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翻译

船舶生产设计中基于业务流程管理的作业分配

作为造船行业 IT 融合的一部分，我们研究了基于业务流程管理 （BPM）的船体生产设计流程。船体生产设计是一项基于流程的任务，在所有船舶设计过程中需要最多的工时（M/H），并直接与船舶生产相结合，因此，优化这项任务（船舶生产设计）可为提高生产率做出重大贡献。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。尤其针对管理器流程，我们将最佳分配方法作为决策支持系统的一部分，以帮助设计经理有效地为使用BPM 系统 （BPMS）设计工程师分配船体分块。本文针对分配问题提出了模块标准设计M/H和可变设计M/H的概念。我们使用在此概念后开发的模型计算估计的 M/H。为了将生产设计所需的 M/H 总分配最小化，我们采用了匈牙利算法。船体生产设计流程的BPM可执行模型使用博尼塔开放解决方案5.7实现，这是一个具有代表性的开源BPMS。

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1. 简介

在本研究中，我们分析船体生产设计过程，以实施设计管理者流程，使用业务流程管理系统 （BPMS） 处理作业分配问题。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

在将工作流改编为从流程角度掌握和执行任务的方法后，引入了 BPM，目的是通过'计划-检验行为'的闭环实现流程的连续监控和改进。包括工作流的完整角色（WfMCTC-00-1003，1995;WfMC-TC-1011，1999;WfMC-TC-1016-P，1999年;阿尔斯特等人，2000年;史密斯和芬加，2003年）。换句话说，如图 1 所示，工作流是从流程的角度来掌握和执行任务的方法，以便流程可以由开发人员定义，并由用户在特定工作流系统中使用。BPM 包括工作流，该工作流对流程进行建模、管理和执行，并具有其他功能，如实时监视、通过日志分析改进流程以及通过仿真改进工作，因此在此论文，我们使用BPM作为一种技术来管理基于流程的工作。

在域专家以流程的形式得到相应的任务后，流程建模器将其转换为 BPM 模型，以便在 BPMS 中执行（Lee，2010）。BPMS 引擎将实现的 BPM 流程模型分配给 BPMS 的最终用户，该最终用户还负责实际业务世界中的相应工作，以创建流程实例。每当参与者启动和完成任务时，BPMS 引擎都会根据流程自动执行任务。这些类型的流程实例可以适用于多个参与者，并且单个参与者可以同时有多个流程实例。即使在单个流程中，参与者对于每个任务可能也不同。审批流程证明了这一点：当不同参与者按顺序确认（例如，员工、助理经理、项目经理和董事）时，此流程就完成了。当采用 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;其中包括业务活动模拟 （BAM），用于在工作分配或运行时的作业分配或负载平衡的即时时间中掌握工作进度，在构建期间重新安排和优化流程定义模型 （PDM），以及业务流程重新设计 （BPR） 以经过一段时间的日志分析改进业务流程本身（Lee 等人，2010 年）。

1.2造船工艺

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、包括钢料切割、装配、安装、下水、试航和交付（ Lamb ， 2003 ;斯托特等人，2007年）。基本设计过程已经在船舶与海洋工程本科课程中得到充分的涵盖（Zubaly，1996年;塔珀和罗森，2001年，沃森，2002年;塔珀，2005年）。由于根据整个船舶和局部结构的结构分析（Hughes 和 Paik，2010）对船舶的每个主要舱室进行船体详细设计（Hughes 和 Paik，2010），因此这是单一任务级工作，而不是基于流程的工作.船体生产设计是一个最后阶段的设计，是设计和生产之间的桥梁。船体生产设计与单个船厂的设施和生产工艺密切相关，因为设计标准和方法因船厂而异。由于设计标准和方法以船厂工作手册的形式给出，而工程计算不需要设计，因此很少对船体生产进行学术分析和研究。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工作才能完成;因此，从工作流程的角度来看，这一领域预计将会很大程度地改善和提升生产率。

1.3相关工作

在船舶设计过程的详细分析基础上，进行了许多研究。Bronsart等人（2005年）开发了船舶设计过程所需的通信模型， 为无缝协作布置环境。Kim等人（2002年）分析了从设计到生产的造船过程，基于仿真的设计（SBD）和数字制造建立了仿真模型。吴和肖（2011）从工作流程的角度分析了船舶基本设计过程，并在此基础上建立了知识型工程（KBE）系统。杨等人（2012年）和崔和王（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等人（2007b）提出了基于Tribon M3的船舶基本设计过程的系统框架，ShareFast是一个基于语义的网络电子学习系统。Hiekata等人（2007a）还分析和处理了船舶基本设计流程的工作流程，以便使用 ShareFast（软件）实现可执行工作流模型。Ze等人（2005年）从协作设计的角度提出了一种基于对造船过程的分析的流程模型。

