製造システムにおけるシミュレーション

製造システムにおけるシミュレーションとは、ソフトウェアを使用して製造システムのコンピュータモデルを作成し、それを分析して重要な情報を取得することです。製造管理者の間では、2番目に人気のある経営科学として普及しています。^{[ 1 ] [ 2 ]}しかし、一部のソフトウェアパッケージの複雑さや、一部のユーザーが確率と統計の分野で十分な知識を持っていないことから、その利用は制限されています。

この手法は、工場、倉庫、配送センターなどの設備や物理的施設への資本投資の効果を評価する際にエンジニアが使用する貴重なツールです。シミュレーションは、既存または計画中のシステムのパフォーマンスを予測したり、特定の設計問題に対する代替ソリューションを比較したりするために使用できます。^{[ 3 ]}

製造業におけるシミュレーションの最も重要な目的は、局所的な変更がシステム全体に及ぼす影響を理解することです。局所的なシステムの変更による違いを理解することは容易ですが、この変更がシステム全体に及ぼす影響を評価することは非常に困難、あるいは不可能です。シミュレーションは、この影響をある程度測定することを可能にします。シミュレーション分析によって得られる指標は以下のとおりです。

• 単位時間当たりの生産部品数
• システムの各部分に費やされた時間
• 部品がキューで費やした時間
• ある場所から別の場所への移動に要する時間
• 配達は時間通りに行われました
• 在庫の積み増し
• 在庫処理中
• 機械と労働者の稼働率（％）

その他の利点としては、ジャストインタイム生産、必要な最適資源の計算、システム制御のための提案された運用ロジックの検証、モデリング中に収集された他の用途に利用できるデータなどが挙げられます。

以下に例を示します。ある製造工場では、1台の機械が10時間で100個の部品を処理しますが、10時間でその機械に供給される部品は150個です。そのため、在庫が蓄積されます。この在庫は、別の機械を時折使用することで削減できます。このようにして、局所的な在庫蓄積の削減が理解できます。しかし、この機械は10時間で150個の部品を生産しますが、次の機械では処理されない可能性があります。つまり、全体の生産量に影響を与えることなく、仕掛品在庫をある機械から別の機械に移動させただけなのです。

シミュレーションは、製造におけるいくつかの問題に対処するために次のように使用されます。ワークショップでシステムが要求を満たす能力を確認するため、機械の故障をカバーするための最適な在庫を確保するため。^{[ 4 ]}

以前は、製造シミュレーションツールは言語またはシミュレータに分類されていました。^{[ 4 ]}言語は非常に柔軟なツールでしたが、管理者にとっては使いにくく、時間がかかりすぎました。シミュレータはよりユーザーフレンドリーでしたが、急速に変化する製造技術に十分に適応できないかなり硬直的なテンプレートが付属していました。現在では、両方の柔軟性とユーザーフレンドリーさを組み合わせたソフトウェアが利用可能ですが、それでも、製造プロセスの設計と最適化にこのシミュレーションを使用する割合は比較的低いと報告している著者もいます。^{[ 3 ] [ 5 ]}

製造システム設計者が最もよく使用する手法の 1 つは、離散イベントシミュレーションです。^{[ 6 ]}このタイプのシミュレーションでは、一定期間内にすべてのコンポーネントの相互作用を統計的かつ確率的に再現することで、システムのパフォーマンスを評価できます。場合によっては、製造システムのモデリングには連続シミュレーションのアプローチが必要です。^{[ 7 ]}これは、石油精製所や化学プラントでの液体の移動のように、システムの状態が連続的に変化するケースです。連続シミュレーションはデジタルコンピュータではモデル化できないため、小さな離散ステップを取ることで実行されます。これは、連続シミュレーションと離散シミュレーションの両方を組み合わせる必要があるケースが多数あるため、便利な機能です。これはハイブリッドシミュレーションと呼ばれ、^{[ 8 ]}食品産業など多くの産業で必要とされています。^{[ 3 ]}

さまざまな製造シミュレーションツールを評価するためのフレームワークは、Benedettini & Tjahjono (2009) ^{[ 3 ]}によって、 ISO 9241のユーザビリティの定義「特定の使用状況において、特定のユーザーが特定の目標を有効性、効率性、満足度をもって達成するために製品を使用できる程度」を用いて開発されました。このフレームワークでは、有効性、効率性、ユーザー満足度を、以下の 3 つの主要なパフォーマンス基準として考慮しました。

以下は一般的なシミュレーション手法の一覧です。^{[ 9 ]}

1. 離散イベントシミュレーション（DES）
2. システムダイナミクス（SD）
3. エージェントベースモデリング（ABM）
4. インテリジェントシミュレーション：シミュレーションと人工知能（AI）技術の統合に基づく
5. ペトリネット
6. モンテカルロシミュレーション（MCS）
7. 仮想シミュレーション：ユーザーがシステムを3D没入型環境でモデル化することを可能にする
8. ハイブリッド技術：異なるシミュレーション技術を組み合わせたもの。

以下は、製造業におけるシミュレーションの一般的な応用例のリストです。^{[ 9 ]}