JP7194147B2 - 工程設計の支援装置、支援方法および支援プログラム - Google Patents

Description

本発明は、生産工程の設計に有用な支援装置等に関する。

製品の生産性は、生産工程に大きく依存している。生産工程は、通常、複数の工程からなり、各工程は複数の作業からなる。作業数や工程数が膨大になると、人手のみで効率的な生産工程を設計することは困難となる。そこで、生産工程の設計を支援する装置（シミュレーション装置）が提案されており、例えば、下記の特許文献に関連する記載がある。

特開２００３－１５７２３号公報

特許文献１では、自動車の生産ライン（組立ライン）のように、ワークが搬送されるラインに沿って直列的に配置されたステージ（工程）毎に種々の作業がなされる工程設計の支援装置（ビジュアル表示画面を利用する作業配分立案支援装置）を提案している。具体的にいうと、その支援装置は、各作業員毎（つまり各工程毎）に割り振られる作業時間と歩行時間の合計時間を画面表示して、工程設計者がそれらを画面上で変更できるようにしている。このような支援装置により、工程設計者の負荷が軽減され得る。

しかし、従来の支援装置を用いた工程設計では、担当者の力量（経験、知識等）内で、既存の工程や作業順序等が部分的に最適化されるに留っていた。

本発明は、既存の工程に囚われない新たな工程の検討により全体的に好適な工程設計を可能にする支援装置等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、工程設計に際して、既存の工程や設計者の能力等に囚われず任意に生成された複数の作業順序（仮候補）をベースに、各作業間の順番等に関する作業制約を充足するように生成された作業順序（整合候補）を検討することを着想し、そのような作業順序の生成を具現化した。このような成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《工程設計支援装置》
（１）本発明は、複数の作業を経て目的物を得る生産工程の設計を支援する工程設計支援装置であって、各作業を行う順番である作業順序を無作為に仮定した仮候補を生成する仮候補生成手段と、該仮候補を特定の作業間で予定されている順番である作業制約に整合させた整合候補とする整合化手段と、所定の指標による該整合候補の評価値を出力する出力手段と、を備える工程設計支援装置である。

（２）本発明の工程設計支援装置（単に「支援装置」という。）によれば、先ず、装置（システム、コンピュータ）により無作為（機械的、任意的、暫定的）な作業順序（仮候補）が仮設定される。次に、その仮候補をベースにして、作業制約に整合する作業順序（整合候補）が得られる。そして、整合候補は所定の指標で評価される。評価された整合候補（作業順序）は、それ以降の工程設計（作業順序に沿った作業の各工程への区割り等）に活用され得る。

こうして本発明の支援装置によれば、従来の枠（既存の工程、設計者の能力等）に囚われない作業順序やそれに基づく工程についても、検討することが可能となる。この結果、単に、工程編成に要する時間（リードタイム）の短縮や工程設計者の負担軽減に留まらず、生産性の向上に貢献する好適さらには最適な作業順序や工程群の創出も可能になり得る。

《工程設計支援方法》
本発明は、工程設計の支援方法（単に「支援方法」という。）としても把握できる。つまり本発明は、複数の作業を経て目的物を得る生産工程の設計を支援する工程設計支援方法であって、各作業を行う順番である作業順序を無作為に仮定した仮候補を生成する仮候補生成ステップと、該仮候補を特定の作業間で予定されている順番である作業制約に整合させた整合候補とする整合化ステップと、所定の指標による該整合候補の評価値を出力する出力ステップと、を備える工程設計支援方法でもよい。

《工程設計支援プログラム》
本発明は、上述した各ステップをコンピュータに実行させる工程設計支援プログラム（単に「支援プログラム」という。）としても把握されてもよい。

《その他》
（１）本発明による工程設計支援は、コンピュータと、そのコンピュータで実行させるプログラムとにより実現される。コンピュータは、通常、演算部（ＣＰＵ等）、記憶部（メモリー等）、表示部（ディスプレー等）、入力部（キーボード等）を備える。コンピュータは、孤立したものでも、通信網により連携されたもの（例えばサーバーとクライアント）でもよい。

