ت پیچیدگی و ارتباط نزدیک عناصر دنیای امروزی، یافتن روش‌هایی برای شناسایی پیامد تصمیمات و برنامه‌ها بسیار حیاتی به نظر می‌رسد. یک روش انجام این کار استفاده از رویکردی مبنی بر مدل‌های صریح و برونی است که می‌تواند عصاره واقعیت را در بر بگیرد. مدل‌ها به عنوان ابزاری برای ساده‌سازی و خلاصه‌سازی واقعیت عمل می‌کنند. در صورتی که به درستی از آنها استفاده شود، به عنوان رویکردی موثر در مدیریت ریسک و برنامه‌ریزی و تصمیم‌گیری می‌باشند. لذا مدل‌ها به عنوان ابزاری برای تفکر عمل می‌کنند که می‌توانند در خدمت ارتقاء قدرت تحلیل آدمی باشند[1].
شبیه‌سازی تقلیدی از عملکرد فرایند یا سیستم واقعی با گذشت زمان است. سیستم‌های پیچیده واقعی به دلیل تغییرات که در ذات آنها موجود است، بررسی و پیش‌بینی عملکرد آنها را مشکل می‌کند. لذا شبیه‌سازی با ایجاد یک پیشینه‌ای از سیستم، به منظور دستیابی به نتیجه‌گیری‌هایی در مورد ویژگی‌های عملکرد سیستم واقعی، آن را مورد تحلیل و بررسی قرار می‌دهد[2]. در واقع شبیه‌سازی به عنوان یک ابزار یا تکنیک، در مدل‌سازی سیستم‌های پیچیده شناخته شده است. از این تکنیک برای بررسی رفتار یک سیستم که با گذشت زمان تکوین می‌یابد، استفاده می‌شود. تغییر ماهیت و فرایند یک سیستم را با در نظر گرفتن فرض‌هایی که ساده‌سازی نام می‌نهند، می‌توان مدل کرد و اثرات این تغییرات را به طور ملموسی مشاهده نمود. بسیاری از سیستم‌های جهان واقعی پیچیده می‌باشند، لذا راه‌حل‌های تحلیلی، توانایی ارزیابی آنها را نداشته و مطالعات را با استفاده از شبیه سازی انجام می‌دهند[3].
یکی از موضوعات اساسی در حوزه مدل‌های شبیه سازی، ارائه رویکرد بهینه‌سازی است. در سال‌های اخیر تحقیقاتی در حوزه بهینه‌سازی مبتنی بر شبیه‌سازی ارائه گردیده است، که در این دانش رویکردهای زیادی ارائه شده‌اند و با معیارهای متفاوت نیز طبقه‌بندی می‌شوند. بهینه‌سازی شبیه‌سازی، فرایندی است که برای یافتن بهترین مقدار متغیر ورودی از میان تمامی مقادیر احتمالی آنها انجام می‌گیرد[4]. در این میان استفاده از روش تحلیل پوششی شبکه‌ای داده‌ها به عنوان یک رویکرد ارزیابی عملکرد به عنوان ابزاری برای تعیین سناریوی بهینه بسیار مورد توجه قرار گرفته است[5].
اهمیت و ضرورت تحقیق
فرایند ذوب مس دارای موقعیت‌ها و استراتژی‌های خاصی می‌باشد. گستردگی فعالیت‌ها، فرایندها و تصمیماتی که باید اتخاذ شوند، پیچیدگی فرایندها و عملیات، هزینه‌های بالای عملیات و نیاز به سرمایه گذاری کلان در طول انجام فرایند ، دلایلی هستند که ریسک تصمیم‌گیری در این صنعت را افزایش داده است. از طرفی دیگر حساسیت و اهمیت این صنعت کاربرد و استفاده از ابزارهایی همچون شبیه‌سازی را به عنوان یک ابزار قدرتمند تصمیم‌گیری در این حوزه، ضروری می‌کند. ضرورت دیگر استفاده از این ابزار، عدم قطعیت در تمامی مراحل فرایند است که تصمیم‌گیری‌ها را دچار مشکل می‌کند. لذا قابلیت‌های شبیه‌سازی و چالش‌های روز افزون آن در صنعت منجر به توجه و استفاده گسترده از مدل‌های شبیه‌سازی شده است. بنابراین جهت بهبود وضعیت سیستم، بررسی جزئیات و تحلیل حساسیت بر روی آن، نیاز به رویکردی است که از بروز هزینه‌های کلان و زمان‌های طولانی برای انجام فرایند، جلوگیری کند.
