دراسة حالة: تحسين النيل في محطات تجهيز الأغذية باستخدام تقنيات محاكاة متقدمة

الحاجة المتزايدة إلى زيد يلد في تجهيز الأغذية

فصناعة تجهيز الأغذية تعمل على هامش رفيع، فكل رطل من المواد الخام المهدرة، وكل دقيقة من فترات التوقف غير المخطط لها، وكل دفعة من الخصمات غير المجهزة تأكل مباشرة إلى الربح، ومع تزايد الطلب العالمي على الأغذية المحزمة وتكثيف الضغوط على سلسلة الإمداد، أصبح تحسين العائد ضرورة استراتيجية لمديري المنشآت ومهندسي العمليات.

غير أن تحسين الغلة ليس أمراً مستقيماً، إذ تنطوي محطات تجهيز الأغذية على تفاعلات معقدة بين عمليات الوحدات المتعددة: الاستلام، والغسيل، والفرز، والطبخ، والخلط، والتغليف، والتبريد، وتخضع هذه العمليات للتقلب الطبيعي في ممتلكات المواد الخام، والملابس الخاصة بالمعدات، والعوامل الإنسانية، والظروف البيئية، وقد ظهرت أساليب التجارب التقليدية، والأعراف، من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل، وهي أساليب تحويلية مكلفة في كثير من الحالات.

لماذا النهج التقليدية قصيرة

وقبل استكشاف المحاكاة، من المهم فهم القيود التي تفرضها أساليب تحسين المحاصيل التقليدية، ويعتمد العديد من النباتات على تحليل البيانات التاريخي، أو على حد علم المشغل، أو على صفائح بسيطة لتحديد الاختناقات، وفي حين أن هذه الأساليب يمكن أن توفر بعض الرؤى، فإنها لا تستوعب الطبيعة الدينامية والمتدرجة في تجهيز الأغذية، فعلى سبيل المثال، قد يبدو أن خط التغليف يسير بسلاسة في المتوسط، بل قد يؤدي إلى تفاعلات مخفية بين فترات الاختلاط العرض الأولي.

ويتغلب المحاكاة على هذه القيود بإنشاء صندوق رملي افتراضي يستطيع المهندسون فيه اختبار التغيرات دون مخاطر، حيث زادت قدرة تجهيز الحاسوب وأصبحت البرامجيات أكثر سهولة في استعمالها، أصبح من الممكن الوصول إلى المحاكاة للمنتجين من الحجم المتوسط، وليس فقط الشركات المتعددة الجنسيات الكبيرة، وتفصل الفروع التالية بالتفصيل التقنيات المتقدمة التي تعيد تحديد ما يمكن تحقيقه من تحقيق الاستخدام الأمثل للمحاصيل.

تقنيات محاكاة متقدمة تؤدي إلى نتائج

وتستفيد دراسة الحالة التي أشير إليها في المادة الأصلية من ثلاث منهجيات رئيسية في المحاكاة: محاكاة الأحداث المتفرقة، وديناميات الفولط المحوسبة، ومحاكاة مونت كارلو، وكل منها يتناول طبقة مختلفة من التحدي الذي يواجهه الغلة.

محاكاة الأحداث المتفرقة

ويضع نظام إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية نظاماً كسلسلة من الأحداث المتباينة التي تحدث في نقاط محددة في الوقت المناسب، وقد تشمل هذه الأحداث، في سياق تجهيز الأغذية، وصول مجموعة من البطاطا الخام، وبدء دورة غسيل، وإتمام عملية التغليف، أو انهيار الآلات، ويتيح المجال للمهندسين لتكوين كوادر نموذجية، واستخدام الموارد، والأنماط النوبية، والإخفاقات المذهلة.

وتشمل مجموعات البرامجيات الحديثة التي تستخدم في مجال التنمية الاقتصادية، مثل برنامج " أنيلوجيك " ، و " سيمبل 8 " ، والمكتبات المخصصة لمعالجة الأغذية تحديدا، ويمكن لهذه الأدوات أن تحاكي أسابيع الإنتاج في دقائق، وتوفر إحصاءات مفصلة عن استخدام الآلات، وجرد العمل في المستقبل، وفعالية المعدات عموما، ويمكن أن يكشف نموذج مفصل عن وجود آلة غير فعالة في الواقع تضيء إلى خط أعلى.

