Завод в цифре: имитационное моделирование для повышения эффективности производства

Имитационное моделирование — это построение компьютерных моделей и проведение экспериментов над ними [1]. Такой подход эффективен, если:

• параметров много, а зависимости между ними нелинейны;
• система обладает вероятностным поведением и обратными связями;
• система имеет различные состояния и изменяющуюся траекторию во времени.

Имитационный подход незаменим, когда нужно дополнить модель анимационной презентацией (симуляцией), при разработке виртуальных тренажеров, моделей движения транспорта или пешеходов.

Проверка предположений

Моделирование позволяет создавать интеллектуальные компьютерные модели производственных и логистических систем, чтобы выполнять анализ их характеристик и оптимизировать производительность. Цифровая модель дает возможность проводить виртуальные эксперименты и отвечать на вопросы «Что, если?» без изменений работы текущей системы или до инвестиций в строительство и новое производственное оборудование. Имитационное моделирование — способ проигрывать модель во времени, анимировать ее поведение.

Однако нужно помнить, что, описывая систему на языке имитационного моделирования, мы переходим на определенный уровень абстракции. Система в реальности всегда сложнее созданной модели, поскольку мы учитываем только самые существенные, важные для производства детали.

Решение задач без рисков

Моделирование — это поиск верного решения в мире, защищенном от рисков. Проигрывая сценарии работы виртуальной модели, мы имеем право на ошибку — можем менять операции, возвращаться к исходным данным и начинать проверку сначала. Инструменты статистики, анализа и визуализации помогут оценивать различные варианты построения производства и быстро принимать правильные решения еще на стадии проектирования. В итоге можно избежать материальных и временных затрат еще на этапе запуска.

Имитационное моделирование дает основу для организации бережливого производства — например, можно проводить балансировку загрузки оборудования, минимизировать складские запасы и переналадки при выпуске малыми партиями, рационализировать графики технического обслуживания и ремонтов, работать в режиме поставок по запросу.

Планирование изменений

Имитационное моделирование позволяет строить планы развития предприятия на трех уровнях — стратегическом, тактическом и оперативном. Разберем каждый из них подробнее.

Стратегия в цифре — результаты в реальности

Стратегическое планирование с помощью имитационных моделей актуально при создании нового или модернизации существующего производства. Это основа для принятия решений о будущих инвестициях или оптимизации. Цель такого планирования — оценить функционирование системы в периоды от недели до года и вычислить усредненные показатели производительности. В результате создания цифровой модели у специалистов появляется возможность принимать решения о типах и числе единиц оборудования, о топологии системы и правилах организации материало­потоков.

Приведем несколько примеров применения такого подхода.

Аэропорт Домодедово использовал имитационное моделирование при реконструкции международного терминала [2]. План учитывал существенное увеличение объема международных авиаперевозок, и было важно заранее снизить риски инвестиций в реконструкцию и подтвердить правильность проектного решения. Для оценки количественных и качественных показателей разработанного плана, который включал данные по необходимым объемам площадей, единицам транспорта и оборудования, было проведено имитационное моделирование на базе Tecnomatix Plant Simulation. Созданная модель позволила проводить эксперименты и анализировать работу системы, изменяя различные параметры и в части управления грузопотоками (например, графики прибытия и вылетов воздушных судов, количество транспорта и оборудования для обработки грузов, особенности работы WMS-системы), и в части оптимизации пассажиропотока (анализ параметров расписания и особенностей рейсов, графиков и маршрутов перемещений пассажиров по терминалу, количества оборудования в зонах регистрации, таможни, выдачи багажа и др.). Собранные данные помогли выявить узкие места — «бутылочные горлышки», устранение которых дало возможность скорректировать проектно-технологические решения и повысить общую производительность работы аэропорта.

Судостроительная компания Fincantieri применяет имитационное моделирование для оптимизации производства сразу на нескольких верфях [3]. Модель позволяет рассмотреть множество возможных технологических процессов и вариантов изготовления продукции и выполнить моделирование одного и того же процесса на разных верфях. Технологи и инженеры компании теперь могут продумывать различные подходы к планированию производства, учитывая трудоемкость операций, ограничения производства, схемы распределения заказов и материалов между ними (наличие материалов нужного объема, типа, массы, габаритов и сроков поставки), загрузку оборудования и особенности работы конкретных цехов. Таким образом компания анализирует проекты с учетом мощностей каждой верфи. Результатом применения имитационного моделирования Fincantieri стал новый подход к подготовке производства: от проектирования технологического оборудования до управления работой цехов. В итоге компания оптимизировала процессы планирования, обеспечила тесное сотрудничество верфей, стандартизировала техническую документацию и добилась точного соблюдения сроков заказов.

Тактика в цифре: быстрее, выше, сильнее

Тактическое планирование — это оценка текущего состояния производства и получение выводов о возможных путях его оптимизации, например исполнении дополнительных заказов или изменении сроков их выпуска. Планирование на этом уровне потребует доступа к исходным данным о состоянии производства. В этом случае проект будет включать интеграцию с системами предприятия либо ручной ввод данных с бумажных документов.

Рассмотрим один пример. В рамках предпроектного обследования компания PROF-IT GROUP провела расчеты имитационной модели участка финишной обработки одного цеха Первоуральского новотрубного завода. Модель подтвердила наличие узких мест, влияющих на производительность системы. Мероприятия по их разгрузке позволят увеличить производительность на 2%, а модернизация участка с применением современных роботизированных комплексов приведет к росту общей производительности цеха на 7% — за счет выбора резерва мощностей по производственной линии.

Оперативное планирование в цифре — быстрая оптимизация

Оперативное планирование предполагает построение графиков производства на короткий период времени — от нескольких часов до некоторого количества дней. В этом случае особенно остро встает вопрос об обратной связи от производства и получении актуальных данных о состоянии оборудования и его занятости на текущий момент — в сборе таких данных также поможет имитационное моделирование.

Вернемся к упомянутому кейсу «Домодедово» [2]. С помощью имитационного моделирования можно анализировать различные сценарии работы терминала и заранее планировать требуемое количество оборудования с учетом пиковых нагрузок, специфики рейсов различных направлений и профилей пассажиропотока. Анализ позволяет оперативно корректировать работу. Эксперименты с моделью помогают добиться заметного улучшения ежедневной деятельности служб аэропорта, в онлайн-режиме оптимизировать процессы регистрации на рейсы и обеспечения посадки, совершенствовать работу гейтов, а также графики и маршруты использования автобусов.

Для планирования на каждом из перечисленных уровней можно использовать одну и ту же имитационную модель.

Заключение

Построение цифровых моделей помогает сократить затраты на оборудование и инфраструктуру, улучшить показатели производительности (благодаря выбору оптимальных параметров объекта) и предсказать сценарии работы системы при меняющихся внешних условиях.

Главная задача имитационного моделирования — обеспечить поддержку при принятии решений, снизить затраты и выявить резервы для повышения эффективности производства. В случае модернизации или изменения структуры предприятия можно быстро оценить различные варианты развития производства, выбрав наиболее рациональный подход. При планировании инвестиционных проектов, изменений объемов производства, вывода новых продуктов или услуг имитационное моделирование будет особенно актуально благодаря возможности минимизировать риски и принять правильное решение без вмешательства в работу предприятия.