metodyka konstruowania symulacji komputerowej w zarządzaniu

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17
Archives of Foundry
Year 2005, Volume 5, Book 17
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
46/17
METODYKA KONSTRUOWANIA SYMULACJI
KOMPUTEROWEJ W ZARZĄDZANIU SYSTEMEM
PRODUKCYJNYM
M. WRONA 1
Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. Mickiewicza 30, Kraków
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono technikę konstruowania symulacji dla celów
optymalizacji zarządzania systemem produkcyjnym. Procedurę podzielono na kroki
obejmujące budowę modelu, a następnie współpracę ze zleceniodawcą. Szczególną
uwagę zwrócono na wizualną eksplorację modelu oraz tzw. rozruch modelu w czasie,
który jest niezbędny do doprowadzenia modelu do stanu odzwierciedlającego
rzeczywiste warunki procesu produkcyjnego.
Key words: computer simulation, production system
1. WPROWADZENIE
W historii działalności każdego rozwijającego się przedsiębiorstwa przychodzi
taki moment, w którym dyrekcja zakładu musi podjąć ważne decyzje dotyczące
zarządzania oraz nowoczesnych narzędzi, jakie będą wykorzystywane podczas
organizowania pracy w zakładzie. O ile faktu niezbędności zastosowania w dzisiejszych
czasach komputerów w takich działach przedsiębiorstwa jak księgowość nie da się
podważyć, o tyle kwestią sporną może okazać się wprowadzanie bardziej
zaawansowanych technik komputerowych na przykład do konstruowania
i projektowania procesów wytwórczych. Każda implementacja takich technik wiąże się
z kosztami, które nie zawsze będą uzasadnione biorąc pod uwagę rozmiar oraz zakres
planów rozwojowych przedsiębiorstwa. Być może wprowadzanie zaawansowanych
technik komputerowych do wspomagania organizacji i zarządzania w zakładzie
1
mgr inż., [email protected]
385
przyniesie więcej negatywnych rezultatów niż pozytywnych i dlatego należy patrzyć
na nie o wiele bardziej krytycznie i ostrożnie podejmować decyzje o ich wdrożeniu [5].
Mówiąc o zaawansowanych technikach komputerowych wykorzystywanych
do zarządzania przedsiębiorstwem ma się najczęściej na myśli systemy oraz programy
wykorzystywane regularnie i systematycznie do wspomagania decyzji, nadzoru
i kontroli, natomiast symulacja komputerowa wykorzystywana jako narzędzie
wspomagające zarządzanie systemem produkcyjnym jest zabiegiem przepro wadzanym
raz na jakiś czas i nie stanowi w tym sensie rutynowego elementu zarządzania
zakładem. Koszty związane z przeprowadzeniem całego procesu symulacji
są stosunkowo niewielkie biorąc pod uwagę potencjalne ryzyko przeprowadzenia
nieuzasadnionej modernizacji oraz zakupienia maszyn, które wbrew pozorom nie
przyniosą oczekiwanych efektów. Możliwość zamodelowania całego procesu
wytwórczego i sprawdzenie jakie zmiany oraz modernizacje będą najbardziej efektywne
może stać się nieocenionym źródłem informacji, dzięki któremu zaoszczędzi się
ogromną ilość środków pieniężnych związanych z błędnymi decyzjami strategicznymi.
2. SYMULACJ A KOMPUTEROWA – DEFINICJA I WYTYCZNE
Symulacja to proces budowania i używania opartego na czasie wizualnego
modelu, który emuluje każdy znaczący krok jaki ma miejsce w symulowanym
fragmencie rzeczywistego procesu oraz każdą znaczącą interakcję pomiędzy szeroko
pojętymi zasobami oraz ograniczeniami, po to, aby uzyskać wgląd na efekt jaki
potencjalne decyzje będą miały na rzeczywisty proces. [4].