الديناميات الفولطية الحاسوبية

ومؤسسة الكومنولث هي فرع من ميكانيكيات السائل يستخدم التحليل الرقمي والمقاييس لحل المشاكل التي تنطوي على تدفقات السوائل، وفي تجهيز الأغذية، تستخدم هذه المبيدات لنموذج سلوك الغازات، بل وحتى الصلبات في الحركة (استخدام نماذج متعددة المراحل) وتشمل التطبيقات المشتركة الاستخدام الأمثل لتصميمات مبادلات الحرارة للتبديل في الخناق، وتحسين التزيين في الصهاريج، والتنبؤ بتدفقات الهواء في الرش الجاف، وتصميم

وبالنسبة لمصنع دراسة الحالة، استخدم محاكاة مركز دراسات الحالة لتحليل قياسات الصهاريج المختلط وسرعة التعبئة، وأظهر النموذج مناطق ميتة لم تدمج فيها المكونات بالكامل، مما أدى إلى تفاوت بين البات وعاء، وبتعديل تصميم البافلات ولعب القاذورات، خفض الفريق وقت الخلط بنسبة 18 في المائة وتناقص مستوى الانحراف عن التركيز المكون بنسبة 40 في المائة.

Monte Carlo Simulation

إن محاكاة مونت كارلو هي تقنية إحصائية تستخدم العينات العشوائية لنموذج احتمال مختلف النتائج في عملية تتسم بعدم اليقين، وفي تجهيز الأغذية، فإن خصائص المواد الخام مثل محتوى الرطوبة، وتوزيع الحجم، ومستويات الشوائب تتفاوت بطبيعة الحال، وتسمح محاكاة مونت كارلو للمهندسين بتقييم كيفية انتشار هذه التباينات من خلال العملية والتأثير على العائدات النهائية.

وينشئ الجمع بين نظام إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية وأساليب مونت كارلو نموذجا هجينا قويا يستوعب كلا من الأحداث المتميزة والتقلب المستمر، وقد استخدمت محطة دراسة الحالة هذا النهج لتقييم السياسات المختلفة لتحديد الجدولة في ظل وجود مواد خام غير مؤكدة، مما أدى إلى انخفاض بنسبة 12 في المائة في النفايات الزائدة عن التدفق.

تقنيات إضافية: نماذج نموذجية قائمة على العملاء وإدماج التعلم في الآلات

ومع أن هذه الدراسة لم تستخدم في دراسة الحالة الأصلية، تجدر الإشارة إلى أن ثمة أسلوبين متصلين يكتسبان مساراً، إذ أن نموذج النماذج القائمة على العملاء يحفز على اتخاذ إجراءات وتفاعلات بين وكلاء الحكم الذاتي (مثل العمال أو الآليين أو الآلات المتنقلة) لتقييم آثارها على النظام ككل، ويمكن إدماج التعلم في مجال الآلات في المحاكاة من أجل بناء نماذج بديلة تكون أسرع من النماذج الافتراضية الحديثة ذات الصلة بالصور الرقمية.

دراسة حالة: محطة غذاء نكهة متوسطة الحجم

وتستند الدراسة الإفرادية الموسعة التالية إلى النتائج الفعلية التي توصل إليها أحد العملاء السريين لشركة استشارية للمحاكاة، وتنتج هذه المحطة التي سنطلق عليها " كرونش باك فودز " 000 250 جنيه من أصناف الوجبات الخفيفة المحزمة يوميا، وقبل المشروع، بلغت نسبة الـ 78 في المائة، مع وجود نفايات في المقام الأول من الخلط غير المتجانس، والتشويش على الخط أثناء التغ، وفقدان المنتج أثناء عمليات التغيير بين الوصفات.

خط الأساس

وقد حاول فريق عمليات كرونشباك إدخال تحسينات تدريجية عن طريق تعديل سرعة النقل وزيادة تدريب المشغلين، ولكن المكاسب كانت قصيرة الأجل، وأظهرت دراسة خط الأساس التي أجريت لمدة ستة أشهر أن العائد تراوح بين 74 في المائة و 82 في المائة، دون وجود سبب واضح، وشهدت المعمل ما متوسطه 23 دقيقة من وقت العمل غير المخطط له في كل نوبة، ويعزى الكثير منها إلى قطع رسوم التغليف.