（２）本発明に係る各手段または各ステップは、通常、そのコンピュータで実行されるプログラムにより構成または実現される。本明細書でいう「～手段」と「～ステップ」は、本発明の対象（物の発明か方法の発明）に応じて相互に言換えることができる。「～手段」は「～部」へ、「支援装置」は「支援システム」へ、それぞれ換言してもよい。また、連携した複数の装置（コンピュータ、記憶装置（サーバ等）、端末等）により構成される支援装置は「支援システム」としても把握される。

（３）工程設計支援は、実際の作業（単に「実作業」という。）に対応して設定（データ化）された仮想の作業（解析モデル）に関して、数値解析（シミュレーション）してなされる。このため本明細書でいう「作業」は、特に断らない限り、実作業を反映したデータ群からなる。

「作業」（データ）は、例えば、実作業毎に付される識別子（番号、符号等）と、実作業の特徴量（作業内容、作業位置、作業時間、使用する治具・工具等／「作業情報」という。）と、作業制約を有する。作業制約には、作業順序の生成に必要な情報であり、例えば、作業を行う順番の先後関係に関する情報（順序制約）、その順番の連続関係に関する情報（連続制約）、その順番の非連続（連続不可）に関する情報（断続制約）、その順番の順番位置を近づける情報（近傍制約）等がある。作業制約は、少なくとも、特定の作業間または作業群について、全作業に設定されていても、その一部の作業に設定されていてもよい。なお、本明細書でいう「作業順序」には、個別な作業（単体）の順序と、連続制約を充足するグループ化した作業群（一作業からなる場合を含む）の順序とがある。

（４）工程設計の対象である目的物は、最終製品の他、中間製品（半製品や仕掛品）等でもよい。各作業の内容は問わず、部品の組立てや接合等の他、原材料の製造等でもよい。

作業情報、順序制約および連続制約を例示した表である。 作業ＩＤからグループＩＤへの変換を例示した表である。 グループＩＤに基づいて生成した作業順序の仮候補を例示した表である。 仮候補の一例を示したマトリックスである。 その仮候補に基づいて類似作業を集約したマトリックスである。 その集約した類似作業の集約過程を示した樹状図である。 その類似作業の集約をした整合候補を示すマトリックスである。 その類似作業の集約をしなかった整合候補を示すマトリックスである。 整合候補の作業順序と評価値を示した一覧表例である。 その作業順序と評価値を整合候補毎に表示したマトリックスである。 作業順序の生成手順を例示したフローチャートである。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、工程設計の支援装置（システム）のみならず、その支援方法や支援プログラム等にも適宜該当する。

《仮候補生成》
仮候補生成（「手段」または「ステップ」の表記は省略する。以下同様）は、各作業を行う順番である作業順序を無作為に仮設定した仮候補を生成する。仮候補は、一定のルール（アルゴリズム等）に沿って生成された作業順序でもよい。例えば、仮候補は、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Genetic Algorithms）等の最適化アルゴリズムに基づいて生成されてもよい。無作為に仮定された作業順序は、全作業順序の一部でもよい。

仮候補は、例えば、擬似乱数列に基づいて設定された作業順序からなってもよい。ｍ個の作業があるとき、その作業順序は、ｍ！（階乗）通りあり得る。作業数（ｍ）が多くなると、その数（ｍ！）は膨大になるため、全ての作業順序について検討することは不可能となる。

そこで、例えば、識別子（ＩＤ／番号）を付与した各作業を擬似乱数列（単に「乱数列」という。）に基づいて配列すれば、無作為な作業順序（仮候補）群を所望数だけ生成することが可能となる。なお、作業順序（ＩＤ）の配列は、重複を排除した乱数列により生成されるとよい。仮候補の作業順序は、必ずしも乱数列自体である必要はない。

《整合化》
整合化は、仮候補の作業順序を、特定の作業間で予定されている順番（作業制約）に整合した作業順序（整合候補）とする。作業制約の代表例として、特定の作業間で予定されている順番の先後関係である順序制約、特定の作業群に予定されている順番の連続関係である連続制約の他、特定の作業間の連続を禁止する非連続関係である（断続制約）、特定の作業間・作業群の順番を所定範囲内に収める（近傍制約）などがある。

