Decisioni sfumate

AUTOMAZIONE oggi, September 2003

Decisioni sfumate

L’ impiego del software decisionale in logica fuzzy Qualicision ha comportato una significativa riduzione dei tempi di produzione delle nuove autovetture BMW

Herbert J. Joka, Massimo Giussani

Due dei maggiori problemi che devono essere affrontati da un algoritmo decisionale sono l’incompletezza delle informazioni a disposizione, tanto nei date da elaborare quanto nel modello da applicare, e l’inerente complessità dei sistemi trattati. Un sistema reale non banale può rivelarsi sufficientemente complesso da risultare intrattabile dalle tradizionali metodologie di calcolo in logica booleana. Un approccio differente, dalle applicazioni relativamente recenti, consiste nell’impiegare sistemi in grado di simulare una forma di `ragionamento umano´,basato più sul buon senso che su modelli matematici esatti. La logica fuzzy, o logica sfumata, permette di realizzare un vero e proprio calcolo linguistico che si adatta a tale fine e che può essere impiegato nella realizzazione di sistemi di produzione intelligenti. In particolare, un sistema decisionale per la programmazione dei compiti in una linea di produzione può utilizzare una base di regole fuzzy che, ciascuna con un proprio peso, contribuiscono a scegliere la sequenza di lavorazione che meglio soddisfa una serie di obiettivi prefissati. I processi di lavorazione dell’industria automobilistica, ad esempio, possono essere significativamente migliorati ricorrendo a una strategia di sequenziamento basata su questo tipo di approccio. L’azienda tedesca FLS Fuzzy Logik Systeme GmbH, di Dortmund, ha messo a punto un pacchetto software con un motore decisionale in logica fuzzy che è stato utilizzato con successo dal gruppo BMW. Il colosso tedesco è stato il primo produttore a livello mondiale a integrare il software Qualicision nei propri impianti per ottimizzare la pianificazione della produzione. I risultati ottenuti hanno dimostrato che le prestazione di linee di produzione preesistenti possono essere significativamente incrementate senza compromettere la produzione durante l’implementazione, risultando in un ROI altamente competitivo.

Un compito complesso

Invece di basarsi sullo sviluppo di complessi algoritmi numerici o su elaborate sessioni di calcolo, il processo decisionale messo a punto da Qualicision riduce in maniera sistematica la quantità di dati da elaborare ricorrendo alle cosiddette ‘inferenze fuzzy’. Sebbene possa sembrare una contraddizione in termini, il ricorso alla logica fuzzy, o sfumata, produce risultati precisi alla stregua di un metodo di elaborazione deterministico anche dove un approccio tradizionale sarebbe se non addirittura impraticabile, troppo oneroso in termini di complessità.
  In una linea di produzione estremamente sofisticata quale è quella di BMW, che consente la personalizzazione praticamente univoca do ogni vettura, il software diventa anche un importante strumento di ottimizzazione del processo produttivo che si estende dalla produzione del telaio alla verniciatura fino all’assemblaggio finale. In ultima analisi, in BMW, tutto quanto dalla versione base della berlina serie 7 fino all’ammiraglia superaccessoriata dotata di ogni optional, viene prodotto dalla medesima catena di montaggio nell’intento di ottimizzare il processo produttivo. La personalizzazione di ogni vettura non è un compito semplice: solo per le berline serie 7 il numero di opzione modificabili è tale che dalla loro combinazione si potrebbero creare fino a cento milioni di miliardi di auto differenti (equivalenti a 10¹⁷ varianti). Tutti questi gradi di libertà, ovviamente, rendono arduo implementare degli specifici algoritmi numerici per il coordinamento delle operazioni.
  Qualicision risolve il problema utilizzando un processo decisionale ‘basato sul buon senso’ in seno a un contesto di ottimizzazione di scenari altamente complessi che possono essere trattati solo tramite può ‘istruire’ definendo dei criteri decisionali basati sulla propria esperienza personale, ad esempio imponendo che un operaio che ha appena assemblato un modello con tutti gli accessori ne abbia uno più semplice come successivo. Qualicision può tenere conto di tutte queste considerazioni senza dover considerare e fare calcoli che coinvolgano tutte e 10¹⁷ possibili combinazioni. Per affinare le funzionalità del software di pianificazione, l’utente deve semplicemente assegnare dei pesi specificando un parametro compreso tra ‘100’, corrispondente a un evento a priorità massima necessario al proseguimento delle operazioni, e ‘0’, da attribuire ad eventi rispetto ai quali si è indifferenti.

