پروپوزال تولید صنعتی
بهینه سازیِ شبیه سازیِ برنامه تولید با استفاده از الگوریتم ژنتیک
مطالعه موردی کارخانه کاشی گلدیس
مقدمه
در فرآیند توسعه بشری، همواره سیستم های پیچیده تری به وجود می آیند و به همان نسبت مدیریت، نظارت و کنترل آن ها مشکل تر می شود]1[. پیچیدگی، پویایی روزافزون و ماهیت تصادفی کارکرد سیستم ها بیش ازپیش بررسی و تحلیل آن ها را دشوار نموده است. محیط های تولیدی و صنعتی نیز از این قاعده مستثنی نیستند. از این نقطه نظر، به کارگیری مدل های تحلیلی بدلیل ساده سازی و عدم توجه به تمامی ابعاد مرتبط با سیستم، با محدودیت های قابل توجهی همراه میشوند و ارائه بهترین راه حل، همواره یکی از چالش های اصلی در این رویکرد می باشد و تعیین مقادیر بهینه متغیرها از طریق روش های رایج امکان پذیر نمیباشد]2[. برای رفع این معضلات، مدیر ناچار به ارائه راهکارهایی جهت بهبود وضع موجود است. یکی از انواع این راهکارها، بهینه سازی شبیه سازی است.
خوشبختانه، روش های متنوع و گسترده بهینه سازی شبیه سازی امکان تحلیل مسائل پیچیده را فراهم کرده است. مزیت بارز این روش ها در آن است که بدون جستجوی کلیه نقاط فضای موجود، سعی در یافتن جواب بهینه دارند]2[. شبیه سازی که به عنوان یک تکنیک توانمند تجزیه و تحلیل سیستم ها شناخته می شود، می تواند نقش مهمی را در اداره کارآمد واحدهای تولیدی ایفا کند.
بدلیل تاثیرات متقابلی که قسمت های مختلف یک سیستم بر رویهم دارند، علم شبیه سازی سیستم ها به کمک مدیران و مهندسین آمده است تا به مطالعه و بررسی نتایج حاصل از این اثرات بپردازد. در واقع یکی از کارآمدترین و پیشرفته ترین ابزارهای نوین عصر صنعتی و اطلاعاتی جهت تجزیه و تحلیل سیستم ها، شبیه سازی رایانه ای می باشد]1[.
بهینه سازی در علوم ریاضی و رایانه فرآیند انتخاب یا یافتن بهترین عضو در مجموعه ای از گزینه های موجود می باشد. هر فرآیندی پتانسیل بهینهشدن را دارد و مسائل پیچیده می توانند در زمینه های مختلف مانند علوم مهندسی، اقتصاد و مدیریت به صورت مسائل بهینه سازی، مدلسازی شوند. هدف از مدلسازی مسائل بهینه سازی، حداقل کردن زمان، هزینه و ریسک و یا حداکثر کردن سود، کیفیت و اثربخشی است. برخی از مسائل بهینه سازی پیچیده هستند و به دست آوردن جواب های بهینه در زمان معقول با روش حل دقیق، دشوار می باشد. از این رو توسعه روش های حل، در این نوع مسائل که بتوانند در زمان معقول جواب های بهینه یا نزدیک به بهینه به دست آورند، از نظر اقتصادی بصرفه تر است. در سالیان اخیر محققان در اکثر مسائل پیچیده بهینه سازی با پیاده سازی روش های فراابتکاری به نتایج مناسبی دست یافته اند]3[.
مدل شبیه سازی یک سیستم تولیدی به مثابه ابزار تحلیلی دقیقی است که مدیران، طراحان و برنامه ریزان یک واحد تولیدی را قادر می سازد تا با نگرشی سیستمی به سهولت تاثیر تغییر پارامترها و متغیرهای هر یک از زیرسیستم های موجود را بر روی عملکرد مجموعه سیستم تولیدی ارزیابی نموده و درجه اهمیت آنان را در فرآیند تاثیرگذاری، محک بزند]4[.
در دنیای صنعتی امروز، شبیه سازی به عنوان یک روش شناسی حل مسائل و تجزیه و تحلیل سیستم ها از اهمیت به سزایی برخوردار است. قدرت و توانایی این تکنیک در مدل سازی سیستم های پیچیده صنعتی و خدماتی، سادگی مدل سازی، سهولت درک از یک سو و پیشرفت سیستم های سخت افزاری و نرم افزاری برای حل مدل های ایجاد شده از سوی دیگر، شبیه سازی را از تکنیک های مدل سازی متمایز می کند. شبیه سازی به کاربر آن، امکان آزمایش با سیستم هایی را می دهد که بدون آن، آزمایش غیرممکن یا غیرعملی است]5[.
بیان مسئله
برنامه ریزی تولید نقش به سزایی در کاهش قیمت تمام شده محصولات دارد. این عامل از مهم ترین عوامل رقابتی در هر صنعت است. کارخانجات تولید کاشی هم از این قاعده مستثنی نیستند. از آنجاییکه بقای هر بنگاه اقتصادی وابسته به سودآوری آن می باشد، باید با بررسی عمیق و ارائه برنامه بهینه تولید به این مهم دست یافت.
فرآیند تولید کاشی کارخانه مورد مطالعه از سه مرحله اصلی آماده سازی (پرس و لعاب)، پخت کاشی (کوره) و بسته بندی تشکیل شده است که بین این مراحل، انبارهایی جهت نگه داری کاشی در جریان ساخت وجود دارد. در این کارخانه، با توجه به اینکه 4 خط پرس و لعاب، 3 خط کوره و 4 خط بسته بندی وجود دارد و تولید هر نوع از کاشی به نسبت معینی از ظرفیت خطوط را اشغال می کند، استفاده بهینه از ظرفیت انبارهای میانگیر بین خطوط لعاب و کوره و بسته بندی و هم چنین زمان مناسب برای تغییر اندازه در خطوط بسته بندی می تواند علاوه بر امکان تولید متنوع اندازه و طرح های محصولات، باعث به حداقل رساندن توقفات کوره و گلوگاه1 شدن واحد های تولیدی (پرس و لعاب و بسته بندی) شود. ضمناً، چیدمان اندازه های مختلف کاشی روی خطوط، ظرفیت های متفاوتی از تولید را ایجاد می کند. لازم به ذکر است، توقفات هر بخش رفتار ی متفاوت دارد که در ظرفیت تولید تاثیرگذار است و بسته به شرایط باید بتوان چیدمان تولید را مدیریت کرد.
