TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 4, April 2013, pp. 1781 ~   1 786   ISSN: 2302-4 046           1781      Re cei v ed  Jan uary 10, 201 3 ;  Revi sed Fe brua ry 6, 201 3; Acce pted  February 18,  2013   An Approach to Determining the Optimal Cell Number  of Manufacturing Cell Formation      Jian w e i Wan g   Coll eg e of Mechan ical En gi ne erin g, Dali an U n iversit y , Da lia n, Chin a   Corresp on din g  author, e-mai l w a ng j w 7 2 @1 63.com       A b st r a ct   An a ppro a ch t o  det ermin i ng  the o p ti ma l ce ll  nu mb er of  ma n u facturin g ce ll f o rmatio n  is  pre s ented .   F i rstly, the differenc e of w e ig hting ex po ne nt, cluste r center  and  metrics h o w  to have an  imp a ct up on th e   clusteri ng res u lts and  me mbe r ship functi on  are studi ed.  S e con d ly, a  met hod to d e ter m i ne the o p ti mal  m  valu e is  giv e n .  T w o-order p a rtial  der ivativ e of th obj e c tive functi on   for F C M is c a lculat ed, a n d  th e   variati ona l w e ightin g exp one nt m is  obta i ne d that can prev ent the par ameter from  b e in g the uni qu e va l u e   and  play a n  i m portant rol e  in  the pr oc ess of fu zz y  cl usterin g . Moreover, i n  order to av oid  a sing le va lid it y   i n de x ca n  no t a sse ss co rrectl y , p a r ti ti o n   co e ffi ci en t (PC ) , cl a ssi fi ca ti on  e n t ro p y  (C E), Fu ku ya ma  and  Suge no (F S)  a nd Xi and  Be ni (XB)  are c o nsid ered  as   multi-p e rformanc e in dex es to  e v alu a te the  clu s ter   valid ity, and th en an o p ti ma l nu mb er c is chosen b a se on  these vali dity me asur es. F i nally, test exa m pl s   are giv en to ill u s trate the valid i t y of the propo sed ap pro a ch.      Ke y w ords : cel l  formati on, cel l  number, fu zz y  c-mea n , eval u a tion      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Cellula r ma n u facturi ng i s  a useful  way  to  improve o v erall man u fa cturin g pe rformance.  Grou p techn o logy is u s ed  to incre a se the produ ctivity for manufa c turin g  hig h  quality pro d u c ts  and im provin g the flexibilit y of manufa c turing  syst e m s. Cell form a t ion is  an im portant  step  i n   grou p tech nol ogy. It is use d  in desi gnin g  good  cellul a r man u factu r ing  system s. The key ste p  in   desi gning  an y cellula r ma nufactu ring  system is th identificatio of part famili es a nd ma ch ine  grou ps fo r the creation  of cells that  use s  the si milaritie s  bet wee n  part s  i n  relation to  the   machi n e s  in  their ma nufa c ture  [1]. Clu s ter  analy s is  is a m e thod   for cl uste ring  a data  set i n to   grou ps of si m ilar individu al s, its prin ciple  ac cord s with  the requi rem ent of cell formation.  In c l us ter  analys is , the fuzzy c - means   ( F C M )   c l us ter i ng algor i thm is the bes k n ow n and  use d  meth od  for  cell fo rmation p r o b lem. Du ri n g  t he la st two  decade of rese arch, a  l a rge  numbe of ce ll formatio method s b a sed o n  F C h a ve be en  de veloped. Xu   and  Wa ng [2]  first  applie d the fu zzy  clu s teri ng  to cell  form ation.  Ch u a nd  Hayya [3] the n  improved it s u s ag e. Gin d et al. [4]  considered optim al  numbers of part families and mach i n e groups usi ng  som e  vali dity  indexe s . Ven ugop al [5] ga ve a state - of -the-art revie w  on th e u s e  of soft com puting in clu d ing   fuzzy  clu s teri ng. Moreove r , Gün gör  a nd Ari k an [6 ] applied fu zzy de cisi on  makin g  in  CF.  