Decisioni in logica fuzzy

Qualicision rappresenta l’evoluzione della tesi di dottorato di Rudolf Felix, che nel 1992 ha fondato Fuzzy Logik Systeme proprio per sfruttare commercialmente il software da lui ideato. Il cuore del sistema è rappresentato da un processo decisionale altamente selettivo simile a quello adottato dagli operatori umani. Lo scopo di un’applicazione decisionale è la valutazione di una serie di alternative in base a un’insieme di criteri e all’impatto, positivo e negativo, che ciascuna scelta può avere nei confronti degli obiettivi da raggiungere. I parametri da prendere in considerazione possono includere condizione come la richiesta che un’autovettura su cinque sia dotata di climatizzatore, una su sette abbia un sistema di navigazione, una su tre sia dotata di tettuccio apribile, una su due abbia la trasmissione automatica e così via. Dato l’elevato numero di possibili varianti, da un certo punto in poi, non sarà possibile soddisfare tutte le esigenze e diventa così necessario risolvere i conflitti prendendo una decisione sulla base delle priorità prestabilite. La logica fuzzy si presta alla descrizione dei criteri di selezione in termini di variabili linguistiche e alla risoluzione dei conflitti che si possono presentare. I criteri, le loro priorità, le alternative possibili e il relativo impatto sugli obiettivi da perseguire rappresentano la base di conoscenze su cui il motore decisionale Qualicision opera per generare la sequenza ottimale di ordini che deve essere seguita in un dato turno lavorativo. Le informazioni immesse attraverso la selezione di opportuni file di configurazione e modificate manualmente dal responsabile di linea a seconda delle necessità, vengono elaborate secondo quella che più che un calcolo è una valutazione. Assegnando delle priorità, pesando e combinando i parametri iniziali il software genera in breve tempo uno ’scenario’ ottimizzato per l’elemento di produzione da pianificare. In genere è necessario tenere conto simultaneamente di un centinaio di criteri decisionali diversi per ottenere il risultato cercato: questi criteri possono dipendere dalle particolari caratteristiche delle vetture richieste in un determinato periodo e possono essere ad esempio la distanza minima tra due auto con climatizzatore, la distanza massima tra auto con il sistema di navigazione, o l’accorpamento di più vetture con lo stesso colore.

Qualicision Goal Impact Funtion Distance	Qualicision Goal Impact Funtion Group
Le diverse alternative prese in considerazione da Qualicision vengono valutate in base al loro impatto su un determinato obiettivo. Opportune funzioni obiettivo permettono di tradurre criteri espressi in termi 'sfumati' in una forma trattabile dal motore decisionale in logica fuzzy

Controllo della produzione

Il sistema è stato implementato da BMW a livello di produzione dei telai, di verniciatura e di linea di assemblaggio. Il responsabile di linea può sviluppare un piano di produzione aggiornato per una giornata intera, un turno o persino una settima lavorativa.Se si rendono necessarie delle variazione improvvise, ad esempio a causa di ritardi nella consegna di alcune parti, il piano di produzione può essere aggiornato al volo; in questo caso il software Qualicision controlla se ci sono altri ordini o processi simili a quelli che creano problemi per una rapida sostituzione. Tutto questo avviene per mezzo di un’intuitiva interfaccia grafica che del processo decisionale sottostante. Oltre ad occuparsi delle decisioni nella programmazione della lavorazione, Qualicision agisce anche da controllo sulla produzione, grazie al continuo scambio di dati con il sistema di controllo. E’ cosi possibile confrontare i dati effettivi di produzione in un dato momento con i valori che dovrebbero consentire il conseguimento di un certo obiettivo e modificare i piani in modo da rimediare ai ritardi prima ancora che si presentino. Ad esempio, se in un determinato turno è previsto un certo numero di varianti sulla scocca e nelle varie fasi di lavorazione non ce ne sono a sufficienza per far fronte a tale ordine, il sistema può alterare la produzione in modo che vengano introdotte nel processo al posto di altre combinazioni che possono permettersi di attendere. Il pacchetto Qualicision è in grado di funzionare con praticamente ogni sistema informatico: le informazioni prodotto sono facilmente accessibili a prescindere dall’ambiente di rete e possono essere trasferite da una piattaforma all’altra in pochi minuti. L’ esportazione per mezzo di un’interfaccia aperta, con dati scambiati in formato Ascii, permette all’utente di trasferire i propri dati da e verso altre applicazioni o piattaforme al fine di effettuare simulazioni di produzione o altri tipi di analisi. Il pacchetto Qualicision può essere integrato in qualunque sistema informatico per la gestione d’impressa o sistemi di gestione di magazzino. Implementato in C e C++, questo software può essere utilizzato praticamente su ogni sistema informatico sul quale sia possibile compilare programmi scritti in tali linguaggi.