Symulacja pozwala badać i analizować elektroniczny model projektu, który
jest ściśle oparty na czynniku czasowym, bierze pod uwagę wszystkie dostępne zasoby
i występujące ograniczenia oraz uwzględnia sposób w jaki te czynniki ze sobą
oddziałują w miarę upływu czasu. Oznacza to, że dobrze skonstruowany i przemyślany
model naprawdę odpowiada rzeczywistej sytuacji, a co za tym idzie – to co wypróbuje
się na modelu będzie miało takie same skutki, jakie by miało w rzeczywistości [5].
Główną zaletą symulacji jest przede wszystkim możliwość względnie
szybkiego i bezpiecznego finansowo wypróbowania nowych pomysłów i strategii zanim
wprowadzi się je w życie w rzeczywistym świecie. A ponieważ efekt symulacji można
poznać na ogół błyskawicznie, można również sobie pozwolić na wiele podejść, prób
i wariantów, porównać otrzymane wyniki oraz wybrać ten najwłaściwszy i najbardziej
niezbędny w danym momencie.
Symulacja to również niewątpliwie pewien rodzaj narzędzia służącego
do komunikacji nie tylko między pracownikami danej organizacji, ale przede wszystkim
między klientami i konsultantami z firmy, którzy dysponując takim narzędziem, są
w stanie roztoczyć przed klientami bardziej obrazową wizję ich rozwiązań i propozycji
oraz zyskują tym samym silny argument, który nieraz może zadecydować
o powodzeniu całego przedsięwzięcia. Dzieje się tak dlatego, iż klient, po zapoznaniu
się z modelem obrazującym sytuację w jego firmie i zaakceptowaniu jego poprawności,
386
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
nie ma podstaw wątpić w wyniki komputerowo przeprowadzo nych obliczeń i kolejno
uzyskanych w ten sposób konkretnych, często niezwykle dokładnych wyników.
3. TECHNIKA KONSTRUOWANIA SYMULACJI
Podstawowym dążeniem każdego projektanta czy też konstruktora
w dzisiejszych czasach jest to, aby jego narzędzie bądź urząd zenie było jak najbardziej
intuicyjne i przyjazne dla użytkownika. To stwierdzenie tyczy się również procesu
projektowania i konstruowania modelu symulacyjnego, który także jest narzędziem.
Biorąc pod uwagę niezbędność zastosowania do tego celu komputerów oraz
wyrafinowanego oprogramowania, należy nie tylko pamiętać o graficznym interfejsie
samej platformy do tworzenia symulacji, ale również o jak najbardziej sugestywnym
oraz wizualnie podobnym do rzeczywistości zobrazowaniu symulowanego procesu.
W praktyce symulacja nie składa się z poszczególnych kroków, ale jest
to raczej iteracyjny proces, który powtarza się do momentu osiągnięcia zamierzonego
stanu bądź rezultatu. Podane poniżej kroki (rys. 1) należy traktować bardziej jako
wskazówki, a nie jako niezbędne etapy które wyraźnie muszą znaleźć odzwierciedlenie
w każdym budowanym modelu. Są one napisane z punktu widzenia kogoś,
kto podejmuje się roli konsultanta i traktuje symulację jako narzędzie wręcz niezbędne
do przekonania kontrahentów oraz sprzedania swoich pomysłów [4].
Wy słuchanie klienta
Uruchamianie modelu
Wery fikacja
Wstępna decy zja co do stopnia szczegółowości
Czas potrzebny na „rozruch” modelu
Ustalenie zakresu modelu
Wizualna eksploracja modelu
Budowa wstępnego, prostego modelu
Wiary godność wy ników
Bliska współpraca ze zleceniodawcą
Które zabiegi są niezbędne i kiedy warto je stosować
Rys. 1. Kolejne kroki tworzenia modelu symulacyjnego.
Fig. 1. Consecutive steps in simulation model creation.
Wysłuchanie klienta
Przed rozpoczęciem tworzenia właściwej symulacji, należy upewnić się,
że w pełni rozumie się co tak naprawdę chce klient osiągnąć za pomocą symulacji oraz
na jakie pytania chce poznać odpowiedź. Po drugie niezbędne jest dokładne poznanie
badanego procesu, tak aby mieć jasność co do wszystkich zmiennych oraz czynników
jakie mogą mieć potencjalny wpływ na przebieg tego procesu.