整合候補は、特に、類似作業を近接させた作業順序を生成するとよい。作業の類否は、例えば、各作業に付与・設定された情報（作業情報または作業制約）から求まる情報距離に基づいて判断される。この場合、情報距離が所定範囲内にある作業が類似作業となる。情報距離が所定範囲内にある作業（単に「近い作業」という。）は、例えば、利用する治具や工具、対象部品などが共通または関連する作業である。このように関連する類似作業が集約された作業順序により、生産性の向上を図れる工程設計が可能となる。

連続制約に係る作業群は一括して整合化されて、整合候補（作業順序）が生成されるとよい。これにより、連続した一群の作業があるときでも、効率的な整合化がなされ得る。なお、一括処理された作業群は、作業順序の確定後に、個々の作業に分解（グループ解除）されるとよい。これにより、個々の作業が連続制約を充足する状態となった作業順序（整合候補）が得られる。

《出力》
整合候補について、所定の指標に基づく評価値が出力されるとよい。評価値は、整合候補の識別子またはその作業順序と共に示されるとよい。さらに、その評価値に基づいて、ソートされた整合候補が表示されてもよい。

評価値は、例えば、各作業情報（作業場所、作業時間等）に基づいて算出され得る。評価値の一例として、整合候補の作業順序に沿って作業者が移動する総距離（例えば、一作業の遂行に伴う移動距離と異なる作業場所間の移動距離との合計）がある。

本発明に係る工程設計の支援装置（システム）を説明するため、仮想事例（モデル）を示しつつ、本発明をより具体的に説明する。

《装置構成》
本実施例に係る支援装置（システム）は、コンピュータと、そのコンピュータ上で実行されるプログラムとで構成される。コンピュータは、演算部（ＣＰＵ等）、データやプログラムを一時的または長期的に保存する保存部（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等の記憶装置）、表示部（ディスプレー等）、入出力部（キーボード、マウス、通信インターフェース等）などを備える。コンピュータは、専用機でも汎用機（パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等）でもよい。プログラムは、コンピュータに一時的または長期的にインストールされて、後述する工程設計の支援方法に係る各ステップを実行する。なお、本発明に係る各手段は、各ステップを実行するプログラム部分により構成される。

《モデル》
工程設計を行う一事例として、自動車の組立ラインのように、膨大な作業要素（単に「作業」という。）からなる生産ライン（生産工程）を設計する場合を想定する。生産ラインは、直列状（直線状）のラインのみの場合もあるが、通常、上流側で分岐した多数のライン（支流ライン）が、下流側で合流して主たるライン（本流ライン）へ集約されていくことが多い。いずれのラインも、１以上の工程に区分（区画）され、各工程には１以上の作業（「作業群」という。）が割り振られる。

あるラインの各工程に割り振る作業（群）を検討する際、そのライン上で処理されるべき全作業が、時系列に沿って順に配列された作業順序（候補）として与えられると、工程設計を効率的に行える。所定の指標（例えば一工程の所要時間、タクトタイム、作業性等）に基づいて、一連の作業順序を区切るだけで各工程が決定されるからである。

このような状況を踏まえて、本実施例では、工程設計の際に必要となる作業順序の生成を支援する方法（装置、システム）について説明する。なお、理解を容易にすると共に説明の便宜を図るため、本実施例では、検討する作業数を敢えて少数とした。

《作業順序の生成》
工程設計に有意義な作業順序の候補を生成する処理手順（フローチャート）を図７に示した。そのフローチャートに沿って、各手順（ステップ）について詳述する。

（１）情報取得（入力）
ステップＳ１で、データベースから作業順序の生成に必要な各種の情報を取得する。具体的にいうと、ステップＳ１１で作業情報を入力する。作業情報は、例えば、図１の表１Ａに示すように、作業内容（作業名）、作業単体に要する時間（作業時間）、作業位置（Ｘ・Ｙ座標）等である。

各作業には、識別子である数字（ＩＤ）を付与した。各作業を区別するときは、そのＩＤに基づいて、「作業１」、「作業２」・・・のように表記（呼称）する。この点は、以下に説明するグループ、候補等についても同様である。

ステップＳ１２で作業制約を入力する。作業制約は、例えば、順序制約と連続制約である。順序制約は、図１の表１Ｂに示すように、各作業を行う順番の先後関係である。例えば、作業１には、先行する作業７が対応づけられている。この場合、作業１は作業７の後順となる。なお、本実施例では、全作業ではなく一部の作業にだけ、順序制約が設けられる場合を例示した。

