14.5.1 Dynamická simulace

14.5.1

Dynamická simulace

Ing. Leo Tvrdoň, Ph.D., ALog., Ing. Jaroslav Bazala, Ph.D., ALog. a kolektiv autorů

Simulační techniky jsou účinným nástrojem jak pro analýzu stávajících logistických systémů a příslušných procesů, tak pro jejich zlepšování či navrhování nových systémů.

 NahoruSimulace

Simulace je metoda analýzy chování složitých systémů pomocí sledování chování (počítačového) modelu. V počítači je vytvořena kopie (model) reálného systému nebo procesu (výrobního procesu, logistického nebo obslužného systému).

Podle slovníku simulovat znamená předpokládat výskyt nebo charakteristiky skutečnosti. Ve vědeckém řízení obecně znamená techniku provádění experimentů pomocí počítače na modelu systému řízení za určité časové období. Přísně vzato, simulace není typem modelu, modely obecně reprezentují realitu, zatímco simulace ji napodobuje, imituje. Prakticky to znamená, že v simulačních modelech je oproti jiným modelům menší zjednodušení reality. Za druhé, simulace je technika k provádění experimentů. Proto simulace zahrnuje testování určitých hodnot rozhodovacích proměnných modelu a pozoruje důsledek na výstupní proměnné. Simulace se obyčejně používá ke zkoumání velmi složitých problémů, které nelze řešit analytickými modely (např. určení optimálního objednacího množství) nebo numerickou optimalizační technikou (např. lineární programování). Složitostí se tady rozumí to, že pro problém nelze buď formulovat předpoklady, nebo je formulace příliš složitá pro praktické nebo hospodárné řešení.

 NahoruSimulace jako metoda analýzy podnikových procesů

Simulace je moderním nástrojem pro analýzu komplikovaných výrobních, zásobovacích, obslužných, komunikačních a dalších podnikových procesů (systémů). Značnou výhodou simulace je fakt, že se vše děje jen v modelu, bez nutného zásahu do provozu podniku. Pomocí simulace je možné prozkoumat různé alternativy změn v systému, ověřit dopady a důsledky těchto změn a vybrat takové řešení, jež je pro danou situaci nejvhodnější. Riziko chybných rozhodnutí je díky simulačnímu modelování sníženo na minimum, neboť chyba objevená již při experimentech s modelem je vždy levnější než chyba, která je odhalena až při realizaci konkrétního, předem nezkoumaného návrhu řešení.

Základní myšlenka simulace je jednoduchá: napodobit chod poměrně složitého reálného podnikového systému pomocí modelu a poté při experimentování s modelem pozorovat chování systému. Možnosti využití simulace podnikových procesů jsou poměrně široké a různorodé, neboť komplikované podnikové systémy, jež mají pravděpodobnostní a dynamické chování, jsou spíše pravidlem než výjimkou. Přitom systémy od určité úrovně složitosti jsou již zcela neuchopitelné alternativními analytickými postupy, jako například teorie zásob, teorie hromadné obsluhy, matematické programování, řízení projektů. U simulace je tomu naopak, protože čím složitější modelovaný systém je, tím výrazněji vyniknou přednosti simulace. Simulační modely nabízejí výstupy ve formě uživatelem definovaného souborů ukazatelů, které byly získány při simulaci analyzovaného podnikového procesu. Typické ukazatele, jež mají numerickou nebo grafickou formu, jsou uvedeny níže. Reálná podoba souboru ukazatelů samozřejmě závisí na povaze modelovaného systému a požadavcích uživatele.

Typické ukazatele, které poskytuje simulace:

• Využití výrobních kapacit a zdrojů všech druhů v absolutních hodnotách a procentech (provoz, porucha, nečinnost). Grafy využití zdrojů v čase.

• Minimální, průměrné a maximální doby čekání a délky front vznikající u zdrojů s omezenou kapacitou. Identifikace úzkých (kritických) míst. Grafy vývoje front v čase.

• Spotřeba zásob a periodicita jejich doplňování. Grafy vývoje zásob.

• Minimální, průměrné a maximální doby trvání jednotlivých činností. Celková doba trvání procesu, cyklu.

• Počet požadavků (výrobků, služeb, zakázek), jež byly obslouženy systémem během simulace. Průměrný počet požadavků, které byly v daném okamžiku v systému. Graf vývoje počtu požadavků v čase.

• Počet neobsloužených požadavků, počet závad a reklamací. Statistiky poruchovosti a ztráty tím způsobené.