3.1.
387
Wstępna decyzja co do stopnia szczegółowości
Należy dokładnie przemyśleć jaki stopień szczegółowości będzie
najwłaściwszy w danym modelu. Poprawne wykonanie tego kroku pozwoli ustrzec się
poważnego błędu jakim jest zbytnie przepełnienie modelu zbędnymi szczegółami, które
z jednej strony będzie nas więcej kosztowało i dłużej trwało, a z drugiej, w skrajnych
przypadkach, może prowadzić do utraty przejrzystości modelu oraz zakamuflowania
faktów, które dla projektanta symulacji oraz klienta są najważniejsze.
3.2.
3.3.
Zakres modelu
Należy się zastanowić czy wystarczy ograniczyć się do granic przedsiębiorstwa
czy może wskazanym było by również uwzględnienie systemów zewnętrznych, które
w sposób bezpośredni bądź pośredni wpływają na sam proces, w tym dostawy
surowych materiałów.
Budowa wstępnego, prostego modelu
Dobrze jest zacząć budowę symulacji od prostego modelu uwzględniającego
tylko główne aspekty procesu. Na tym etapie nie ma większego znaczenia czy znajdą
się w nim istotne dla całego problemu czynniki lub czy będzie on działał w pełni
poprawnie. Należy w takiej postaci skonsultować model z klientem (zleceniodawcą)
bądź z przełożonymi w przedsiębiorstwie i upewnić się, że dobrze zrozumiane zostały
ich zalecenia i wymagania. Nawet prosta oraz w dużej mierze statyczna forma modelu
potrafi w sposób sugestywny przemówić do odbiorców projektu, a tym samym, zanim
pójdzie się dalej, ujawnić błędy w interpretacji zjawiska bądź też uzmysłowić nowe
możliwości i korzyści jakie mogą zostać osiągnięte dzięki symulacji.
3.4.
Bliska współpraca ze zleceniodawcą
Po przygotowaniu prostego modelu należy zacząć pracować bezpośrednio
z klientem. Dzięki zaawansowanym programom komputerowym coraz częściej
możliwe jest przeprowadzenie wszystkich powyższych kroków w czasie rzeczywistym
podczas jednej sesji ze zleceniodawcą projektu.
Szczególnie ważnym jest jak najczęstsze konsultowanie z klientem
(zleceniodawcą)
swoich
zamierzeń.
W
przeciwnym
przypadku
bardzo
prawdopodobnym jest, iż popełni się błędy interpretacyjne i trzeba będzie się cofnąć
o kilka etapów w tył, co z kolei będzie kosztować, a i w oczach klienta nie będzie
to dobrze wyglądało. Brak aktywnego udziału zleceniodawcy w procesie tworzenia
modelu może również skutkować brakiem zrozumienia z jego strony w jaki sposób
osiągnięto dany efekt oraz dlaczego zadecydowano zastosować takie, a nie inne
rozwiązanie. Taka sytuacja oznacza, iż implementacja czegoś nowego poza
oczywistymi rozwiązaniami może okazać się bardzo trudna lub wręcz niemożliwa.
Ten krok można rozbić na kilka mniejszych, z których każdy zostanie opisany
poniżej. Ta faza jest kontynuowana do czasu, gdy klient czuje, że wie co ma zrobić
i jaką podjąć decyzję, czyli do czasu, kiedy problem zostanie rozwiązany [4].
3.5.
388
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
3.5.1.
Uruchamianie modelu
Ważnym jest, aby uruchamiać model tak często jak to tylko możliwe,
a w szczególności po każdej wprowadzonej zmianie. Takie postępowanie pozwoli
dostrzec, które elementy mają wpływ na poszczególne efekty i wyniki. Uchroni
to również przed przeoczeniem istotnych wniosków i spostrzeżeń.
3.5.2.