ضرورت انجام پژوهش
امروزه، پیچیدگی و ماهیت تصادفی کارکرد سیستم های تولیدی، تصمیم گیری برای مدیریت را بیش ازپیش دشوار نموده است. در این راستا، کمبود منابع در دسترس و سرعت قابل توجه رقابت، ضرورت به کارگیری مدل های تحلیلی را ایجاب می کند.
خطوط تولید به عنوان یکی از مهم ترین اجزاء هر شرکت تولیدی محسوب می شوند. هزینه فضای بین ایستگاه های کاری از یکسو و هزینه خوابیدگی ایستگاه ها به دلیل کمبود قطعات ورودی از سوی دیگر موجب می شود تا همواره تعیین اندازه ظرفیت انبارهای میانگیر از موضوعات موردتوجه محسوب شود.
در کارخانجات تولید کاشی، کوره به عنوان یک گلوگاه محسوب می شود و نقش بسیار مهمی را در فرآیند تولید ایفا می کند. کوره ها هزینه توقف بالایی دارند از جمله: مصرف انرژی به منظور شروع مجدد کوره و اثرات منفی توقف بر روی کیفیت محصول. بههمین دلیل، بخش برنامه ریزی تولید باید بهصورتی عمل کند تا حداکثر کارایی کوره بدون توقف و در حال تغذیه دائم به دست آید.
سوالات پژوهش
1. کدام ابعاد از برنامه ریزی تولید بر کارایی کوره تاثیرگذار هستند؟
2. عوامل کلیدی خط تولید را چگونه باید سازماندهی کرد تا حداکثر کارایی برای کوره (گلوگاه) حاصل شود؟
3. بهترین ترکیب انبارهای میانگیر برای دست یابی به هدف کاهشِ زمانِ توقفِ کوره چیست؟
اهداف پژوهش
اهداف کلی
اهداف کلی این پژوهش را می توان در چند بخش ارائه نمود:
1. مهم ترین هدفی که شبیه سازی یک سیستم تعقیب می کند، کمک به سیستم مدیریت در راستای اتخاذ موثرترین و کارآمدترین تصمیم در رابطه با پارامترها و عوامل موثر بر سیستم می باشد.
2. در دسترس قراردادن عوامل موثر در تولید کاشی، به صورت پارامترهای قابل تغییر، جهت اعمال تغییرات موردنظر.
3. نمایش نتایج حاصل از سناریو2 های متفاوت جهت مقایسه نتایج و انتخاب سناریوی کاراتر.
اهداف خاص و مصداقی
بسته به نوع سیستم شبیه سازی شده و مسائل و عوامل اثرگذار درون این سیستم می توان جزییات و مصادیق بیشتری را ارائه نمود که برای این پژوهش خاص چند هدف به صورت مصداقی بیان می گردد:
1. کاهش زمان توقف کوره (گلوگاه) جهت بهره برداری بهینه از ظرفیت خط تولید.
2. محاسبه تعداد بهینه انبارهای میانگیر (بافر3ها) جهت استفاده موثر از منابع انسانی و ماشین آلات، که منجر به حداقل نمودنِ زمانِ تولیدِ صفرِ (توقف) کوره می شود.
3. ارزیابی پارامتر ها و تعداد لازم از عوامل و منابع موردنیاز و نیز تغییرات لازم جهت دست یابی به میزان تولید مدنظر مدیریت در یک دوره زمانی خاص.
قلمرو پژوهش
پژوهش حاضر در شرکت کاشی گلدیس یزد انجام شد. مراحل اولیه مربوط به مشاهدات عینی و مصاحبه با افراد مرتبط جهت تکمیل اطلاعات موردنیاز مراحل مختلف پژوهش، در نیمه ابتدایی سال 1393 جمع آوری شد. ضمناً، جهت گردآوری اطلاعات موردنیاز مربوط به مدل شبیه سازی، از داده های موجود در آرشیو واحد برنامه ریزی شرکت کاشی گلدیس (1386-1393) استفاده شد. هم چنین، مراحل برنامه نویسی و ایجاد مدل جهت شبیه سازی در نیمه دوم سال 1393 انجام پذیرفت.
تعریف واژگان کلیدی
بهینه سازی شبیه سازی4: مفهوم "بهینه سازی شبیه سازی" در شبیه سازی سیستم ها با استفاده از رایانه عبارت است از فرآیند یافتن بهترین مقادیر ورودی از بین کلیه حالات ممکن، بدون این که کلیه حالات ممکن مورد ارزیابی قرار گیرند]6[.
الگوریتم های فراابتکاری5: الگوریتم های فراابتکاری نوعی از الگوریتم های دقیق هستند که برای یافتن جواب بهینه به کار می روند. روش ها و الگوریتم های بهینه سازی به دو دسته الگوریتم های دقیق و الگوریتم های تقریبی تقسیم بندی می شوند. الگوریتم های فراابتکاری برای حل این مشکلات الگوریتم های ابتکاری ارائه شده اند. در واقع الگوریتم های فراابتکاری، یکی از انواع الگوریتم های بهینه سازی تقریبی هستند که دارای راهکارهای برون رفت از بهینه محلی می باشند و قابل کاربرد در طیف گسترده ای از مسائل می باشند]7[.
