splab, but klepnutím lze upravit styl předlohy...

32
nadpisů. Brno University of Technology [email protected] Optimization of Warehouse Processes Jan Karásek Brno University of Technology Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Telecommunications, Signal Processing Laboratory http://splab.cz/en

Upload: others

Post on 12-Jul-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

1 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

Optimization of Warehouse Processes

Jan KarásekBrno University of TechnologyFaculty of Electrical Engineering and CommunicationDepartment of Telecommunications, Signal Processing Laboratory

http://splab.cz/en

Page 2: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

2 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Outline

• Introduction• Problem Definition, Main Goals, Warehouse Description

• Problem Solutions • Generation I, II, III

• Related Problems, New Ideas

• Java Evolutionary Framework

• Grammar Driven Genetic Programming

• GDGP Algorithm Design

• Benchmark Definition

• Experimental Results

• Conclusion + Further Research

Page 3: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

3 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Definition of Research Problem

How to spread the tasks among employees and assign the equipment, so that the system can work as a cooperating whole with minimal time demands and with collision avoidance...

Main goals are

to minimize a time of job processing,

and to avoid the collisions of fork-lift trucks.

Problem DefinitionIntroduction

Page 4: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

4 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Introduction

x, width

y, h

eig

ht Typical rectangular shape of warehouse.

Coordinates: x, y, z (level of shelf).

Goals, more concretely:

a) to minimize time of:

searching (location of goods)

travelling (how to get there)

picking (both together)

b) to avoid collision by minimization of:

idle times (truck waiting for another)

crash of trucks (were not waiting)

not available path (congestion)

Warehouse Description

Page 5: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

5 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

The processes in the warehouse are driven by:

• Human Operators/Shift leaders,

• Warehouse Management Systems

• Methods based on Artificial Intelligence

Problem Solutions

Page 6: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

6 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

?

How the problem is being solved usuallyProblem Solutions – Generation I

Page 7: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

7 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

?

Problem Solutions – Generation IIThe TOP solution (Mibcon, Certified by SAP)

Page 8: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

8 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

?

Solution based on GDGP we are working onProblem Solutions – Generation III

Page 9: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

9 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Warehouse Optimization

• Technical Structure (layout, dimensions, racks, aisles…)

• Operational Structure (random/dedicated storing, grouping, zoning…)

• Management Systems (interconnection between various systems)

Scheduling Problems (Shop Scheduling)

Related Problems and New Ideas

Routing Problems (Vehicle Routing)

Robotic Cells

Hoists

AGV’s

+ }

Page 10: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

10 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Going in this directionempty, can help to another employee.

1

2 2

3 2

Related Problems and New Ideas

Page 11: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

11 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

No goods

There is no goods during the planning process,But before the fork-lift truck will come, the goods will be replenished.

Related Problems and New Ideas

Page 12: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

12 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

??Postponing the employee break one more operation further can have a significantly positive impact on the other jobs.

Related Problems and New Ideas

Page 13: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

13 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

• Solution is less demanding on human resources

• Higher utilization of employees and trucks

• Saves labor energy

• Solution does not require highly skilled operational managers.

Related Problems and New Ideas

Page 14: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

14 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Java Evolutionary Framework

Genetic

Programming

Simulace

SimulaceSimulation• New Java Evolutionary Framework based on

Genetic Programming

• Driven by Context-free Grammar

• Thousands of possible variants of problem

• The more complicated problem, the better and

successful solution in comparison with human

GDGP can “see” to the future,

and can predict the most

probable situations and

properly react to them.

Page 15: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

15 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Java Evolutionary Framework

Page 16: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

16 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

• Set of Terminal Symbols (inputs)– Coordinates[x,y] (start, end), Employee, Equipment, Commodity, Deadline…

• Set of Non-Terminal Symbols (functions = tasks)

– Operation, Job, various Task (TaskInStore, TaskOutStore…)

– Load, Unload, Move, Relax, Wait…

• Fitness Function– Minimization of Completion time, Number of Collisions…

• Run Control– Size of Population, Grammar, Operator Rates…

• End Control– Number of generations

Grammar Driven Genetic Programming

Page 17: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

17 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Definition of Grammar (G = V, ∑, R, S)

• V (Set of Non-Terminal characters)

• ∑ (Set of Terminal characters)

• R (Set of Rules)

• S (Start)

Grammar Driven Genetic Programming

S ::= Workplan

R :: =

Workplan ::= Operation Employee Equipment

Operation ::= Operation Job | Operation null

Job ::= TaskInStore | TaskOutStore |

TaskRelax | TaskWait….

TaskInStore ::= Load Move Unload Commodity, Start, End…

TaskOutStore ::= Load Move Unload Commodity, …. Deadline

TaskRelax ::= Wait Position Duration | Relax …

Page 18: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

18 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

+ Simulation of Future and Expected Events/Operations

+ It Plans Jobs for Employees, Utilization and Energy

+ It looks at the Warehouse as one Cooperating Unit

+ Less Requirements on Skilled Human Resources

+ An Efficient Break Scheduling

+ Increases Resistance:+ Failure of Operational Manager

+ Effect of Emotions and Stress

+ Panic in Crisis Situations

Advantages of Innovative Method

Page 19: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

19 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Algorithm Design

Tasks Job Job Buffer

GeneWorkplan 1 Job 1 Job 2 Job 5

Workplan 2 Job 3 Job 6

Workplan 3 Job 4

Chromosome

Population

Employees & Equipment

fitness function

Page 20: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

20 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Genetic Operators – Path Mutation

Workplan 1 Job 1 Job 2 Job 5

Workplan 2 Job 3 Job 6

Workplan 3 Job 4

Chromosome

Path mutation with rate RPM

1) Randomly select the Workplan (no. 3)

