Apprentissage automatique pour l'ordonnancement dynamique d'un atelier de production hybride basé sur une métaheuristique
Résumé
Optimiser les stratégies de planification rencontre des défis notables dans les environnements
de production dynamiques, en particulier dans les systèmes de fabrication flexibles
tels que les flowshops hybrides (HFS). Cette étude se concentre sur l’allocation des
ressources dans un contexte dynamique. Notre approche intègre l’Algorithme Génétique
(AG) et l’apprentissage automatique (ou ML pour Machine Learning) pour générer des
données et entraîner des modèles. A travers l’expérimentation de divers scénarios, la performance
des modèles de ML est évaluée pour l’allocation des ressources. De plus, des travaux
futurs visent à évaluer l’impact sur le temps de parcours moyen ou Mean Flowtime, afin de
mieux éprouver l’efficacité de la méthode proposée. Les résultats obtenus mettent en lumière
le potentiel des techniques de ML pour améliorer la prise de décision dans les systèmes de fabrication
dynamiques et flexibles, contribuant ainsi aux efforts visant à améliorer les stratégies
de planification réactive.
Le problème complexe d’ordonnancement d’atelier de type flowshop implique la gestion simultanée de ressources et de tâches tout en prenant en considération un certain nombre
de contraintes. On désigne par job une séquence d’opérations liée par des contraintes de
précédence exécutée par une ressource donnée. L’objectif est de trouver le mean flow time
minimale, souvent en tenant compte des dates de disponibilité et d’échéance. Les méthodes
traditionnelles telles que les règles de répartition, en anglais Dispatching Rules (DR) sont
parfois complétées par des approches intégrant du ML, en particulier le renforcement profond
(DRL), pour une adaptation dynamique du système de pilotage à l'évolution du contexte. Les
avancées récentes explorent des techniques telles que les hyper-heuristiques, les algorithmes
génétique, et les stratégies de fusion. Une approche novatrice utilise l’algorithme génétique et
la simulation pour générer des données afin d’entraîner des modèles de ML, réduisant ainsi la
dépendance à la disponibilité des données en quantité importante. Cette évolution marque
un progrès dans la recherche sur l’ordonnancement dans des environnements dynamiques
(Ochoa and ¨ Ozcan, 2010, Bouazza et al., 2021, Braune et al., 2022, Liu et al., 2023, Zhao et
al., 2022).
L’approche se divise en trois phases : la génération de données via un algorithme génétique,le pré-traitement de ces données pour ne conserver que l’information pertinente, et enfin,
l’entraînement de modèles ML. Ceux-ci incluent les algorithmes de Random Forests, Bagging
Classifier, Gradient Boosting Classifier, Dense Neural Network dont une variante avec
Optimisation Bayesienne.
Phase de Génération de Données : Un algorithme génétique est utilisé ”hors ligne” comme un
oracle, pour générer des données d’entraînement. Il prend en entrée des scénarios d’arrivées
de produits et retourne les meilleures allocations possibles en connaissant à l’avance les
dates d’arrivée de chaque produit (qui ne sont pas connues dans le contexte d’un ordonnancement
dynamique). Pour chaque choix d’allocation de l’AG on extrait les informations
des ressources et cellules du flowshop, on obtient ainsi les données d’apprentissage que l’on
va tenter de prédire.
Phase de prétraitement des Données : Les données sont pré-traitées en sélectionnant des
co-variables pertinentes pour l’apprentissage. Les variables conservées incluent les temps
d’arrivée, les familles de produits, les charges actuelles des ressources, et d’autres paramètres
spécifiques à l’attribution.
Phase d’entraînement des Modèles ML : Différents modèles ML sont entraînés pour prédire
les décisions d’allocation. Les performances des modèles sont évaluées sur trois étapes du
flowshop, avec des résultats présentés en termes d’exactitude.
Instances de Scénarios :
L’AG a été exécuté sur 200 scénarios partageant toutes les statistiques suivantes :
Le nombre de produits entre 90 et 110 suivant une distribution uniforme.
Le temps d’arrivée des produits entre la période 1 et 600 suivant une distribution uniforme.
Distribution uniforme des familles de produits allant de 1 à 5.
Résultats et discussion
Chaque étape de la production ou cellule du flowshop est associée à un module dédié pour
les décisions d’allocation de ressources, pour un total de trois modèles différents pour nos
instances.
Les résultats présentent des variations significatives entre les différentes étapes du flowshop.
A l’étape 1, caractérisée par deux ressources, les modèles atteignent des degrés d’exactitude
satisfaisants, avec le Dense NN + Bayesian Optimization montrant une performance notablement
élevée. Cependant, avec l’augmentation de ressources à l’étape 2, les exactitudes
diminuent légèrement, mettant en évidence une difficulté accrue due à un environnement
plus complexe. L’étape 3, caractérisée par deux ressources, révèle des performances exceptionnelles
pour tous les modèles, avec des exactitudes dépassant 95