الگوریتم ژنتیک6: الگوریتم ژنتیک یک تکنیک جستجو برای حل مسائل با استفاده از مدل ژنتیک است. این الگوریتم در زمره الگوریتم های مبتنی بر جمعیت قرار دارد که ایده اساسی خود را از نظریه تکامل می گیرد]8[.
برنامه ریزی تولید7: ارائه یک برنامه جامع جهت برآورد تقاضای پیش بینی شده با استفاده از امکانات سازمان]9[.
نوع تحقیق
تعاریف بسیاری از صاحب نظران بنام در مراجع مختلف درباره پژوهش وجود دارد. در اینجا، به ارائه دو نظریه اکتفا می شود:
جان بست: پژوهش علمی عبارتست از تجزیه و تحلیل دقیق، سیستماتیک و عینی در مورد یک پدیده نامعین به منظور شناسایی آن در جهت افزایش دانش و آگاهی بشر.
کرلینجر: مطالعه منظم، کنترل شده، تجربی و انتقادی یک یا چند قضیه فرضی درباره روابط احتمالی میان پدیده های طبیعی.
پس از تعریف پژوهش، به تقسیم بندی انواع روش های پژوهش پرداخته می شود. شکل زیر گویای این طبقهبندی می باشد:
شکل 3-1 – طبقهبندی انواع روش تحقیق]34 [
پژوهش پیش رو، در دسته تحقیقات توصیفی قرار می گیرد و از نظر هدف کاربردی و روش جمع آوری داده ها از نوع مطالعه موردی می باشد.
از ویژگیهای پژوهشهای مطالعه موردی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
– تحقیق موردی شامل جستجوی جزئی و مفصل، معمولاً به همراه جمع آوری داده های بسیار دقیق در طول زمان در یک یا چند سازمان برای شناخت مورد خاص تحت مطالعه می باشد.
– مطالعه و بررسی مشکل در محل وقوع آن و بدون جداکردن آن از واقعیت موجود صورت می گیرد.
– محقق در این روش از تمامی اطلاعات موجود در سازمان برای درک عمیق مسئله و حل آن استفاده می کند.
– این تحقیق، مناسب تحلیل شرایط پیچیده، مبهم و چند سطحی می باشد.
مراحل تحقیق
گام های اساسی در ایجاد و اجرای یک مدل شبیه سازی
اجرای یک مدل شبیه سازی مستلزم طیکردن 8 گام استاندارد می باشد که این پژوهش نیز به معرفی و شرح گامهای اساسی شبیه سازی میپردازد. این مراحل عبارتند از:
1. آشنایی با سیستم و اتفاقات جاری آن
2. تعریف مسئله
3. تعیین اهداف و طرح کلی پژوهش
4. مدل سازی
5. گردآوری داده ها
6. پیاده سازی مدل روی نرم افزار
7. تایید مدل
8. اعتبارسنجی مدل
آشنایی با سیستم و اتفاقات جاری آن
برای شبیه سازی، نیاز به شناخت و مطالعه دقیق سیستم مورد مطالعه می باشد تا تمامی رویدادهای سیستم بررسی شوند. آشنایی با سیستم و اتفاقات جاری در آن، در جهت داشتن دیدی جامع و مناسب برای تبیین مسئله نیازیست اساسی. "نیمی از راه حل مسئله، فهم درست مسئله هست". عبارتی که بارها شنیده می شود ولی ممکن است که بازهم هرازگاهی مورد غفلت واقع شود. در واقع درک درست شرایط یک مسئله یا سیستم هر چند که ممکن است، خروجی عینی و مشخص از دید سایرین نداشته باشد ولی در انتخاب مسیر درست حل مسئله و نیز تمرکز روی قسمتهای کلیدی کار و به طور کل اتخاذ استراتژی کارآمد و دقیق در مسیر حل مسئله، بسیار موثر و کارساز می باشد.
در این بخش به سوالات زیر جواب داده خواهد شد:
1. فرآیندهای لازم در محدوده سیستم جهت تولید کاشی کدامند؟
2. کارکرد دستگاه های موجود به چه نحوی است؟
3. منابع موجود در سیستم چه نقش و کارکردی دارند؟
4. مشکلات جاری در سیستم کدامند؟
در شبیه سازی یک سیستم این موضوع در شناخت دقیق سیستم مورد مطالعه عینیت می یابد و در واقع این مرحله از کار هرچند ممکن است خروجی بارزی به طور مشخص نداشته باشد ولی در عین حال بسیار مهم و حیاتی و تا حدودی زمان بر هم هست. جهت آشنایی با سیستم انجام مراحل زیر ضروری است:
1. مطالعه درباره کل سیستم جهت کسب اطلاعات اولیه
2. بازدید از سیستم
3. مصاحبه با تکنسین هر بخش
4. مصاحبه با مدیران میانی و ارشد
خروجی این مرحله کلیاتی از فرآیندهای جاری در سیستم، به همراه ابزار متناسب با هر فعالیت و رویداد است. نمودارهای جریان مواد و فرآیند عملیات تهیه شده، که در ادامه ارائه می گردد، به درک دقیقتری از اتفاقات تولید یاری میرساند.
روش تولید کاشی و سرامیک
به طور کلی دو روش برای ساخت محصولات کاشی و سرامیک وجود دارد که تفاوت آن ها در روش پخت و خشک کردن کاشی می باشد.
الف) یک روش، پخت دو آتشه8 می باشد که در این روش پس از خشک کردن کاشی در خشک کن9 کاشی یک بار تحت حرارت بالا در کوره پخته می شود و سپس به آن لعاب اضافه می شود و آنگاه برای پخت مجدد به داخل کوره می رود.
ب) روش دوم، پخت تک آتشه10: در این روش، فرآیند پخت اول حذف می شود و کاشی پس از خشک شدن در خشک کن به لعاب آغشته می شود و بعد به کوره پخت می رود.