سوالات تحقیق
با انجام این مطالعه و پژوهش می‌توان پاسخگوی سؤالاتی بود که در زیر به آنها اشاره شده است:
تأثیر مدت زمان انتظار جرثقیل‌ها به هنگام ایجاد تداخل در محور حرکتی در فرایند تولید.
تعداد تداخل‌ها و مدت زمان انتظار برای رفع آن در طول فرایند تولید.
عوامل اثرگذار در طول زمان انتظار پاتیل‌ها کدام است؟
عملکرد جرثقیل‌ها و اثر آنها در طول فرایند تولید به چه صورت است؟
محدوده حرکتی برای جرثقیل‌ها چه مقدار باشد؟
تعداد کوره‌های فعال آند در طول فرایند تولید جه تعداد باشد؟
اثر زمان تخلیه و حمل سرباره کوره‌ها در عملکرد سیستم چگونه است؟
اولویت پاتیل‌های مواد مذاب برای حمل و نقل توسط جرثقیل‌ها.
اهداف انجام تحقیق
با توجه به این مطالعه و دستاوردهای آن به دنبال تحقق بخشیدن به اهدافی نظیر زیر می‌باشیم:
سیستماتیک کردن فعالیت‌ها و فرایند ذوب مس
شناسایی و ارائه مشکلات فرایند ذوب مس
در نظر گرفتن حرکت جرثقیل‌ها به عنوان عضو اثرگذار در فرایند تولید مس
بهینه‌سازی و افزایش بهره‌وری از جرثقیل‌ها
شناسایی عوامل موثر و مهم در فرایند تولید
بهینه سازی عوامل قابل کنترل در فرایند تولید
طرح تحقیق
روند انجام این پژوهش از ابتدا تا انتهای انجام آن به طور مختصر به شرح زیر است و به صورت نمایشی در شکل (1-1) نشان داده شده است:
مطالعه و مرور ادبیات پژوهش مذکور در ایران و خارج از کشور
تنظیم نقشه فرایند ، جمع‌آوری اطلاعات و داده‌های لازم از فرایند و تجزیه و تحلیل آنها
مدل سازی مفهومی فرایند ذوب مس
شبیه‌سازی مسئله با ابزار شبیه‌سازی کامپیوتری (نرم افزار Arena)
صحت‌سنجی و اعتبارسنجی مدل شبیه‌سازی
تعریف و ایجاد سناریوها (استفاده از بسته OptQuest® در نرم افزار ارنا)
بهینه‌سازی و انتخاب سناریوی بهینه (استفاده از نرم‌افزار GAMS)
پیاده‌سازی ساختار بهینه بر روی مدل موجود و تحلیل نتایج
شکل (1-1) فلوچارت مراحل انجام تحقیق
نوآوری تحقیق
فرایند ذوب مس و تولید آند مس با عدم قطعیت‌های بسیاری روبرو است. استفاده از شبیه‌سازی برای این‌گونه از مسائل به دلیل دشوار بودن ساخت مدل‌های ریاضی آن و پیچیدگی و تصادفی بودن متغیرهای سیستمی دارای کاربرد بیشتری می‌باشد. مطالعه تحقیقات موجود در ادبیات نشان می‌دهد که مقالات و پژوهش‌هایی در راستای تحلیل عملکرد فرایند ذوب مس به کمک شبیه‌سازی ارائه شده است. از طرفی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی فعالیت جرثقیل‌های سقفی با توجه به تداخل‌ها1، وقفه‌ها2 و مسدود کردن3 با ایستگاه‌های ثابت درخواست‌کننده نهادهای مدل تا کنون در ادبیات موضوع به چشم نمی‌خورد. در اکثر مطالعات انجام شده، با مطالعه و بررسی سناریوهای مختلف سعی در بهبود وضعیت عملکرد فرایند شده است و استفاده از یک رویکرد بهینه‌سازی به منظور دستیابی به مقادیر بهینه و اثر گذار فرایند به ندرت صورت گرفته است.
