ZASTOSOWANIE SYMULACJI KOMPUTEROWEJ DO PROJEKTOWANIA ODLEWNI

Transkrypt

1 17/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN ZASTOSOWANIE SYMULACJI KOMPUTEROWEJ DO PROJEKTOWANIA ODLEWNI A. MACIOŁ 1, A. STAWOWY 2 Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Zarządzania, ul. Gramatyka 10, Kraków R. WRONA 3 Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza STRESZCZENIE Systemowe podejście do zadania projektowego wymaga równoległego rozpatrywania zagadnień technologicznych, technicznych, organizacyjnych i ekonomicznych. W referacie przedstawiono koncepcję wykorzystania symulacji komputerowej realizowanej przez zintegrowany sys tem komputerowy do projektowania odlewni. Przedstawiono zasady konstrukcji takiego systemu. Oryginalność rozwiązania polega na wykorzystaniu serwera baz danych jako podstawowego narzędzia do budowy systemu symulacyjnego oraz regułowego systemu decyzyjnego do modelowania procesów planowania produkcji. Keywords: discrete event simulation, data base, rule based reasoning 1. WPROWADZENIE Projektowanie zakładów produkcyjnych jest zadaniem złożonym obejmującym szereg problemów, które rozwiązywane muszą być różnymi technikami i metodami. Systemowe podejście do zadania projektowego wymaga równoległego rozpatrywania zagadnień technologicznych, technicznych, organizacyjnych i ekonomicznych. Punktem wyjścia dla projektu jest analiza marketingowa i ekonomiczna pozwalająca na określenie spodziewanej efektywności przedsięwzięcia i oszacowanie ryzyka inwestycyjnego. Kolejne etapy to analiza strategiczna określająca cele główne, 1 dr inż., amaciol@.zarz.agh.edu.pl 2 dr inż., astawowy@.zarz.agh.edu.pl 3 prof dr hab. inż., rwrona@uci.agh.edu.pl 155

2 przewidywane koszty i założenia techniczne realizacji inwestycji, ocena wymagań zarówno technicznych jak i organizacyjnych, projekt technologii, projekt struktury produkcyjnej i organizacyjnej oraz założenia określające zasady realizacji projektu. Bardzo istotnym elementem projektu musi być określenie wymagań i założeń realizacji systemu informacyjnego powstającego przedsiębiorstwa. Trudno sobie wyobrazić nowoczesne przedsiębiorstwo funkcjonujące bez z góry zdefiniowanego i zaprojektowanego systemu informacyjnego oraz systemu zarządzania wiedzą. Oczywistością jest fakt, że wszystkie etapy projektowania i podejmowane w trakcie ich realizacji decyzje są ze sobą wzajemnie powiązane i nie można rozpatrywać ich jako odrębnych problemów decyzyjnych. Sam proces projektowania staje się zadaniem o bardzo złożonej strukturze wymagającym stosowania odpowiednich metod kierowania procesem oraz technik usprawniających rozwiązywanie poszczególnych problemów cząstkowych. Jedną z takich technik wykorzystywanych już od kilkudziesięciu lat jest symulacja komputerowa. Pozwala ona na zweryfikowanie wielu wariantów rozwiązań i ocenić ich efektywność oraz ryzyko związane z wyborem konkretnej wersji projektu. Początki zastosowań metody symulacji komputerowej w projektowaniu zakładów produkcyjnych sięgające końca lat sześćdziesiątych ubiegłego stulecia były niezwykle obiecujące. Jednak w latach późniejszych pojawiło się pewne zniechęcenie w stosunku do stosowania tej metody wynikające głównie z dwóch przyczyn. Pierwsza z nich związana była z dużą pracochłonnością procesów modelowania, projektowania, weryfikacji i oceny wyników symulacji a szczególnie wynikająca z konieczności żmudnego kodowania programów komputerowych służących do realizacji symulacji. Drugim powodem słabnącego zainteresowania metodą symulacji były trudności związane z modelowaniem coraz bardziej złożonych systemów informacyjnych i wytwórczych oraz ograniczona możliwość jednoczesnego rozpatrywania wielu aspektów problemu projektowania, a także weryfikacji uzyskiwanych wyników. W związku z pojawieniem się nowych koncepcji reorganizacji systemów zarządzania przedsiębiorstwami (BPR) pojawił się wzrost zainteresowania metodami symulacyjnymi służącymi do weryfikacji efektywności różnych wariantów organizacji procesów biznesowych [1]. W stosunkowo krótkim czasie powstało wiele systemów komputerowych pozwalających na rozwiązywanie tego typu problemów. Wspólna cechą tych rozwiązań jest ich przyjacielski sposób użytkowania. Modele symulacyjne oparte są na obiektach graficznych często wspieranych przez bardzo proste techniki definiowania logiki systemu, określania założeń eksperymentów symulacyjnych, oceny i weryfikacji ich wyników. Impuls wywołany zainteresowaniem symulacją jako narzędziem do wspomagania decyzji w obszarze BPR oraz rozwój technologii informatycznych spowodował, że także w obszarze techniki i organizacji produkcji zaczęto tworzyć powszechnie dostępne programy symulacyjne pozwalające w prosty sposób modelować systemy wytwórcze. Rodzi to możliwość powszechnego wykorzystywania metod symulacji także w obszarze projektowania zakładów produkcyjnych. 156