اگرچه روش دوم اندکی سریع تر و کم مصرفتر از روش اول می باشد اما کم انعطافتر از روش دو آتشه است و در روش تک پخت کارخانه سازنده مجبور است روند پیچیده تری را در پیش بگیرد که در نتیجه امکان دارد به دلیل عدم مهارت لازم ضایعات زیادی درپی داشته باشد. این مسئله تا اندازهای مهم است که بسیاری از کارخانه های سازنده از روش دو آتشه استفاده می کنند.
معرفی خط تولید کاشی
کارخانه کاشی مورد مطالعه در این پژوهش، روش اول را در تولید محصولات خود منظور نموده است. عمده مراحل این روش تولید کاشی، در یک نگاه کلی، در شکل زیر قابل مشاهده می باشد:
شکل 3-2- نمایش مراحل تولید کاشی
اتفاقات جاری در یک خط ساده تولید کاشی از نگاه فرآیندی به صورت جزیی تر در شکل زیر نمایش داده شده است:
به منظور آشنایی دقیقتر با مراحل تولید کاشی در کارخانه مورد مطالعه، توضیحات کامل تر در بخش پیوست ارائه شده است.
شکل 3-3- نمایش فرآیند تولید کاشی
جریان مواد
جهت نمایش جریان مواد بین بخش های متفاوت یا دستگاه های تولید کاشی و سرامیک، دیاگرام بخشی11 تهیه گردیده است که در شکل زیر قابل مشاهده می باشد:
:
شکل3-4- نمایش جریان مواد
نمودارهای فرآیند جریان12
رسم نمودارهای فرآیند جریان در راستای شناخت جزییتر مراحل تولید کاشی و شناخت دقیقتر توالی عملیات می باشد. نمودارهای فرآیند جریان به تفکیک چهار ایستگاه مهم کاری رسم شدهاند:
1. واحد پرس
2. واحد لعاب سازی
3. واحد کوره
4. واحد بستهبندی
واحد پرس
FPC
شرح عملیات
دستگاه
کنترل کیفیت گرانول (رطوبت، دانه بندی)
شخصی
انتقال خاک به قالب
تسمه نقاله
عملیات پرس و کنترل کیفیت (فشار ویژه)
پرس
کنترل کیفیت بیسکوییت خام (مقاومت تَر، ضخامت، پنترومتری)
شخصی
عملیات خشک شدن بیسکوییت توسط درایر
درایر
کنترل کیفیت بیسکوییت (مقاومت خشک، رطوبت، تست پخت (ابعاد، اندازه))
شخصی
انتقال بیسکوییت توسط نوار نقاله به خط لعاب
تسمه نقاله
نمودار3-1- فرآیند جریان واحد پرس
واحد لعاب
FPC
شرح عملیات
دستگاه
عملیات جداکردن آشغال ها و ذرات از روی سطح کاشی توسط برس و دمنده
دستگاه برس
عملیات آب زدن روی سطح کاشی
کابین آب
عملیات انگوب و کنترل شرایط انگوب (ویسکوزیته، دانسیته، رسیت)
مسترفال
عملیات لعاب و کنترل شرایط لعاب (ویسکوزیته، دانسیته، رسیت)
مسترفال
عملیات لعاب رنگی برای کاشی های برجسته
اسپری گان
عملیات فیکساتیو
کابین چسب
عملیات چاپ و کنترل شرایط چاپ (ویسکوزیته، دانسیته، رسیت)
روتو کالر/ چاپ فلت/ دیجیتال
عملیات لعاب پوششی
اسپری گان
عملیات انگوب زیر
انگوب زن
تست پخت
شخصی
انبارش کاشی ها در واگن
تکنوفراری
نمودار3-2- فرآیند جریان واحد لعاب
واحد کوره
FPC
شرح عملیات
دستگاه
انتقال کاشی به واگن
تکنوفراری
حمل واگن به سمت کوره
دستگاه TGV13
بازرسی کاشیها توسط اپراتور و به منظور جلوگیری از ورود کاشیهای خراب
شخص
انبارش موقت کاشی ها قبل از ورود به کوره در ساپلکس
ساپلکس
شامل جذب رطوبت و خشک شدن کاشی توسط درایر، گرم کردن کاشی در مرحله پیشگرم، خروج آب و مواد آلی در مرحله جهنم، محکم شدن کاشی خمیری شکل در جهنم، سردشدن تدریجی کاشی در خنککننده غیرمستقیم، سرد شدن نهایی در خنککننده نهایی
کوره
شامل کنترل اندازه، قوس سرد، قوس گرم، جذب آب، وزن، تست برش توسط شخص
شخص
انبارش کاشی ها در پالت توسط دستگاه
تکنوفراری
حمل کاشی به قسمت بسته بندی توسط TGV
TGV
نمودار3-3- فرآیند جریان واحد کوره
واحد بسته بندی
FPC
شرح عملیات
دستگاه(ها)
کنترل کاشی و سپس درجه زنی آن بر اساس کیفیت کاشی توسط شخص
شخص
کنترل کیفیت کاشی از لحاظ اندازه و قوس توسط دستگاه
اندازه-پلانر
شامل 5 مرحله برای هر درجه است:
1- ذخیره سازی توسط stacker
2- belt
3- انتقال
4- devide کردن با devider (آن ها را در 3 قسمت چندتایی (بسته به اندازه کاشی) جدا می کند)
5- wrap (بسته بندی)
1- stacker
2- stack devider
درج کد، شیفت، درجه، اندازه، روی کارتن توسط پرینتر
پرینتر
نایلون کردن کارتن ها
شیرینگ
کشیدن تسمه روی کارتنها
کوپلر
انبارش
–
قراردادن کارتن ها روی پالت توسط دستگاه
پالتایزر
کنترل کیفیت کارتن ها از لحاظ درجه زنی اپراتور، کنترل وضع ظاهری کارتن، تطبیق کد
شخص
انتقال پالت ها به قرنطینه توسط لیفتراک
لیفتراک
نمودار3-4 فرآیند جریان واحد بسته بندی
تعریف مسئله
در ایجاد یک مدل شبیه سازی ابتدا باید مسئله دقیق و قابل فهم تعریف شده باشد. اگر سیاست گذاران یا صاحبان مسئله را به درستی تعریف کنند، مدل ساز باید اطمینان حاصل نماید که درک درستی از صورت مسئله یافته است.