Ho wever, it is ne ce ssary to pre - a s sum e  the cell nu mber  c in tho s e F C M clu s t e ring al go rithms,  the cell number c i s  generally unknown. If cell numbe r c i s  assigned an inaccurate value, it will  cau s e i n valid  or  wo rse  clu s ter. T herefore, it is   worthy  how to d e termine the  opti m al cell nu m ber  c of manufa c t u ring  cell formation.  In this  pap er,  an  app roa c h  to dete r mini ng the  optim al cell n u mbe r  of m anufa c t u ring  cell   formation is  pre s ente d . Firstly, the influen ce  facto r s of FCM algorithm and cl u s ter validity are   analysed. Se con d ly, ba se d on  the  relat i onship fu zzy  obje c tive  fun c tion with wei ghting expon ent  m, a novel method of choo sing m i n  FCM i s  pr opo sed. Ta ki ng into a c co unt the effect of  clu s terin g   ce nter  subj ect t o  FCM, th obje c tive  fun c tion i s  mo dified by revisin g  the  con s tra i nt  term b a sed  o n  si mulated  a nneali ng to  a v oid the  acco rdant  cl uste cente r s h app ening.  The  n e measure style of fuzzy cl uster i s  ado pted to dec rease the defect of Euclid  distan ce in cell   formation. Ai ming at n one  of uniform p e rform a n c e i ndex for  eval uating the  cl uster validity, a  synthetic p e rf orma nce inde xes ar e ado p t ed to asse ss the clu s ter  v a lidity and se lect the optim al  cell n u mbe r Finally, set o f  test exampl es a r given,  the sim u lati on results d e m onst r ate th e   prop osed ap p r oa ch is b o th effective and  feasibl e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1781 – 1 786   1782 The re st of the pap er is  orga nized a s  follo ws: Sections 2 intro d u ce the d e tai l s of the   prop osed al g o rithm. The t e st exampl es are give n a nd sim u lation  results a nd  discu ssi on are  pre s ente d  in Section 3. Fin a lly, concl u si ons a r e given .       2. An Appr o ach to  Deter m ining the O p timal Cell Number of Ma nufa c turing  Cell Formati on  2.1. FCM Clu s tering  Algo rithm  The FCM i s  an iterative algorithm u s ing  the  nece s sary condition s for a minimu m of the  FCM obj ectiv e  function  J m ( μ ,v) [7].  It can be descri bed  as follows:         Nc m mi k k i k1 i 1 J( , v ) d z , v                                                                                                       (1)    whe r μ ={ μ 1 μ 2 ,…,  μ c }. v={v 1 , v 2 ,…,v c } is  t he set  of  c  clu s t e cent e r s.    μ ik  is the membe r ship  of  the kth  sam p l e  to the ith  cl uster center,  it s value i s  a ssi gne d in th e interval [0,1 ] and  c ik i1 1 m is the weig hting expone nt,    m1 , . d(z k ,v i ) is the Euclidea n distan ce be tween the  sa mple   z k  an d the  cl u s ter ce nter v i  1/ 2 s 2 ki k j i j j1 d( z , v ) z v  .   s 12 N Zz , z , , z R  is the  dat a set, N  is the sa mple  numbe r of data set.  The  ne ce ssa r y conditio ns for  a mi nim um ( μ ,v) of  J m ( μ ,v)  are  t he follo w in update  equatio ns:              2 (m 1 ) 1 c (l ) ik ik j1 jk d d         i,j=1,2,…,c, k=1,2,…, N.                                                                    (2)         ii k i k NN mm (l) ( l) ( l ) k k1 k1 vz       i=1,2,…,c                                                                                   (3)    2.1.1. The  w e ighting Exp onent  m  In fluence s  on F C M Algori t h m   The wei ghtin g expone nt m is calle d  the fuzzifier  which  can h a ve an influen ce on the  clu s terin g  pe rforma nce of  FCM. Th e b e st choi ce fo r m i s  p r oba bly in the int e rval [1.5, 2. 