Optimalizace stavů obsluhy chemických provozů metodami řízení projektů

Ing. Václav Kořenář, CSc.,
katedra ekonometrie, VŠE Praha, korenar@vse.cz

Optimalizace stavů obsluhy chemických provozů metodami řízení projektů

Optimalizace stavů obsluhy potřebné pro odstraňování poruch je častým problémem, jehož vyřešení může zvýšit produktivitu výrobní jednotky. V příspěvku je popsána obecná metodika řešení tohoto problému, založená na využití technik řízení projektů. Odstranit poruchu znamená uskutečnit řadu propojených činností vykonávaných operátory s různou kvalifikací. Je žádoucí znát minimální stavy obsluhy, které budou v případě poruchy s to bezpečně zvládnout převod řízené výrobní jednotky do klidového režimu v odpovídajícím čase. Teorie omezení analyzuje úzká místa výrobní jednotky a řešitel úkolu se v daném případě snaží odstranit nadbytečné kapacity obsluhy při dodržení spolehlivosti systému. Popsaná metodika byla navržena pro konkrétní výrobní podnik a vyzkoušena na zkušebních případech.

1. Formulace problému
Jde obecně o problém výrobní jednotky, ve které probíhají chemické procesy s různým stupněm automatizace a která je napojena na (nebo jejíž součástí jsou) energetické systémy. V ustáleném pracovním režimu má obsluha výrobní jednotky za úkol řídit a sledovat chod provozních zařízení a vykonávat běžnou údržbu. Při mimořádných provozních stavech výrobního zařízení je úkolem obsluhy uvést zařízení co nejrychleji do klidového režimu. V daném případě je cílem najít minimální počet pracovníků obslužné posádky (stavy obsluhy), při kterých bude převod do klidového režimu bezpečně zvládnut.

Obsluha výrobní jednotky je pevně určena a skládá se z určitého počtu operátorů s různou kvalifikací. Při diskusi se zadavateli tohoto úkolu se vyskytly dva názory na kvalifikaci operátorů. První vychází z předpokladu, že operátoři jsou pro určitou činnost rozděleni podle toho, zda úkol zvládnou nebo nezvládnou. Druhý názor vychází z jemnějšího roztřídění operátorů a předpokládá, že operátor úkol zvládne do určitého stupně obtížnosti. Při poruše není možné přivolat další operátory z ostatních výrobních jednotek. Obsluhy se střídají v nepřetržitém provozu ve třech směnách po osmi hodinách. Při odstraňování poruchy na konci směny je možné využít přesčasovou práci.

Existují různé typy poruch (přerušení přívodu elektrické nebo tepelné energie, vzduchu apod.), které nastávají nahodile s různými pravděpodobnostmi výskytu. Pro postup odstranění poruch mohou existovat stovky scénářů. Po diskusi se zadavateli byla tato stochastická záležitost ponechána stranou, přestože by si jistě zasloužila samostatnou pozornost, a práce byla zaměřena na analýzu jednotlivých scénářů.

Scénář odstranění poruchy musí brát v úvahu tyto skutečnosti:

• jde řádově o desítky různých činností, jejichž doby provedení je možné měřit v minutách;
• činnosti je nutné uskutečňovat v určitém pořadí, některé paralelně a jiné pouze sériově;
• k vykonávání jednotlivých činností jsou nutné různé počty operátorů s různou kvalifikací;
• k realizaci všech činností jsou k dispozici pouze přítomní členové obsluhy dané výrobní jednotky.

Na základě známých údajů se stanovuje minimální stav obsluhy nutný pro bezpečné zvládnutí určité poruchy výrobní jednotky.

2. Navržená metodika
Teorie omezení se snaží najít úzká místa výrobního systému a vše podřídit maximálnímu využití těchto úzkých míst. V popisovaném případě jde o analýzu nadbytečných kapacit a snížení stavů obsluh na minimální počty operátorů odpovídajících kvalifikací, při kterých bude ještě zajištěno bezpečné zvládnutí poruchy v požadovaném čase.

Na zadaný problém se jeví jako nejvhodnější aplikovat techniky řízení projektů. Na celý proces odstranění poruchy lze nahlížet jako na projekt skládající se z řady na sebe navazujících činností, mezi kterými existují různé typy vazeb a které mají určité doby trvání. Jestliže by šlo o problém minimalizace doby potřebné na dokončení opravy, lze použít standardní metody pro časovou analýzu projektů (CPM, PERT, MPM, PD aj.). Vstupem těchto metod bývá soubor dat tvořen seznamem činností, dobami trvání činností a u každé činnosti seznamem bezprostředně předcházejících činností (žádná, jedna nebo několik). Standardní vazba mezi činnostmi předpokládá, že po ukončení činnosti bezprostředně předcházející se zahajuje činnost bezprostředně následující – tzv. vazba typu konec-začátek (K-Z, viz dále). Některé metody umožňují definovat závislost mezi zahájením a ukončením činností i jinak. Možné je např. stanovit minimální časový odstup mezi ukončením jedné a zahájením druhé činnosti. Standardně se uvažuje odstup nulový, avšak může být kladný i záporný (tj. předstih).

