В США наблюдается большой разрыв между производительностью труда на производстве и в строительстве. В период с 1994 по 2011 годы этот показатель на производстве увеличился вдвое, в то время как в строительстве остался прежним. Кроме того, строительство домов — одна из самых углеродо- и энергоемких отраслей в США.
Перед строительной отраслью, и особенно в секторе домостроения, стоит задача повысить производительность труда, чтобы создавать энергоэффективные, низкоуглеродные и доступные по цене продукты. Национальная лаборатория по изучению возобновляемой энергии (NREL) совместно с Министерством энергетики США и различными финансирующими организациями планирует посвятить этому ближайшие 5–10 лет.
Проблема
Министерство энергетики США разработало инициативу «Усовершенствованное строительство зданий (ABC)», которая должна помочь в возведении доступных по цене, современных, энергоэффективных и низкоуглеродных зданий. Кроме того, организации ищут способ повысить энергоэффективность в высокопроизводительном строительном секторе США. Министерство энергетики США инвестирует в новые технологии, одновременно взаимодействуя с заинтересованными лицами в публичном и частном секторах.
Национальная лаборатория по изучению возобновляемой энергии совместно с Министерством энергетики США использует для достижения поставленных целей два подхода. Первый — использование постоянных модульных конструкций, которые изготавливаются на предприятии, а затем перевозятся и собираются на строительной площадке. Второй — применение моделирования и цифрового двойника, когда модель используется в сочетании с реальной системой.
На строительном предприятии в США используется ручной труд рабочих и крупная система обработки материалов. Конечный продукт доставляется на стройплощадку, где собирается с минимальными трудовыми затратами. Такой способ строительства на 40 % быстрее, но при этом неясно, является ли он более энергоэффективным и будут ли построенные дома более низкоуглеродными.
Решение
Национальная лаборатория по изучению возобновляемой энергии использует стратегию сбора данных для предприятия, которое в данном случае представляет собой физическую среду. Цель этой стратегии — интегрировать данные их с моделью предприятия практически в режиме реального времени. Данные включают в себя все процессы и дискретные действия, а также ручной труд рабочих вместе с системой обработки материалов. Таким образом создается цифровая среда (или информационная модель предприятия).
Строительные предприятия по-прежнему требуют большого объема ручного труда, поэтому понять последствия производительности труда, времени цикла и даже времени простоя очень сложно. Чтобы решить эту задачу, использовалось многоподходное имитационное моделирование в AnyLogic.
С помощью агентного подхода можно моделировать действия и взаимодействия автономных агентов (в данном случае строителей). Дискретно-событийное моделирование лучше работает с простыми сборочными линиями и конвейерами. В системной динамике можно добавлять уровни системы обработки материалов и поток материалов. Чтобы правильно оценить производительность труда, можно создать гибридную имитационную модель с упором на агентный подход.
В качестве входных данных используется информация о перемещениях и действиях рабочих, которая поступает с реальных строительных предприятий. Далее эти данные передаются в среду AnyLogic. На видео ниже показан смоделированный этаж предприятия. Рабочие на каждой станции распределяются в соответствии с моделями строительных работ. Для них могут также назначаться конкретные рабочие, графики, шаблоны перемещений, время простоя и даже обеденные перерывы. Все это значительно влияет на то, что происходит на предприятии.
В модели есть различные станции, для каждой из них назначены рабочие. Когда модульная конструкция перемещается по станциям, на них активируются ресурсы, а точный график работы сотрудников с реального предприятия добавляется в качестве входных данных в модель. Таким образом можно задать базовые параметры для существующего состояния предприятия, а также с высокой точностью смоделировать его работу целиком. Кроме того, модель можно масштабировать, чтобы понять реальную ситуацию на различных станциях. Специалист по работе с моделью может точно оценивать результаты работы системы обработки материалов.
Если рассмотреть четыре области созданной модели подробнее (см. диаграмму ниже), то, используя имитационную среду, можно сформулировать различные вопросы для исследования. Далее их можно сопоставить с различными подходами в AnyLogic. Ответив на вопросы, можно будет создать более эффективный низкоуглеродный продукт.
Специалисты по созданию модели, используя различные альтернативные сценарии, исследуют соотношение между производительностью и новыми действиями и на основе анализа принимают информированные решения перед внедрением этих сценариев на предприятии.
Следующие шаги
Эта модель дорабатывается и улучшается по мере постоянного получения данных с камер и датчиков, установленных на предприятиях в США, практически в реальном времени. Текущая модель показывает положение дел на существующем предприятии, но в будущем, когда будут определены основные параметры предприятия, можно будет создавать альтернативные сценарии с помощью AnyLogic. В дальнейшем работа с моделью будет включать внедрение альтернативных сценариев для анализа соотношения между производительностью и новыми ресурсами/действиями.
Этот проект был представлен на конференции AnyLogic 2021 Анкуром Поддером (Ankur Podder) из Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (NREL).
Вы также можете посмотреть презентацию в формате PDF.