5],  who s e m ean  and midp oint  m=2, have o f ten been the   preferre d ch oice fo r man y  users of F C [8]. It is important to choo se corre c tly m according to the different p r oble m s.   There is the i m plicit rel a tio n shi p  betw e e n  J m ( μ ,v) and  m, then                 cn cn m2 2 m m1 ik ik ik ik ik ik ik i1 k 1 i1 k 1 J, v lg d l g d 0 m                    (4)    From the e q u a tion, it can b e  found that J m ( μ ,v)  will monotoni cally  decrea s e wit h  the increa si ng  m. However,  the de cre asi n g rate of  J m ( μ ,v) can b e  div ided into t w parts: a  sh arp dro p  an d sl ow  drop, th en th ere i s  a i n flection point b e twee the tw o  part s . The  o p timal weighti ng expo nent  is  the value co rresp ondi ng to the inflection  point. m*  can  be cal c ul ated  by the following equ ation:              * m J(, v ) mm 0 mm                                                                                                              (5)    2.1.2. The Fu zzy  Distanc e   d(z k ,v i )   Influ e nces o n  FCM Algorithm     Durin g  the cell formation,  the Euclid di stan ce is m o stly adopted  to determin e  d(z k ,v i ).  Ho wever, th e same o r  d i fferent elem ent numbe r are taken int o  accou n t firstly, the Euclid   distan ce  sho uld not reflect the cha r a c teristi c  of  cell  formation p r oblem. Th e d i stan ce fun c ti on  d(z k ,v i ) bet we en part  z k  an d clu s ter  cent er v i  can be d e scrib ed a s  follow s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       An Approach  to Determ ining the Optim a l Cell  Num b er of Manufacturing Cell... (Jianwei  Wang)  1783        ss i k k i kj i j kj i j j1 j1 dz , v 0 . 5 z v 0 . 5 z v                                                                           (6)  whe r e s kj i j j1 zv  is th numbe of u s ed different  machi ne  bet wee n  p a rt  z k  and clu s ter  center  v i  .  s kj i j j1 zv  is the numbe r of use d  sam e  machi ne be tween p a rt z k   and cl uste r center v i  .    2.1.3. The Cluster  Cen t er   v i   Influence s  on FCM Al gorithm     In FCM al go rithm, the  clu s ter  ce nter v i  sho uld b e   keep the  differentiation d egrees  and  avoid the   con s iste ncy. T h e  philo so phy o f  simul a ted  a nneali ng i s   re feren c ed  a nd  the value  of  γ  is  revise d con s tantly, then the influen ce d egre e  of  clu s ter ce nter  ca n be imp r ove d . In the initial  stage, the val ue of  γ  is l a rge to en su re  the se pa ratio n  between  cl usters. In the  final stag e, the   value of  γ  de cre ases to 0 t o  ensure the  comp actn ess betwee n  clu s ters.     2.1.4. Sub Bab 2              Nc c m mi k k i i t k1 i 1 t 1 J ( ,v ) d z , v d ( v ,v ) c                                                                             (7)   whe r " i,k,    ik 0, 1  ,  c ik i1 1  , i=1,2,…,c, k=1,2,…,N. T he wei ghting  exponent m * , fuzzy   distan ce d ( z k ,v i ), cluste r ce nter v i  and m e mbe r ship fu nction  μ ik  are sho w n a s  foll ows:               ** * m JU , V ma r g m i n m                                                                                                                (8)             ss k i kj i j kj i j j1 j1 dz , v 0 . 5 z v 0 . 