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基于业务流程管理的船体生产设计作业分配

摘要：作为造船业IT融合的一部分，我们研究了船体生产设计过程中业务流程管（BPM）的采用。船体生产设计是一项基于过程的任务，在所有船舶设计过程中需要最多的工时（M / H），并且与船舶生产直接相关，从而改进这项任务可以为提高生产率做出巨大贡献。因此，我们从业务流程的角度分析船体生产设计任务，为经理和设计工程师生成BPM模型。特别是对于管理器流程，我们将最佳分配方法实施为决策支持系统的一部分，以帮助管理人员有效地将船体块分配给BPM系统（BPMS）中的设计工程师。在本文中，我们为分配问题提出了块标准设计M/H和变量设计M/H的概念。我们通过使用在此概念之后开发的模型来计算估计的M/H.为了最小化生产设计的总分配M/H，我们采用匈牙利算法。船体生产设计过程的BPM可执行模型是使用Bonita Open-Solution 5.7实现的，这是一个代表性的开源BPMS。

1. 简介

在本研究中，我们分析船体生产设计过程，实施设计管理器流程，使用业务流程管理系统（BPMS）处理工作分配问题。作为研究课题的介绍，我们简要介绍了业务流程管理（BPM）和造船过程。

• 1. 业务流程管理

从流程角度调整工作流程作为掌握和执行工作的方法之后，引入BPM的目的是通过“plando-check-act”的闭环实现对流程的持续监控和改进，包括工作流程的完整作用。换句话说，如图1所示，工作流程是从过程的角度掌握和执行工作的方法，以便该过程可以由开发人员定义并由用户在某个工作流程系统中使用。 BPM包括工作流程，用于建模，管理和执行流程，并具有其他功能，如实时监控，通过分析日志的流程改进，以及通过模拟改进工作，因此在本文中，我们使用BPM作为管理基于流程的工作的技术。

在域专家以流程的形式捕获相应的工作之后，流程建模者将其转换为BPM模型以在BPMS中执行。BPMS引擎将实现的BPM流程模型分配给BPMS的最终用户，BPMS的最终用户也负责实际业务领域中的相应工作，以创建流程实例。每当参与者启动并完成任务时，BPMS引擎将根据该过程自动执行任务。这些类型的流程实例可以存在于多个参与者中，并且单个参与者可以同时拥有多个流程实例。即使在单个流程中，参与者对于每个任务也可以是不同的。批准过程证明了这一点：当不同的参与者按顺序确认时（例如，员工，助理经理，经理和董事），这个过程就完成了。采用BPM时，不仅可以使用BPMS进行流程执行和管理，还可以使用其他功能;这些包括业务活动监控（BAM），用于即时掌握工作进度和重新安排工作分配或运行时负载平衡，在构建期间重新安排和优化流程定义模型（PDM）以及业务流程再造（ BPR）在日志分析一段时间后改进业务流程（Lee et al。，2010）。

1.2. 造船过程

造船过程订购船舶时，在造船厂建造船舶需要以下过程：初步设计，详细设计，制造，包括钢材切割，装配，安装，下水，试验和交付。，初步设计过程已经包含在船舶与海洋工程的本科课程中并得到充分学习。因为根据基于整船及船体结构的分析的强度计算，对船舶的每个主要舱室进行船体详细设计，这是单任务级工作而不是基于过程的工作。船体生产设计是一个最终阶段的设计，是设计和生产之间的桥梁。船体生产设计与单个造船厂的设施和生产过程密切相关，因为设计标准和方法因船厂而异。由于设计标准和方法是以船厂工作手册的形式给出的，并且设计不需要工程计算，因此船体生产很少进行学术性的分析和研究。与初步设计和详细设计相比，船体生产设计过程需要更多的工时和输出才能完成；因此，从业务流程的角度来看，预计该领域将显示出最大的业务改进和生产力提升。

• 1. 相关工作

基于造船设计过程的详细分析，已经进行了许多研究。Bronsart等(2005)开发了船舶设计过程所需的通信模型，以建立无缝协作的环境。Kim等(2002)分析了从设计到生产的造船过程，实现了基于仿真设计（SBD）和数字化制造的仿真模型。 Wu和Shaw（2011）从工作流程的角度分析了船舶基本设计过程，并将其应用于建立知识工程（KBE）系统。Yang等（2012）和Cui和Wang（2013）研究了船舶结构设计过程，并将KBE应用于结构设计和优化。 Hiekata等（2007b）提出了一个基于Tribon M3的船舶基本设计过程的教育框架，使用一个基于语义网络的电子学习系统ShareFast。 Hiekata等（2007a）还根据使用ShareFast实现可执行工作流模型的工作流程，分析和接近了船舶基础设计流程。Ze等（2005）从协作设计的角度提出了一个基于造船过程分析的过程模型。

