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基于业务流程管理的船体作业分配生产设计
Myeong-Jo Son,Tae-wan Kim
关键字：业务流程管理（BPM），船体生产设计，非平衡指派问题，匈牙利算法，决策支持系统,工作流程
摘要：作为互联网技术聚集的船舶建造工业的一部分，我们研究了业务流程管理在船体生产设计过程中的应用。船体生产设计是一个以工序为基础的任务，它所要求的工时占船舶设计所有过程中最多，并直接影响船舶生产，改善这一任务将会提高生产能力。因此，我们从业务流程的角度分析船体生产设计任务，为技术人员和设计工程师生成BPM模型。针对对于工程师和技术人员人员的作业任务，我们将“最优分配方法作”为决策支持系统(BPMS)的一部分，帮助管理者更好地分配船体分段。在这篇文章中，针对指派问题，我们提出了块标准设计M/H和变量设计M/H的概念,我们通过这个概念建立的模型来计算之后的M/H值问题。为了最小化生产设计任务所需的总M/H值，我们采用匈牙利算法。船体生产设计工序的业务流程管理执行软件模型使用一款名叫Bonita Open-Solution 5.7的软件，这是一个具有代表性的开源业务流程管理软件。
1.介绍
在这项研究中，我们分析了一个船体生产设计过程，以实现让技术人员使用业务流程管理系统来处理作业分配问题。在研究课题的介绍中，我将会简要介绍了业务流程管理（BPM）和造船流程.
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- 业务流程管理
工作流程软件是从流程角度来掌握和执行任务的工具，引入BPM的目的是通过“计划-执行-检查-行为”的闭环实现持续监控和改进流程，包括工作流程的全部角色。换句话说，工作流程法是一种从流程的角度来掌握和执行工作的方法，这样流程就可以由开发人员定义，并由用户在特定的工作流程系统中使用。BPM包括模拟，管理和执行过程的工作流程，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，以便在图纸和数据文本中使用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。每当参与者开始并完成任务时，BPMS引擎就会执行该任务并根据过程自动完成任务。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，每个任务的参与者也有所不同。批准过程证明了这一点：当不同的参与者按顺序确认时，这个过程就完成了。采用BPM时，不仅可以使用BPMS处理执行和管理，还可以使用其他功能。其中包括用于即时掌握工作进度的业务活动监控（BAM）工具，以及在运行期间重新安排工作分配或负载平衡，构建时间期间流程定义模型（PDM）的重新安排和优化以及业务流程重新设计（BPR）工具以在日志分析一段时间后改进业务流程本身。
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- 造船过程
当一艘船被订购后，在造船厂建造船舶需要以下流程：基本设计、详细设计、制造（包括钢筋切割）、装配、安装、启动、试验测试和交付。在海洋建筑和海洋工程的本科课程中，学术上已经充分涵盖了基本的设计过程，由于根据基于整个船舶和当地结构的结构分析的强度计算要对船舶的每个主舱进行船体详细设计，因此它是单一的任务级工作而不是基于过程的工作。船体生产设计是最终阶段的设计，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的不同而不同。由于设计标准和方法是由船厂工作手册给出，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人力输出才能完成，因此从业务流程的角度来看，这一领域将有大量的业务改进和生产力提升的空间。
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- 相关作品
对造船设计过程进行详细分析的相关研究很多。Bronsart等人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等人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从“工作流”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。杨、崔和王等人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等人提出了基于Tribon M3的船舶基础设计过程的教育框架，该框架使用了基于语义网络的电子学习系统的ShareFast软件。Hiekata等人还分析和处理了船舶基本设计过程的工作流程，以使用ShareFast的执行工作流程模型。 Zeetal从协同设计的角度提出了基于造船过程分析的过程模型。除了这些学术方法外，还有一些在造船厂采用工作流程系统或BPMS进行设计的尝试，但都应用于初始船舶设计阶段，如基本设计或船体结构设计。据我们所知，没有任何研究从“工作流”的角度分析和提出船体生产设计过程，因此我们研究团队是在此方面进行研究的第一个团队。
经典分配问题处理如何分配m个代理以分配给m个任务的问题。但是，如果存在一个目标，例如效率最大化或成本最小化，那么可以有很多组合的分配，这就会有一个组合优化问题。匈牙利算法是在多项式时间内解决组合优化问题的算法。匈牙利算法是由库恩在1955年开发和提出的，它是一种能够在多项式时间内解决接入点问题（AP）的组合优化算法。 此外，Munkres在三次方函数的执行时间中改进了这种方法来解决问题。匈牙利算法已被广泛应用于各行各业解决接入点问题：例如无人机目标分配研究，移动机器人工作分配以及集装箱港口动态泊位分配问题。通过将AP研究与BPM过程相结合，Kamrani等人建议使用匈牙利算法和模拟为一个简单的过程分配工作。chen和Kamrani等人，通过分析和建模人的表现和任务，在基于BPM的过程中处理AP，但是他们没有处理实际问题，而且结果都是有限的，并且且只给出了一个简单流程的示例AP场景。在这项研究中，我们使用匈牙利算法在基于BPM的过程中解决了工作AP，这与以前的两项研究类似，使用多种标准对工作人员和任务进行建模。这项研究的另一个新颖之处在于，目标过程和任务是造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在生产设计任务中设计了不同的模型。
