مهندسی سیستم و بهره‌وری

مهندسی سیستم و بهره‌وری

چارچوبی ترکیبی مبتنی بر یادگیری تقویتی برای توزیع بار کاری و زمان‌بندی در خطوط مونتاژ مدل ترکیبی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسنده
استادیار، گروه مهندسی صنایع، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه کوثر بجنورد، بجنورد، ایران
چکیده
این مطالعه، رویکردی نوآورانه برای مواجهه با چالش‌های دوگانه «بالانس خط» و «توالی‌سازی» در خطوط مونتاژ ترکیبی، از طریق ادغام هوش مصنوعی ارائه می‌دهد. با تلفیق شبکه‌های عصبی عمیق و یادگیری تقویتی، چارچوب پیشنهادی به‌طور هم‌زمان توزیع بار کاری ایستگاه‌ها و ترتیب اجرای وظایف را بهینه می‌سازد. داده‌های تاریخی تولید شامل زمان‌های پردازش وظایف، تعداد کل ایستگاه‌ها و وابستگی‌های بین وظایف، جمع‌آوری و در قالب مدل‌های پیش‌بینیکننده ساختاردهی شدند. یک عامل یادگیری تقویتی مبتنی بر شبکه Q عمیق توسعه داده شد تا وظایف را به‌طور پویا و در زمان واقعی به ایستگاه‌ها تخصیص دهد و ترتیب اجرای آن‌ها را مشخص کند، با هدف حداقل‌سازی زمان کل تولید و حداکثرسازی کارایی کلی خط. به‌موازات، از شبکه‌های عصبی عمیق برای پیش‌بینی مدت زمان پردازش وظایف و ارزیابی امکان جابه‌جایی وظایف بین ایستگاه‌ها استفاده شد. آزمایش‌های عددی با استفاده از داده‌های واقعی تولید نشان می‌دهد که روش پیشنهادی به‌طور چشمگیری زمان بیکاری را کاهش می‌دهد، دوره‌های انتظار وظایف را کوتاه می‌کند و تداوم جریان کار را بهبود می‌بخشد. افزون بر این، مقایسه با روش‌های بهینه‌سازی مرسوم مانند الگوریتم‌های ژنتیک و تَبرید شبیه‌سازی‌شده مزایای این راهبرد مبتنی بر یادگیری ماشین را برجسته می‌سازد؛ به‌ویژه در دستیابی به راه‌حل‌های نزدیک به بهینه با سرعت بیشتر و انعطاف‌پذیری بالاتر.

تازه های تحقیق

  • ترکیب یادگیری عمیق و یادگیری تقویتی برای حل هم‌زمان مسائل تعادل‌یابی و توالی‌سازی در خطوط مونتاژ چندمدلی.
  • ارائه یک مدل مبتنی بر شبکه Q عمیق (DQN) که به‌صورت پویا و در زمان واقعی وظایف را به ایستگاه‌های کاری تخصیص می‌دهد.
  • استفاده از شبکه‌های عصبی عمیق (DNN) برای پیش‌بینی دقیق زمان پردازش وظایف و تسهیل جابه‌جایی هوشمند وظایف بین ایستگاه‌ها.

کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Reinforcement Learning Framework for Workload Distribution and Scheduling in Multi-Model Production Lines

نویسنده English

Fahimeh Tanhaie
Assistant Professor., Department of Industrial Engineering, Faculty of Basic Science and Engineering, Kosar University of Bojnord , Bojnord, Iran
چکیده English

This study introduces an innovative approach to addressing the dual challenges of line balancing and sequencing in mixed-model assembly lines through the integration of artificial intelligence. By combining deep neural networks (DNNs) and reinforcement learning (RL), the proposed framework simultaneously optimizes workstation load distribution and task ordering. Historical production data—including task processing times, the total number of workstations, and inter-task dependencies—were collected and structured into predictive models. A Deep Q-Network (DQN)-based RL agent was developed to dynamically assign tasks to stations and determine their execution sequence in real time, aiming to minimize makespan and maximize overall line efficiency. In parallel, DNNs were employed to forecast task processing durations and evaluate the feasibility of relocating tasks across stations. Numerical experiments using real-world production data demonstrate that the proposed method significantly reduces idle time, decreases task waiting periods, and streamlines workflow continuity. Furthermore, benchmarking against conventional optimization techniques—such as Genetic Algorithms and Simulated Annealing—highlights the advantages of this machine learning–driven strategy, particularly in achieving near-optimal solutions more rapidly and with greater adaptability.

کلیدواژه‌ها English

Scheduling
Workload Distribution
Deep Neural Networks (DNN)
Reinforcement Learning (RL)
Line Balancing

Copyright © Fahimeh Tanhaie

 

License

This article is released under the Creative Commons Attribution (CC BY 4.0) license. Anyone is free to copy, share, translate, and adapt this article for any purpose, whether commercial or non-commercial, as long as proper citation is given to the authors and original publication.

