Tersane yerleşimi optimizasyonu ve simülasyonu
Shipyard layout optimization and simulation
Yazar: SALİM TAMER
Danışman: PROF. DR. BARIŞ BARLAS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Bu çalışmanın temel amacı, tersane yerleşimi optimizasyonu modeli geliştirmek ve Türkiye'de bulunan tersanelere bu modeli uygulayıp, tersanelerimizi daha verimli hale getirmektir. Bu amaç için Sistematik Yerleşim Planlama ve Graf-teorik Yaklaşım modeli ilk defa gemi inşaatı problemine uygulanmış, ayrıca bu uygulamanın Arena simülasyonu ile karşılaştırmasını yapılmıştır. Ek olarak, Türkiye'nin önde gelen bir tersanesinde gerçek olay uygulanması gerçekleştirilmiştir. Yalova'da bulunan ve yıllık 50.000 ton çelik işleme kapasitesine sahip bir tersanenin üretim verimliliği artırılmış, yerleşim planı iyileştirilmiş ve iyileştirilen yerleşim planının üretim sürelerine olan etkisi derinlemesine incelenmiştir. Tesis yerleşimi problemi, bir tersane için uyarlanmış, analiz edilmiş ve kapsamlı bir literatür taramasıyla birlikte sonuçlarıyla sunulmuştur.
Tesis yerleşimi problemi, bir üretim sistemi için departmanların fiziksel konumlarının belirlenmesini ifade eder. Herhangi bir imalat endüstrisi, tesis departmanlarının nereye yerleştirileceği ve bu tesislerin verimli bir şekilde tasarlanması gibi önemli ve temel stratejik konularla karşı karşıya kalabilir. Tesis yerleşimi tanımı, sistem genelinde iş akışına odaklanarak departmanların fiziksel bir konumlandırılması olarak yapılmakta ve en yüksek operasyonel verimliliği en düşük maliyetle elde etmek için tasarlamaktır. Tesis yerleşimi problemi için en önemli hedef malzeme taşıma maliyetinin minimize edilmesidir, ancak niceliksel ve niteliksel hedefler de uygulanabilir. Azaltılmış malzeme hareketi, sadece malzeme taşıma maliyetlerini en aza indirgemekle kalmaz, aynı zamanda süreç içi envanter seviyelerini ve üretim sürelerini azaltır, daha az hasarlı ürün üretimine olanak sağlar, malzeme kontrolünü ve programlamayı basitleştirir ve genel sistemsel tıkanıklığı azaltır. Bu nedenle, malzeme taşıma maliyetini en aza indirirken, diğer hedefler de aynı anda gerçekleştirilebilir.
Tesis yerleşimi problemi; üretim departmanlarının göreceli ilişkilerine göre yerleştirilmesiyle ilgilenir ve tesis yerleşimi tasarımı, iş akışını düzene sokmayı ve üretkenliği artırmayı amaçlar. Tesis yerleşimi, ürünün her parçasının/bileşenin, tesis boyunca önceden belirlenmiş bir yol izlemesini, çeşitli parçaların yollarını koordine etmesini ve böylece imalat işlemlerinin en ekonomik şekilde gerçekleştirilmesini sağlamayı amaçlar. Tesis yerleşimi problemi konusundaki araştırmalar göstermiştir ki, imalatta toplam işletme giderlerinin %20 ila %50'si malzeme taşıma maliyetlerine ayrılmak ve işletme yerleşim planlaması yapılarak bu maliyetlerin yıllık %10 ila %30 oranında azaltılabileceği ifade edilmektedir. Bir etkili tesis yerleşim tasarımı, iş hacmini ve genel üretkenliği artırırken, zayıf bir yerleşim tasarımı daha uzun çalışma süreleri ve