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- 大纲
在本文中，我们解释了基于专业经验的船体生产设计中使用三维计算机辅助设计（CAD）系统作为船体生产设计工具。另外，我们从过程模型的角度将船体生产设计过程设计运用到PDM中，并且介绍了如何使用Bonita Open-Solution工具（BOS）在BPMS中使用BPM可执行模型，这是一个具有代表性的开源业务流程管理系统。当建立这种用于船体生产设计过程的BPM执行环境时，我们将处理设计人员的最佳作业分配问题作为改进业务的一部分。我们建议将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进行建模的一种方式，重视船体生产设计过程的块组件以及它们的相互作用。根据这个概念，我们建立一个假定不平衡的AP模型，并用匈牙利算法来解决它。我们介绍如何使用决策支持系统，该系统利用设计人员的BPM运行时环境选择最佳分配结果。
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的方法，并解释了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的过程。 在第5节中，我们将介绍如何使用BPM可执行模型。最后，在第6节中，我们将介绍结论和计划的未来工作。
2.船体生产设计
船体设计是指为每个舱室使用预定义的符号和线条设计船体结构的二维图纸,这些舱室有的具有结构一致性有的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护板等详细信息，以确保足够的结构强度,根据船舶的类型，可能会有20-50个施工任务，但它们不会一次性发布和完成。 一般根据船体结构设计团队的人力容量开始并发布施工，以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，任务都是以相同的方式建立起来的。由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，不仅大型船厂，而且还有中小型船厂已经利用面向造船的3D CAD系统，例如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，所有船体部件都被标记，为在后期生产阶段进行分类，例如切割和切割部件。 这些标签导致三维模型是分别单独生成的以用于嵌套。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3D建模完成时，所有舱壁、关键框架的特征以及生产信息、装配体和船体零件被写入工作图纸。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特征转换为船厂常见的预定义符号和线条，如图2所示。
另一方面，生产船体砌块的第一阶段是切割工艺，该工艺从原始钢板和成型钢梁上切割预期特征。这个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型板特征分配给原始矩形钢板的一项任务。此任务旨在便于切割工作并提高分配成品率。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。
在成形配置文件的情况下，嵌套程序会进行最优分配以最大化每个尺寸和类型的产量。 由于这些轮廓的轮廓形状各不相同，而且非常复杂，如果轮廓信息未生成自动生成，那么最后设计工程师必须通过起草制定剖面切割计划、曲面板和配置文件也需要弯曲信息。
当所有切割计划完成后，将编制所需的材料清单，其中包括原始钢板的尺寸和材料属性以及要切割的配置文件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，在查询了各种原始钢板和配置文件的库存状态后再进行任务。
生产工程图纸包括吊耳计划和脚手架计划。 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。
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。 绘图分析是一项任务，根据相应的船舶构造和模块划分，将构成生产设计单元的模块识别为工作项目。这些工作是通过这个被识别的单元或块进行分配和管理的，该单元成为生产单位。 图3显示了作为2万吨排水轻型航空母舰的“S02”项目的“主甲板常量”图到达后，船体生产设计部分的设计经理的任务。在图3所示的例子中，当确定了六个工作时间时，经理Kim BJ将工作分配给设计工程师，并考虑到工作难度和问题时间表等因素，根据绘图分析结果将两个块分配为未分配。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。
3.2船体生产设计建模
传统的分配方法完全依赖于管理人员的经验和知识，难以确定任务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能够很好地执行生产设计以处理标准块的熟练设计工程师的时间。在这里，我们定义一位熟练的设计工程师具有3 - 4年的工作经验，7-12个完成发行的区块，重新审查最后五个设计区块时没有记录，以及这些五个设计区块中的缺陷少于两个。我们将一个标准块定义为具有5-7个散装头，标准体积，没有孔，没有斜面舱壁，并且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整个没有甲板室的船舶的最大边界箱体积除以区域的数量所得到的值。
标准化的砌块设计工时分为船体生产设计中每项任务的标准要求工时和每个砌块的固定工时。 图4显示了当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，我们使用人日而不是更常用的工时来更直观地理解概念。
此时，我们可以根据块的特征及其相应的工作难度和固定工时分别处理可变工时。 固定工时定义为以下任务：标
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