連続制約は、図１の表１Ｃに示すように、各作業を行う順番の連続関係である。連続制約毎に識別子が付与される。例えば、１番目の連続制約（単に「連続１」という。）は、作業６、作業８、作業９および作業１０を、その順番で連続して行うことを規定している。

ステップＳ１３で、本実施例のシステムにより提示を望む作業順序の候補数（ｎ：自然数）を入力する。ステップＳ１１～Ｓ１３をまとめてステップＳ１という。

なお、後述するステップＳ８で示すように、作業順序の提示数（ｉ：自然数／ｉはインクリメントされる。）が、その候補数（ｎ）となるまで、ステップＳ３～Ｓ８の処理が繰り返される。

（２）連続作業のグループ化
ステップＳ２で、連続制約に係る作業をグループ化して、それら作業の一括処理を可能にする。例えば、既述した一つの連続制約（連続１）に係る各作業（６、８、９、１０）を一つのグループ１とする。本実施例では、連続制約がない作業ＩＤにも、グループＩＤを付与した。その一例を図２の表２に示した。これにより、作業６、８、９、１０はグループ６、作業１はグループ１、作業２はグループ２等として、全作業がグループＩＤにより画一的に処理される。

（３）作業順序の仮候補生成
ステップＳ３で、各作業をグループＩＤに基づいて、無作為（アットランダム）に配列した作業順序からなる仮候補を生成する。こうして得られた各候補にも識別子（候補ＩＤ）を付与した。グループＩＤの無作為な配列には、擬似乱数列を利用した。

こうして得られた仮候補の一例を図３の表３に示した。表３を見れば明らかなように、仮候補の作業順序は、基本的に、順序制約（表１Ｂ）を充足していない。

（４）類似作業の集約
ステップＳ４で、仮候補として提示された各作業を、それらに属する情報距離に基づいて集約する。一例として、順序制約に基づいて類似作業を集約する場合を説明する。表３の候補１に示したグループＩＤ（作業順序）を、行と列にそれぞれ示したマトリックスを作成する。そのマトリックス中に、表１Ｂに示した順序制約（先行作業ＩＤから変換された先行グループＩＤ）を、フラグ”１”として付加する。これにより、図４Ａの表４Ａに示すマトリックスが得られる。

行に付したグループＩＤを見ると、例えば、グループ１（作業１）にはグループ７（作業７）が先行作業として存在することがわかる。但し、表４Ａからもわかるように、順序制約を示す”１”はマトリックス全体に分散した状態となっている。

この表４Ａに示したマトリックスに対して、階層的クラスタリング処理を行うと、図４Ｂの表４Ｂに示すように、順序制約を示す”１”はマトリックスの対角線付近に配置される。そして各作業（グループ）は、マトリックスの左上側と右下側に集約される。その結果、全作業は、グループ１、２、７からなる集合と、グループ５、６、３、４からなる集合とに分類（クラスタリング）される。なお、表４Ｂを見れば明らかなように、この段階でも、グループＩＤの順序（行順）は順序制約（表１Ｂ）を充足していない。

表４Ｂに示したマトリックスの生成過程（階層的クラスタリングの過程）を、樹状図として図４Ｃに示す。図４Ｃの下方は情報距離が近い（類似度が大きい）ことを示す。

ここでは、説明を簡便にするために、順序制約に基づき類似作業を集約したが、作業位置、作業対象である部品の種類、材質、利用する治具や工具などに関する情報に基づいてなされてもよい。勿論、類似作業の集約は、複数種の情報を組み合わせてなされてもよい。また類似作業の集約は、階層的クラスタリング以外の手法を利用してもよい。さらには工程設計者が、予備実験により、集約の入力情報や手法を選択してもよい。

いずれにしても、類似作業の集約を事前に行うことにより、類似する作業（例えば、同じ工具を使う作業等）がまとめられ、生産性に優れた作業順序（候補）が提案され易くなる。