• Přímé, režijní a celkové náklady na výrobky, služby, zakázky, procesy, činnosti atd. Variabilita nákladů (minimální, průměrné a maximální hodnoty).

• Spolehlivost výše uvedených ukazatelů na základě statistické a citlivostní analýzy.

 NahoruAplikační oblasti simulace

V současnosti lze konstatovat, že simulovat lze téměř všechny podnikové procesy. V oblasti výrobních systémů a logistiky lze k typickým úlohám pro řešení pomocí počítačové simulace zařadit:

• optimalizaci obchodních procesů:

  1. stanovení "optimální" výrobní strategie,
  2. předpovídání "skutečných" nákladů na zakázku,

• plánování a řízení výroby:

  1. plánování celopodnikových zdrojů,
  2. přidělování zakázek jednotlivým výrobním celkům,
  3. dílenské řízení výroby,

• zlepšení logistických koncepcí:

  1. minimalizace skladů a zásob,
  2. redukce rozpracované výroby a průběžných dob,
  3. určování výrobních a transportních dávek,
  4. sladění dodávek surovin a polotovarů s výrobou,
  5. zabezpečení expedice,

• projektování výrobních systémů:

  1. projektování inovačních změn stávajících výrobních systémů,
  2. zjištění požadavků na kapacity pro zajištění plynulosti výroby, návrh dispozičního uspořádání,
  3. "optimalizace" uspořádání jednotlivých prvků celku,
  4. zkušební provoz,

• analýzu výrobních systémů:

  1. identifikování a odstranění úzkých míst,
  2. odhalování rezerv důkladným rozborem nejrůznějších činností,
  3. "co – když" analýzy,

• školení pracovníků v oblasti:

  1. stanovování výrobní strategie,
  2. projektování a plánování výroby,
  3. analýz a zlepšování výrobních systémů,
  4. zaškolování nových pracovníků.

 NahoruVýhody a nevýhody simulace

Vzrůstající pojetí simulace na vyšších manažerských úrovních je pravděpodobně důsledkem řady činitelů a přináší mnohé výhody:

1. Teorie simulace je poměrně přímá.
2. Simulační model je prostě agregací mnoha alternativních vztahů a závislostí, z nichž mnohé jsou představeny jako požadavky manažera ve formě balíčku proseb.
3. Simulace je spíše deskriptivní než normativní. To umožňuje manažerovi klást otázky typu "co když" (zvlášť při on-line použití počítače). Manažer, který používá přístup "pokus – omyl" může problém vyřešit rychleji, ale levněji a s menším rizikem, provede-li simulaci s využitím počítače.
4. Správný simulační model vyžaduje podrobnou znalost problému a trvalou spolupráci manažera s odborníkem na vědecké řízení.
5. Model se buduje s perspektivou manažerského využití, a proto má spíše strukturu odpovídající manažerovu rozhodování.
6. Simulační model je sestaven pouze pro jeden zvláštní problém a zpravidla nemůže být používán k řešení jiného problému. Proto nevyžaduje nějaké zobecněné pochopení ze strany manažera. Každá složka modelu odpovídá části reálného života.
7. Simulace si poradí s extrémně širokou škálou problémů, jako je zásobování, určování počtu pracovníků, dále s problémy vyšší manažerské úrovně, jako je dlouhodobé plánování. Je prostě "vždy tam", kde ji manažer potřebuje.
8. Manažer může experimentovat s různými činiteli a určit, které jsou důležité, experimentovat s různými postupy a variantami a určit nejlepší. Experimentování se provádí spíše na modelu než zasahováním do systému.
9. Simulace obecně dovoluje uvážit složitost problémů reálného života, zjednodušení není nutné. Například užívá skutečná rozdělení.
10. Díky povaze simulace se dosahuje velkého "stlačení času", což umožňuje manažerovi poznat dlouhodobé (1 rok až 10 let) efekty různých postupů během několika minut.
11. Velké stlačení času umožňuje experimentovat s velkými vzorky (zvlášť při použití počítače). Proto lze dosáhnout vysoké požadované přesnosti při poměrně nízkých nákladech.

To vše dále podtrhuje masivní rozvoj počítačové podpory a dostupnost kvalitního, uživatelsky přívětivého simulačního softwaru, pomocí kterého je možné řešit i poměrně složité problémy.

Na jedné straně simulace přináší celou řadu výhod, ale na straně druhé existují i nevýhody, které jsou s pojmem simulace spojené. Zde jsou uvedeny jen hlavní z nich:

1. Tvorba simulačního modelu představuje často pomalý a nákladný proces.
2. Řešení a výhody simulačních studií nejsou obvykle přenositelné na jiné problémy.
3. Simulace je někdy natolik jednoduchá, že jsou analytická řešení, která nabízejí optimální výsledky, často přehlížena.