بنابراین با توجه به خلأهای موجود در ادبیات موضوع، نوآوری این پژوهش عبارت است از:
شبیه‌سازی سیستم پیچیده فرایند ذوب با در نظر گرفتن حرکت جرثقیل‌ها و تداخل‌های آنها
استفاده از OptQuest نرم‌افزار Arens برای بدست آوردن سناریوهای محتمل
استفاده از تحلیل پوششی شبکه‌ای داده‌ها برای بدست آوردن سناریوی بهینه
کاربرد تحقیق
به دلیل شباهت سیستمی عملیات ذوب در کارخانجات ذوب مس و فولاد، این مدل شبیه‌سازی قابل استفاده در این‌گونه از صنایع می‌باشد. از طرفی به علت کاربرد جرثقیل‌های سقفی در صنعت و وجود تداخل‌های میان آنها استفاده از زیر مدل حمل و نقل در این‌گونه موارد نیز ممکن می‌باشد. در واقع ارائه مدل یکپارچه از فرایند ذوب مس و درک ملموس‌تر سیستم از طریق ارائه سناریوهای مختلف و تحلیل حساسیت جواب کاربرد مهم‌تر این مدل می‌باشد.
پیش‌فرض‌های تحقیق
موارد زیر در راستای ساده‌سازی سیستم و فارغ از کاهش اصل موضوع مربوط به فرایند تولید لحاظ می‌گردد:
مرز مدل شبیه‌سازی از خروجی کوره‌های ریورب در نظر گرفته شده است.
خرابی کوره‌های کنورتر و آند و جرثقیل‌ها در مدل لحاظ می‌گردد.
کلیه پارامترهای مهم و تأثیرگذار در مدل لحاظ می‌گردد.
نظر اپراتورها به عنوان متغیرهایی در مدل لحاظ می‌گردد.
خرابی کوره‌ها در پایان سیکل کاری آنها اعمال می‌گردد.
تعداد پاتیل‌های سرباره گرفته شده از کوره‌های کنورتر حداکثر 2 پاتیل در نظر گرفته شده است.
رفتار مواد سرد و قراضه مس در مدل یکسان در نظر گرفته شده است.
سرعت جرثقیل‌ها، یکنواخت در نظر گرفته شده است.
پاتیل‌های سرباره کنورتر بعد از پر شدن، حمل و تخلیه در مقصد مورد نظر، بلافاصله به مبدأ خود باز می‌گردند.
محدودیت‌های تحقیق
از آنجایی که اطلاعات ورودی مدل، بر اساس داده‌های واقعی کارخانه ذوب مس سرچشمه جمع آوری گردیده و اکثر فرایند های سیستم با عدم قطعیت زیادی همراه هستند، لذا محدودیت و مشکلات فراوانی در راستای گردآوری و نمونه‌برداری از سیستم وجود داشت. همچنین به علت اینکه دخالت اپراتورها در تصمیمات اثرگذار سیستم بسیار زیاد بوده، لحاظ نمودن اثر این تصمیمات و نزدیک بودن به واقعیت، گستره زمانی زیادی در راستای تحقق این امر اختصاص یافت.
تعاریف و اصطلاحات عمده
شبیه‌سازی: شبیه‌سازی تقلیدی از عملکرد فرایند یا سیستم واقعی با گذشت زمان است. شبیه‌سازی، صرف نظر از اینکه با دست یا به وسیله کامپیوتر انجام شود، به ایجاد ساختگی تاریخچه سیستم و بررسی آن به منظور دستیابی به نتیجه‌گیری‌هایی در مورد ویژگی‌های عملکرد سیستم واقعی مربوط می‌شود[2].