Weryfikacja
Warunkiem koniecznym jest sprawdzenie czy model pracuje w taki sposób,
w jaki pracowałby taki system w rzeczywistości w takich samych warunkach.
Teoretycznie należało by zastosować regułę zawartą w punkcie 3.5.1., a mianowicie
należało by sprawdzać model przy każdej zmianie, ale pod kątem zgodności
z rzeczywistością. W wielu przypadkach mogło by to się jednak okazać wysoce
niepraktyczne. Z tego względu na etapie symulowania istniejącego w rzeczywistości
przedsiębiorstwa wystarczy zbudowanie modelu, a następnie wprowadzenie danych
wejściowych odzwierciedlających zaistniałą już kiedyś sytuację w rzeczywistych
warunkach, a następnie porównać otrzymane wyniki z ich rzeczywistymi
odpowiednikami. Jeśli zostały one przetworzone w ten sam sposób oraz w tym samym
czasie co w rzeczywistości, wtedy możemy uznać nasz model za poprawny.
O wiele trudniejszym przypadkiem jest konstruowanie modelu symulacji
czegoś, co jeszcze w ogóle nie istnieje, np. nowego systemu produkcyjnego. Wtedy
konieczne jest szczegółowe i dokładne eksperymentowanie z modelem oraz
obserwowanie (zarówno animacji jak i otrzymywanych wartości) w celu sprawdzenia,
czy wprowadzane zmiany są rozsądne i uzasadnione w świetle zmian jakie
są wprowadzane w danych wejściowych (np. popycie, liczbie oraz wydajności maszyn
itp.).
Czas potrzebny na „rozruch” modelu
W wielu przypadkach, aby model zaczął funkcjonować zgodnie
z rzeczywistością, niezbędny będzie czas potrzebny na wstępny rozruch. Przykładem
może być tutaj model oddziału fabryki, który na początku swojego działania będzie
„pusty”, tzn. nie będzie m. in. żadnej produkcji w toku. W rzeczywistości taka sytuacja
raczej nie występuje i stąd właśnie bierze s ię potrzeba wstępnego rozruchu modelu, aby
zapełnił się on poszczególnymi elementami symulacji do stopnia, w jakim obciążona
jest fabryka w rzeczywistości. Oczywiście, gdy chodzi o stworzenie nowego procesu
produkcyjnego oraz pierwsze tygodnie jego działania, to wtedy czas rozruchu modelu
będzie traktowany jako już właściwa symulacja.
Większość aplikacji komputerowych posiada narzędzia pozwalające
na ustawienie zakresu czasu rozruchu modelu, podczas którego program pomija dane
z początkowej fazy działania symulacji bądź też odseparowuje je oraz składuje osobno,
tym samym nie wliczając ich do końcowych obliczeń.
3.5.3.
389
3.5.4.
Wizualna eksploracja modelu
Ten krok można uznać za najważniejszy w całym procesie prowadzenia udanej
symulacji, a który stał się możliwy do wykonania dopiero dzięki pojawieniu się
interaktywnych narzędzi do wizualizacji modelu. Wspólna z klientem wizualna
eksploracja modelu daje, zarówno projektantowi jak i klientowi, możliwość uzyskania
szerszego i dokładniejszego zrozumienia tego, w jaki sposób poszczególne elementy
modelu współdziałają ze sobą, co ma wpływ na poszczególne wartości wydajności oraz
w konsekwencji prowadzi do wniosków, które pozwalają na optymalizację
i usprawnienie całego procesu.
Wizualna eksploracja modelu polega na uruchomieniu modelu i bacznym
obserwowaniu przedmiotów będących w obiegu na ekranie monitora. Często już na tym
etapie dostrzeże się pewne oczywiste niedoskonałości, zupełnie nie patrząc na wartości,
ale obserwując wyłącznie graficzną interpretację aktualneg o stanu. Można sobie
pozwolić na dość swobodne modyfikowanie modelu opierając się tylko i wyłącznie
na graficznych informacjach docierających z ekranu komputera i stosunkowo szybko
w ten sposób „wyczuć” i lepiej zrozumieć zależności oraz charakter danego procesu.
