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船体生产设计中基于业务流程管理的作业分配
摘 要:作为造船行业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理（BPM）的采用。 船体生产设计是一项基于过程的任务，所有船舶设计过程中所需的工时数（M / H）最多，并直接与船舶生产相结合，从而改进此任务可为提高生产力做出巨大贡献。 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。 特别是对于经理流程，我们实施最优分配方法作为决策支持系统的一部分，以帮助经理有效地将船体模块分配给BPM系统（BPMS）中的设计工程师。 在本文中，我们提出了分配问题的块标准设计M / H和变量设计M / H的概念。 我们通过使用这个概念后开发的模型来计算估计的M / H。 为了最大限度地减少生产设计中任务总的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，后者是一个具有代表性的开源BPMS。
关键词：业务流程管理船体生产设计不平衡分配问题,匈牙利算法,Workflow,决策支持系统
- 介绍
1.1业务流程管理
在将工作流程作为从流程角度来掌握和执行工作的方法之后，引入了BPM，目的是通过“计划 - 执行 - 检查 - 行为”的闭环实现持续监视和改进流程，“包括作品的完整角色。workow是一种从流程的角度来掌握和执行作品的方法，以使流程成为可能，由开发人员定义并由用户在特定工作系统中使用。 BPM包含工作流程，该工作流程对流程进行建模，管理和执行，并具有其他功能，如实时监控，通过日志分析改进流程，以及通过模拟改进工作，以便在本文中使用BPM作为管理基于流程的工作的技术。
在领域专家以流程的形式捕获相应的工作后，流程建模师将其转换为BPM模型以便在BPMS中执行。 BPMS引擎将实施的BPM流程模型分配给BPMS的最终用户，BPMS也负责实际商业领域中的相应工作，以创建流程实例。 只要参与者启动并完成任务，BPMS引擎就会根据流程自动执行任务。 这些类型的流程实例可以为多个参与者而存在，并且一个参与者可以同时拥有多个流程实例。 即使在单个过程中，参与者对于每个任务也可以有所不同。 批准过程证明了这一点：当不同参与者按顺序排列（例如，员工，助理经理，经理和主管）时，此过程就完成了。 采用BPM时，不仅使用BPMS进行流程执行和管理，还有其他功能可能; 其中包括用于即时掌握工作进度的业务活动监控（BAM），以及在运行期间重新安排工作分配或负载平衡，在构建时重新布置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本身。
1.2 造船过程
订购船舶时，在船厂建造船舶需要以下流程：基本设计，详细设计，包括安装钢筋切割，组装，，启动，试验测试和交付的制造。 基础设计过程在海军建筑和海洋工程本科课程中已经在学术上得到了充分的覆盖Zubaly，1996; Tupper和Rawson，2001年，Watson，2002年; Tupper，2005年）。 由于根据基于整个船舶和局部结构的结构分析的强度计算对船舶的每个主舱室执行船体细节设计，它是单一任务级别的工作，而不是基于流程的工作。 船体生产设计是一个最终阶段的设计，充当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不同而不同。 由于设计标准和方法是以船厂工作手册的形式给出的，并且工程计算对于设计不是必需的，所以船体生产很少在学术上进行分析和研究。 与基本设计和细节设计相比，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，这一领域预计将展现出最多的业务改进和生产力提升。
1.3大纲
在本文中，我们根据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。 另外，我们从流程模型的角度将船体生产设计过程设计到了PDM中，并且我们给出了使用Bonita Open-Solution（BOS）可以在BPMS中执行的BPM可执行模型的实现结果，它是一个代表性的开源BPMS。 当建立这种用于船体生产设计过程的BPM执行环境时，我们将处理设计经理的最佳作业分配问题作为业务改进的一部分。 我们建议标准化的块设计工时和设计工程师工时可用性的概念，作为设计工程师的能力和属性建模，船体设计生产设计过程的块组件以及它们之间的相互作用。 根据这个概念，我们建立一个假定不平衡的AP，并用匈牙利算法来解决它。 我们介绍决策支持系统的实现，该系统利用设计经理的BPM运行时环境的最佳分配结果。