aşırı üretim hazırlık süresi ile sonuçlanabilir. Yapılan araştırmalar, yanlış bir yerleşim ve konum tasarımı uygulanması durumunda sistem verimliliğinin %35'ten fazlasının kaybedilebileceğini göstermektedir. Tesis yerleşimine karar verirken; hareket akışı, malzeme taşıma, çıktı ihtiyaçları, alan kullanımı, nakliye, iletişim ve destek kolaylığı, çalışanların moraline ve iş tatminine etkisi, promosyon değeri, güvenlik ve gelecekteki genişleme ve değişim kolay gibi faktörler kullanılabilir. Modern bir tersane için ideal yerleşim üretim akışı esasına dayanır. İdeal bir tersane yerleşimi için başlangıç planlaması ya da yeniden planlama yaparken bazı unsurlara dikkat edilmelidir. Bu unsurlar; inşa edilecek geminin boyutu ve gemi tipi, yılda üretilmesi gereken gemi sayısı, gemilerin yapısal bloklara ve donanım modüllerine (ara ürünler) ayrılması, ara ürünler için gerekli malzeme taşıma ekipmanları, kurulacak parça üretim ve montaj işlemleri, yapılacak donanım ve motor montajı miktarı, istenilen kontrol hizmetleri, gerekli yönetim tesisleridir. Buna ek olarak; gerekli alan, yeterli alan, otomasyon ve mekanizasyon miktarı, malzeme taşıma, kullanılan inşaat yöntemleri gibi faktörler tersane yerleşimini etkiler.
Tersane yerleşimi optimizasyonu yapılırken, belirli bir mühendislik yaklaşımı uygulanmıştır. Bu yaklaşıma göre ilk önce problem tanımlanmıştır. Tersane planlama departmanıyla yapılan görüşmelerde, tersane içi ara ürün akımının düzenli olmadığından ve ara ürünleri taşımak için taşıma birimleri olan vinç, kamyon ve traktörlerle gereksiz yol kat ettiğinden bahsedilmiştir. Problem tanımı yapıldıktan sonra gerekli verileri toplamak için tersaneye farklı dönemlerde iki hafta süresince gözlem ve kayıtlarda bulunmak üzere ziyaretler gerçekleştirilmiştir. İlk ve temel veri, mevcut tersane yerleşim planıdır. Taslak olarak elde edilen, tersane yerleşimi planı üzerinde işaretlemeler yapılmıştır. Mühendislik yaklaşımının bir sonraki adımı problem için model oluşturulmasıdır. Model oluşturma matematiksel yaklaşımı içerir. Matematiksel yaklaşım geliştirilmesinden önce, tersane yerleşim problemi üzerine düşünülmüştür ve ön çalışma ile potansiyel çözümler tahmin edilmeye çalışılmıştır. Tersane yerleşim probleminde en optimum çözüme ulaşmak zordur. Bu nedenle bir algoritma seçilmiştir. Seçilen algoritma Graf-teorik Yaklaşım'dır. Buna ek olarak bir yerleşim planlama yöntemi olan Sistematik Yerleşim Planlama'dan faydalanılmıştır. İzlenen çözüm yönteminde sonraki süreç alternatif çözümlerin üretilip değerlendirilmesidir. Graf-teorik Yaklaşım ve Sistematik Yerleşim Planlama yöntemleriyle üretilen alternatif tersane yerleşimleri AutoCAD programı yardımıyla görselleştirilmiştir. Alternatif tersane yerleşim planları ilgili bilimsel literatürde yaygın olarak bilinen ve hesaplaması göreceli olarak kolay olan Verimlilik Oranı amaç fonksiyonuna göre sıralanmıştır. Mühendislik yaklaşımında en son aşama çözümün uygulanması ve uygulama sonrası sürekli gözden geçirmedir.