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Analiza rynku oprogramowania dla symulacji komputerowej przeprowadzona przez autorów wykazała, że istnieje co prawda wiele programów rozwiązujących poszczególne cząstkowe problemy projektowe brak jest jednak narzędzi, które pozwoliłoby na kompleksowe wsparcie problemu projektowania zakładu produkcyjnego. Stwarza to potrzebę opracowania rozwiązania opartego na najnowszych osiągnięciach technologii informatycznych pozwalającego na kompleksowe rozwiązywanie problemu projektowania zakładów produkcyjnych. Autorzy uznali, że różnorodność zagadnień związanych z projektowaniem zakładów wytwórczych w różnych sektorach przemysłu jest na tyle duża, iż zasadnym staje się skoncentrowanie badań na wybranym sektorze z perspektywą wykorzystania wypracowanych rozwiązań w skali całego przemysłu. 2. PRZEGLĄD NARZĘDZI DO SYMULACJI DYSKRETNEJ Na rynku pojawiło się w ostatnich latach wiele rozwiązań wspierających modelowanie i symulację systemów produkcyjnych. Podzielić je można na trzy zasadnicze grupy. Do pierwszej zaliczyć można języki programowania oraz otwarte systemy oparte na obiektach graficznych pozwalające na modelowanie dowolnych układów. Wymienić tu można takie systemy jak Simprocess [2], Simul8 [3], ProModel [4] i szereg innych. Literatura przedstawia przykłady wykorzystania tego typu narzędzi do projektowania odlewni [5]. Druga grupa to systemy skierowane na modelowanie procesów biznesowych wykorzystywane głównie jako rozszerzenie narzędzi do wspomagania projektowania systemów informacyjnych przedsiębiorstw. Przykładem może być narzędzie służące do tworzenia, symulowania oraz analizowania modeli biznesowych w środowisku graficznym Powersim Studio firmy Powersim Corporation oferowanym w Polsce przez organizację IDS Scheer Polska [6]. Narzędzie to jest integralną częścią modułu SAP SEM-BPS (Strategic Enterprise Management Business Planning and Simulation). Istotą tego rozwiązania jest połączenie techniki modelowania opartej na założeniach dynamicznego opisywania procesów zachodzących w przedsiębiorstwie przy pomocy równań matematycznych i prostej logiki (koncepcja znana niegdyś pod nazwą Industrial Dynamic) z bezpośrednim połączeniem z hurtownią danych przedsiębiorstwa, co stwarza możliwości operacyjnego wykorzystania systemu. Trzecia grupa rozwiązań to systemy obiektowe pozwalające na modelowanie procesów wytwórczych, które mogą być wykorzystywane zarówno w fazie projektowej jak i operacyjnej. Dobrym przykładem mogą być narzędzia oferowane przez firmę Visual8 pod wspólną nazwą Simulation Solutions [3]. Podobnie jak w przypadku narzędzi wykorzystywanych do modelowania procesów biznesowych tego typu rozwiązania pozwalają obecnie na pełną integrację z operacyjnymi systemami informatycznymi zarządzania, takimi jak np. i2 Factory Planner. Autorzy dokonali oceny przydatności wymienionych rozwiązań do rozwiązywania problemu kompleksowego projektowania zakładów produkcyjnych, a w szczególności odlewni. Niewątpliwie najbardziej obiecujące są narzędzia, które 157