مرحلة نموذج المحاكاة

وقام الفريق الاستشاري ببناء ثلاثة نماذج محاكاة مترابطة باستخدام أدوات قياسية في الصناعة:

• DES model (AnyLogic):] Replicated the entire production flow from raw receiving to palletizing. The model included sevenpackaging lines, three mixing tanks, two fryers, and six conveyors with stochious failure and repair data. It ran for 500 simulated days to build statistically significant results.
• CFD model (Ansys Fluent):] Focused on the primary mixing tank and the seasoning application drum. The model included non-Newtonian liquid properties representative of the product slurry. Over 20 design iterations were tested virtually.
• Monte Carlo overlay (MATLAB): ] Used to incorporate raw material variability (potato moisture content from 70% to 82%, oil absorption variation, seasoning bulk density) into the DES model. A total of 5,000 simulation runs were executed to produce yield probability histograms.

النتائج الرئيسية من المحاكاة

وكشفت المحاكاة عن عدة أفكار غير واضحة:

• ولم يكن التقلب المختلط نابعا من خطأ المشغل بل من جرّاء مدفع غير سليم ومسدس مميت خلف رفف، وتتوقع لجنة حماية كوسوفو أن إعادة تحديد المكب وزيادة سرعة التعبئة بنسبة 12 في المائة ستخفض وقت الخلط بنسبة 22 في المائة وستخفض الانحراف المعياري للمحتوى الموسمي إلى النصف.
• ولم تنجم المربى عن أجهزة التغليف نفسها بل عن الطفرة المؤقتة من فرز المجرى المائي، وقد حدد نموذج إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية أن التوقف لمدة 10 ثوان في موصل إنتاج الفرز، الذي تسبب فيه بعض أشكال المنتجات، قد أدى إلى تراكم متوارث، حيث أدى تركيب حزام قياسي لإيقاف التدفق إلى إزالة 85 في المائة من المربى.
• وكان تغيير النفايات أعلى بكثير من المسجل لأن المشغلين لم يتبعوا باستمرار الإجراء الموحد، وقد أظهر تحليل مونت كارلو أن الانحرافات الطفيفة في وقت التنظيف وموجزات السرعة قد زادت كثيرا من النفايات، وقد وضع بروتوكول منقح للتغيير يحظى بالتقدير المحاكاة.

التنفيذ والنتائج

وقد نفذت التوصيات على مدى ثلاثة أشهر خلال نوافذ الصيانة المقررة وعطلة نهاية أسبوع واحدة مخصصة للتوقف، وكانت التغييرات تتطلب الحد الأدنى من النفقات الرأسمالية - وكان أكبر نفقات تركيب الحزام المتر )٠٠٠ ٤٥ دولار( وتعديل البكلاء )٠٠٠ ١٢ دولار(، وكانت النتائج، التي قُي ِّمت على مدى ستة أشهر بعد التنفيذ، مبعثرة على نحو مذهل:

• وازدادت نسبة اليغل من متوسط خط الأساس البالغ 78 في المائة إلى 92 في المائة، وهو ما يتجاوز نسبة الـ 15 في المائة المستهدفة.
• وانخفضت النفايات من 22 في المائة إلى 17.5 في المائة (الحد من حجم النفايات بنسبة 20 في المائة).
• تحسّن مؤشر القدرة على العمليات (Cpk) للوحدة الموسمية من 0.8 إلى 1.4، مما يشير إلى تحقيق ناتج مستقر وعالي الجودة.
• وانخفضت ساعات العمل غير المخططة بنسبة 38 في المائة، من 23 دقيقة لكل نوبة إلى 14 دقيقة.
• وقُدرت وفورات التكاليف السنوية بمبلغ 1.8 مليون دولار، لا تشمل تخفيض رسوم التخلص وتحسين القدرة على إنتاج النواتج.

وأفاد المصنع أيضا عن زيادة بنسبة 10 في المائة في الناتج دون إضافة أي معدات جديدة، مما أرجأ بالفعل توسيعا في القدرات المقررة.

الدروس المستفادة: أفضل الممارسات في مجال التبسيط

وتوضح قضية كرونش باك عدة مبادئ تنطبق عموما على محطات تجهيز الأغذية التي تنظر في المحاكاة:

بدء بمنطقة واضحة وخط الأساس

وتبدأ مشاريع المحاكاة الناجحة ببيان المشاكل المحدد جيدا وجمع البيانات الكافية، وفي حالة كرونش باك، قضى الفريق ستة أسابيع في جمع مواصفات المعدات، والجدول الزمني للتحول، وسجلات الفشل، ومقاييس الجودة، وبدون خط أساس موثوق، يصعب التحقق من نتائج المحاكاة.