Tersane yerleşim optimizasyonu, tesis yerleşimi problemi bağlamında modellenmiştir. Bu kapsamda algoritmalar temel olarak iki amaç fonksiyonuna göre sınıflandırılır. Birinci amaç fonksiyonu uzaklık tabanlı yöntem olarak isimlendirilir. Uzaklık tabanlı fonksiyonda malzeme akışlarının toplamı en aza indirmek amaçlanır. Uzaklık tabanlı tesis yerleşimi probleminde departmanlar arası malzeme akışlarının sayısal değerleri bilinmelidir. Ancak böylelikle niceliksel bir ölçüm yapmak mümkündür. Tesis yerleşimi problemini bir tersane için çözdüğümüz göz önüne alınırsa departmanlar arası malzeme akış yükünü sayısal olarak tahmin etmek çok mümkün değildir. Bu durumda amaç fonksiyonu olarak bitişiklik tabanlı yöntem kullanılmıştır. Bitişiklik tabanlı tesis yerleşimi probleminde, girdi olarak ilişki şeması kullanılır. Öznel olarak yakınlık dereceleri atanır. Harfsel değerler olarak belirlenen yakınlık dereceleri bir ilişki şemasında özetlenir. Bitişiklik tabanlı tesis yerleşimi probleminde departmanlar arası ilişki puanını en yükseğe getirmek temel amaçtır. Tesis yerleşimi problemini çözdüğümüz tersane için ilişki şeması gemi inşaatı planlama departmanı müdürünün görüşü dikkate alınarak doldurulmuştur. İlk olarak tersanenin üretim ve onarım faaliyetlerinin görüldüğü 21 adet ana departman listelenmiştir. Daha sonra malzeme akışı, güvenlik, kişisel iletişim ihtiyacı, ortak ekipman kullanımı, ortak kayıtların kullanımı, ortak personel paylaşımı, denetim veya kontrol gibi toplam 13 farklı parametre ile tek tek departmanlar arası ilişkilere harfsel değerler girilmiştir. Departmanlar arası harfsel ilişkiler girilirken, belirtilen sayısal düzen takip edilmelidir. Aksi durumda sonraki hesaplamalarda karışıklık çıkması muhtemeldir. Bir kere ilişki şeması oluşturulduktan sonra önerilmek üzere alternatif yerleşim planları üretilmiştir. Toplam 12 adet alternatif yerleşim planı geliştirilmiştir. 7 tane alternatif yerleşim planı Sistematik Yerleşim Planlama prosedürü kullanılarak yapılmıştır. Sistematik Yerleşim Planlama prosedüründe ilişki şemasındaki harfsel değerler önem sırasına göre kullanılarak ilişki diyagramı çizilmiştir. Departmanların alanlarını içeren alan ilişki diyagramı oluşturulmuştur. Sistematik Yerleşim Planlama prosedürünün son aşamasında alan ilişki diyagramına benzerlik gösteren 7 farklı alternatif yerleşim planı üretilmiştir. 12 adet alternatif yerleşim planının geri kalan 5 tanesi Graf-teorik Yaklaşımı kullanılarak geliştirilmiştir. Graf-teorik Yaklaşım bir sezgisel algoritmadır. Graf-teorik Yaklaşım'da departmanları yerleştirmek için departmanlar arası ilişki şemasında tanımlanan harfsel değerleri, sayısal değerlere dönüştürülmüştür. Maksimal düzlemsel bitişiklik grafının oluşturulması bu sezgisel yöntemin anahtar noktasıdır. Maksimal düzlemsel bitişiklik grafında departmanlar düğüm noktası olarak değerlendirilir. İlk önce derece sırasına göre ilk 4 düğüm noktası yerleştirilmiş ve başlangıç tetrahadronu oluşturulmuştur. Daha sonra derece sırasına göre diğer düğüm noktaları konumlandırılmış ve maksimal düzlemsel bitişiklik grafı elde edilmiştir. Maksimal düzlemsel bitişiklik grafına benzerlik gösteren 5 farklı alternatif yerleşim üretilmiştir. 21 departmanı içeren 12 farklı tersane yerleşimi Verimlilik Oranı'na göre sıralanmış ve sunulmuştur. Mevcut yerleşim planının verimlilik oranı %48,91'den %73,91'e çıkmıştır. İlişki tablosunu doldurmak için kullanılan 13 parametrenin gerçekleşme oranının yeni yerleşim planının uygulanmasıyla %48,91'den %73,91'e yükseldiği söylenebilir.
