Ocean Engineering 88 (2014) 12–26
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Ocean Engineering
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Business process management-based job assignment in ship hull production design
Myeong-Jo Son a, Tae-wan Kim b,n
a IT Convergence Research Team, Korean Register, Seoul 150-871, Republic of Korea
b Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, and Research Institute of Marine Systems Engineering, Seoul National University, Seoul 151-744, Republic of Korea
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 31 July 2013
Accepted 21 May 2014
Available online 1 July 2014
Keywords:
Business process management Ship hull production design Unbalanced assignment problem Hungarian algorithm
Workflow
Decision support system
a b s t r a c t
As a part of the IT convergence in the shipbuilding industry, we examine the adoption of business process management (BPM) for the ship hull production design process. Ship hull production design, which is a process-based task, requires the most man-hours (M/H) among all ship design processes and is directly coupled with ship production, whereby improvements in this task can provide large contributions to enhancing productivity. Thus, we analyze the hull production design task from the perspective of the business process to generate BPM models for a manager and design engineers. Particularly for the manager process, we implement the optimal assignment method as a part of the decision support system to help the manager efficiently assign hull blocks to design engineers in the BPM system (BPMS). In this paper, we suggest the concepts of the block standard design M/H and variable design M/H for the assignment problem. We compute the estimated M/H by using models developed after this concept. To minimize the total required M/H of assignments for the production design, we adopt the Hungarian algorithm. The BPM executable model of the hull production design process is implemented using Bonita Open-Solution 5.7, which is a representative open-source BPMS.
amp; 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.
- Introduction
In this study, we analyze a ship hull production design process to implement a design manager process to handle job assignment problems using a business process management system (BPMS). As an introduction to the research topic, we briefly introduce business process management (BPM) and the shipbuilding process.
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- Business process management
After the adaptation of the workflow as an approach to grasp and execute works from the perspective of a process, BPM was introduced with the intent of achieving the continuous monitoring and improvement of a process through the closed loop of “plan- do-check-act,” including the complete roles of a workflow (WfMC- TC-00-1003, 1995; WfMC-TC-1011,1999; WfMC-TC-1016-P, 1999;
Aalst et al., 2000; Smith and Fingar, 2003). In other words, as shown in Fig. 1, workflow is an approach to grasp and execute works from the perspective of a process so that the process can be
n Corresponding author. Tel.: thorn; 82 2 880 1434; fax: thorn; 82 2 888 9298.
E-mail address: taewan@snu.ac.kr (T.-w. Kim).
defined by a developer and used by a user in a certain workflow system. BPM includes the workflow, which models, manages, and executes the process, and has additional functionalities such as the real-time monitoring, the process improvement through the analysis of logs, and the work improvement through a simulation so that in this paper, we use BPM as a technique to manage a process-based work.
After a domain expert captures the corresponding work in the
form of a process, a process modeler converts this into the BPM model for execution in a BPMS (Lee, 2010). A BPMS engine assigns the implemented BPM process model to an end-user of the BPMS, who is also in charge of the corresponding work in the real business world, to create a process instance. Whenever a partici- pant starts and completes a task, the BPMS engine carries out the tasks automatically according to the process. These kinds of process instances can exist for several participants, and a single participant can have multiple process instances at the same time. Even within a single process, participants can be different for each task. This is demonstrated by the approval process: this process is accomplished when different participants confirm in sequential order (e.g., staff, assistant manager, manager, and director). When BPM is adopted, not only process execution and management using BPMS but also other functionalities are
http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2014.05.010
0029-8018/amp; 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Fig. 1. Relation between the workflow and the BPM.
possible; these include business activity monitoring (BAM) for grasping work progress in an instant and rescheduling of job assignments or load balancing during run-time, the rearrange- ment and optimization of the process definition model (PDM) during build-time, and business process reengineering
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Ocean Engineering 88 (2014) 12–26
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海洋工程
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船舶生产设计中基于作业分配的业务流程管理
Myeong-Jo Son a, Tae-wan Kim b,n
a IT融合研究团队，韩国注册，首尔150-871，大韩民国。
b海军建筑与海洋工程系，首尔海事系统工程研究所，首尔大学，首尔151-744，大韩民国。
摘要 作为造船制行业IT融合的一部分，我们研究了在船体生产设计过程中采用的业务流程管理（BPM）。船体生产制造是一项基于流程，在整个船舶设计中最花费工时的任务，并且直接和船舶的生产相关，是一项只要改进就可以为提高生产力做出的贡献的任务。因此，我们从业务流程管理的角度分析船体生产设计的任务，给管理者和设计师提供BPM 模型。尤其对于管理流程层面，我们作为决策支持中的一部分提供最优分配方案，来帮助管理者高效的将船体模块分配给设计师。在本文中，我们提出了分段划分工时和进程问题来变化工时的概念。再提出这个概念以后，我们开发了一个模型，并以此来估算工时。为了最大限度地减少生产设计安排的工时，我们采用匈牙利算法。船体生产设计过程中可执行的BPM模型是在Bonita Open-Solution5.7之后完成的，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 匈牙利算法 工作流程 决策支持系统
- 引言
在本文中，我们利用了业务流程管理系统（BPMS）分析了船体生产设计过程，以便于设计管理过程中处理工作分配问题。作为本研究课题的介绍，我们简要介绍了业务流程管理（BPM）和船舶建造过程。
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- 业务流程管理
在适应了从过程的角度来掌握和执行工作的工作流程之后，引入BPM的目的是为了实现持续监控和改进作为一个完整的工作流程的“plan-do-check-act“闭环流程（WfMC- TC-00-1003, 1995; WfMC-TC-1011,1999; WfMC-TC-1016-P, 1999; Aalst等人, 2000; Smith and Fingar, 2003）。换句话说，如图1所示，工作流程是从过程的角度来掌握和执行工作的，以便于过程可以被开发者定义以及用户在某一个系统中使用。BPM包含的工作流程有建立模型，管理和执行流程，并且还有例如实时监控之类的其他功能，还能通过分析日志来改进流程和通过模拟改进工作，以至于在本文，我们将BPM作为一个高科技手段来管理这种以流程为基础的工作。
图 1. 工作流程和业务管理之间的联系.