کارخانجات تولید کاشی با مشکل توقف کوره ها روبرو هستند. کوره ها در خطوط تولید کاشی نقش بسیار مهمی ایفا می کنند و چون به عنوان نوعی گلوگاه محسوب می شوند، هزینه توقف بالایی دارند (مصرف انرژی به منظور شروع مجدد کوره و اثرات منفی توقف بر روی کیفیت محصول). در کارخانه مورد مطالعه، با توجه به این که 4 خط پرس و لعاب، 3 خط کوره و 4 خط بسته بندی وجود دارد و تولید هر اندازه از کاشی به نسبت معینی از ظرفیت خطوط را اشغال می کند، استفاده بهینه از ظرفیت بافرهای (انبارهای میانگیر) بین خطوط لعاب و کوره و بسته بندی و هم چنین زمان مناسب برای تغییر اندازه در خطوط بسته بندی، می تواند علاوه بر امکان تولید متنوع اندازه و طرح های محصولات باعث به حداقل رساندن توقفات کوره و گلوگاه شدن واحد های تولیدی (پرس و لعاب و بسته بندی) شود. ضمناً، چیدمان اندازه های مختلف کاشی روی خطوط، ظرفیت های متفاوتی از تولید را ایجاد می کنند. لازم به ذکر است، توقفات هر بخش رفتار های متفاوتی دارد که در ظرفیت تولید تاثیرگذار است و بسته به شرایط باید بتوان چیدمان تولید را مدیریت کرد. از این رو بخش برنامه ریزی تولید باید به صورتی عمل کند تا حداکثر کارایی کوره بدون توقف و در حالت تغذیه دائم به دست آید.
در این پژوهش، استفاده از روش بهینه سازی شبیه سازی در تعیین بهینه ظرفیت انبارهای میانگیر به کمک الگوریتم ژنتیک مورد بحث قرار می گیرد. خط تولید کاشی مورد بررسی به صورت سری از ایستگاه ها و ماشین آلات است که در آن ایستگاه های کاری بهوسیله یک انبار میانگیر از هم جدا شده و کاشی ها از ایستگاه اول وارد خط تولید می شوند و بهترتیب از تمامی ایستگاه ها و انبارهای میانگیر بین آن ها عبور می کنند. فضای قبل از ایستگاه اول، به عنوان یک انبار میانگیر محسوب نمی شود. بدلیل هزینهبر بودن توقف کوره، از انبارهای میانگیر استفاده می شود تا قبل از کوره، کاشی های خروجی لعاب آن را تغذیه کنند و پس از کوره نیز کاشی های پخت شده به بسته بندی منتقل شوند. بسته بندی نیز محصول نهایی را به انبار کاشی ها تحویل می دهد که در این مورد فرض می شود، انبار کالاهای ساخته شده، فاقد محدودیت ظرفیت است.
در برخی ایستگاه های کاری ممکن است عملیات به علت تکمیل ظرفیت انبار میانگیر بعدی متوقف شود. در این حالت نوعی هزینه فرصت از دست رفته وجود دارد که به عنوان هزینه توقف عملیات (در این پژوهش هزینه عملیات همان هزینه توقف کوره می باشد) یاد می شود. هم چنین، افزایش هر واحد ظرفیت انبارها نیز هزینه خاص خود را درپی دارد. اما در مسئله مورد بحث فرض بر اینست که ظرفیت انبارهای میانگیر (واگن ها و پالت ها) ثابت می باشد و در صورت نیاز باید تعداد پالت یا واگن تخصیص یافته به هر نوع از کاشی تغییر کند.
شکل3-5- نمایش محل انبارهای میانگیر سیستم
مسئله، تصمیم گیری در مورد تعیین ظرفیت بهینه هر یک از انبارهای میانگیر و هم چنین تعیین تعداد واگن ها و پالت های اختصاص یافته به هر اندازه کاشی است. اندازه های مختلف ظرفیت این انبارها سطوح نتایج مختلفی را در خط تولید ایجاد می کند. ظرفیت انبارها بر میزان تولید (خروجی سیستم) و هزینه سیستم تاثیرگذار می گذارد. به نحوی که قرار دادن یک انبار میانگیر با ظرفیت بالا هزینه توقف عملیات (هزینه توقف کوره) را کاهش ولی در عوض هزینه انبارهای میانگیر را افزایش می دهد اما همان طور که اشاره شد، در نمونه مورد مطالعه ظرفیت کل انبارهای میانگیر (واگن ها و پالت ها) ثابت می باشد. از سوی دیگر، تعیین بهینه ظرفیت انبارها به عواملی هم چون مدت زمان عملیات هر ایستگاه کاری و نوع و اندازه کاشی بستگی دارد.
تعیین اهداف و طرح کلی پژوهش
مهم ترین هدفی که شبیه سازی یک سیستم تعقیب می کند، کمک به سیستم مدیریت در راستای اتخاذ موثرترین و کارآمدترین تصمیمات در رابطه با پارامتر ها و عوامل موثر بر سیستم می باشد. با توجه به ماهیت پژوهشهای شبیه سازی می توان اهداف کلی برای آن متصور بود ولی بسته به نوع سیستم شبیه سازی شده و مسائل و عوامل اثرگذار درون این سیستم می توان جزییات و مصادیق بیشتری را ارائه نمود که برای این پژوهش، چند هدف به صورت مصداقی بیان می گردد:
اهداف کلی
1. در دسترس قرار دادن عوامل موثر در تولید کاشی، به صورت پارامترهای متغیر، جهت اعمال تغییرات موردنظر
2. نمایش نتایج حاصل از ایجاد سناریوهای متفاوت جهت مقایسه نتایج و انتخاب سناریوی برتر
اهداف خاص
1. محاسبه تعداد بهینه واگن ها جهت انبارش کاشی های خروجی لعاب به منظور حداقل نمودن زمان توقف کوره
2. تعیین مناسب ترین و کاراترین تسهیم پالت ها به کاشی های خروجی از کوره قبل از بسته بندی به منظور حداقل نمودن زمان توقف کوره
مدل سازی
در این مرحله مناسب ترین روش، آغاز کار با مدل ساده و پیچیدهکردن تدریجی آن می باشد.