Mevcut yerleşim planı ve iyileştirilen yerleşim planı ayrık olay simülasyonunda toplam üretim süresini görmek için hazırlanmıştır. Tersane yerleşim simülasyonu, bir tersanenin yerleşiminin davranışını ve performansını incelemek ve geliştirilecek alanları belirlemek için kullanılan bir tekniktir. Simülasyon, malzemelerin ve ekipmanın tersane içindeki akışını optimize etmek, döngü süresini azaltmak, kaynak kullanımını iyileştirmek, kapasiteyi analiz etmek ve alternatif senaryoları test etmek amaçlamıştır. Tersane yerleşimi simülasyonu ile darboğazları ve verimsizlikleri tespit ederek akışı ve üretkenliği artırmak için değişiklikler yapmak için kullanılmıştır. Ayrıca ara ürünlerin farklı tersane alanları arasındaki seyahat mesafesini en aza indirerek döngü süresini azaltılabilecek alanları tespit etmeye çalışılmıştır. Buna ek olarak simülasyon, işgücü, ekipman ve malzeme gibi kaynakların kullanımını değerlendirmeye ve verimliliği artırmak ve maliyetleri azaltmak için kullanılabilecek alanları tespit etmeyi sağlar. Genel olarak, tersane yerleşimi simülasyonu, tersane yerleşimini optimize etmeye ve gemi inşa sürecinin verimliliğini ve üretkenliğini artırmaya yardımcı olur. Bu teknik, tek bir geminin üretim kayıtları baz alınarak gerçekleştirilmiştir. Bir geminin üretiminde malzeme transfer süresinin, toplam üretim süresine oranın %21,20 ile %31,74 arasında olduğu hesaplanmıştır. Simülasyon programı ile farklı taşıyıcı hızları senaryoları test edilmiştir. Taşıyıcı hızlarını değiştirmeden iyileştirilmiş tersane yerleşimiyle birlikte toplam üretim süresinde %2,55 ile %4,42 arasında hızlanma görülmüştür. 5,5 km/saat hızı için iyileştirme oranı %3,49 iken eğer tersane için transfer ortalama hızı 7,5km/saate çıkarılması durumunda toplam üretim süresinde %11,6'ya kadar iyileştirilebilmektedir.

Abstract:
The main purpose of this study is to improve the layout in order to increase the production efficiency of a shipyard in Yalova with an annual steel processing capacity of 50,000 tons and to examine the effect of the improved layout on the production times. The facility layout problem is modeled for a shipyard, analyzed and presented with its results along with a comprehensive literature review.
The facility layout problem refers to determining the physical locations of departments for a production system. Any manufacturing industry may face important and fundamental strategic issues such as where to place facilities departments and how to efficiently design those facilities. The facility layout definition is made as a physical location of departments with a focus on system-wide workflow and is designed to achieve the highest operational efficiency at the lowest cost. The most important goal for the facility layout problem is minimizing the material handling cost, but quantitative and qualitative goals can also be applied. Reduced material movement not only minimizes material handling costs, but also reduces in-process inventory levels and production times, enables less damaged product production, simplifies material control and scheduling, and reduces overall systemic congestion. Therefore, other goals can be achieved simultaneously while minimizing the material handling cost.
If one examines the historical development of the facility layout problem, facilities layout planning and location have been applied to the positioning of the Egyptian pyramids to ideas as early as 4000 BC, although it has been formally studied as a discipline since the mid-1950s. The fact that the Roman Empire chose the locations of temples, arenas and other buildings between 100 BC - AD 100 can also be considered as a facility layout problem. It can be formally regarded as the first time the facility layout problem began to enter the scientific literature with the development of the quadratic assignment problem in 1954. Systematic Layout Planning, another facility layout problem solution technique, was introduced to the literature in the 1950s and is widely used even today.