إشراك المشغلين ومهندسي العمليات في مرحلة مبكرة

ولا تصلح نماذج المحاكاة إلا بقدر ما تكون الافتراضات التي تم وضعها فيها، فقد قدم العاملون أفكاراً حاسمة عن سلوكيات العالم الحقيقي التي لم تُدرج في التقارير الموحدة، مثل مسألة طفرة الفرز، وقد أدى عقد حلقات عمل للتحقق من المنطق النموذجي إلى تخفيض العمل فيما بعد.

استخدام المحاكاة لاستكمالها، وليس استبدالها، الاختبارات المادية

وفي حين أن المحاكاة يمكن أن تعجل باتخاذ القرارات، ينبغي التحقق من التغييرات الحرجة (مثل السرعة الجديدة للدفع) بإجراء اختبارات مادية صغيرة النطاق قبل التنفيذ الكامل، وقد أجرى كرونشباك تجربة يومية واحدة لأماكن الخلط الجديدة قبل نهاية الأسبوع المغلق لتأكيد التنبؤات التي تصدرها القوات المسلحة الكونغولية.

خطة تحديث النموذج المستمر

وبعد التنفيذ، تم تحديث نموذج كرونش باك ببيانات جديدة، وهو يستخدم الآن في التنبؤ بالهبوط الشهري للهبوط والجدول الزمني للتحولات، ويتيح الاختصار الرقمي للمحاكاة التي تعيش إلى جانب العمليات الاستجابة السريعة للتغيرات في المواد الخام أو الطلب.

الاتجاهات المستقبلية: صناعة المقايضة

وتتطور التقنيات المذكورة أعلاه بسرعة، وستشكل ثلاثة اتجاهات العقد المقبل لتحسين إنتاج الأغذية:

التوائم الرقمية في الوقت الحقيقي

وبدلاً من إجراء عمليات المحاكاة خارج الشبكة، يستخدم التوأم الرقمي في الوقت الحقيقي أجهزة الاستشعار من طراز IoT لتغذية البيانات الحية في نموذج محاكاة مستمر، وهذا يتيح الصيانة التنبؤية (مثلاً " يتوقّع النموذج حدوث مرآب عبوة في 12 دقيقة استناداً إلى الاتجاهات الحالية في مجال الاستشعار " ) وتسويات الجدولة الدينامية، وتسويق الشركات مثل شركة سيمينز وشركة PTC برامج رقمية مزدوجة للغذاء ورش.

ألف - تحقيق الاستخدام الأمثل المتكامل

ويمكن أن تتعلم خوارزميات التعلم الماكنة العلاقات الكامنة في بيانات المحاكاة وأن تقترح أفضل ظروف العمليات دون بحث شامل، ويجري اختبار التعلُّم في مجال الإنفاذ لتكييف درجات حرارة الفائقين أو سرعة النقل آلياً استجابةً لتباينات نوعية المواد الخام، باستخدام محاكاة كبيئة للتدريب.

محاكاة السحابة كخدمة

ويمكن لمجهزي الأغذية الأصغر الذين يفتقرون إلى الخبرة في المحاكاة الداخلية أن يشاركوا في برامج السحاب التي تقدم نماذج سابقة للبناء للعمليات المشتركة (مثلاً، التجفيف، والتدمير، والتغليف) وهذه البرامج، مثل تلك التي تُستخدم في " المحاكاة كخدمة " أو اتحاد شركة الأغذيةSim، أن تقلل من الحواجز التي تعترض الدخول.

خاتمة

وتقنيات المحاكاة المتقدمة - دي إس، وCFD، وM Monte Carlo methods - ثبتت قيمتها في محطات تجهيز الأغذية عن طريق إدخال تحسينات على غلة الأرقام المزدوجة، وتخفيضات النفايات، ووفورات في التكاليف، وتوفر الدراسة الإفرادية لمؤسسة CrunchPak Foods مخططاً عملياً لكيفية اكتشاف أوجه عدم الكفاءة المستترة وتوجيه التدخلات ذات القدرة المنخفضة على تحمل الأرقام، حيث أن التوأم الرقمية والتقدير المستمر من ناحية أخرى.