2) Randomly select the Job (no. 4)

3) Apply Path mutation on Move Task

Workplan 3 Job 4

Page 21: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

21 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Genetic Operators – Job Order Mutation

Workplan 1 Job 1 Job 2 Job 5

Workplan 2 Job 3 Job 6

Workplan 3 Job 4

Chromosome

Job Order mutation with rate RTO

1) Randomly select the Workplan (no. 2)

2) Apply Job Order mutation

Workplan 2 Job 6 Job 3

Page 22: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

22 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Genetic Operators – Swap Job Mutation

Workplan 1 Job 1 Job 2 Job 5

Workplan 2 Job 3 Job 6

Workplan 3 Job 4

Chromosome

Swap Job mutation with rate RST

1) Randomly select the Workplans

(no. 2 and no. 3)

2) Randomly Select Two Jobs

3) Swap Selected JobsWorkplan 2

Workplan 3

Job 4

Job 3

Job 6

Page 23: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

23 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Genetic Operators – Swap Workplan Mutation

Workplan 1 Job 1 Job 2 Job 5

Workplan 2 Job 3 Job 6

Workplan 3 Job 4

Chromosome

Swap Workplan mutation with rate RSW

1) Randomly select the Workplans

(no. 2 and no. 3)

2) Swap All JobsWorkplan 2

Workplan 3

Job 4

Job 3 Job 6

Page 24: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

24 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Genetic Operators – Split Job Mutation

Workplan 1 Job 1 Job 2 Job 5

Workplan 2 Job 3 Job 6

Workplan 3 Job 4

Chromosome

Split Job mutation with rate RSA

1) Randomly select the Workplan

(no. 1)

2) Randomly select Job (Job 5)

3) Apply Task Order mutation

Workplan 1 Job 1 Job 2 Job 5.1

Workplan 3 Job 4 Job 5.2

Page 25: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

25 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Benchmarks Definition

• State the benchmark

– Manually measure the time and performance

– Based on human decision

– Automatically measure the time and performance

– Use different genetic operators and combinations

– Based on evolution

Page 26: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

26 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

• Data from warehousing company from pre Christmas time, when human operator was stressed, tired . . . extracted to simple scenarios => benchmark sets

• How the operator spread the work, e.g.:• Emp1, Truck1, WP1

• T1, T2

• Emp2, Truck2, WP2• T3, T4, T5

• 2 Sets of Simple Benchmarks (2 x 10 Scenarios)

Visual Validation

empID, truckID, jobEndTime, commID, destX, destY, job, task

Benchmarks Definition

Page 27: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

27 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Experimental Results

HumanOperator

Genetic Programming

Path Mutation Task Order M. Both Mutation

13,00 15,50 13,00 13,00

16,50 16,50 16,50 16,50

13,00 28,50 28,50 28,50

16,50 16,50 18,50 16,50

12,50 12,50 12,50 12,50

14,50 26,50 26,50 26,50

15,00 15,00 15,00 15,00

9,00 8,00 8,00 8,00

13,00 13,00 12,50 14,00

16,50 16,00 16,00 16,00

Ben

ch

mark

Set

#1

Ben

ch

mark

Set

#2 Human

Operator

Genetic Programming

Path Mutation Task Order M. Both Mutation

8,00 11,50 8,00 8,00

14,00 14,50 14,50 14,50

13,00 15,50 13,88 14,63

14,00 12,50 12,25 12,25

11,00 11,00 11,00 11,00

14,50 16,50 15,00 15,00

15,00 11,50 11,50 11,50

8,50 8,00 8,00 8,00

13,00 12,50 12,00 12,00

16,50 12,13 13,00 12,13

values are measured in standardized time units [t.u.]

2-4 emps with hand/low fork-lift

Speed of fork-lift low truck = 8 t.u.

Collision detection is not implemented

Each employee has own tasks

2-4 employees with hand pallet truck

Speed of hand pallet truck = 2 t.u.

Collision detection is not implemented

Each employee has own tasks

Size of population: 10

# of generations: 10

Path mutation rate: 30%

Task order mutation rate: 30%

Tournament selection

Page 28: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

28 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Experimental Results

Red = [0,3] > [0,0] > [1,0] > [4,0] > [4,5] > [5,5]Yellow = [4,8] > [4,0] > [5,0] > [14,0] > [14,8] > [15,8]Green = [12,1] > [12,0] > [11,0] > [8,0] > [8,1] > [7,1]

Time:

R: 5.38

Y: 16.50

G: 6.50

Page 29: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

29 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Experimental Results

Red = [0,3] > [0,0] > [4,0] > [5,0] > [14,0] > [14,8] > [15,8]Yellow = [4,8] > [4,0] > [2,0] > [1,0] > [4,0] > [4,5] > [5,5]Green = [12,1] > [12,0] > [11,0] > [6,0] -> [6,1] -> [7,1]

Time:

R: 7.00

Y: 13.00

G: 7.50

Page 30: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

30 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Conclusion

• The system can automatically model and evaluate thousands of possible variants of solution

• Competitive results has been reached even if the scenarios were so simple for human to design solution

• The more complex problem the better solution in comparison with human based solutions

• Employee gets into his PDA the information about what to do and how exactly get there

• The system re-computes results each 5 minutes for current tasks, so the employees information are updated

Page 31: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

31 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Acknowledgement

FR-TI1/444

Research and development of the system for manufacturing optimization

Project no:

Page 32: SPLab, BUT Klepnutím lze upravit styl předlohy …splab.cz/wp-content/uploads/2013/11/Optimization-of... · 2013-11-18 · 3 / 32 Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů

32 / 32

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

SPLab, BUT

Brno University of Technology

Signal Processing Laboratory

[email protected]

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

European Union

Czech Republic

http://splab.cz/en