Facility layout problem; deals with the placement of production departments according to their relative relationships, and plant layout design aims to streamline workflow and increase productivity. The plant layout aims to ensure that each part/component of the product follows a predetermined path throughout the plant, coordinating the paths of the various parts so that the manufacturing operations are carried out in the most economical way. The facility layout problem is important because researches have emphasized that 20% to 50% of the total operating costs in manufacturing are allocated to material handling costs, and they stated that these costs can be reduced by 10% to 30% annually by making facility layout planning. An effective facility layout design increases throughput and overall productivity, while a poor layout design can result in longer run times and excessive production lead time. Studies show that more than 35% of system efficiency can be lost if an incorrect layout and location design is applied. 
When deciding on the facility layout; factors such as movement flow, material handling, output needs, space utilization, ease of transportation, communication and support, impact on employee morale and job satisfaction, promotional value, security, and ease of future expansion and modification can be considered.
The shipyard layout has developed in parallel with the increase in ship size in the historical process. In the early days of history, ships were built using wood materials, and it was possible to build ships anywhere near the sea, river, and trees. Later, steel material came to the fore. After the 1960s, the size of the ships began to increase rapidly and the small shipyards began to be insufficient. For this reason, the size of the cranes increased, the number of small slipways decreased. As a result of all this rapid change, the shipyards established in Japan in the 1960s were specially planned for the construction of larger ships, and many shipyards were subsequently established in Eastern Europe, South Korea, China and Vietnam. Modern shipbuilding practices and manufacturing methods have evolved, but basic technology and core equipment have remained the same over the past 50 years.
The ideal layout for a modern shipyard is based on the production flow. For an ideal shipyard layout, some elements should be considered when planning or re-planning. These elements are; the size and type of the ship to be built, the number of ships to be reached per year, the separation of ships into structural blocks and hardware modules (interim products), the material handling equipment required for interim products, the production and assembly processes of the parts to be installed, the amount of hardware and engine assembly to be performed, the required control services are necessary management facilities. In addition; factors such as required space, sufficient space, amount of automation and mechanization, material handling, construction methods used affect the shipyard layout.
While optimizing the shipyard layout, a certain engineering approach has been applied. According to this approach, the problem is first defined. In the interviews made with the shipyard planning department, it was mentioned that the interim product flow in the shipyard is not regular and it takes unnecessary distances with the cranes, trucks and tractors, which are the transport units to transport the intermediate products. After the problem was defined, visits were made to the shipyard for two weeks in different period of time to collect the necessary data and to make observations and records. The first and basic data is the current shipyard layout. Markings were made on the shipyard layout plan obtained as a draft. The next step of the engineering approach is to create a model for the problem. Model building involves the mathematical approach. Before the mathematical approach was developed, the shipyard layout problem was considered and potential solutions were tried to be estimated by preliminary work. It is difficult to reach the optimum solution for the shipyard layout problem. Therefore, an algorithm was chosen. The chosen algorithm is the Graph-theoretic approach. In addition, Systematic Layout Planning, which is a layout planning method, was used. The next process in the solution method followed is the production and evaluation of alternative solutions. Alternative shipyard layouts produced by Graph-theoretical approach and Systematic Layout Planning methods were visualized with the help of AutoCAD program. Alternative shipyard layouts are ranked according to the Efficiency Rate objective function, which is widely known in the relevant scientific literature and is relatively easy to calculate. The last step in the engineering approach is the implementation of the solution and the continuous review after the implementation. However, this last stage is not within the scope of the thesis. 