4 zaliczono do trzeciej grupy, a więc systemy symulacyjne ukierunkowane na modelowanie zakładów wytwórczych o różnej strukturze produkcyjnej. Ich podstawową zaletą jest łatwość konstruowania modeli o dowolnym stopniu złożoności oraz co najistotniejsze możliwość integrowania z systemami baz danych, co pozwala na wykorzystanie zalet języka SQL jako narzędzia do obsługi modelu systemu informacyjnego przedsiębiorstwa. Niestety tego rodzaju rozwiązania nie pozwalają na modelowanie samego systemu informacyjnego, a jedynie na korzystanie z już istniejących systemów. Mają także ograniczone możliwości opisywania procesów decyzyjnych. W praktyce konstruowanie wariantowych rozwiązań modułów decyzyjnych wymaga kodowania w języku zbliżonym do Visual Basic, co ogranicza zakres stosowania narzędzi do grupy osób z przygotowaniem informatycznym. Paradoksalnie, wadą tych rozwiązań jest ich uniwersalność. W przypadku projektowania odlewni mamy do czynienia z pewnymi klasami powtarzalnych problemów, które powinny być proste w modelowaniu, a nie wymagać każdorazowo konstruowania nowych unikalnych modeli. Powyższe przesłanki skłoniły autorów do podjęcia prac nad skonstruowaniem nowego narzędzia do modelowania i symulacji zakładów odlewniczych NARZĘDZIE DO SYMULACJI ZAKŁADÓW PRODUKCYJNYCH MISS Obecnie prowadzone są prace studialne i wstępne projektowe systemu do symulacji kompleksowych modeli systemów wytwórczych pod roboczą nazwą Manufacturing and Information System Simulation MISS. Istotą koncepcji systemu jest połączenie w jeden spójny podmiot narzędzi do modelowania systemów produkcyjnych, systemów informacyjnych oraz procesów decyzyjnych. Założono, że narzędzie to powinno spełniać następujące wymagania: użytkownik powinien mieć zagwarantowaną możliwość przyjacielskiego modelowania struktury produkcyjnej, struktury informacyjnej oraz procesów informacyjno-decyzyjnych, w sposób prosty, ale dowolnie dokładny, możliwe będzie modelowanie zachowań otoczenia systemu wytwórczego, samo narzędzie udostępniać będzie zestaw podstawowych uniwersalnych modułów do modelowania, symulacji i analizy wyników, które będą mogły być dowolnie rozszerzane o komponenty ukierunkowane na rozwiązywanie konkretnych zadań (np. modelowanie odlewni), narzędzie powinno dawać możliwości wspierania pracy grupowej i zarządzania wiedzą o projekcie, system powinien być otwarty, a więc umożliwiać transmisję danych z i do narzędzia poprzez ogólnie dostępne systemy komunikacji obsługujące różne bazy danych (np. ODBC), w miarę możliwości należy udostępnić interfejsy pozwalające na korzystanie z systemów wspomagających podejmowanie decyzji i analizę statystyczną.

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Ustalono, że w przeciwieństwie do innych podobnych rozwiązań rdzeniem systemu będzie relacyjna baza danych wyposażona w zestaw gotowych obiektów w postaci predefiniowanych tabel (opisujących jednostki produkcyjne, produkty, zamówienia, klientów itp.), którą użytkownik będzie mógł dowolnie rozwijać korzystając z języka manipulacji danymi i standardowego języka zapytań (SQL). Schemat związków encji w podstawowej bazie danych systemu przedstawia rysunek 1. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy ekran systemu służący do definiowania produktów. Dzięki relacyjnej strukturze modelu i opartej o zasady wnioskowania na podstawie reguł procedurze opisującej zachowanie systemu uzyskano pełną elastyczność systemu. Użytkownik może dowolnie konfigurować technologię wykonania produktu z wariantowym przebiegiem operacji (definiowaną w encji tch_sekwencjatechnologii). Użytkownik sam definiuje atrybuty produktów (w encji ds._wzorzeclistyproduktów) a wszelkie zdefiniowane przez niego atrybuty mogą b yć wykorzystane w systemie wnioskującym. Aplikacja powstała w oparciu o język Microsoft Visual Basic.NET. Wykorzystane zostały komponenty (głównie w zakresie dostępu i obsługi danych) firmy ComponentOne. Rys 1. Diagram związków encji w systemie MISS (na diagramie pokazano wyłącznie klucze) Fig. 1. Entity Realationship Diagram in MISS (only keys are shown) 159