Schema a blocchi del motore decisionale implementato in Qualicision

Ottimizzazione della catena di fornitura

I vantaggi che i produttori automobilistici possono trarre dall’impiego della logica fuzzy nella pianificazione della produzione e nella determinazione dell’ordine in cui le auto vengono realizzate sono molteplici. Ad esempio, il sequenziamento di una settimana di produzione può essere calcolato in pochi minuti invece che in mezz’ora o più. Il sequenziamento di un turno giornaliero, nella maggior parte dei casi una sorta di affinamento, viene portato a termine in un minuto o anche meno. Quello che ne consegue è la capacità da parte degli operatori di ottimizzare i processi nel minor tempo possibile, potendosi inoltre permettere un maggior numero di gradi di libertà. Il produttore automobilistico ci guadagna rendendo più efficiente la pre-pianificazione e la struttura logistica. Se si è in grado di pianificare la produzione per una commessa con una settimana di anticipo, i partner del produttore automobilistico possono usufruire di una maggior flessibilità nell’ottimizzare la propria catena do fornitura e la relativa logistica. Quando la richiesta di componenti specifici viene notificata sei giorni prima dell’effettiva produzione, i fornitori possono ridurre le dimensioni del proprio inventario e coordinare al meglio una fornitura di tipo just-in-time o just-in-sequence. Tutti i membri della catena di fornitura possono cosi produrre i componenti necessari all’evasione della commessa solo poco tempo prima dell’effettiva data di consegna e senza dover disporre di un numero troppo alto di pezzi di scorta. Durante le operazioni, Qualicision richiede al responsabile di un turno o della produzione giornaliera di designare un gruppo di auto da costruire; il software provvederà a ottimizzare l’ordine di costruzione all’interno di tale gruppo. L’operatore può velocizzare la configurazione del processo decisionale prelevando i valori di massima per un dato gruppo di auto dalla base di dati dell’apposita libreria di gruppi predefiniti. Se ci sono dei periodi durante l’anno che richiedono la costruzione di particolari gruppi di autovettura, questi possono essere semplicemente selezionati e attivati. Ad esempio, in primavera la frazione di decappottabili da produrre è significativamente più alta rispetto alle stagioni autunnale e invernale. La costruzione di ottanta decappottabili invece che venti durante un singolo turno comporta delle differenze considerevoli nell’ordine di produzione.

Maggior flessibilità nella pianificazione

Gli operatori possono definire e implementare ogni sorta di criterio produttivo; inoltre la libreria delle priorità nel software Qualicision mette a disposizione una proposta di configurazione pre-ottimizzata che può essere rapidamente messa in atto basandosi sugli ordini pertinenti allo specifico turno lavorativo. Il programma permette inoltre di aggiornare le configurazioni per i gruppi predefiniti presenti in libreria, un aspetto particolarmente importante quando nella linea di produzione viene introdotto un nuovo modello. Il processo produttivo viene inizialmente programmato con un margine di tempo aggiuntivo, in modo da poter implementare eventuali modiche o controlli di qualità senza interferire con gli obiettivi di produzione di una giornata o di un turno lavorativo. Con il passare del tempo le configurazioni che offrono i maggiori vantaggi possono essere incorporate nella libreria stessa, rendendo ancora più rapida la pianificazione della produzione. Dal punto di vista della clientela l’impiego di Qualicision non solo riduce i tempi di consegna da parte di BMW, limitando i ritardi in caso di incidenti di percorso quali la mancanza di parti o l’arrivo di componenti danneggiati, ma permette al cliente di apportare modifiche al modello scelto anche fino a una settimana prima dell’inizio dell’assemblaggio finale.