در این بخش به سوالات زیر پاسخ داده خواهد شد:
1. مرز سیستم کجاست؟
2. عناصر14 سیستم کدامند و چه ویژگی 15هایی دارند؟
3. رویداد16های سیستم کدام ها هستند و چه زمانی اتفاق می افتند؟
4. تغییر حالت17 سیستم چگونه متاثر از نوع فعالیت خواهد بود؟
روش مدل سازی
با توجه به مفاهیم بیان شده درباره مدل و اجزای آن در فصل پیشین، اکنون بهنحوه چگونگی ایجاد مدل پرداخته می شود. برای ایجاد یک مدل شبیه سازی شده، مبنا و اساس کار شناخت عناصر در سیستم است. تغییرات عناصر در درون سیستم یا از نوع فیزیکی می باشد یا از نظر شمارشی. لذا اجزایی از سیستم که برای این منظور در نظر گرفته می شود، دارای ویژگی ها و تنظیمات خاص خود می باشند. بهعبارت دیگر، کلیه اجزاء سیستم بر اساس نیازی است که منجر به ایجاد آن تغییرات بر روی عناصر می شوند. معرفی عناصر (Entity)، اجزاء (Object)، رویدادها (Event) و منطق های (Logic) سیستم مورد مطالعه در فصل بعد به ترتیب طی جداولی ارائه خواهند شد.
پس به طور خلاصه می توان گفت، شناسایی عناصر ورودی، اجزاء مدل، رویدادهای سیستم و نهایتاً منطق های حاکم بر مدل جهت ایجاد آن، ضروریست.
مرز سیستم مورد مطالعه در این پژوهش، دستگاه ها، فرآیندها، عوامل و پارامترهای اثرگذار، در محدوده تولید از دستگاه پرس تا انتهای مرحله بسته بندی و قبل از الصاق کد و انتقال به انبار محصول میباشد. به طور دقیق تر، این محدوده تنها چهار بخش کلیدی کار یعنی بخش های پرس، لعاب، کوره و بسته بندی هستند.
از نظر محدوده فیزیکی می توان مرز سیستم را در شکل زیر نشان داد:
شکل3-6- نمایش مرز سیستم
در مدل سازی موضوعی که دارای اهمیت ویژه ایست، شناسایی رویدادهای سیستم می باشد تا از طریق آن بتوان منطق های حاکم بر مسئله را شناسایی و با مدل نمودن آن ها، سیستم شبیه سازی شده را حاصل نمود. مدل سازی صورت گرفته از منطق های حاکم بر مسئله می بایست سیستم رایانه ای شده را به شکل صحیح و اصولی ارائه دهد، به گونه ای که اطمینان کافی از صحت و دقت مدل ایجاد شود. راهکاری که می توان از طریق آن به این نتیجه رسید، مرحله تایید مدل است که خود به نوعی یک آزمون فرض می باشد.
یکی از عوامل مهم در مدل سازی اصولی و قابل اعتماد از سیستم واقعی شناسایی درست رفتار عوامل موثر بر آن سیستم می باشد. به گونه ای که رفتار مدل شده بتواند به خوبی اتفاقات واقعی سیستم را ارائه دهد و این تا حد زیادی مستلزم آنست که اولاً، داده های درست و معتبری از سیستم در اختیار باشد و ثانیاً، رفتار عوامل و پارامترهای موثر بر سیستم به درستی بر اساس داده های به دست آمده، شناسایی و در مدل از آن استفاده شود، چرا که شناسایی عوامل موثر بر سیستم بر اساس داده های تولید شده در ادوار گذشته می باشد. لذا در این مرحله سه مورد حائز اهمیت می باشد:
1. تعیین دوره مورد مطالعه
2. صحت اطلاعات
3. تخمین درست رفتار پارامتر مورد مطالعه
در سیستم مورد مطالعه، تعدادی از عوامل دارای رفتار ثابتی می باشند، به این معنا که سیستم خودکار بوده و مقدار آن توسط خود ماشین تعیین می گردد. مانند: ضرب پرس.
ولی برخی از عوامل در طول دوره ای مشخص دارای رفتار خاصی هستند که اگر نمودار بافت نگار18 مرتبط با هر کدام از عوامل مورد مطالعه رسم شود، تا حدودی رفتار آن ها شناسایی می شوند. مانند مدت زمان جابجایی ماشین TGV.
در برخی از موارد که آن پارامتر یا عامل، رفتاری منطبق با یک توزیع خاص داشته باشد، از طریق آزمون برازندگی و نرم افزار کریستال بال می توان توزیع مناسب را به دست آورد. شناسایی نوع توزیع عوامل مورد مطالعه، به پیش بینی رفتار این عامل برای مدل سازی کمک شایانی خواهد کرد. نتایج این آزمون ها در فصل بعدی ارائه خواهد شد.
انتخاب نرم افزار برای شبیه سازی سیستم
مسلماً، امروزه نرم افزار های گوناگونی جهت شبیه سازی و ساخت مدل وجود دارند که هر یک ویژگی های منحصر به فرد خود را دارا می باشند. به انواع نرم افزارهای شبیه سازی در فصل دوم اشاره شد.