6 Rys. 2. Ekrany służące do definiowania produktów Fig. 2. Product definition forms set Przy opracowywaniu projektu struktury bazy danych wykorzys tano doświadczenia autorów wynikające z prac projektowych realizowanych w przedsiębiorstwach sektora metalowego [7]. Baza będzie wyposażona także w obiekty proceduralne służące do generowania liczb pseudolosowych, odwzorowywania możliwie pełnej listy rozkładów probabilistycznych zmiennych losowych, a także innych technik opisywania procesów niepewnych w warunkach niepełnej informacji (np. zbiory i liczby rozmyte). Do opisu i modelowania procesów decyzyjnych zostanie wykorzystany moduł oparty o koncepcję regułowych systemów wnioskowania. Możliwe będzie także dołączanie wybranych z listy komponentów mechanizmów wspomagania decyzji realizujących różne techniki programowania matematycznego i sztucznej inteligencji (np. programowanie z ograniczeniami, algorytmy ewolucyjne). 4. ZAKRES ZASTOSOWAŃ System MISS jest przeznaczony do wspomagania procesu projektowania i restrukturyzacji zakładów produkcyjnych. Pozwala on na rozwiązywanie szeregu problemów projektowych, a mianowicie: - dobór zdolności produkcyjnych do założonego planu sprzedaży, - harmonizację i synchronizację procesów produkcyjnych, - ocena kosztów i rentowności projektowanych rozwiązań, - ocena ryzyka inwestycyjnego, - dobór optymalnej technologii, 160

7 - generowanie dokumentacji projektowej, - weryfikacja algorytmów planowania produkcji, - restrukturyzacja procesów biznesowych. ARCHIWUM ODLEWNICTWA Narzędzie do symulacji systemów produkcyjnych MISS może być także wykorzystywane do badań o charakterze odbiegającym od zadań typowo projektowych. Odpowiednie zamodelowanie rynków zbytu oraz procesów sprzedaży może pozwolić na badanie efektywności strategii marketingowych czy dobór odpowiednich kanałów dystrybucji. W podobny sposób można rozpatrywać inne problemy odbiegające od głównego obszaru zastosowań systemu MISS. 5. KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ Jak wspomniano system jest obecnie w trakcie budowy. Równolegle opracowywane będą dwie jego wersje jedna oparta na serwerze MS SQL i języku Visual Basic oraz druga sieciowa korzystająca z systemu MySQL i języka Java lub PHP. Kolejnym etapem będzie testowanie i walidacja modeli w oparciu o już przygotowane dane dotyczące rzeczywistych obiektów. Celem autorów jest przygotowanie komercyjnej wersji oprogramowania, które mogłoby być szeroko stosowane przez projektantów i kadrę zarządzającą odlewniami. Naturalną konsekwencją prac realizowanych w pierwszym etapie będzie stworzenie kolejnych wersji sektorowych systemu. Rozważana jest także możliwość wykorzystania obiektowych baz danych do kolejnych wersji programu pod warunkiem, że staną się one bardziej powszechne niż obecnie. LITERATURA [1] Giaglis G.M., Paul R.J., O Keefe R.M.: Combining Business and Network Simulation Models for IT Investment Evaluation, Proceedings of the 32nd Hawaii International Conference on System Science (1999). [2] Simprocess Users Manual, Caci Product Company (2001). [3] Simulation Based Production Planning & Scheduling, [4] ProModel ProModel Release PROMODEL Corporation, Orem, Utah. [5] Choi S. D., Kumar A., R.: A Simulation Study of an Automotive Foundry Plant Manufactueing Engine Blocks, Proceedings of the 2002 Winter Simulation Conference. [6] Business Intelligence. Powersim dynamiczne symulacje biznesowe, IDS Scherr Polska (2002). [7] Nowak S. i inni: Raport końcowy z wykonania projektu celowego pt. Opracowanie i uruchomienie systemu sterowania procesem produkcyjnym walcowni blach karoseryjnych, Kraków (2003). 161

8 DISCRETE EVENT SIMULATION FOR FOUNDRY SYSTEM DESIGN SUMMARY A system approach to enterprise design involves concurrent technological, organizational and economical problems consideration. As a consequence there is a need for develop the formal methods supporting design process. In this paper the concept of simulation method employed to foundry design is described. We presented the structure of the computer system, which integrated database for simulation model handling and expert system for modeling of production process planning. Praca naukowa finansowana ze środków KBN w latach jako projekt badawczy. Recenzował: prof. dr hab. inż. Jan Szajnar 162