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1 Inteligência Artificial Aplicada a Sistemas de Controle e Automação DAS 6607 Simulador da Produção Departamento de Automação e Sistemas Universidade.

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1 1 Inteligência Artificial Aplicada a Sistemas 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 2 Tópicos åIntrodução åExemplo de um problema (Contexto) åUniverso de Soluções, complexidade e técnicas para resolver o problema åHierarquia dos frames (objetos ou conceitos) de um simulador de fábrica åApresentação básica de um simulador de produção desenvolvido para uma empresa

3 3 Introdução: O que é Inteligência Artificial? Conjunto de técnicas para resolver problemas complexos, isto é, problemas que, apesar de não ter solução algorítmica, são solucionados por seres humanos.

4 4 Introdução ao ambiente fabril åo 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 5 SEQÜENCIAMENTO DA PRODUÇÃO Problema Introdutório: O Caso dos Leitores

6 6 Enunciado Parte 1 GlJBDi CP Alberto (A), Bruno (B), Carlos (C) e Daniel (D) moram juntos. Aos domingos, pela manhã, gostam de ler os jornais O Globo ( Gl ), Jornal do Brasil ( JB ), O Dia ( Di ) e o semanário Casseta e Planeta ( CP ), 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 7 Dados

8 8 Questões 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 9 Questões ® 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 10 Questões ± 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). ² 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 11 SEQÜENCIAMENTO DA PRODUÇÃO Problema Introdutório: O Caso dos Leitores

12 12 Analogias ¬ Qual a relação do problema com a programação e controle da produção? Isto é, o que seriam no enunciado os: åProdutos ou itens ? äSeriam as pessoas: Alberto, Bruno, Carlos e Daniel. åMáquinas ou recursos de produção ? äSeriam os jornais: Jornal do Brasil, Globo, Dia e Planeta. åTempos de operação ou de fabricação ? äSeriam os tempos estimados de leitura.

13 13 Solução 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 ? äPara 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 14 Solução 1 A 11:51 B C D D D D B B B C C C A A A

15 15 Solução 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

16 16 Solução 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. A B C D D D D B B B C C C A A A 10:15

17 17 Solução 3 A 11:30 B C D D D D B C C A A A B B C

18 18 Conclusão do Problema Comparando-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). 11:30

19 19 Conclusão Portanto, decisões locais que, à primeira vista, possam parecer irracionais, 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 20 Análise do Melhor Caso ¬ Como provar que esta resposta é ótima ?

21 21 Solução Ótima O que não significa que seja a única solução ótima ! 11:30 Por exemplo, podemos só inverter os 2 últimos leitores do Planeta na Solução 3 :

22 22 Universo de Soluções ° Caso os quatro amigos possam ler os jornais em qualquer ordem, quantas soluções possíveis tem esse problema ? (4 !) = 24 soluções Se houvesse apenas um jornal, haveria (4 !) = 24 soluções de seqüenciamento. (4 !) 4 = 331.776 soluções 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 = 331.776 soluções. (n !) m n m Com efeito, o número de soluções possíveis (factíveis e não factíveis) de seqüenciamento é da ordem de (n !) m, onde n são os itens e m são os recursos envolvidos no problema.

23 23 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). ä331.776 soluções / 1000 soluções por segundo / 60 = 5 ½ minutos

24 24 Natureza Combinatória Explosiva ² Como este tempo computacional cresceria se o número de leitores passasse a ser cinco ? E se fossem seis leitores ? E se fossem sete ? äA tabela abaixo registra a evolução do universo de soluções e correspondente tempo de processamento: 44 54 64 74 331.776 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 !!!!

25 25 Técnicas para Resolver 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 ? äFerramentas 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).