Abolghasemian, M., Kheiri, A. O., & Saberifard, N. (2024). Prioritizing factors affecting the flexibility and performance of the digital supply chain system in the Iranian food industry. System Engineering and Productivity4(1), 41-57. https://doi.org/10.22034/msb.2024.2025240.1194
Akpınar, S., & Bayhan, G. M. (2011). A hybrid genetic algorithm for mixed model assembly line balancing problem with parallel workstations and zoning constraints. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 24(3), 449–457. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2010.08.006
Ayough, A., & Khorshidvand, B. (2023). Robust optimization for the integrated worker-cell assignment and sequencing problem in a lean U-shaped assembly line. Computers & Industrial Engineering, 178, 109139. https://doi.org/10.1016/j.cie.2023.109139
Boysen, N., Fliedner, M., & Scholl, A. (2009). Sequencing mixed-model assembly lines: Survey, classification and model critique. European journal of operational research192(2), 349-373. https://doi.org/10.1016/j.ejor.2007.09.013
Çil, Z. A., & Kizilay, D. (2020). Constraint programming model for multi-manned assembly line balancing problem.  Computers & Operations Research, 124, 105069. https://doi.org/10.1016/j.cor.2020.105069
Defersha, F. M., & Mohebalizadehgashti, F. (2018). Simultaneous balancing, sequencing, and workstation planning for a mixed model manual assembly line using hybrid genetic algorithm. Computers & industrial engineering119, 370-387. https://doi.org/10.1016/j.cie.2018.04.014
Gholamian, S. A. (2025). Evaluation and selection of sustainable suppliers by providing a decision support system based on a new data envelopment analysis model and cumulative star utility. System Engineering and Productivity4(1), 1-13. https://doi.org/10.22034/msb.2024.2025845.1198
Guo, G., & Ryan, S. M. (2022). Sequencing mixed-model assembly lines with risk-averse stochastic mixed-integer programming.  International Journal of Production Research, 60 (12), 3774–3791. https://doi.org/10.1080/00207543.2021.1931978
Janardhanan, M. N., Li, Z., Bocewicz, G., Banaszak, Z., & Nielsen, P. (2019). Metaheuristic algorithms for balancing robotic assembly lines with sequence-dependent robot setup times. Applied Mathematical Modelling65, 256-270. https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.08.016
Kashanian Monfared, N., Safaie, N., & Hosseininezhad, S. J. (2025). A decision-making model for the problem of designing the layout of medical centers considering uncertainty. System Engineering and Productivity5(2), 97-118. https://doi.org/10.22034/sep.2025.2049327.1252
Kucukkoc, I., Buyukozkan, K., Satoglu, S. I., & Zhang, D. Z. (2019). A mathematical model and artificial bee colony algorithm for the lexicographic bottleneck mixed-model assembly line balancing problem.  Journal of Intelligent Manufacturing, 30, 2913–2925. https://doi.org/10.1007/s10845-015-1150-5
Li, Y., Liu, D., & Kucukkoc, I. (2023). Mixed-model assembly line balancing problem considering learning effect and uncertain demand.  Journal of Computational and Applied Mathematics, 422, 114823. https://doi.org/10.1016/j.cam.2022.114823
Montazeri Najafabadi, R., & Shams, M. (2026). Developing a deep learning-based power outage predictive model to improve resilience of power systems. System Engineering and Productivity.  https://doi.org/10.22034/sep.2026.2076246.1420
Razali, M. M., Kamarudin, N. H., Ab. Rashid, M. F. F., & Mohd Rose, A. N. (2019). Recent trend in mixed-model assembly line balancing optimization using soft computing approaches.  Engineering Computations, 36 (2), 622–645. https://doi.org/10.1108/EC-05-2018-0205
Saif, U., Guan, Z., Zhang, L., Zhang, F., Wang, B., & Mirza, J. (2019). Multi-objective artificial bee colony algorithm for order oriented simultaneous sequencing and balancing of multi-mixed model assembly line.  Journal of Intelligent Manufacturing, 30, 1195–1220. https://doi.org/10.1007/s10845-017-1316-4
Taha, R. B., & Zamzam, N. Z. (2022). A genetic algorithm for multi-manned multi-position assembly line under technological constraint.  Port-Said Engineering Research Journal, 26 (3), 134–145. https://doi.org/10.21608/pserj.2022.74000.1107
Tang, Q., Liang, Y., Zhang, L., Floudas, C. A., & Cao, X. (2016). Balancing mixed-model assembly lines with sequence-dependent tasks via hybrid genetic algorithm.  Journal of Global Optimization, 65 (1), 83–107. https://doi.org/10.1007/s10898-015-0316-1
Tanhaie, F. (2024). Applying a multi-objective particle swarm optimization algorithm for sequencing and balancing a mixed-model assembly line problem with setup times between tasks.  Journal of Applied Research on Industrial Engineering, 11 (3), 350–368. https://doi.org/10.22105/jarie.2024.394265.1545
Zhang, X., Fathollahi-Fard, A. M., Tian, G., Yaseen, Z. M., Pham, D. T., Zhao, Q., & Wu, J. (2024). Human–robot collaboration in mixed-flow assembly line balancing under uncertainty: An efficient discrete bees’ algorithm.  Journal of Industrial Information Integration, 41, 100676. https://doi.org/10.1016/j.jii.2024.100676
Zhang, Z., Tang, Q., Chica, M., & Li, Z. (2023). Reinforcement learning-based multiobjective evolutionary algorithm for mixed-model multimanned assembly line balancing under uncertain demand. IEEE Transactions on Cybernetics54(5), 2914-2927. https://doi.org/10.1109/TCYB.2022.3229666
 

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 18 بهمن 1404

  • تاریخ دریافت 18 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 12 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 11 بهمن 1404
  • تاریخ اولین انتشار 18 بهمن 1404
  • تاریخ انتشار 18 بهمن 1404