除了这些学术方法之外，还有一些尝试将工作流程系统或BPMS用于造船厂的设计过程，但所有这些都适用于初始船舶设计阶段，如基础设计或船体结构设计。据我们所知，没有研究从工作流程的角度分析和提出船体生产设计过程;因此，这是本研究的原始贡献之一。

经典分配问题（AP）处理如何分配m个代理（或机器）以分配给m个任务（或工作）的问题。可以存在各种分配组合，但是当存在诸如效率最大化或成本最小化的目标时，它成为组合优化问题。匈牙利算法是在多项式期间内解决组合优化问题的算法。匈牙利算法由库恩于1955年开发并提出;它是一种能够在多项式期间内解决AP的组合优化算法。此外，Munkres（1957）改进了这种方法用于在O()的执行时间内解决AP。匈牙利算法已被广泛应用于各种行业以解决AP：例如，无人机（UAV）的目标分配研究，移动机器人的工作分配，以及集装箱港口的动态泊位分配问题。通过将AP研究与BPM过程相结合，Kamrani等（2012）建议使用匈牙利算法和模拟为简单过程分配作业。Shen等（2003）和Kamrani（2009）通过分析和建模人类绩效和任务来处理基于BPM的过程中的AP，但是他们的结果都是有限的，因为他们没有解决实际问题，而是一个简单过程的示例AP场景。在这项研究中，我们使用匈牙利算法在使用多个标准对工人和任务进行建模后，在基于BPM的过程中解决了作业AP，类似于前两个研究。然而，这项研究的另一个新颖之处在于目标过程和任务是船厂船体生产设计过程的实际问题;因此，我们为设计工程师和生产设计任务设计了单独的模型。

• 1. 大纲

在本文中，我们基于船体生产设计的专业经验，使用三维（3D）计算机辅助设计（CAD）系统作为领域专家来解释船体生产设计过程。此外，我们从流程模型的角度将船体生产设计流程设计到PDM中，并且我们使用Bonita Open-Solution（BOS）提供BPM可执行模型的实现结果，该模型可以在BPMS中执行，BOS是一个代表性的开源BPMS。当这种用于船体生产设计过程的BPM执行环境建立时，我们处理设计管理部分的业务改进的最佳工作分配问题。我们提出标准化块设计工时和设计工程师工时可用性的概念，作为对设计工程师的能力和属性，船体设计生产设计过程的块组件及其相互作用进行建模的一种方式。根据这个概念，我们建立一个假设不平衡的AP并用匈牙利算法解决它。我们介绍决策支持系统的实现，该系统利用设计管理器的BPM运行时环境的最佳分配结果。

在第2节中，我们解释了船体生产设计过程。在第3节中，我们将当前用于分配块的方法（船体生产设计的单元工作项）描述给设计工程师，并解释标准块设计工时和设计工程师工时可用性的建议概念。在第4节中，我们描述了将匈牙利算法应用于最优分配的AP的程序。在第5节中，我们提出了BPM可执行模型的实现结果。最后，在第6节中，我们提出了结论和计划的未来工作。

1. 船体生产设计

船体设计是指使用每个舱室的预定义符号和线条设计船体结构的二维图纸；这些隔室具有结构一致性或根据船舶类型通过功能分开。这些隔间可以是船的一部分，例如发动机室，主甲板，船首或船尾，或具有特殊功能的结构模块，例如竖井支柱，漏斗或海水箱。由此产生的船体设计结构基于关键计划，例如一般结构，总体布置和船中部分。结构包括加强筋的位置和规格，端部切割方法，支架和用于切割孔的轴环板等细节，以确保足够的结构强度。根据船舶的类型，可能有20-50个施工任务，但不会同时发布和完成。根据船体结构设计团队的人力资源或确保隔间之间的结构一致性来开始并按顺序发布施工。

如上所述，船体生产设计过程从施工的发布开始。进行生产设计是为了方便造船厂的工作；为了提高生产率，任务以与造船厂生产相同的方式设置。船体生产设计的生产设计图包括工作图，嵌套和切割图，制造物料清单（M-BOM）和生产工程图。由于生产设计图必须代表3D几何体中的所有隔板和船体部件，因此根据块，工作图纸在A3尺寸纸张上可超过40页。这些图纸需要几个工时，使用设计工程师草稿进行嵌套并不容易。为了解决这个问题，不仅大型船厂还有中小船厂都采用并利用了造船导向的3D CAD系统，如AVEVA的Tribon M3和AVEVA Marine（AM）以及Intergraph的Smart Marine 3D（SM3D）。与表示特征和几何的一般3D CAD系统不同，这些系统具有包含船舶设计和生产的关键信息的附加数据库。