26 26 Métodos heurísticos Diante da complexidade do problema de programação, analisaremos agora quatro métodos estruturados para resolução do problema. São eles: ¬ PROGRAMAÇÃO PARA FRENTE ¬ PROGRAMAÇÃO PARA FRENTE (pedido a pedido) => comumente (embora imprecisamente) chamado de FORWARD PLANNING ­ PROGRAMAÇÃO PARA TRÁS BASEADA NA ABORDAGEM MRP ­ PROGRAMAÇÃO PARA TRÁS BASEADA NA ABORDAGEM MRP (pedido a pedido) => comumente (embora imprecisamente) chamado de BACKWARD PLANNING ® PROGRAMAÇÃO BASEADA NA TEORIA DAS RESTRIÇÕES ® PROGRAMAÇÃO BASEADA NA TEORIA DAS RESTRIÇÕES (operação a operação) => também chamado de PROGRAMA- ÇÃO MISTA ¯ PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃO ¯ PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃO (operação a operação) => também chamado (embora imprecisamente) de PROGRAMA- ÇÃO POR CAPACIDADE FINITA

27 27 Programação por Simulação PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃO Com os dados do problema dos Leitores, construa uma solução estruturada baseada na PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃO (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.

28 28 Regras Heurísticas de Carregamento ¬ PEPS ¬ PEPS (Primeiro a entrar deve ser o primeiro a sair) ­ MTP ­ MTP (Item de menor tempo de processamento deve ser processado primeiro) ® MDE ® MDE (Item com data de entrega mais apertada deve ser processado primeiro) ° Maior Multa ° Maior Multa (Item que induz a maior multa deve ser processado primeiro) ² Maior Preço ² Maior Preço (Item que induz a maior preço deve ser processado primeiro) ³ Menor Folga ³ Menor Folga (Item que tem a menor folga calculada como: ( Data de entrega - Instante da decisão) - Tempo remanescente de processamento ´ Razão Crítica ´ Razão 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 ?

29 29 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 PEDIDOS ADIANTADOS PEDIDOS ATRASADOS

30 30 Complicadores 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) ² Disponibilidade restrita de pessoal ³ Limitações de orçamento ´ Dinâmica de re-programação µ Fabricação para posterior montagem

31 31 PONTUALIDADE TOTAL Diante de tal complexidade, como chegar lá ? PONTUALIDADE 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 32 PONTUALIDADE TOTAL Ações indicadas PONTUAL åComo ser PONTUAL ? 1.Planejar antecipadamente 2.Programar realisticamente considerando os limites existentes de capacidade 3.Programar com folga 4. Programar detalhadamente o curto prazo 5.Explorar as possibilidades de seqüenciamento existentes 6.Explorar as possibilidades ligadas ao uso de máquinas e roteiros alternativos 7.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 urgentes 9.Explorar as possibilidades de antecipação do recebimento de materiais críticos 10.Explorar as possibilidades ligadas ao uso de projetos, processos e materiais alternativos 11.Antecipar para os clientes possíveis problemas de entrega, quando inevitáveis 12.Prometer prazos e/ou decidir aceitar encomendas considerando os compromissos já assumidos 13.Acompanhar o andamento e a pontualidade dos processos internos 14.Replanejar rapidamente e sempre que fatos significativos aconteçam sem terem sido previstos

33 33 PONTUALIDADE TOTAL Ações indicadas BARATO åComo fazer BARATO ? 15.Evitar grandes antecipações na produção de componentes não-críticos 16.Apresentar os custos e benefícios de cada possível solução de programação 17.Identificar as operações e recursos críticos para concentrar neles os ajustes de capacidade (horas-extras, subcontratações) RÁPIDO åComo fazer RÁPIDO ? 18.Programar para dispor dos equipamentos o mais cedo possível (e faturar o quanto antes) FLEXÍVEL åComo ser FLEXÍVEL ? 19.Conhecer (representar) as alternativas de gestão de curto prazo para exploração sistemática

34 34 Simulação com capacidade finita Acionamento x Dimensionamento x Projetos Simuladores voltados a programação do dia-a-dia e acionamento Factor, 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 produção Promodel, Arena, See-why, Forssight Simuladores voltados a gestão de projetos Scitor OS Suite, Concerto Simuladores voltados a programação do dia-a-dia Manugistics, Goal System, Thru-put, Drummer, Rhythm

35 35 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, MáquinasOperadoresFerramentas Pedidos Clientes Recursos Onde Plano de Produção Quanto Engenharia O que e Como Faz Fábrica Exemplo simplificado de hierarquias de objetos e seus respectivos 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 36 Fontes 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 37 Obrigado pela atenção e-mail: denis@trilhaprojetos.com.br denispin@das.ufsc.br Página: www.trilhaprojetos.com.br


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