在 第2节，我们解释船体生产设计过程。 在第3节，我们描述了当前将船体生产设计的单元工作项块分配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的方法。 在第4节，我们描述了将匈牙利算法应用于最佳分配的AP的过程。 在第5节，我们介绍BPM可执行模型的实现结果。 最后，在第6节，我们提出结论和计划的未来工作。
2. 船体生产设计
船体设计是指使用每个舱室的预定符号和线条来设计船体结构的二维图; 这些舱室具有结构一致性或根据船舶的类型由功能性分开。 这些隔室可以是船的一部分，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建造基于一般建造，总体布置和中型船舶等关键计划。 该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套环板等详细信息，以确保充分的结构强度。 根据船的类型，可能有20-50个施工任务，但是他们不是一次性发放和完成的。 根据船体结构设计团队的人力容量开始施工，或确保车厢间的结构一致性。
如上所述，船体生产设计过程从施工的发布开始。 生产设计是为了便于造船厂的工作。 为了提高生产力，任务按照与造船厂生产相同的方式进行。 船体生产设计产生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以3D几何形状表示所有舱壁和船体部件，因此根据模块的不同，A3尺寸纸张上的工作图纸可能会超过40页。 这些类型的图纸需要几个工时，使用设计工程师草稿完成嵌套并不容易。 为了解决这个问题，不仅主要，而且中小型船厂已经采用和利用面向造船的3D CAD系统，如AVEVA的Tribon M3和AVEVA Marine（AM）以及Intergraph的Smart Marine 3D（SM3D）。 与代表特征和几何的一般3D CAD系统不同，这些系统有一个附加的数据库，其中包含船舶设计和生产的关键信息。
在对建筑中各种符号和特征进行分析后，船体的生产设计从三维CAD模型的生成开始。 对于模型生成，所有船体部件均标记为在后期生产阶段（如切割和装配）的分类。 这些标签导致M-BOM。 三维模型是分别单独生成的，用于嵌套。 由于真正的钢板是根据嵌套进行切割的，因此考虑到焊接变形和转换产生的变形，翻转（T / O）和堆场存储，应该精确和精确地制作3D模型。
根据建筑规范和标准零件特征，附加建模遵循建筑中的符号，省略的零件和加强筋的端部切割信息。 当三维建模完成后，所有舱壁，关键帧的特征以及生产，装配和船体部件的信息都写入工作图中。 工作图不是草拟的，而是通过附加修饰创建的，其中注释和尺寸标注在用完整3D模型创建的2D平面视图中。 此时，3D CAD系统会自动将3D特征转换为造船厂中常见的预定义符号和线条，如图所示图1.
另一方面，生产船体砌块的第一阶段是切割过程，该过程从原始钢板和成型钢梁切割预期特征。 此过程需要几何特征信息，M-BOM信息，每个生产阶段的交货信息，以及加强筋将连接到钢板上的标记信息。 所有这些信息都可以从3D CAD系统的建模结果中获得。
嵌套是根据材料特性和厚度将模拟板特征分配给原始矩形钢板的任务。 这项任务旨在为裁员工作提供便利，并提高分配收益率。 在此过程中，嵌套列表中不包括成形扶强材（如钢条）以外的支架和加强筋。 这些嵌套结果作为输入传送到CNC机床，以自动生成A3尺寸的切割图。
对于成形的大头针，嵌套程序会进行最佳分配，以最大化每个尺寸和类型的产量。 由于产品的底切形状各不相同，而且很复杂，如果底切信息不是自动生成的，设计工程师将不得不通过绘图来制作切割计划。 弯曲的盘子和盘子也需要弯曲信息。所有切割计划完成后，编制所需的材料清单，其中包括要切割的原始钢板和粗钢的尺寸和材料特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，在查询了各种原材料钢板和原材料的库存情况后完成任务。
生产工程图由吊耳计划和脚手架计划组成。 吊耳规划表示临时安装用于组装块的过渡，旋转和T / O的吊耳的位置，类型，特征和强度。 脚手架计划在块组装中需要时代表脚手架的位置，类型和特征。
