Conception conjointe des politiques de contrôle de production, de qualité et de maintenance des systèmes manufacturiers en dégradation

La gestion de la production, le contrôle de la qualité et la planification de la maintenance sont les trois principales fonctions de la gestion des opérations dans les usines manufacturières. Dans la pratique, ces trois fonctions sont souvent gérées séparément, bien qu'elles soient, en réalité, étroitement inter-reliées. Plusieurs recherches ont été menées depuis des décennies afin de concevoir et d'optimiser conjointement les politiques de contrôle de la production, de la qualité et de la maintenance. Cette tendance est motivée par le fait que les politiques d'intégration des trois fonctions permettent d'améliorer la productivité et de réduire considérablement les coûts. Cependant, dans la quasi-totalité des modèles d'intégration dans la littérature, seulement deux fonctions sont intégrées à la fois. De plus, pour des raisons de simplification, ces modèles sont basés sur certaines hypothèses simplificatrices et irréalistes pour modéliser la dégradation de la qualité des produits et de la fiabilité des machines. Par exemple, ces modèles négligent souvent l'impact des opérations de production sur l'intensité de dégradation, mais aussi la corrélation entre les dégradations de la qualité et de la fiabilité. Par ailleurs, les politiques de contrôle de la qualité utilisées dans ces modèles sont soit les cartes de contrôle, soit le contrôle à 100%. Toutefois, l'intégration des plans d'échantillonnage, qui représentent une branche importante de Contrôle Statistique de la Qualité, avec les politiques de production et de maintenance n'a pas été étudiée encore dans la littérature. Ces plans sont largement utilisés dans l'industrie depuis longtemps afin d'éviter le coût excessif du contrôle à 100% et d'assurer en même un contrôle statistique de la qualité des produits livrés. Cette thèse s'intéresse au problème de conception conjointe des politiques de contrôle de la production, de la qualité et de la maintenance. L'objectif principal de la recherche est d'intégrer les plans d'échantillonnage avec les politiques de production et de maintenance des systèmes où la qualité et la fiabilité sont les deux sujettes à la dégradation. Nous proposons une approche pratique de modélisation et d'optimisation de ces politiques qui permet de prendre en considération la dynamique complexe de la dégradation telle que dans la réalité des systèmes manufacturiers. En outre, nous étudions les propriétés statistiques des plans d'échantillonnage afin de montrer comment des informations pertinentes fournies par ces plans peuvent être intégrées dans la planification des activités de maintenance préventive afin d'améliorer les performances globales des systèmes manufacturiers. Les contributions scientifiques réalisées dans le cadre de cette thèse sont présentées sous forme de quatre articles de revue. Le premier article introduit un modèle d'intégration du plan d'échantillonnage simple avec la commande de la production pour un système de fabrication par lots. Ce modèle vise essentiellement à étudier les interactions entre les paramètres du plan d'échantillonnage et les paramètres de gestion de la production tels que la taille du lot de production et le stock de sécurité. Ensuite, une extension de ce modèle est proposée dans le deuxième article afin de considérer l'aspect dynamique de la dégradation de la qualité et de la fiabilité en fonction des opérations de production et d'intégrer une politique de maintenance préventive. L'objectif est d'optimiser conjointement les paramètres de contrôle de la production, de la qualité et de la maintenance de façon à minimiser le coût total des opérations, tout en respectant une contrainte sur la qualité après-contrôle. De plus, cet article vise à montrer l'utilité des informations issues du plan d'échantillonnage simple pour la surveillance de la qualité de la production et pour l'organisation des actions de maintenance préventive. Une analyse comparative de l'utilisation de plan d'échantillonnage par rapport au contrôle à 100% est aussi fournie afin de quantifier les gains économiques qui en découleraient. Le troisième article propose une approche d'intégration du plan d'échantillonnage continu de type-1 (CSP-1) avec les politiques de production et de maintenance préventive pour les systèmes de production continue. L'objectif est d'étendre l'applicabilité du plan CSP-1 aux processus de production en dégradation, puisqu'il est actuellement applicable seulement aux processus stables. Un autre objectif de cet article est de quantifier les bénéfices de l'utilisation de CSP-1 par rapport au contrôle à 100%, et de montrer aussi comment le couplage de CSP-1 avec la maintenance préventive permet d'améliorer les performances des systèmes en dégradation. Finalement, le quatrième article introduit un modèle de contrôle conjoint de la production, de la qualité et de la maintenance d'une ligne de production dont les machines sont sujettes à la dégradation. En plus, les machines peuvent tomber en panne à cause des pièces non-conformes fabriquées dans les processus en amont. L'objectif est de montrer l'importance de la corrélation entre les dégradations de la qualité et de la fiabilité dans la modélisation de la dynamique des systèmes manufacturiers, et d'étudier l'effet de cette corrélation sur les paramètres optimaux du contrôle de la production, de la qualité et de la maintenance. Le second objectif de cet article est de montrer que les activités de maintenance et de contrôle de la qualité à un certain niveau de la ligne de production contribuent aussi à l'amélioration de la fiabilité des machines en aval.