Výstupem je potom projekt zobrazený např. v podobě Ganttova diagramu, popisujícího návaznost činností a časové intervaly jejich realizace. Jsou určeny nejkratší možná doba realizace celého projektu a tzv. kritické činnosti rozhodující o celkové době realizace projektu, jejichž zpoždění má za následek zpoždění celého projektu. Popisem těchto metod ani odpovídajících programových produktů se zde nebudeme zabývat.

Ve zmiňované řešené úloze je nutné brát v úvahu omezený objem zdrojů (tj. počet a kvalifikaci operátorů). Problém je možné formulovat jako úlohu analýzy zdrojů při řízení projektu, což je typ úlohy patřící mezi obtížné. Jako vstupy jsou k jejímu řešení potřebná stejná data jako u časové analýzy, navíc je třeba zadat typy zdrojů (operátorů) a jejich počty potřebné pro vykonání jednotlivých činností. Výstupem je přehled čerpání zdrojů v jednotlivých okamžicích, rozvrhování zdrojů a následná možnost minimalizace zdrojů. Pro řešení těchto úloh se používají různé efektivní heuristické metody, jejichž popisem ani odpovídajícími programovými nástroji se zde opět nebudeme zabývat.

Typový projekt pro odstranění určitého typu poruchy vytvořený na základě zkušeností nejlepší obsluhy může přitom sloužit jako návod k postupu pro ostatní obsluhy.

Vzhledem k povaze problému, jak je formulován, použitelnosti, dostupnosti i ceně navrhujeme použít software Microsoft Project pro řízení projektů, který uskutečňuje časovou analýzu i analýzu zdrojů.

Při návrhu obecné metodiky pro řízení odstraňování poruch výrobních systémů se v tomto případě vychází z teorie omezení, která pro oblast řízení projektů využívá techniky kritického řetězce. Pro řešení tohoto problému je testováno využití programu ProChain.

3. Vstupní údaje
K minimalizaci stavu obsluhy navrženou metodou je třeba sestavit seznam všech činností nutných k odstranění poruchy, v němž je každá z činností specifikována:

• názvem;
• dobou trvání;
• seznamem činností bezprostředně předcházejících (předcházet může jedna nebo několik činností nebo nemusí předcházet žádná);
• typem vazby (K-Z, K-K, Z-Z, Z-K – viz obr. 1) a minimálním časovým odstupem v minutách (může být i nulový) ve vztahu ke každé z předcházejících činností;
• požadavkem na zdroje: kolik operátorů toho kterého typu (kvalifikace) je nezbytně nutných pro vykonání dané činnosti za danou dobu.

Dále je třeba uvést standardní současnou celkovou sestavu (typy a počty operátorů) obsluhy. Tento údaj slouží pro porovnání s nalezeným minimálním stavem obsluhy.

Příklad zadání vstupních údajů je v tab. 1 a tab. 2. Představuje část projektu se třemi činnostmi A, B a C s danými dobami trvání. Činnosti A žádná činnost bezprostředně nepředchází a k jejímu vykonání je potřebná osádka složená z jednoho operátora typu 1 (Op1) a dvou operátorů typu 2 (Op2). Činnosti B bezprostředně předchází činnost A s vazbou typu K-Z a minimálním časovým odstupem tří minut, tzn. že po ukončení činnosti A je třeba nejméně tři minuty vyčkat, než může začít činnost B, atd.

4. Poskytované výstupy
Jako výstupy se nabízejí:

• síťový graf,
• Ganttův diagram,
• kalendář,
• seznam činností,
• seznam zdrojů,
• diagram čerpání zdrojů.

Dva z řady možných výstupů poskytovaných programem Microsoft Project jsou uvedeny na obrázcích. Na obr. 2 je zachycena část projektu v podobě Ganttova diagramu. U jednotlivých činností jsou rovněž vyjádřeny požadavky na počty operátorů jednotlivých typů. Na obr. 3 je vyznačeno čerpání určitého zdroje (operátor typu 1). K dispozici jsou tři operátoři: v časovém intervalu 0 až 4 jsou potřeba dva operátoři, v časovém intervalu 8 až 12 je jich zapotřebí pět a vzniká situace označovaná jako přečerpání disponibilního zdroje.

Tab. 1. Příklad seznamu činností

Tab. 2. Zdroje – standardní složení obsluhy

5. Závěr
Navržená metodika optimalizace stavů obsluhy výrobních zařízení je určena pro konkrétní podnik a byla testována na zkušebních případech tohoto podniku. Postup je možné modifikovat a aplikovat pro řešení mnoha podobných problémů v dalších podnicích.

Při navrhování obecné metodiky pro řízení oprav poruch výrobních systémů je dále rozpracováváno využití technik kritického řetězce a programu ProChain.

Práce na metodice je podporována grantem č. 402/99/0852 Grantové agentury ČR Modelování a analýza produkčních systémů a je v souladu s výzkumným záměrem VŠE CEZ: J 18/98: 311401001 Modely a metody pro ekonomické rozhodování.