شبیه‌سازی گسسته پیشامد: شبیه‌سازی گسسته پیشامد، مدل‌سازی، شبیه‌سازی و آنالیز سیستم با استفاده از تکنیک‌های ریاضی4 و محاسباتی5 جهت ایجاد ساختار مدلی از یک چهارچوب مفهومی که بتواند سیستم را تشریح کند[6].
اجزای سیستم:
نهادها6 : عناصر جداگانه‌ی سیستم هستند که شبیه‌سازی شده و رفتارشان صریحاً دنبال می‌شود. مانند ظروف انتقال مواد مذاب (پاتیل‌ها7)، ظروف حمل مواد سرد و قراضه مس و آندهای واحد ریختهگری .
منابع8 : این‌ها نیز عناصر جداگانه‌ای در سیستم هستند، ولی به طور جداگانه مدل‌سازی نمی‌شوند. در عوض به عنوان اقلام قابل شمارشی که رفتارشان توسط برنامه کامپیوتری دنبال نمی‌شود، مورد توجه قرار می‌گیرند.
عملیات نهادها:
پیشامد9: لحظه‌ای از زمان است که در آن یک تغییر حالت قابل توجه در سیستم اتفاق می‌افتد. مانند وارد شدن یک نهاد در یک مجموعه و یا ترک و یا وقتی که عملیاتی آغاز می‌گردد.
فعالیت10: عملیات‌ها و دستورالعمل‌هایی که در هر پیشامد آغاز می‌شوند به عنوان فعالیت شناخته می‌شوند و منجر به تغییر حالت نهاد می‌شوند.
فرایند 11: سلسله‌ای از پیشامدها به عنوان یک فرایند با ترتیب زمانی شناخته می‌شوند و اغلب جهت نشان دادن قسمت یا تمامی چرخه حیات نهادهای موقتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ساعت شبیه‌سازی: نقطه‌ای است که به وسیله زمان شبیه‌سازی شده در شبیه‌سازی بدان می‌رسیم[1].
بهینه‌سازی مبتنی بر شبیه‌سازی: بهینه‌سازی شبیه‌سازی، فرایندی است که برای یافتن بهترین مقدار متغیر ورودی از میان تمامی مقادیر احتمالی آنها انجام می‌گیرد و هدف از بهینه‌سازی شبیه‌سازی، کمینه کردن منابع مصرفی با حداکثر کردن اطلاعات بدست آمده از آزمایش‌های شبیه‌سازی است[4].
ساختار تحقیق
این تحقیق در 6 فصل ارائه شده است. همان‌طور که مشاهده نمودید، در فصل اول کلیات مسئله تحقیق معرفی شده است. در فصل دوم ادبیات مرتبط با این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته است و تحقیقات مرتبط با شبیه‌سازی فرایند ذوب و ادبیات‌های مرتبط با این موضوع مورد بررسی قرار می‌گیرند. در فصل سوم، معرفی مختصری از مطالعه موردی و کارخانه ذوب مس سرچشمه به همراه مشخصات سیستم مذکور ارائه می‌شود. در فصل چهارم، شبیه‌سازی فرایند ذوب مس و نتایج حاصل از آن بیان شده است. در فصل ششم رویکرد بهینه‌سازی سناریوها و نتایج حاصل از سناریوی بهینه با سناریوی پایه مقایسه و تجزیه و تحلیل می‌گردد. در نهایت در فصل ششم، نتیجه‌گیری حاصل از پژوهش و عناوین تحقیقاتی جهت استفاده در پژوهش‌های آتی ذکر شده است.
خلاصه فصل
در این فصل، ضمن معرفی مسئله و بیان ضرورت انجام تحقیق، اهدافی که در این پژوهش به دنبال آن هستیم ذکر گردید. در ادامه نوآوری و زمینه‌های کاربردی پژوهش به همراه محدودیت و پیش فرض‌های تحقیق بیان شده است. در پایان نیز ساختار کلی تحقیق ارائه شده است.
فصل دوم: مروری بر ادبیات
(مروری بر پیشینه تحقیق و ادبیات موضوع)
مقدمه
در این بخش، مطالعات انجام شده در حوزه شبیه‌سازی فرایند ذوب و جابه‌جایی مواد اولیه و شبیه‌سازی حرکت