除了这些学术型的方法外，（我们）还尝试在船厂的设计过程中采用工作流程系统或者BPMS系统，但（这些）都应用于初始船舶设计阶段，如基本设计或船体结构设（Astrup和Wuuml;ien，2006年;帕克等人，2007年;张等人，2010年）。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，这是本研究的最初贡献之一。

经典分配问题 （AP） 涉及如何将分配 m 代理（或计算机）分配给 m 任务（或作业）的问题（Burkard 等人，2009 年）。分配可以有多种组合，但是，当存在有效率最大化或成本最小化等的目标时，它就成为组合优化问题。匈牙利算法是解决多项式时间组合优化问题的算法（Kuhn，1955）。匈牙利算法由库恩于1955年开发并使用;它是一种组合优化算法，可以在多维时间求解AP（Burkard等人，2009年）。此外，Munkres （1957） 改进了此方法，以在 O （n3） 的执行时间内求解 AP。匈牙利算法已广泛应用于各个行业，以解决（各种）AP问题：例如，无人驾驶飞行器（UAV）的目标分配研究（Turra等人，2004年）;Shima等人，2006年），移动机器人的工作分配（Kwok等人，2002年），以及集装箱港口的动态泊位分配问题（Imai等人，2001年）。通过将 AP 研究与 BPM 流程相结合，Kamrani 等人（2012 年）建议使用匈牙利算法和仿真为简单流程分配作业。Shen等人（2003年）和Kamrani等人（2009年）通过分析和建模人类性能和任务，在基于BPM的进程中处理AP问题，但它们的两个结果都价值有限，因为它们没有解决实际问题，而是一个简单的AP场景示例过程。在这项研究中，我们使用匈牙利算法在使用多个标准对辅助工作和任务建模后，在基于 BPM 的进程中解决了作业 AP问题，与前两项研究类似。然而，这项研究的另一个新奇之处是，目标工艺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。

1.4大纲

本文根据船体生产设计的专业经验，以三维（3D）计算机辅助设计（CAD）系统为领域的专业工具，对船体生产设计过程进行了解释。此外，我们从工艺模型的角度将船体生产设计过程设计成PDM，并介绍了BPM可执行模型的实现结果，该模型可在BPMS中使用博尼塔开放的解决方案 （BOS） 来执行，这是一个具有代表性的开源BPMS。当为船体生产设计过程建立这种BPM执行环境时，作为业务改进的一部分，我们处理解决了设计经理的最佳作业分配问题。我们表明了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、船体设计的设计流程的模块属性及其相互影响。根据这一概念，我们建立了一个假定为不平衡的AP，并用匈牙利算法求解它。我们介绍了决策支持系统的实现的内容，该系统使用了设计管理器的 BPM 运行时环境的最佳分配结果。

1. 船体生产设计

船体设计是指利用每个舱室的预定义符号和线条设计的船体结构的二维图纸;这些舱室具有结构一致性，或根据船舶类型按功能分隔。这些舱室可以是船舶的部件，如发动机室、主甲板、船头或船尾，或具有特殊功能的结构模块，如轴支柱、漏斗或海水压载舱。由此产生基于一般施工、一般布置和中船段等关键计划的船体设计。该结构包括用于切削孔的紧固件的位置和规格大小、端部切割方法、支架和领板等细节，以确保足够的结构强度。根据船舶类型，可能有 20-50 个施工任务，但它们不会一次全部发出和完成。施工根据船体结构设计团队的人力能力或确保舱室之间的结构一致性而按顺序启动和发出。

船体生产设计从3D CAD模型的生成开始，分析了施工中的各种符号和特征。对于模型生成，所有船体部件都标记为在后期生产阶段进行分类，如切割和装配。这些标签导入 M BOM 3D 模型单独生成，用于嵌套。由于真正的钢板是根据嵌套切割的，因此应微妙而准确地考虑产生的焊接变形和生产变形，来自于过渡、周转率 （T/O） 和存储在编码中。

依附建模遵循施工中的符号、省略的部件以及刚固件的端切信息，利用这些要素根据建筑规范和标准零件特征进行切割。完成 3D 建模后，所有水密舱壁、关键框架的功能以及生产、装配和船体部件的信息将写入工作图中。工作图不是草稿，而是通过额外的润饰创建，在使用已完成的 3D 模型创建的 2D 平面视图中使用注释和标注。此时，3D CAD 系统会自动将 3D 要素转换为船厂中常见的预定义符号和线，如图 2 所示。

另一方面，船体模块生产的第一阶段是切割工艺，它将原钢板和型钢切割成预期的形状特征。此过程需要（构件）的几何特征信息、M-BOM 信息、每个生产阶段的交付信息以及将刚固件连接到板的标记信息。所有这些信息都可以从 3D CAD 系统的建模结果中获得。

嵌套是一项任务，将模型板特征分配给基于材料属性和厚度（相同）的原始矩形钢板。这项任务旨在简化切割工作，提高分配产量。在这个流程阶段，除了钢板（如平杆）外，支架和紧固件也包含在嵌套列表中。这些检测结果作为输入传输到CNC机器中，以自动生成A3尺寸图纸的切割计划。

在（处理）形状轮廓的情况下，嵌套程序会进行最佳分配，以便最大化每个构件大小和类型的产量。由于轮廓的端切形状因类型而异而且很复杂，因此，如果最终切割信息不是自动生成的，则设计工程师必须通过起草图来制定轮廓切割计划。弯曲的板和轮廓也需要（相关的）弯曲信息。

完成所有切割计划后，将编译所需的材料清单，其中包括要切割的原钢板和型材的大小和材料属性，以及切割计划中相应的图纸名称和编号。此时，为了避免重复工作，在查询了每种原钢板和轮廓的库存状况后，任务就完成了。

生产工程图纸由吊装平面图和脚手架平面图组成。吊装平面图表示临时安装用于装配模块的过渡、旋转和 T/O 的模块的位置、类型、特征和强度。在块组件中需要时，脚手架平面图表示脚手架的位置、类型和特征。

3. 船体生产设计中的作业分配

3.1. 船厂的传统作业分配方法

当设计部件经理从船体设计部分接收施工任务时，船体生产设计部分的工作过程就开始了。图纸分析是一项任务，它根据船舶的相应构造和模块划分，将构成生产设计单元的分块标识为工作项。作业使用此标识的单元或分块进行分配和管理，该单元将成为生产单元。图3显示了船体生产设计部分的设计师没有一个在'主甲板常数'工程程序到达后的任务，这是一艘2万吨排水量的轻型航空母舰。

在图 3 所示的示例中，当六个工作时间确定后，经理 Kim BJ 会分配分块给设计工程师，并根据图纸分析结果（考虑工作难度、问题计划等）保留两个分块未分配。经理与分配（分块的）设计工程师讨论每个模块的预期工时，以制定与生产设计结果（有关）的详细问题时间表。根据这一时间表，对于每个要点，（生产）经理对设计工程师的工作进度进行逐一管理。

3.2. 船体生产设计的建模

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够好，以达到目标。本文为了有效地分配船体生产设计中的作业，提出了标准化块设计工时和设计工程师工时可用性的概念。我们将标准化的模块设计工时定义为一个熟练的设计工程师能够很好地执行生产设计来处理标准模块的时间。在这里，我们将一位熟练的设计工程师定义为具有 3-4 年的工作经验、7-12 个块的分配作业、对最后五个设计块的重新审查没有（错误）记录以及这五个设计块中少于两个故障。我们将标准块定义为具有 5 7 散板、标准体积、无孔、无倾斜散板，并使用以甲板为基础的作业方法和脚手架进行组装。此时，标准体积定义为将整个船舶的最大边界舱室的体积除以块数的值。

标准化的模块设计工时分为船体生产设计中每个任务所需的标准工时和每个模块的固定工时。图 4 显示了在船体生产设计过程中设计上述标准模块时每个任务所需的工时。在本文中，我们使用一人每天工作量（M/D;1 M/D 是 9 M/H），假设一个工作日由 9 个工作小时组成，而不是使用更常用的工时，以便更直观地理解概念。

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。固定工时为以下任务：做标记（1 M/D）;审查（2 M/D）;问题的准备（1 M/D）;用于嵌套的分件生成（1 M/D）。每个模块的其他任务工时各不相同，处理标准模块时所需的工时如下：基于 CAD 的 3D 建模 （7 M/D）;使用 3D 模型（7 M/D）生成工作图纸;嵌套（3 M/D）;切割计划生成（2 M/D）;吊装平面图的生成（2M/D）;脚手架平面图的生成（2M/D）。这些工时是作者基于专业的

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