コンピュータ支援生産エンジニアリング

コンピュータ支援生産工学（CAPE）は、比較的新しい重要な工学分野です。世界的な製造業は、商品の生産環境を変えてきました。一方、電子技術と通信技術の急速な発展により、設計と製造もそれに追いつく必要が出てきました。^[1]

CAPE は、製造/工業エンジニアの生産性を向上させる新しいタイプのコンピュータ支援エンジニアリング環境と見なされています。この環境は、エンジニアが将来の製造システムとサブシステムを設計および実装するために使用されます。現在、米国国立標準技術研究所(NIST) で CAPE システムに関する作業が進行中です。NIST プロジェクトは、製造システムの設計とエンジニアリングのためのソフトウェア環境とツールの開発を促進することを目的としています。^[2]

製造業の将来は、新しい技術をいかに効率的に取り入れられるかによって決まります。現在の製造システムのエンジニアリング プロセスは、多くの場合アドホックで、コンピューター ツールは限定的に使用されています。製造システムの構築と運用にかかるコストとリソースを考えると、エンジニアリング プロセスはより効率的にする必要があります。製造システムのエンジニアリング用の新しいコンピューティング環境は、その目的の達成に役立つ可能性があります。

CAPE が重要なのはなぜでしょうか?製品設計者がコンピュータ支援設計システムを必要とするのと同じように、製造および産業エンジニアは、複雑な問題を解決し、製造システムの設計に関連する膨大なデータを管理するために、高度なコンピューティング機能を必要とします。

これらの複雑な問題を解決し、設計データを管理するには、製造システムの設計と実装の問題に科学的および工学的手法を適用する際に、コンピューター化されたツールを使用する必要があります。エンジニアは、工場全体をシステムとして扱い、そのシステムと周囲の環境との相互作用に対処する必要があります。工場システムのコンポーネントには次のものが含まれます。

• 製造施設を収容する物理的な施設。
• 製造業務を実行する生産施設。
• 生産施設で使用される技術。
• 生産施設を構成する、または生産施設で使用される作業センター/ステーション、機械、設備、ツール、および材料。
• 各種支援施設
• 工場とその環境の関係。

CAPE は、工場の初期設計とエンジニアリングに関係するだけでなく、時間の経過に伴う機能強化にも取り組む必要があります。CAPE は、標準的なエンジニアリング手法と問題解決手法をサポートし、日常的なタスクを自動化し、意思決定プロセスをサポートする参照データを提供する必要があります。

環境は、エンジニアが仕事でより生産的かつ効率的に働けるように設計する必要があります。これは、適切な周辺機器が構成されたパーソナル コンピューターまたはエンジニアリング ワークステーションに実装されます。エンジニアリング ツール開発者は、次のようなさまざまな分野で使用される機能とデータを統合する必要があります。

• 製造、工業およびプラントエンジニアリング;
• 材料加工および品質工学;
• 環境工学、
• 数学的モデリング/シミュレーション、統計的プロセス制御、コンピュータサイエンス、
• 経済およびコスト分析と経営科学、

これらの技術分野に関連する方法、公式、データの多くは、現在、エンジニアリングハンドブックにしか存在しません。コンピュータ化されたツールもいくつかありますが、それらは非常に特殊で使いにくく、情報を共有したり連携したりできないことがよくあります。異なるベンダーによって構築されたエンジニアリングツールは、オープンシステムアーキテクチャとインターフェース標準を通じて互換性を持たせる必要があります。^[3]

CAPE は、設計およびエンジニアリング ツールの統合セットを提供するコンピュータ システムを基盤とします。これらのソフトウェア ツールは、企業の製造エンジニアが生産システムを継続的に改善するために使用されます。エンジニアは、製造リソースに関する情報を維持し、生産能力を強化し、新しい施設やシステムを開発します。異なるワークステーションで作業するエンジニアは、共通のデータベースを通じて情報を共有します。

CAPE を使用すると、エンジニアリング チームは数日間で工場全体の詳細な計画と作業モデルを準備できます。生産上の問題に対する代替ソリューションを迅速に開発し、評価できます。これは、数週間または数か月の集中的な作業を必要とする現在の手動の方法に比べて大幅に改善されます。

この目標を達成するには、新しいエンジニアリング ツールのセットが必要です。サポートする必要がある機能の例は次のとおりです。

• 製品仕様および生産要件の特定。
• 製品の生産性分析、製造可能性の問題に対処するための製品設計の修正、プロジェクトの管理、スケジュール、追跡。
• 製造プロセスおよび工場のレイアウトと設備の計画のモデリングと仕様設定。
• さまざまな製造プロセス、システム、ツール、材料のさまざまな経済的/コスト的トレードオフを考慮すること。
• システム/ベンダーの選択、製造設備およびサポートシステムの調達をサポートする分析。
• タスクと作業場所の設計。
• 各種規制、仕様、規格への準拠、および危険物質の管理。

これらの機能を実装するツールは、高度に自動化され、統合されている必要があり、幅広いデータに迅速にアクセスできる必要があります。このデータは、エンジニアリング ツールでアクセスおよび使用できる形式で維持する必要があります。これらの電子ライブラリに含まれる可能性のある情報の例には、次のものがあります。

