)
Disponibilidade restrita de pessoal
Limitações de orçamento
Dinâmica de re-programação
Fabricação para posterior montagem
31
PONTUALIDADE TOTALPONTUALIDADE TOTAL Diante de tal complexidade, como chegar Diante de tal complexidade, como chegar
lá ?lá ?
PONTUALIDADE PONTUALIDADE TOTAL é :TOTAL é :
Programar e controlar a produção tendo como meta
Entregar 100% dos pedidos no prazo de acordo com as especificações técnicas e o orçamento combinado
e assim
Desenvolver junto ao cliente uma reputação de excelência em termos de cumprimento de prazos
32
PONTUALIDADE TOTALPONTUALIDADE TOTAL
Ações indicadasAções indicadas Como ser PONTUAL PONTUAL ?
1. Planejar antecipadamente2. Programar realisticamente considerando os limites existentes de capacidade3. Programar com folga4. Programar detalhadamente o curto prazo5. Explorar as possibilidades de seqüenciamento existentes6. Explorar as possibilidades ligadas ao uso de máquinas e roteiros alternativos7. Explorar as possibilidades de ajuste do nível de capacidade
(e.g. horas-extras, subcontratações)8. Explorar as possibilidades de apressamento (i.e. expeditação) de pedidos urgentes9. Explorar as possibilidades de antecipação do recebimento de materiais críticos10. Explorar as possibilidades ligadas ao uso de projetos, processos e materiais
alternativos11. Antecipar para os clientes possíveis problemas de entrega, quando inevitáveis12. Prometer prazos e/ou decidir aceitar encomendas considerando os compromissos
já assumidos13. Acompanhar o andamento e a pontualidade dos processos internos14. Replanejar rapidamente e sempre que fatos significativos aconteçam sem terem
sido previstos
33
PONTUALIDADE TOTALPONTUALIDADE TOTAL
Ações indicadasAções indicadas Como fazer BARATO BARATO ?
15. Evitar grandes antecipações na produção de componentes não-críticos16. Apresentar os custos e benefícios de cada possível solução de programação17. Identificar as operações e recursos críticos para concentrar neles os ajustes de
capacidade (horas-extras, subcontratações)
Como fazer RÁPIDO RÁPIDO ?18. Programar para dispor dos equipamentos o mais cedo possível (e faturar o quanto
antes)
Como ser FLEXÍVEL FLEXÍVEL ?
19. Conhecer (representar) as alternativas de gestão de curto prazo para exploração sistemática
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Simulação com capacidade finita Simulação com capacidade finita Acionamento x Dimensionamento x ProjetosAcionamento x Dimensionamento x Projetos
Simuladores voltados a programação do dia-a-dia e acionamentoSimuladores voltados a programação do dia-a-dia e acionamentoFactor, Schedulex, Leitstand, AHP-Leitstand, Auto-sched, Moopi, MPSwin, Infor, CA-Quick, Pacemaker, Preactor, CB/Plan, Response Agent, Fact, MicroPlanner, Metashop, Job-shop, Syn-Quest, Ortems, AutoSched, Broner, Process, See-The-Future (BR)
Simuladores voltados ao dimensionamento do sistema de produçãoSimuladores voltados ao dimensionamento do sistema de produçãoPromodel, Arena, See-why, Forssight
Simuladores voltados a gestão de projetosSimuladores voltados a gestão de projetosScitor OS Suite, Concerto
Simuladores voltados a programação do dia-a-diaSimuladores voltados a programação do dia-a-diaManugistics, Goal System, Thru-put, Drummer, Rhythm
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Horários
Tipos de Operação
Situação
Custo Variável
Tempo Setup
Rendimento Classe
Estoques
Tipo: Contínuo, Taxa Habilitação Serventia:
Processamento, Setup, Transporte
Data
Acabado, Manufaturado
e Materiais,
Máquinas Operadores Ferramentas
Pedidos
Clientes
RecursosOnde
Plano de ProduçãoQuanto
EngenhariaO que e Como Faz
Fábrica
Exemplo simplificado de hierarquias de objetos e seus respectivos Exemplo simplificado de hierarquias de objetos e seus respectivos atributos para um simulador de manufatura (Fábrica)atributos para um simulador de manufatura (Fábrica)
Horários
Tempo de Transporte
Valor de Venda
Quantidade
Prioridade Tipo Item: Manufaturado
Itens
Unidade: Kg, Peças
Custo
Lista de Materiais
Componência
Lista de Operações e Alternativas
Roteiros de Produção
Alternativas de Recursos Taxa de Produção
Classe
Lote de Produção
Lote de Tranferência
Operador
Ferramenta
36
FontesFontes
BITTENCOURT , Guilherme - Notas de Aula da Disciplina DAS 6607 - 2007
COSTA, R, 1996, Pontualidade total na produção sob encomenda: conceito, tecnologia e uso da simulação computacional na gestão do chão de fábrica. Ph.D dissertação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil.
37
Obrigado pela atençãoObrigado pela atenção
e-mail: e-mail:
denis@trilhaprojetos.com.brdenis@trilhaprojetos.com.br
denispin@das.ufsc.brdenispin@das.ufsc.br
Página: www.trilhaprojetos.com.brPágina: www.trilhaprojetos.com.br
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