当一个领域专家以流程的形式捕获了相应的工作之后，一个流程建模人员就会将此转换为一个BPM模型以便于在BPMS中执行（Lee，2010）。一个BPMS引擎将实施的BPM流程模型分配给BPMS中的一个终端用户，该用户在真是的商业世界中负责相应的工作，并创建一个流程实例。无论何时，只要参与者启动并完成任务，BPMS引擎就会根据流程来执行这项任务。这些流程实例可以产生数条规则，并且每一条规则在同一时间可以对应数个流程实例。甚至在单个流程中，每个任务的参与者也可能不同。这一点可通过审批流程来证明:当不同的参与者(如员工、助理经理、经理和主管)按顺序执行时，才能够完成此流程。当采用BPM时，不仅可以使用BPM执行和管理流程，还可以使用其他功能；其中包括业务活动监控( BAM )，用于即时掌握工作进度，在运行时重新安排作业分配或负载平衡，在构建期间重新安排和优化流程定义模型( PDM )，以及业务流程重组( BPR )，用于在日志分析一定时间后改进业务流程本身( Lee等，2010年)。
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- 船舶建造流程
在订购船舶时，在造船厂建造船舶需要以下过程:基本设计、详细设计、包括钢切割、组装、安装、下水、试验和交付的制造( Lamb，2003；Storch等人, 2007年)。基本设计过程已经在海军建筑和海洋工程本科课程中得到有效的涵盖( Zubaly, 1996; Tupper and Rawson, 2001, Watson, 2002; Tupper, 2005)。由于船体的每个主要舱室的详细设计是根据全船结构分析和局部结构的强度计算的 ( Hughes and Paik, 2010 )，因此这是单个任务的工作，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，是设计与生产之间的桥梁。船体生产设计与单个造船厂的设施和生产过程密切相关，因为各个造船厂的设计标准和方法不同。由于设计标准和方法是以造船厂工作手册的形式给出的，设计不需要工程计算，因此对船体生产的分析和研究很少。与基本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产出才能完成；因此，从业务流程的角度来看，这一领域有望显示出最大的业务改进和生产力提高。
1.3相关工作
在对造船设计过程进行详细分析的基础上，进行了大量的研究。Bronsart等人在2005年开发了船舶设计过程所需的通信模型，以建立无缝协作环境。Kim等人在2002年分析了造船从设计到生产的全过程，实现了基于仿真的设计( SBD )和数字化制造的仿真模型。Wu和Shaw在2011年从工作流的角度分析了船舶的基本设计过程，并应用该过程建立了知识工程( KBE )系统。Yang等人在2012年和Cui和Wang在2013年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等人在2007年提出了一个基于Tribon M3的船舶基本设计过程教学框架，这是一个基于语义网络的电子学习系统。Hiekata等人在2007年还从工作流的角度分析和探讨了通过ShareFast实现可执行工作流模型的基本设计过程。Ze等人在2005年从协同设计的角度提出了基于造船过程分析的工艺模型。
除了这些学术方法之外，在造船厂的设计过程中还尝试采用工作流系统或BPMS，但所有这些方法都适用于船舶设计的初始阶段，如基本设计或船体结构设计( Astrup和Woien，2006；Park等人，2007年；Jang等人，2010年)。据我们所知，目前还没有研究从工作流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。
经典指派问题( AP )研究如何将m个代理(或机器)指派给m个任务(或作业) ( Burkard等人，2009年)。可以有多种分配组合，但是当以效率最大化或成本最小化为目标时，它就变成如何组合优化的问题。匈牙利算法是一种在多项式时间内求解最佳组合优化问题的算法( Kuhn，1955 )。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时间内求解AP的组合优化算法( Burkard等，2009年)。此外，Munkres ( 1957 )改进了这种方法以解决O ( n3 )的执行时间中的AP。匈牙利算法已广泛应用于各行各业，如无人机目标分配的研究( Turra等，2004年；Shima等人，2006 )，移动机器人的工作分配( Kwok等人，2002 )以及集装箱港口的动态泊位的分配问题( Imai等，2001年)。通过将AP研究与BPM过程相结合，Kamrani等人在 2012年提出使用匈牙利算法和模拟为简单流程分配作业的方案。Shen等人( 2003年)和Kamrani等人( 2009 )以BPM为基础，通过分析和建立人员绩效和任务的模型来处理AP，但这两个结果的价值都很有限，因为它们并未解决实际问题，只是用一个简单的流程来模拟AP实例。在本研究中，我们以BPM为基础使用匈牙利算法来解决工作中的AP问题，这与前面的两个研究类似，是在对工人和任务进行多标准建模之后进行的。然而，本研究的另一个新颖之处是目标过程和任务是船厂船体生产设计过程中的实际问题；因此，我们为设计师和生产设计任务建立了单独的模型。