图1.在面向造船的CAD系统中从模型自动转换为符号。
3. 船体生产设计中的作业分配
3.1传统的船厂工作分配方法
当设计部门经理接收来自船体设计部分的施工时，船体生产设计部分的工作过程开始。 绘图分析是一个任务，它根据相应的船舶构造和模块划分标识包含作为工作项目的生产设计单元的模块。 作业被分配和管理与这个已识别的单元或块，这成为生产单位。图3 展示了作为2万吨轻型航空母舰的“S02”项目的“主甲板常量”图到来后，船体生产设计部分的设计经理的任务。
在示例中显示图2，当确定了六个工作时间时，经理Kim BJ根据绘图分析结果为设计工程师分配块，并根据工作差异，问题时间表等等将两个块取消分配。 经理与分配的设计工程师讨论每个块的预期工时，以制定生产设计结果的详细问题时间表。 根据这个时间表，对于每个关键块的关键问题，管理人员逐一手动检查和管理设计工程师的工作进度。
图2.船体生产设计部门经理的任务。
3.2.船体生产设计建模
传统的分配方法完全依赖于经理的经验和知识，很难确定一个分配是否做得足够好，以达到目标与否。 在本文中，为了有效地分配船体生产设计中的工作，我们提出了标准化的块设计工时和设计工程师工时可用性的概念。 我们将标准化的块设计工时定义为可以执行生产的熟练设计工程师的时间设计好以处理标准块。
4. 使用匈牙利算法优化船体生产设计的作业分配
4.1匈牙利算法应用于最优分配
n个工作到n个代理
第1步：从每一行中减去行最小值。
步骤2：从每列中减去列min。
步骤3：尽量使用尽可能少的线条来覆盖矩阵中的所有零点（k =线数）。 如果开启，找到最小未覆盖数（m）并从每个未覆盖数中减去m。
将m添加到由两行覆盖的每个数字返回到步骤3
如果k = n，则转到下一步
步骤4：从最上面一行开始，做出作业
（如果一行中只有一个零，则可以完成唯一的赋值）。
从矩阵中删除指定的行和相应的列。
如果不能完成所有分配，则切换到列方向。
图3表示应用于上述船体生产设计分配方案的步骤1和2的计算结果第4.1节.
图3
图 4
由于这个AP是一个六块和四位设计工程师的不平衡问题，因此我们在为每个项目添加两个空值的虚拟工人之后继续执行第3步，如图4.
在步骤3中，我们转换成本矩阵，同时仍然具有相同的最优解，直到它满足匈牙利算法的条件。 此时，由于至少创建了一个新的零值，我们只需进行几次迭代就可以继续执行步骤4。 在这个例子中，我们能够找到转换成本矩阵，满足匈牙利算法的三种变体的条件，如图所示图5.
图5
在步骤4中，我们开始使用从上到下或从左到右的唯一零来指定行或列，如图6。 在从成本矩阵中删除分配的行和相应的列或反之后，我们重复此过程，直到完成所有分配。
图 6
因此，使用匈牙利算法的最佳分配如下：对Kim SY的B＃3502; B＃2502至Yoon GJ; B＃3501至Moon DR; B＃2501，B＃2503和B＃3503中的任何一个都被分配给Lee GJ，如图所示图7.
图7
图8
为了验证匈牙利算法的赋值结果，以上例子的所有情况计算如下所示图8。 结果，匈牙利算法的结果被证明提出了最佳分配。 如果分配顺序完成，换句话说，先进先出（FIFO），分配如下：B＃2501到Kim SY; B＃3501至Moon DR; B＃2502至Yoon GJ; B＃3502到LEE GJ总花费的人工天数为120.4 M / D，远大于匈牙利算法的最优分配结果 - 95.6 M / D。
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BPM可执行模型的实现
- 基于BPM的船体生产设计工作分配
图9代表了本研究中提出的基于BPM的工作分阶段改进设计经理工作任务的概念。 首先，在开发可执行BPM模型时，可以实现作为BPM特征的实时监控，如图所示图9。 详细地说，当设计经理选择项目#39;S02-Main Deck Const。#39;时，在完成的过程中图10，为了检查部件成员的月度工作进度，可以看到在BAM窗口中以树视图组织的工作项目块，以及关于他们被分配的人员和当前工作状态的信息以百分比形式进展。 当设计经理点击每个工作项目时，相应设计工程师的当前BPM过程进度将以直观方式显示。 此外，每当施工问题，相关文件，图纸等都会出现。 如果应用本文提出的标准化块设计工时，除了开发
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