5 z v                                                                                  (9)           NN mm ii k k i k k1 k1 vz     i=1,2,…,c                                                                                   (10)             2 (m 1 ) 1 c ik ik j1 jk d d                                                                                                                                 (11)    2.2. Cluste r Validit y  for Fuzz y  Clustering  Wheth e r d o e s  the F C M al gorithm  accu rately  re pre s ent the struct ure of the  da ta set?   There are fou r  most cite d v alidity indexes sh own as fo llows:  (1)  Partition co efficient (P C) [9] :                ma x m a x cN 2 ik 2c c 2 c c i1 k 1 1 ma x P C ( c ) ma x ( ) N                                                                                             (12)    whe r  1c P C ( c ) 1 (2)   Cla ssifi cation  entropy  ( C E )  [7]:             ma x m a x cN ik 2 i k 2c c 2 c c i1 k 1 1 mi n C E ( c ) mi n l o g ( ) N                                                                              (13)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1781 – 1 786   1784 whe r  2 0C E ( c ) l o g c (3)  Fukuya ma an d Sugeno  (F S) [10]:                ma x m a x cN cN 22 mm ik k i ik i 2c c 2 c c i1 k 1 i1 k 1 mi n F S ( c ) m i n z v v v                                              (14)    whe r e   c i i1 1 vv c (4)  Xie and Beni  (XB) [11]:                  ma x m a x cN 2 m ik k i i , j i j 2c c 2 c c i1 k 1 mi n X B ( c ) mi n z v N m i n v v                                          (15)    Note that sin c e no  single  validity index  is the be st, a better way of usin g validity  indexe s   to solve th clu s ter vali dity probl em i s  to co n s ide all inform atio n propo se by all sele cted  indexe s , an then ma ke  an  optimal  de ci sion.  The  fou r  validity ind e x es a r e  loo ke d a s  a  synth e t ic   perfo rman ce i ndexe s  to asse ss the  clu s ter validity and cho o se the optimal c.       3. Case Stud To demon strate the performance of the propo se d method, four in stan ce s of Referen c e   [8] is adopte d  and u s ed t he sa me dat a set. The in itial machin e-part matrix o f  four instan c es  own s  diffe r e n t data  scal es  5×7, 10 ×15, 24 ×40  a nd 40 ×1 00  respe c tively. The  pro p o s ed   approa ch a n d  four p e rfo r mance ind exes a r e em plo yed for sim u l a ting test. Th e paramete r s for   test  cas e s   w e re  s e t a s  fo llow s:  ε = 0 .001 , c min =2. Th e pe rforman c e ind e xes for test  ca se  a r e   sho w n i n  Tab les 1 - 4. Th optimal cell n u mbe r  c i s   si gned  with g r a y  for every te st ca se  sh ow n in  Table s  1 - 4.  The validity indexe s  with  different cl ust e r nu mbe rs  c for te st ca se a r sho w n in  Figures 1 - 4. Table 5 sho w s the soluti ons of optim al cell num b e r c obtai ned  by the prop ose d   method in thi s  pap er an d Referen c e [8].    Figure 1. Validity Indexes with Differe nt Clu s ter  Num b er s c ( 5 ×7)    Figure 2. Validity Indexes with Differe n Clu s ter N u m b ers  c (1 15)       Table 1. Synthetic Perfo r m ance Indexe s  for Test Ca se (5×7)   S y nthetic perfo r m ance indexes   PC(c )  CE(c )   FS(c )   XB(c )   0.9188   0.2323   -5.0955   0.1635   3 0.8954   0.3060   -3.2208   0.2454   4 0.9155   0.2588   -0.4343   0.4016     2 3 4 5 6 7 8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2     PC CE XB Performance ind e xes    PC  XB  CE  1 2 3 4 -5 -4 -3 -2 -1 0 1     PC CE FS XB   Performance ind e xes  PC  XB CE FS Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       An Approach  to Determ ining the Optim a l Cell  Num b er of Manufacturing Cell... (Jianwei  Wang)  1785 Figure 3. Validity Indexes with Differe nt  Clu s ter N u m b ers  c (2 40)   Figure 4. Validity Indexes with Differe nt  Clu s ter N u m b ers  c (4 10 0)     Table 2. Synthetic Perfo r m ance Indexe s  for Test Ca se (10 × 15 )   S y nthetic perfo r m ance indexes   PC(c )  CE(c )   FS(c )   XB(c )   2 0.9809   0.1752   2.7661   0.6984   0.9997   0.0130  -25.9917   0.1023   4 0.9996   0.0759   -28.0633   0.2249   5 0.9954   0.0758   -29.6039   0.1042   6 0.9954   0.0563   -31.6841  0.0498   7 NaN   NaN   NaN   NaN   8 NaN   NaN   NaN   NaN     Table 3. Synthetic Perfo r m ance Indexe s  for Test Ca se (24 × 40 )   S y nthetic perfo r m ance indexes   PC(c )  CE(c )   FS(c )   XB(c )   2 0.5000   1.0000   51.2776   1.82e+2   3 0.3333   1.5850   32.8266   3.73e+3   4 0.5676   1.2215   -12.9215   0.8657   5 0.3057   2.0124   5.5703   3.03e+2   6 0.2756   2.2390   1.3559   1.16e+2   7 0.6895   1.0437   -62.0475   0.2796   8 0.1251   2.9995   11.1527   3.17e+2   9 0.7480   0.9104   -74.8708   0.1732   10 0.7814   0.8124   -80.7597   0.1316   11 0.5134   1.8330   -42.3003   4.15e+1   12 0.3171   2.6495   -23.1775   2.53e+2   13  0.8875   0.4481   -92.8612   0.0560   14 0.5010   2.0237   -44.5946   1.10e+2   15 0.5362   1.9192   -48.4852   1.23e+2     Table 4. Synthetic Perfo r m ance Indexe s  for Test Ca se (40 × 10 0)   S y nthetic perfo r m ance indexes   PC(c )  CE(c )   FS(c )   XB(c )   0.9879   0.0504  1.48e+02  1.9185   3 0.9799   0.0843   6.87  e+01   1.7285   4 0.9222   0.2403   3.14  e+01   2.2233   0.9085   0.3001  -3.7551  2.1446   6 0.9692   0.1237   -9.81  e+01   1.2114   7 0.9716   0.1097   -1.40  e+02   1.2571   8 0.9683   0.1231   -1.49  e+02   1.8824   9 0.9966   0.0182   -2.28  e+02   0.6216   10  0.9994   0.0041  -2.61  e+02   0.4600   11 0.9932   0.0336   -2.27  e+02   0.8729   12 0.9993   0.0044   -2.80  e+02   0.7497   13 0.9938   0.0228   -2.78  e+02   0.8178   14 0.9993   0.0045   -2.87  e+02   1.2127   15 0.9950   0.0196   -2.92 e+02   0.6904   2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -3 -2 -1 0 1 2 3     PC CE FS XB Performance ind e xes  FS   CE  XB PC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 55     PC CE FS XB Performance ind e xes    FS   XB  CE  PC Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1781 – 1 786   1786 Table 5. Simulated Data a nd Clu s ter  Nu mber   Example   5×7 10×15 24×40  40×100   Reference [8]   10  Proposed metho d   13  10      As can b e  se en in Table s   1-5 an d Figu res 1-4,  the optimal cell nu mber o b taine d by the   prop osed  ap proa ch  is i n  a c cord  with th at given in  R e feren c e  [8]. More over, th ere  are  still t h ree   or four extre m ums of pe rforma nce ind exes corr e s p ondin g with the optimal ce ll numbe r, thus it  can be p r ove d  that the presente d  metho d  is effe ctive and feasi b le. Ho wever, the  fact is existing  that som e  si mulation  re su lts of the p r o posed al gorit hm are a c cord with the  oth e rs, it  reflect s  the  fact that the  com plexity of clu s ter problem a n d  the differen tia of pe rformance in dex es.  Therefore, it can be  con c l uded that the approa ch  for dete r minin g the optimal  cell numbe r of  manufa c turi n g  cell form ation is availa ble and ro bu st.      4. Conclusio n   Takin g  into  accou n t the cha r a c teri stics  of cell formation probl em and an al ysing the  differen c e of  weig hting ex pone nt, clust e r center  and  metrics ho w  to have an i m pact u pon t h e   clu s terin g   re sults a nd m e m bership  fun c tion, an  ap pro a ch  to d e termining th e o p t imal cell  nu m ber  of manufact u ring  cell fo rmation i s  p r opo se d.  