Oczywiście wizualna eksploracja modelu prowadzona według powyższego
opisu nie jest rygorystyczną ani naukową procedurą i zawsze powinna być zakończona
serią matematycznych oraz statystycznych testów, natomiast bez wątpienia, jako
metoda pozwalająca na poznanie istoty problemu, jest niezastąpiona.
Wiarygodność wyników
Po zaobserwowaniu pewnych możliwości modyfikacji modelu oraz
zaproponowaniu konkretnych rozwiązań, niezbędnym jest przetestowanie tych
pomysłów, szczególnie gdy ma się do czynienia z kilkoma wersjami ulepszenia tego
samego fragmentu modelu.
W większości pakietów narzędzi do tworzenia symulacji, po wyzerowaniu
licznika czasu i ponownemu uruchomieniu modelu, otrzymuje się dokładnie te same
wyniki na ekranie, zdarzające się w tej samej sekwencji co poprzednim razem (pomimo
faktu, iż model używa liczb losowych do emulowania rzeczywistości). Dzieje się tak
ponieważ programy używają liczb pseudolosowych, które są generowane
matematycznie i tylko pozornie wyglądają na przypadkowe (los owe). Za każdym
razem, gdy generator liczb losowych jest restartowany, wygenerowana zostanie
dokładnie taka sama sekwencja liczb. Ma to swoją niewątpliwą zaletę – dzięki temu
można oglądać ten sam cykl kilka razy, aby lepiej zrozumieć co się dzieje na ekranie
komputera, bez utrudniających rozpoznawanie i wyciąganie wniosków prawdziwie
losowych liczb.
Większość pakietów do tworzenia symulacji pozwala na zmianę zestawu liczb
losowych, aby po zrozumieniu już natury procesu za pomocą jednego zestawu liczb,
sprawdzić jak będzie się on zachowywał pracując na różnych zestawach, czyli tak jak
ma to miejsce w rzeczywistości. Programy te mają wbudowane tysiące strumieni liczb
losowych, tak więc praktycznie nie ma ograniczeń co do liczby symulacji tego samego
3.5.5.
390
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
fragmentu, ale na ciągle zmieniającym się zestawie liczb, co z kolei zapewnia bardziej
rzeczywiste warunki działania symulacji.
Innymi, bardziej złożonymi zabiegami mającymi na celu korygowanie wartości
tak, aby były jak najbardziej reprezentatywne, są procedury o parte na statystyce, które
mogą być uruchomione bezpośrednio w programach służących do tworzenia symulacji
i w pełni automatycznie realizowane przez komputer.
3.5.6. Które zabiegi są niezbędne i kiedy warto je stosować
Jedną z najważniejszych rzeczy jakie należy sobie uświadomić tworząc model
w praktyce jest to, że większość korzyści wynikających z zastosowania symulacji,
pochodzi właśnie z etapu budowania modelu. Podczas tej fazy należy zadawać wiele
pytań zleceniodawcy i dzięki temu stopniowo poznawać i rozumieć proces sam w sobie,
jego charakter i zachowanie. Etap zadawania pytań klientowi powoduje pojawienie się
i uporządkowanie zarówno w konstruktora jak i w klienta umyśle wielu myśli oraz
spostrzeżeń, które dotychczas albo nie były tak oczywiste albo w ogóle nie były
zauważalne. Potem model symulacyjny działa już jako zrozumiały fragment
dokumentacji procesu. Jest to „dokument”, który dla większości ludzi jest bardzo prosty
do ogarnięcia, gdyż jest to obrazowe i schematyczne odzwierciedlenie rzeczywist ości
z faktycznie poruszającymi się wewnątrz procesu przedmiotami.
Wnioskiem z powyższych rozważań jest to, iż większość czasu spędzonego
przy danej symulacji poświęca się pierwszym fazom budowania modelu i tylko
okazyjnie zagłębia się w bardziej techniczne szczegóły. Oznacza to, iż faza budowania
modelu powinna być relatywnie łatwa i szybka w realizacji, gdyż wtedy uda się
osiągnąć maksimum zaangażowania ze strony klienta, co jest podstawowym warunkiem
dobrego zrozumienia procesu.