Abstract

Production, quality and maintenance control are the three main functions of operations management in manufacturing plants. Traditionally, they have been treated by scientists and practitioners as separate problems even though they are strongly interrelated. In the past three decades, the integration of production, maintenance and quality control has attracted much attention in the literature. This trend is motivated by the fact that integrated control policies generally result in better manufacturing performance and significant cost savings. Nevertheless, most of the existing integrated models in the literature integrate only two functions at a time. Moreover, for simplicity, almost all of the integrated models are based on several simplifying assumptions that may make them unrealistic. For example, the complex dynamics of quality and reliability degradations such as the impact of operations speed on degradation intensity and the correlation between quality and reliability degradations have been always overlooked in the literature of integrated models. On the other hand, the quality control policies used in the existing integrated models are either 100% inspection of all parts produced or statistical process control tools such as the control charts. However, acceptance sampling which constitutes an important branch of the Statistical Quality Control has never been integrated with production and maintenance policies. Acceptance sampling plans and procedures have been widely used in industry for a long time to reduce the cost and time of quality inspection and to statistically control the outgoing quality. This research considers the problem of the joint design of production, quality and maintenance control policies of stochastic manufacturing systems. Specifically, the main objective of this thesis is to integrate sampling inspection techniques with production and maintenance control policies for systems subject to both quality and reliability degradations. We provide a practical modeling framework to adequately pattern the complex dynamics of degradation processes as in the real-life in order to develop new effective integrated control policies. Moreover, we investigate the intrinsic statistical properties of acceptance sampling plans in order to demonstrate how they can be coupled with condition-based maintenance to improve the overall performance of degrading manufacturing systems. This thesis is comprised of four journal articles. The first article investigates the joint production and quality control of a batch-processing production system which is unreliable and imperfect. A single acceptance sampling plan by attributes is used for quality control. The objective of this article is to introduce an integrated model for the joint optimization of the production lot size, the safety stock and the sampling plan parameters which minimize the total cost incurred. This aims to provide a better understanding of the interactions between the optimal production-inventory settings and the optimal sampling plan parameters. As an extension of this model, the second article considers that quality and reliability degradations are operation-dependent. Moreover, a preventive maintenance strategy is incorporated into the integrated control policy. Thus, the objective is to jointly optimize the production, quality and maintenance control parameters. This article investigates the statistical characteristics of the single sampling plan to show the relevance of quality information resulting from such a quality control to the maintenance decision-making. Also, a comparative study is conducted to quantify the economic savings that can be realized by using the sampling plans for degrading systems rather than 100% inspection. The third article addresses the joint economic design of production control, type-1 continuous sampling plan (CSP-1) and preventive maintenance of continuous-flow manufacturing systems. The objective is to show how integrated control policies can extend the application of continuous sampling plans to degrading production systems, as they are presently limited only to stable processes. In this article, three quality control policies are considered and compared: 100% inspection, the classical CSP-1 as in the standard procedures and a CSP-1 plan with a stopping rule that is coupled with condition-based maintenance. This aims to quantify the economic savings that can be achieved by using the CSP-1 compared to 100% inspection and to demonstrate how CSP-1 with an inspection stopping rule for degrading processes is more cost-effective than the classical CSP-1. Finally, the fourth article investigates the joint design of production, quality and maintenance control policies for manufacturing lines. We consider a small production line composed of two machines subject to quality and reliability degradations. The second machine is also subject to failures caused by defective products manufactured in upstream processes. The main objective of this article is to study the interactions between the optimal production, quality and maintenance control settings and the effect of failures correlation on those settings. Also, we show how maintenance and quality control activities in preceding stages can play an important role in the reliability improvement of the subsequent machines.