FC M algorithm  is adopte d  to calcul ate  th e   membe r ship  and cl uste r center of pa rt s in the de si gnated  rang e  of cell num ber. In order to   asse ss  corre c tly the clust e ring p e rfo r m ance, f our sy nthetic pe rformanc e index es are emplo yed  to sel e ct  the  optimal  cell  n u mbe r . Fin all y, a set  of te st example are given,  the  simulation  re sults  demon strate the pro p o s ed  approa ch is b o th effective and fea s ible.       Ackn o w l e dg ment  The p r oje ct  is p a rtly  sup porte d b y  National   Nature a n d  Scien c F ound ation   (No.5 127 506 1,5097 503 3),  Science & Tech nolo gy  Re sea r ch Fo undatio n of the Educatio nal   Dep a rtme nt of Liaonin g Province  (No.LS20 1 0006,LT 201 0 006), Scie n c e & Tech nology  Re sea r ch Fo undatio n of Liaonin g  Provin cial (No.20 08 2190 13) a nd  Do ctoral Start ing Foun datio n   of Dalian  Uni v ersity.      Referen ces   [1]    Hun g  W L , Yang MS, Lee ES. Cell formati on  usin g fuzz y  re l a tion al cluster i ng al gorithm.  Mathe m atic al  and C o mput er Mode lli ng . 20 1 1 ; 53: 177 6-17 87.   [2]    X u  H, Wang HP. Part fa mil y   f o rmatio n  for  GT  applicati ons   base d   on f u zz y mathem atics.  I n ternati o n a Journ a l of Prod uction R e se arch . 198; 92 7(9): 163 7-16 51.   [3]    Chu  CH,  Ha yya  JC. A  fuzz y c l usteri ng  a ppro a ch t o  m anufactur i n g  c e ll f o rmatio n Internatio na Journ a l of Prod uction R e se arch . 1991; 2 9 : 14 75-1 487.   [4]    Gind y NG, R a tchev T M , C a se K. Comp one nt grou pi n g  for GT  appl icatio ns–a fuz z y  cl usterin g   appr oach  w i th  valid it y  m eas ure.  Internati o nal Jo urn a l of  Producti on R e search . 1 995;  33(9): 2 493- 250 9.  [5]    Venu go pa V.   Soft-computin g - base d  a ppr oa ches to  the  gr oup  tech nol og pro b lem: a  st ate-of-the-art   revie w Intern a t iona l Journ a l o f  Production R e searc h . 199 9; 37: 333 5-33 57 [6]    Güngör Z ,  Ari k an F .  Appl ica t ion of fuzz d e cisio n  mak i ng  in p a rt-machi ne gr ou pin g International  Journ a l of Prod uction Eco n o m ics . 2000; 6 3 : 181-1 93.   [7]   Bezdek  JC.  Pa ttern Recog n iti on w i th Fu zz y   Objective Al gor ithms . Ne w  Y o r k : Plenum Pres s. 1981.   [8]    Pal NR, Bez d ek JC. On clu s ter valid it y  for  the fuzz y  c-m eans mo de l.  IEEE Transaction on Fu z z y   System s . 19 95 ; 3(3): 370-37 9 .   [9]    Bezdek JC. Cluster va lidit y   w i th fuzzy  sets.  Journ a l of Cyb e r netics .19 74; 3 :  8-74.    [10]    F u ku yama  Y, Suge no M.  A   new  metho d  of  cho o sin g  the   nu mb er of c l us ters for the fu zz y  c- mean s   meth od.  Proce edi ngs of F i fth F u zz y  S y stems ,  Sy m posi u m. 198 9: 247- 250.    [11]    Xi XL, Ben i  G .  A vali dit y  me asure f o r fuzz y clusteri ng.  IE EE T r ansacti o n s o n  Pattern   Analys is a nd  Machi ne Intell i genc e . 199 1; 13(8): 841- 84 7.  [12]    Cha ndras ekh a r an  MP, Raj a gop ala n  R.  Z O DIAC-A n a l g o rithm for  con c urrent form ati on  of p a rt  families  and m a chi ne cel l s.  Internatio nal J o u r nal of Prod ucti on Res earch . 1 987; 25( 6): 835 -850.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.