在分析构造中的各种符号和特征之后，船体生产设计从3D CAD模型的生成开始。对于模型生成，所有船体部件都标记为在后期生产阶段（例如切割和装配）中的分类。这些标签生成了M-BOM。3D模型是逐个单独生成的，用于嵌套。由于真实钢板是根据嵌套切割的，因此考虑到过渡，周转（T / O）和堆场存储的焊接变形和生产变形，应该细致精确地制作3D模型。

根据建筑规格和标准零件特征，附加建模遵循结构中的符号，省略的部分和加强筋的端部切割信息。完成3D建模后，所有隔板，关键框架的特征以及生产，装配和船体部件的信息都会写入工作图纸中。工作图纸不是草拟的，而是通过在使用完整3D模型创建的2D平面视图中，使用注释和尺寸标注进行附加修饰来创建的。此时，3D CAD系统自动将3D特征转换为造船厂常见的预定义符号和线条，如图2所示。

另一方面，生产板块的第一阶段是切割过程，从原始钢板和成型钢梁切割出预期特征。该过程需要几何特征信息，M-BOM信息，每个生产阶段的交付信息，以及加强筋将附着到板上的标记信息。所有这些信息都可以从3D CAD系统的建模结果中获得。

嵌套是基于材料特性和厚度将模型板特征分配给原始矩形钢板的任务。该任务旨在提供易于切割工作和提高分配产量。在此过程中，嵌套列表中包括除了扁钢等形状加强筋之外的支架和加强筋。这些嵌套结果作为输入传输到CNC机床，以自动生成A3尺寸的切割计划。

在成形轮廓的情况下，嵌套程序进行最佳分配以最大化每个尺寸和类型的产量。由于型材的端部切割形状彼此不同并且复杂，如果不自动生成端部切割信息，则设计工程师必须通过绘图来制定型材切割计划。弯曲的板和型材也需要弯曲信息。

完成所有切割计划后，编制所需的材料清单，其中包括要切割的原始钢板和型材的尺寸和材料属性以及切割计划中相应的图纸名称和编号。此时，为了避免返工，在查询每种原始钢板和原型的库存状态后完成任务。

生产工程图包括吊耳计划和脚手架计划。 吊耳平面图表示临时安装的凸耳的位置，类型，特征和强度，用于组装块的过渡，旋转和T / O.。支架计划表示块组件中需要时支架的位置，类型和特征。

3.船体生产设计中的工作分配

3.1. 船厂的传统工作分配方法

当部件设计经理接收到船体设计部分的施工指令时，船体生产设计部分的工作开始。图纸分析是一项根据船舶的相应构造和区块划分，确定构成生产设计单元的块作为工作项目的任务。这个作业是通过这个识别成为生产单元的单元或块来分配和管理的。图3展示了船体生产设计部分中的设计经理的任务，“主要甲板施工”到达“S02”项目之后无进程，“S02”项目是20,000吨排水量的轻型航空母舰。

在图3示例中，当确定六个工作时间时，经理Kim BJ考虑到工作难度，问题安排等为设计工程师分配块，并根据绘图分析结果保留两个未分配的块。管理人员与分配的设计工程师讨论每个区块的预期工时，以制定生产设计结果的详细问题时间表。根据这个时间表，对于每个密钥发布块，管理员挨个地手动检查和管理设计工程师的工作进度。

3.2. 船体生产设计建模

传统的分配方法完全依赖于管理者的经验和知识，很难确定分配是否完成得足以达到目标。在本文中，为了有效地分配船体生产设计中的工作，我们提出标准化的块设计工时和设计工程师工时可用性的概念。我们将标准化块设计工时定义为熟练的设计工程师的时间，工程师可以很好地执行生产设计以处理标准块。在这里，我们定义一位技术娴熟的设计工程师，拥有3 - 4年的工作经验，可完成7到12个块的发布，无重新审查最后五个设计块的记录，以及那些五个设计块中不到两个故障。我们将标准块定义为具有5-7个隔板，标准体积，无孔，无倾斜隔板，并使用基于甲板的方法和脚手架进行组装。此时，标准体积被定义为将无甲板室的整船的最大边界箱体积除以块数的值。

标准化的区块设计工时分为船体生产设计中每项任务的标准所需工时和每个区块的固定工时。图4显示了在船体生产设计过程中设计上述标准块时每项任务所需的工时。在本文中，我们使用人工日（M/D；假设一个工作日由九个工作小时组成，1M/D为9M/H）而不是更常用的工时直观地把握这个概念。

在这一点上，我们可以根据块的特征及其相应的工作难度和固定的工时分别处理变量工时。以下任务的固定工时定义为：标签（1M/D）；审查（2M/D）；问题准备（1M/D）；和嵌套生成（1M/D）。每个块的其他任务的工时不同，处理标准块时所需的工时如下：基于CAD的3D建模（7M/D）；使用3D模型生成工作图（7M/D）；筑巢（3M/D）；切割计划生成（2M/D）；吊耳平

资料编号：[3744]