4.
PODSUMOWANIE
W przypadku każdego zakładu produkcyjnego ma się do czynienia z ogromną
liczbą podsystemów oraz czynników, które w sposób bezpośredni bądź pośredni
wpływają na produktywność, sprawność oraz synchronizację produkcji w zakładzie.
Nowoczesne programy symulujące proces y produkcyjne zawierają nie tylko
moduły pozwalające na zarządzanie produkcją oraz optymalizację realizacji zamówień,
ale również takie, które wnikają w fizyczne podstawy i prawa samych procesów, dzięki
czemu zakłady dysponujące takim narzędziem mogą badać sprawność systemu oraz
potencjalne scenariusze rozwojowe na niespotykanym dotychczas poziomie
szczegółowości. [8]. Wiarygodność wyników w tym przypadku ma swoje podstawy
i uzasadnienie w niezliczonej ilości danych statystycznych zawartych pierwotnie
w programach, dotyczących nie tylko takich wielkości jak wydajność, ale również
szczegółowymi danymi fizykochemicznymi wszelkich materiałów jakie mogą pojawić
się w procesie. [5]. Natomiast modułowość programów oraz szeroka swoboda
definiowania stopnia szczegółowości pozwalają dostosować model do własnych
potrzeb.
391
Stosowanie wszelkich komputerowych technik symulacyjnych w procesie
usprawniania zarządzania przedsiębiorstwem, a w szczególności produkcji, jest jak
najbardziej uzasadnione. Nie ma wątpliwości co do zasadności stosowania takich
technik, a biorąc pod uwagę względnie niskie koszty konstrukcji modelu oraz szybkość
jego realizacji można stwierdzić, że symulacje komputerowe powinny towarzyszyć
wszelkim planom strategiczno-rozwojowym każdego przedsiębiorstwa, zarówno tym
długo- jak i krótkoterminowym. Jednocześnie taki model jest doskonałym narzędziem
wspomagającym podejmowanie decyzji przy konkretnych, indywidualnych
zamówieniach o niesprawdzonej dotąd pod względem wykonalności strukturze
asortymentowej.
LITERATURA
[1] Fishman G.S.: Symulacja komputerowa. Pojęcia i metody. PWE, Warszawa (1981).
[2] Łucki Z.: Matematyczne techniki zarządzania. Przykłady i zadania. Wydawnictwa AGH,
Kraków (1998).
[3] Obrzud J.: Modelowanie przepływów produkcji w gniazdach wieloprzedmiotowych. Praca
doktorska, Wydz. Zarządzania AGH, Kraków (2003).
[4] SIM UL8 Corporation: SIMUL8 Manual and Simulation Guide. (1994-9).
[5] Wrona M .: Optymalizacja procesu wytwarzania na przykładzie odlewni. Praca magisterska,
Wydz. Zarządzania AGH, Kraków (2004).
[6] M . Wrona: Zastosowanie symulacji do optymalizacji wydajności procesu wytwórczego
w odlewniach. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji. Wyd. PAN, Poznań (2004).
[7] http://www.abb.com/global/abbzh/abbzh251.nsf: Foundry Engineering, ABB Corporation
(2004).
[8] http://www.ductile.org/magazine/2000_3/simulation.htm: Casting Process Simulation in Iron
Foundries, Tony M idea, FOSECO Inc. (2000).
[9] http://www.visual8.com/v8s.html: Synchronized Hot-End Planning and Scheduling,
VISUAL8 Corporation (2002).
METHODICS OF COMPUTER SIMULATION CONSTRUCTION IN
PRODUCTION PROCESS MANAGEMENT
SUMMARY
A technique of computer simulation construction for production system
management optimization purposes has been presented in the paper. The proce dure has
been divided into steps including model construction and cooperation with the client.
Special attention has been paid to visual model exploration and model “warm-up”
which is necessary for making the model reflect real conditions of the production
process.
Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski
392