（５）作業制約の整合（順序制約の充足）
ステップＳ５で、類似作業を集約した作業順序の候補に基づいて、作業制約（順序制約）を満たすように再配列される。例えば、表４Ｂに示した作業順序を、表１Ｂに示す順序制約を満たすように並び替えると、表５Ａに示す作業順序（整合候補）が得られる。具体的にいうと、マトリックスの第１行から順に、順序制約に違反していたグループＩＤの順序だけを、順に並び替える。逆にいえば、順序制約に違反していないグループＩＤは、その順序が維持される。このようなパーティショニング処理により、左から右に下がる対角線の下側にのみ、順序制約を示す”１”が表示されたマトリックス（表５Ａ）が得られる。

なお、整合候補の生成は、順序制約の充足のみに着目してなされてもよいし、他の評価指標（例えば、近傍制約：「作業Ａと作業Ｂを順序が近い位置で実施する」）の充足等を加味してなされてもよい。ちなみに、上述した類似作業の集約を行わず、順序制約の整合のみを行うと、例えば、図５Ｂの表５Ｂに示すような作業順序（整合候補）が得られる。このような作業順序を検討対象とすることも可能である。但し、一般的に、類似する作業間の順番が離れている作業順序からは、高効率な生産工程が得られ難い。

（６）連続作業のグループ解除
ステップＳ６で、一括して扱ってきた連続作業のグループを解除する。例えば、グループ６を解除して作業６、８、９、１０に戻す。こうして、各作業全体について、整合候補である作業順序が得られる（図６Ａの表６参照）。

（７）整合候補と評価値の出力
ステップＳ７で、整合候補である作業順序全体と、その整合候補の評価値が出力される。その一例を表６に示した。

評価値は、例えば、整合候補を構成する隣接作業間の移動距離の合計（総移動距離）である。隣接作業間の移動距離は、例えば、作業情報（表１Ａ）に含まれる作業位置（座標）から求まる。

出力形成は、表６に示すような一覧表形式でも良いし、図６Ｂに示すような整合候補毎の個別形式でもよい。なお、図６Ｂに示したマトリックスは、各作業位置を色別表示により視覚化している。また、先行作業との順序距離も視覚化して表示している。この場合、対角線に近いほど、先行作業との順序距離が近いことを意味している。対角線右上に１が存在しないことは、順序制約の違反がないことを示している。

（８）候補数
設定した候補数（ｎ）の作業順序が得られるまで、上述した各ステップが繰り返しなされる（ステップＳ８）。これにより、例えば、表６に示す一覧表が完成される。

複数の整合候補は、例えば、評価値に基づいてソート表示されてもよい。また、整合候補が多数あるとき、所定の観点でグループ分けして、各グループ毎に代表的な整合候補が示されてもよい。

以上のように提示される多数の作業順序を利用することにより、全体的に最適または最適に近い生産工程の設計、検討等を効率的に行えるようになる。

Claims (5)

1. 複数の作業を経て目的物を得る生産工程の設計を支援する工程設計支援装置であって、
   各作業を行う順番である作業順序を擬似乱数列に基づいて無作為に仮定した仮候補を生成する仮候補生成手段と、
   該仮候補の作業順序を、特定の作業間で予定されている順番である作業制約に整合させた作業順序へ並び替えた整合候補を生成する整合化手段と、
   所定の指標による該整合候補の評価値を出力する出力手段と、
   を備える工程設計支援装置。
2. 前記作業制約は、特定の作業間で予定されている順番の先後関係である順序制約を含み、
   前記整合候補は、類似作業の順番を近接させた作業順序からなる請求項１に記載の工程設計支援装置。
3. 前記作業制約は、特定の作業群に予定されている順番の連続関係である連続制約を含み、
   前記整合化手段は、該連続制約に係る作業群を一括して扱う請求項１または２に記載の工程設計支援装置。
4. 複数の作業を経て目的物を得る生産工程の設計を支援する工程設計支援方法であって、
   各作業を行う順番である作業順序を擬似乱数列に基づいて無作為に仮定した仮候補を生成する仮候補生成ステップと、
   該仮候補の作業順序を、特定の作業間で予定されている順番である作業制約に整合させた作業順序へ並び替えた整合候補を生成する整合化ステップと、
   所定の指標による該整合候補の評価値を出力する出力ステップと、
   を備える工程設計支援方法。
5. 請求項４に記載の各ステップをコンピュータに実行させる工程設計支援プログラム。

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