نرم افزار SIMUL8 به دلیل داشتن منوها و گزینه های19 آماده و در دسترس، به سهولت ایجاد مدل کمک شایانی کرده و با در اختیار داشتن قابلیت های گرافیکی مناسب، درک بهتری از مدل در اختیار می گذارد. هم چنین قابلیت منحصر به فرد امکان ایجاد ارتباط مناسب، راحت و موثر مابین این نرم افزار و اکسل، SIMUL8 را در اولویت انتخاب قرار میدهد.
گردآوری داده ها
بین ساختن مدل و گردآوری داده های موردنیاز، رابطه متقابل وجود دارد. هم چنان که پیچیدگی مدل تغییر می کند، عناصر داده ای موردنیاز نیز تغییر خواهد کرد. داده های موردنیاز جهت انجام شبیه سازی از کجا می آیند؟ داده های موردنیاز با اطلاعاتی از سفارش ها، منابع، برنامه ریزی فرآیندها و مانند آن ها مرتبط می باشند. هم چنین باید اطلاعات پایه ای از مجموعه سیستم های مورد مطالعه در دسترس باشد.
در این بخش به سوالاتی از این دست پاسخ داده خواهد شد:
1. تا به امروز چه اطلاعاتی موجود می باشد؟
2. دلایل توقفات خط چیست؟
3. آیا عامل توقف، قابل کنترل بوده یا غیر قابل کنترل؟
4. احتمال وقوع توقفات از چه توزیعی پیروی می کند؟
5. رفتار متقابل عوامل توقف به چه نحوی است؟
در سیستم مورد مطالعه، گاه اطلاعاتی از قبل موجود می باشد که از آمارهای ثبت شده و با حذف داده های نامعتبر شناسایی می شود و گاه دادهای موجود نبوده که نیاز به زمان سنجی و سپس تعیین رفتار داده های حاصل می باشد. اطلاعات در دسترس این پژوهش، شامل علل و زمان خرابی دستگاه ها بوده است که از سال 1386 تاکنون در آرشیو واحد برنامه ریزی موجود می باشد. از طریق این داده ها نوع توزیع خرابی ها مشخص می شود که نتایج آن در فصل بعدی ارائه خواهند شد. اطلاعات مربوط به مشخصات کاشی و ماشین آلات از طریق مشاهده و مصاحبه کسب شد.
در واقع می توان به این نکته اشاره کرد که شبیه سازی، تلفیقی از علوم و تکنیک های مختلف مورد استفاده در مهندسی صنایع و رایانه و علم مدیریت از جمله: آمار، زمان سنجی، تحلیل سیستم، تحقیق در عملیات و … می باشد. بهعبارتی دیگر، برای شبیه سازی یک سیستم، بهترین ابزار روش به کارگیری درست علوم مهندسی در کنار هم می باشد.
تجزیه و تحلیل داده های ورودی به مدل
نیروی محرکه هر مدل شبیه سازی را داده های ورودی آن تشکیل می دهند. تشخیص توزیع های مناسب برای داده های ورودی به دست آمده از طریق نمونه گیری از لحاظ وقت و سایر منابع موردنیاز، کاری عمده در بررسی های مبتنی بر شبیه سازی محسوب می شود. به علاوه، صرف نظر از تبحر و تخصص تحلیلگر، فرض های نادرست در مورد ورودی های مسئله به حصول خروجی هایی خواهد انجامید که تعبیر آن ها موجب گمراهی می شود.
به منظور طراحی مدلی معتبر از داده های ورودی مسئله، برداشتن چهار قدم ضروری است:
1. قدم اول، که در بررسی واقعی مبتنی بر شبیه سازی مستلزم صرف وقت قابل توجهی میباشد، گردآوری داده های خام است.
2. قدم دوم، تعیین توزیع های آماری است و با تهیه نمودار فراوانی برای داده های خام شروع می شود، بر اساس نمودار فراوانی توزیع فرضی ایجاد می شود.
3. قدم سوم، ارائه برآوردهایی در مورد پارامترهای مشخصکننده توزیع است.
4. قدم چهارم، توزیع فرضی همراه با برآوردهایی از پارامترهای آن ها مورد آزمون قرار می گیرد. اگر فرض صفر مبنی بر پیروی داده ها از توزیع موردنظر درست از کار درنیاید، تحلیلگر به قدم دوم باز می گردد.
شکل 3-7- مراحل ارائه مدل معتبر از ورودی های سیستم
جامعه آماری، حجم نمونه، روش های نمونه گیری:
جهت دست یابی به مدت زمان وقوع یک رویداد خاص در سیستم، به تعداد حداقل 30 بار نمونهگیری و در زمان های متفاوت به روش زمانسنجی با کرنومتر20 نیاز است تا پس از زمان سنجی با استفاده از نرم افزار اکسل، به بررسی رفتار آن ها پرداخته شود. زمان جابجایی ماشین TGV (ماشین حمل واگن ها و پالت ها در سیستم) در خط نمونه ای از انجام این گونه زمان سنجی می باشد. در فصل بعد، نتایج حاصل از زمان سنجی ارائه می شود.
پیاده سازی مدل روی نرم افزار
جهت درک بهتر نحوه پیاده سازی مدل روی نرم افزار، از رسم روندنما 3-8 که در صفحه بعدی قابل مشاهده می باشد، استفاده شده است. این روندنما ورود عناصر مدل را به ترتیب مراحل و تغییرات آن ها نشان می دهد و تا پایان کار ردیابی دقیقی از مسیر حرکت آن ها ارائه می دهد.