 NahoruMetodologie simulace

Simulace spočívá v sestavení modelu reálného systému a provádění opakovaných experimentů na něm. Definování problému – v rámci tohoto kroku se problém konkretizuje, stanoví se cíle a hranice řešení. Zásadní je rovněž zdůvodnění nezbytnosti použití simulace.

• Sestavení simulačního modelu – tento krok spočívá ve shromáždění nezbytných dat o reálném systému a následném vytvoření jeho modelu. K popisu procesu se v mnoha případech používá vývojový diagram.

• Zkoušení a verifikace modelu – simulační model musí náležitě imitovat studovaný systém, což vyžaduje verifikaci. Verifikace modelu zahrnuje proces o dvou krocích. První krok spočívá v určení, zda je model vnitřně správný v logickém a programovém smyslu. Druhým krokem je určení, zda model reprezentuje systém, který má imitovat.

• Návrh experimentů – po prokázání validity modelu jsou navrhovány experimenty. Součástí tohoto kroku je stanovení podmínek, za nichž bude systém analyzován, určení toho, jak dlouho má simulace probíhat (kdy simulaci zastavit) a zda započítat všechna data nebo vyloučit přechodová startovací data.

• Provádění experimentů – existuje několik typů simulace, u kterých se uvedený krok liší. Provádění experimentů zahrnuje takové otázky jako generování náhodných čísel, pravidla zastavení a odvození výsledků.

• Vyhodnocení výsledků – posledním krokem předcházejícím realizaci je zhodnocení výsledků. Sem patří rovněž uplatnění analýzy citlivosti, či dokonce změna modelu a opakování experimentů.

• Realizace – zavedení výsledků simulace zahrnuje stejné otázky jako kterákoli jiná realizace. Nicméně šance zavedení je větší. Díky tomu, že je simulace blíže realitě, je manažer zpravidla více vtažen do simulačního procesu než při analytických modelech.

Obr. Proces simulace

 NahoruPrincip dynamické simulace

Dynamickou simulaci můžeme chápat jako přenesení reálného procesu do virtuálního prostředí, kde čas běží mnohem rychleji než ve skutečnosti. Je založena na napodobování chování reálného systému pomocí jeho modelu v daném časovém období. Zejména jde o systémy diskrétní, tj. takové, ve kterých dochází ke změnám v určitých časových okamžicích.

Dynamická simulace je jedinou metodou umožňující postihnout chování i velmi složitých systémů v dynamických souvislostech s přihlédnutím ke všem podstatným interním vazbám a externím vlivům, s uvažováním náhodnosti probíhajících jevů. Při použití moderních simulačních nástrojů, které umožňují tvorbu modelů blokově orientovaným způsobem, lze ze známých vlastností jednotlivých komponent systému a jeho řídicí logiky vytvořit postupně model, který velmi dobře vystihuje chování reálného systému.

Takovým modelovaným objektem či procesem může být například sklad, výrobní linka, distribuční centrum, technologická zařízení a jejich návaznosti, dopravní obsluha areálu či území, skladování a manipulace, tok informací.

 NahoruVýhody dynamické simulace

Realizace změn v praxi přináší vždy nemalá rizika. Dynamická simulace jako prediktivní metoda pomáhá tato rizika minimalizovat tím, že umožňuje modelovat pracovní prostředí a simulovat důsledky určitých rozhodnutí. Pomocí sestaveného modelu je možné testovat alternativní chování sledovaného objektu ve změněných podmínkách a cíleně, na základě stanovených měřítek výkonnosti, směřovat k optimalizaci jeho funkce.

Tento způsob práce přináší mnohé výhody. Je možné například vytvářet modely ještě neexistujících systémů a navrhnout řešení, které svým chováním přesně odpovídá představám zadavatele.

Simulační čas běží mnohem rychleji než reálný, a tak je možné rychle vyhodnotit různé varianty navrhovaného řešení problému. Velké množství variant, které lze simulací prověřit, dává předpoklady pro správné rozhodnutí. Umožní objektivně analyzovat procesy a zvyšovat efektivitu využití kapitálu, lidské síly, technologického vybavení a dalších zdrojů. Výsledkem je nejen nalezení výsledného řešení, ale také jeho vizualizace, která vytváří podmínky pro názornost a správné pochopení řešení a má tak velký vliv na včasnost a úspěšnost změnového řízení. Užití prediktivních metod tedy znamená větší důvěru v navržené…