Shipyard layout optimization is modeled in the context of the facility layout problem. In this context, algorithms are basically classified according to two objective functions. The first objective function is called the distance-based method. In the distance-based function, it is aimed to minimize the sum of material flows. In the distance-based facility layout problem, the quantitative values of the material flow between departments should be known. However, it is only possible to make a quantitative measurement in this way. Considering that solution of the facility layout problem for a shipyard, it is not very possible to estimate the material flow load between departments numerically. In this case, the adjacency-based method was used as the objective function. In the adjacency-based facility layout problem, the relationship chart is used as an input. Degrees of closeness are assigned subjectively. The degrees of closeness determined as letter values are summarized in a relationship chart. The main objective is to maximize the interdepartmental relationship score in the adjacency-based facility layout problem. The relationship chart for the shipyard where we solved the facility layout problem was filled in with the opinion of the shipbuilding planning department manager. First of all, 21 main departments where the production and repair activities of the shipyard are seen are listed. Then, letter values were entered into the relations between departments one by one, with a total of 13 different parameters such as material flow, security, personal communication need, use of common equipment, use of common records, shared personnel sharing, audit or control. The specified numerical order should be followed when entering the letter relations between departments. Otherwise, confusion is likely to occur in subsequent calculations. Once the relationship diagram was filled, alternative layout plans were generated to be proposed. A total of 12 alternative layout plans have been developed. 7 alternative layout plans were generated using the Systematic Layout Planning procedure. In the Systematic Layout Planning procedure, a relationship diagram was drawn by using the letter values in the relationship chart in order of importance. A space relationship diagram including the areas of the departments was generated. At the last stage of the Systematic Layout Planning procedure, 7 different alternative layout plans were generated, which are similar to the space relationship diagram. The remaining 5 of the 12 alternative layouts were developed using the Graph-theoretic approach. The Graph-theoretic approach is a heuristic algorithm. In order to place the departments in the Graph-theoretic approach, the letter values defined in the interdepartmental relationship diagram are converted to numerical values. The generation of the maximal planar adjacency graph is the key point of this heuristic. In the maximal planar adjacency graph, departments are considered as nodes. First, the first 4 nodes are placed in order of degree and the initial tetrahedron is formed. Then, other nodes are located in order of degree and a maximal planar adjacency graph is obtained. 5 different alternative layouts, which are similar to the maximal planar adjacency graph, were generated. 12 different shipyard layouts comprising 21 departments are listed and presented according to Efficiency Rate. The efficiency rate of the current layout plan increased from 48.91% to 73.91%. It can be said that the realization rate of the 13 parameters used to fill the relationship table increased from 48.91% to 73.91% with the implementation of the new improved layout plan.
The current layout and the improved layout are prepared to see the total production process time in the discrete event simulation. Shipyard layout simulation is a technique used to study the behavior and performance of a shipyard's layout and identify areas for improvement. The simulation aimed to optimize the flow of materials and equipment within the shipyard, reduce cycle time, improve resource utilization, analyze capacity and test alternative scenarios. A shipyard layout simulation has been used to identify bottlenecks and inefficiencies and make changes to increase flow and productivity. In addition, it has been tried to identify areas where the cycle time can be reduced by minimizing the travel distance between different shipyard areas of interim products. As well as, the simulation allows to evaluate the use of resources such as labor, equipment and materials and to identify areas that can be used to increase efficiency and reduce costs. Overall, shipyard layout simulation helps optimize shipyard layout and increase the efficiency and productivity of the shipbuilding process. This technique is accomplished based on the production records of a single ship.
The ship production was to evaluated in 6 stages. As well as, 3 different versions of Arena models were used. The first is the model entered with zero transfer time without the use of transport or transfer modules. The second is the current shipyard layout model. The third is the improved shipyard layout model. This working draft makes possible to comparisons. The results indicate that the accurate and consistent data entry is very important for the Arena Simulation models. Besides, results show that the material transfer rate has a share of 21.20% and 31.74% in the total production process time in shipbuilding. While the total production process time is 2732 hours in the current layout, the total production process times are between 1768 hours and 2419 hours with the improved layout. The improvement rate in the total production process time is between 3.49% and 11.6%. The accuracy of the model is tested with the number of entities which take part in total production. The departments with the highest utilization rate are Block Production Area, Paint Workshop and Preassembly-1 areas, and the departments with the lowest utilization rate are Piping Workshop, Preassembly -3 and Panel Production Area. The average waiting times in the queue, the maximum waiting times in the queue and the average number of entities waiting in the queue and the maximum number of entities waiting in the queue are presented for all modules used in the shipyard layout simulation. With no change in transfer speed, overall production process time was reduced by 2.55% to 4.42% with the improved layout. While the improvement percentage for the 5.5 km/h speed is 3.49%, if the transfer average speed for the shipyard is increased to 7.5 km/h, the total process time can be improved up to 11.6%.