با رسم روندنما به سوالات زیر پاسخ داده خواهد شد:
1. ورود عناصر به سیستم با چه روندی همراه است؟
2. تنظیمات و آماده سازی مرتبط با هر نود فعال چگونه است؟
3. شرایط خاص نودهای فعال جهت شروع فعالیت چیست؟
4. تغییر حالت سیستم چگونه و تحت چه شرایطی خواهد بود؟
5. شرایط و ویژگی های نودهای فعال بعد از تکمیل فرآیند مربوطه چیست؟
منابع
1. بهینه سازی یک سیستم پیچیده و بزرگ ریخته گری بهوسیله شبیه سازی رایانه ای، محمدعلی آزاده و کاوه عسگری راد، خرداد 1380، نشریه دانشکده فنی، جلد 35، شماره 1، ص 83 -97
2. بهینه سازی شبیه سازی در خطوط تولید با استفاده از SA، دکتر بهروز زارعی، فرشید بابااکبری، عظیم زارعی، چهارمین کنفرانس بین المللی مهندسی صنایع
3. توسعه روش جستجوی هماهنگی در حل مسائل بهینه سازی: مطالعه موردی در زمان بندی تولید ماشین های موازی، ایمان رستگار، راشد صحراییان، نشریه پژوهش های مهندسی صنایع در سیستم های تولید، سال اول، شماره اول، بهار و تابستان 1392، ص 57 – 71
4. نقش شبیه سازی در اداره کارآمد واحدهای تولیدی، حامدرضا طارقیان، مجموعه مقالات دومین کنگره سراسری توسعه ارتباط صنایع با مراکز آموزشی و پژوهشی
5. غلامرضا صادق ویشکایی، رساله کارشناسی ارشد، طراحی مدل ارزیابی گزینه های مختلف تخصیص اتوبوس های بین شهری با استفاده از شبیه سازی
6. رساله دکتری مدیریت، علیرضا ناصر صدرآبادی، بهینه سازی شبیه سازی مسئله جریان کارگاهی با زمآن های تصادفی با استفاده از الگوریتم های فراابتکاری و مقایسه کارایی فراابتکاری ها، دانشکده مدیریت، دانشگاه علامه طباطبایی
7. سایت Wikipedia
8. کتاب مقدمه ای بر الگوریتم های فراابتکاری، دکتر علیرضا ناصر صدرآبادی، انتشارات پندار پارس
9. کتاب مدیریت تولید، تالیف دکتر سید مهدی الوانی
10. کتاب مدیریت تولید و سیستم های تولیدی، تالیف دکتر احمد جعفرنژاد، انتشارات دانشکده مدیریت دانشگاه تهران
11. کتاب,Operation Management S. Anil Kumar , N. Suresh
12. کتاب تولید و عملیات، تالیف هایده متقی، انتشارات آوای شروین
13. کتاب شبیه سازی سیستم های گسسته پیشامد، تالیف هاشم محلوجی، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف
14. دکتر کامران فیضی، تجزیه و تحلیل مشکل نگرش های متفاوت در شبیه سازی رایانه ای، پاییز سال 85، فصلنامه مطالعات مدیریت
15. حامدرضا طارقیان، نقش شبیه سازی در اداره کارآمد واحدهای تولیدی، 1382
16. کتاب علم و هنر شبیه سازی، ترجمه علی اکبر مازار، مرکز نشر دانشگاهی
17. کتاب تصمیم گیری بر اساس الگوریتم ژنتیک در بهینه سازی، تالیف دکتر احمد صادقیه، انتشارات علم نوین
18. منصور مومنی، بهروز زارعی و مجید اسماعیلیان، تجزیه و تحلیل کارایی یک سیستم تولیدی به کمک مدل شبیه سازی، 1384
19. نظام الدین فقیه و محمدمهدی منتظری، موازنه خط مونتاژ با رویکرد الگوریتم ژنتیک، 1387
20. عطاالله طالعی زاده، میربهادر قلی آریا نژاد و احمد ماکویی، شبیه سازی تبرید تدریجی در بهینه سازی یک مدل کنترل موجودی چندمحصولی همراه با محدودیت فضا و بازپرسازی تصادفی، 1388
21. Algorithm for Determining Capacities of Individual Buffers In Assembly/Disassembly Systems, Keun-Chae Jeong and Yeong-Dae Kim, 1997
22. Price-Based Buffer Sizing In Assembly Syestems, Kyung. K. Lee, Young. S. Kim, 1997
23. Determining buffer location and size in production line using tabu search, Christian M. Lutz, K. Roscoe Davis, Minghe Sun, 1998
24. Heuristic for selecting machines and determining buffer capacities in assembly systems, K. C. Jeong, Y. D. Kim, 2000
25. An investigation of buffer sizing techniques in critical chain scheduling, Oya I. Tukel, Walter O. Rom, Sandra Duni Eksioglu, 2006
26. An efficient buffer design algorithm for production line profit maximization, 2009
27. Precast production scheduling using multi-objective genetic algorithm, Chien-Ho Ko, Shu-Fan Wang, 2011
28. Non-identical parallel machine scheduling using genetic algorithm, Savas Ballin, 2011
29. A discrete colonial competitive algorithm for hybrid flowshop scheduling to minimize earliness and quadric tardiness penalties, 2011
30. The use of meta-heuristic for airport gate assignment, Chun-Hung Cheng, Sin C. Ho, Cheuk-Lam Kwan, 2012
31. Effective heuristic for the blocking flowshop scheduling problem with makespan minimization, Quan-Ke Pan, Ling Wang, 2012
32. Scheduling flow line with buffers by ant colony diagraph, Andrea Rossi, Michele Lanzetta, 2013
33. Metaheuristics optimization approaches for two-stage reentrant flexible flow shop with blocking constraint, Chatnugrob Sangsawang, Kanchana Sethanan, Takahiro Fujimoto, Mitsuo Gen, 2015
1. bottleneck
2. Scenario
3. Buffer
4. Simulation Optimization
2. Metaheuristic Algorithm
5
6. Genetic algorithm
7. Production Planning
8. Double firing
9. Dryer
10. Single firing
11. Block Diagram
12. Flow Process Chart
13. Tecnoferrari guided vehicle
14 . Entity
15. Property
16. Event
17. Logic
18. Histogram
19 . Option
20. Stop Watch
—————
————————————————————
—————
————————————————————