• 生産プロセスモデルとデータ、および一般的な製造システムの構成。
• 機械設備の仕様、ベンダーカタログ。
• 推奨される方法、実践、アルゴリズム等、およびベンチマークデータ。
• 典型的なプラント/システムのレイアウト、
• コスト見積モデル、労働単価、その他のコストデータ、予算テンプレート、
• 時間基準、業界基準、プロジェクト計画、法律/政府規制など。

これらのオンライン ライブラリを使用すると、エンジニアは他の人の作業に基づいてソリューションを迅速に開発できるようになります。

このエンジニアリング環境のもう 1 つの重要な側面は、手頃な価格である。これは、カスタム構築されたコンピュータ ハードウェアとソフトウェアではなく、低コストの「既製」の商用製品から構築できる環境を設計することで最もよく達成できる。基本的なエンジニアリング環境は手頃な価格でなければならない。コストと技術の両方の理由から、段階的なアップグレードをサポートできるように設計する必要がある。段階的なアップグレードにより、企業は必要に応じて機能を追加できる。商用ソフトウェア製品は、インストールが容易で、すでに使用されている他のソフトウェアと統合可能である必要がある。これらの機能は、今日では、ワード プロセッサ、データベース、スプレッドシートなどの一部の汎用商用ソフトウェアに限られた範囲で存在している。^[4]

CAPE の新しいエンジニアリング ツールの設計と開発では、多くの技術的な問題を考慮する必要があります。これらの問題には次のものが含まれます。

• ツール自体に必要な機能。
• エンジニアリング手法の形式化と改良。
• オンライン技術リファレンスライブラリ、ユーザーエンジニアリング、グラフィックス視覚化の開発。
• ユーザーエンジニアリングとグラフィックス視覚化技術。
• システム接続性と情報共有、およびコンピューティング環境の統合標準。
• ツールにインテリジェントな動作を組み込む。

対処すべき重要な要素は 3 つあります。共通の製造システム情報モデルの作成、エンジニアリング ライフ サイクル アプローチの使用、ソフトウェア ツール統合フレームワークの開発です。

これらの要素を解決することで、個別に開発されたシステムが連携して動作できるようになります。共通情報モデルでは、製造システムの要素とそれらの相互関係、各要素によって実行される機能またはプロセス、それらの機能を実行するために必要なツール、材料、情報、およびモデルとその構成要素の有効性の尺度を特定する必要があります。

製造のさまざまな側面に関する情報モデルを開発する取り組みは長年にわたって行われてきましたが、CAPE 環境のニーズを完全に満たす既存のモデルは存在しません。したがって、 CAPE 環境がサポートする必要があるさまざまなプロセスを特定し、製造システムまたはサブシステムの存在のすべてのフェーズを定義するには、ライフサイクル アプローチが必要です。システム ライフ サイクル アプローチに含まれる主なフェーズには、要件の特定、システム設計仕様、ベンダーの選択、システムの開発とアップグレード、インストール、テスト、トレーニング、および製造オペレーションのベンチマークなどがあります。

ライフサイクルの各フェーズでは、管理、調整、および運営機能を実行する必要があります。変化するニーズに対応したり、新しいテクノロジーを組み込んだりするために、システムがアップグレードまたは再設計されるにつれて、フェーズは時間の経過とともに繰り返される場合があります。

ソフトウェア ツール統合フレームワークでは、ツールを独立して設計および開発する方法を指定する必要があります。このフレームワークでは、CAPE ツールが共通サービスをどのように扱い、相互にやり取りし、問題解決活動を調整するかを定義します。一部の既存のソフトウェア製品と標準では共通サービスの問題に対処していますが、ツールのやり取りの問題は、ほとんど未解決のままです。ツールのやり取りの問題は、コンピュータ支援製造システム エンジニアリングの領域に限定されず、ソフトウェア業界全体に広がっています。^[5]

初期の CAPE 環境は、市販の既製(COTS) ソフトウェア パッケージから構築されました。この新しい環境は、CAPE 機能を実行する市販ツールのデモンストレーション、個々のエンジニアリング ツールと環境全体の機能要件の理解を深めて定義すること、および将来的に互換性のある環境を実装するために対処する必要がある統合の問題を特定することに使用されています。

COTS ツールを使用したエンジニアリング デモがいくつか開発中です。これらのデモは、製造システムのエンジニアリングで実行する必要があるさまざまな種類の機能を示すように設計されています。

現在のCOTS環境でサポートされている機能には、システム仕様/図表作成、プロセスフローチャート、情報モデリング、製品のコンピュータ支援設計、工場レイアウト、マテリアルフロー分析、人間工学に基づいた職場設計、数学モデリング、統計分析、ラインバランシング、製造シミュレーション、投資分析、プロジェクト管理、知識ベースシステム開発、スプレッドシート、ドキュメント準備、ユーザーインターフェイス開発、ドキュメントイラストレーション、フォーム、データベース管理などがあります。^[6]

1. ^ ケープ
2. ^ NIST 調査
3. ^ NIST 調査
4. ^ NIST 調査
5. ^ NIST 調査
6. ^ NIST 調査

1. JP Tanner、「製造エンジニアリング：基本機能入門」、Marcel Dekker、ニューヨーク、1991 年。
2. G. Salvendy (編)、Handbook of Industrial Engineering、Wiley Interscience、ニューヨーク、1992年。
3. D. Dallas（編）、『ツールおよび製造エンジニアハンドブック』、McGraw-Hill、ニューヨーク、1976年。
4. WD コンプトン（編）『統合製造システムの設計と分析』、全米アカデミー出版、ワシントン DC、1988 年