ARCHIWUM ODLEWNICTWA

385

46/17

METODYKA KONSTRUOWANIA SYMULACJI

KOMPUTEROWEJ W ZARZĄDZANIU SYSTEMEM

PRODUKCYJNYM

M. WRONA1

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., marek_wrona@yahoo.com

Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17

Archives of Foundry

Year 2005, Volume 5, Book 17

PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308

386

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 przeprowadzanym

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. SYMULACJA 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,

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

387

nie ma podstaw wątpić w wyniki komputerowo przeprowadzonych 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 urządzenie 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].

Rys. 1. Kolejne kroki tworzenia modelu symulacyjnego.

Fig. 1. Consecutive steps in simulation model creation.

3.1. 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.

Wysłuchanie klienta

Wstępna decyzja co do stopnia szczegółowości

Ustalenie zakresu modelu

Budowa wstępnego, prostego modelu

Bliska współpraca ze zleceniodawcą

Uruchamianie modelu Wery fikacja

Czas potrzebny na „rozruch” modelu

Wizualna eksploracja modelu

Wiarygodność wyników

Które zabiegi są niezbędne i kiedy warto je stosować

388

3.2. 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.

3.3. 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.

3.4. 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.

3.5. 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].

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

389

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.).

3.5.3. 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 działan ia, 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.

390

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 aktualnego 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.

3.5.5. Wiarygodność wyników

Po zaobserwowaniu pewnych możliwości modyfikacji modelu oraz

zaproponowaniu konkretnych rozwiązań, niezbędnym jest przetestowanie tych

pomysłów, szczególnie gdy ma się do czyn ienia 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

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

391

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 oparte 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 rzeczywistości

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 procesy 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.

392

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] SIMUL8 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 Midea, 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 procedure 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