2 船体生产设计
船体设计是在二维图纸上用特定符号和线型画出每一段舱室；这些隔室具有结构一致性，或者根据船舶的功能类型分开。这些舱室可以是船舶的一部分，例如机舱、主甲板、船头或船尾，或者是具有特殊功能的结构模块，例如轴支柱、漏斗或海运舱。船体设计的最终建造方案是基于总建造、总布置和船中剖面这些关键点的。细节的结构包括如加强筋的位置和规格、端部切割方法、支架和切割孔的环板，以确保有足够的结构强度。根据船舶类型的不同，可能有20 - 50项施工任务，但并非一次完成，根据船体结构设计团队的人力物力，或保证舱室之间的结构一致性，按顺序开始和发布施工。
如上所述，船体生产设计的过程从建造的发布开始。生产设计的目的是为了方便船厂作业；为了提高生产率，任务使用和造船厂生产相同的方式来进行分块。船体生产设计的图纸包括工作图、嵌套切割图、制造物料清单( M - BOM )和生产工程图。由于生产设计图纸必须用三维几何图形表示所有舱壁和船体零件，因此工作图纸所使用A3图纸的页数可能会超过40页，具体取决于区块。这类图纸需要数个工时，利用设计师的草图进行嵌套并不容易。为了解决这一问题，无论是大型造船厂还是中小型造船厂，都采用面向造船的三维CAD系统，如乐维的Tribon M3和乐维的Marine ( AM )以及intergaph的智能Marine 3D ( SM3D ) ( Lee等人，2012年)。与通常表示几何特征的3D CAD系统不同，这些系统具有包含船舶生产设计的关键信息的附加数据库。
根据建筑规格和标准零件的特征，附加建模遵循结构中的符号、省略的零件和加强筋的端切信息。三维建模完成后，所有的舱壁、关键框架的特征以及生产、装配和船体零件的信息都将录入工作图。不需要绘制工作图，而是利用已经完成3D模型中建立的2D平面视图，将其使用的注解和标注进行额外修饰来建立工作图。此时，3D CAD系统自动地把3D特征转换成造船厂中常见的预定符号和线型，如图2所示。
图2. 在面向造船的CAD系统中，从模型到符号的自动转换。
另一方面，切割过程船体分段生产的第一阶段，这是一个将钢料从原始钢板或者成形钢梁切割为预期特征的过程。该过程需要了解的几何特征信息、M - BOM信息、每个生产阶段的交货信息以及加强材的标记信息，都可以从三维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化的板材特征分配给原始矩形钢板的任务。该任务旨在简化切割工作并提高分配产量。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被传送到CNC机器以自动生成A3尺寸的切削计划。
如果是异形型材，嵌套程序将进行最佳分配，以最大化每种尺寸和类型的产量。由于成品的最终切割形状各不相同且复杂，如果最终切割信息不是自动生成的，则设计工程师必须亲自起草制定成品切割方案。弯曲板和型材也需要弯曲信息。
所有切割计划完成后，将编制所需的材料清单，其中包括待切割的原始钢板、产品的尺寸和材料特性，以及切割计划中相应的图纸名称和编号。与此同时，为避免返工，这项任务应该在查询各种原材料钢板及制品的库存情况后再进行。
生产工程图由吊耳平面图和脚手架平面图组成。吊耳平面图表示临时安装的吊耳的位置、类型、特征和强度，用于组装块的过渡、旋转和T / O。脚手架平面图表示砌块组合中需要时脚手架的位置、类型和特征。
3 船体生产设计中的作业分配
3.1 造船厂传统的作业分配方法
当设计部门经理接收来自船体设计部分的构造之后，船体生产设计部分的工作过程就开始了。 绘图分析是一项根据相应的船舶构造和模块将其划分为生产设计单元的工作项目。 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。 图3显示了作为2万吨位轻型航空母舰的“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，根据绘图分析结果保留两个未分配的块。 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时间表。 根据这个时间表，对于每个关键块的关键问题，经理逐一手动检查和管理设计工程师的工作进度。
图3. 船体生产设计部经理的任务
3.2 船体生产设计建模
传统的分
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