基于仿真的室內(nèi)裝焊工場(chǎng)分段建造方案評(píng)估與優(yōu)化

朱明華，李沛田，單小芬，毛申飛，朱仁貴

（1. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

工藝與材料

基于仿真的室內(nèi)裝焊工場(chǎng)分段建造方案評(píng)估與優(yōu)化

朱明華1，李沛田1，單小芬1，毛申飛1，朱仁貴2

（1. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

基于仿真的生產(chǎn)調(diào)度方法，以室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的分段建造（含分段總組）為研究對(duì)象建立三維仿真模型，通過仿真模擬輸出仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定建造方案下的物量、場(chǎng)地利用率及生產(chǎn)計(jì)劃等參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估。針對(duì)建造方案中的不合理之處，通過采用基于序列的優(yōu)化方法對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃及場(chǎng)地布局等進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)例分析結(jié)果表明，該優(yōu)化方法可縮短分段建造周期、提高場(chǎng)地利用率，從而為生產(chǎn)計(jì)劃的制定和生產(chǎn)調(diào)度水平的提升提供支持。

仿真；室內(nèi)裝焊工場(chǎng)；分段建造

0 引 言

現(xiàn)代企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)已由過去的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃炷芰Ω?jìng)爭(zhēng)；相應(yīng)的，生產(chǎn)系統(tǒng)作為工業(yè)企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)之本，正由過去的追求低成本和高效率生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽非笞陨硭刭|(zhì)和能力的提升，即由過去注重其有用性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)其有效性。但是，何種生產(chǎn)系統(tǒng)是有效的，如何在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和構(gòu)造決策階段選出一個(gè)有效的生產(chǎn)系統(tǒng)，以及如何在生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行階段評(píng)價(jià)一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的有效性是需要考慮的問題。對(duì)于船舶建造企業(yè)來說，生產(chǎn)系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)一般來自于生產(chǎn)調(diào)度過程，因此生產(chǎn)系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)的確立與生產(chǎn)調(diào)度方法息息相關(guān)。

一般的調(diào)度問題都是對(duì)具體生產(chǎn)環(huán)境中復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、多目標(biāo)調(diào)度問題的一種抽象和簡(jiǎn)化，因此調(diào)度算法可根據(jù)其對(duì)這些復(fù)雜性的表述進(jìn)行分類。由于制造系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此很難用一個(gè)精確的解析模型來描述和分析。基于仿真的方法側(cè)重于對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)行的邏輯關(guān)系進(jìn)行描述，通過仿真動(dòng)態(tài)展現(xiàn)車間的生產(chǎn)狀態(tài)，并通過運(yùn)行仿真模型來收集數(shù)據(jù)，分析不同調(diào)度方法下的系統(tǒng)性能；同時(shí)，運(yùn)用已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來選擇合適的調(diào)度方法（規(guī)則），從而改善生產(chǎn)系統(tǒng)性能。

現(xiàn)代的船舶建造大多以分段為單元制訂生產(chǎn)計(jì)劃、組織生產(chǎn)活動(dòng)[1]。分段是由船體的零部件組成的局部結(jié)構(gòu)，由于分段建造會(huì)占用大量的空間區(qū)域和設(shè)施資源，因此對(duì)分段生產(chǎn)進(jìn)行合理安排，在滿足調(diào)度約束的條件下獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)空間布局，這就是需要解決的分段空間調(diào)度問題[2]。

這里基于仿真的生產(chǎn)調(diào)度方法，以室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的分段建造（含分段總組）為研究對(duì)象建立三維仿真模型，通過仿真模擬輸出仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定建造方案下的物量、場(chǎng)地利用率及生產(chǎn)計(jì)劃等參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估[3]。針對(duì)建造方案中的不合理之處，通過采用基于序列的優(yōu)化方法對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃和場(chǎng)地布局等進(jìn)行優(yōu)化[4]。該優(yōu)化方法可縮短分段建造周期、提高場(chǎng)地利用率，從而為生產(chǎn)計(jì)劃的制定與生產(chǎn)調(diào)度水平的提升提供支持。

1 基于仿真的室內(nèi)裝焊工場(chǎng)分段建造方案評(píng)估

1.1 仿真建模

室內(nèi)裝焊工場(chǎng)是分段大組立和分段總組的建造區(qū)域。在分段建造時(shí)，室內(nèi)裝焊工場(chǎng)會(huì)為分段分配一個(gè)胎位，直至分段建造完成并被調(diào)離該區(qū)域。為簡(jiǎn)化研究對(duì)象，將分段當(dāng)作長(zhǎng)方體處理，其投影占地尺寸（包括長(zhǎng)度L，寬度B，高度H）為分段的最小占地尺寸。為方便工人行走、零件吊運(yùn)及腳手架安裝，在分段投影區(qū)域外圍開設(shè)一個(gè)安全距離通道（長(zhǎng)度和寬度方向?yàn)?1.5m，高度方向?yàn)?3m）。因此，分段投影尺寸加上通道尺寸就是分段的實(shí)際占用尺寸。

基于各仿真元素模型及其對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合室內(nèi)裝焊工場(chǎng)分段大組立和分段總組過程的調(diào)度邏輯、物流規(guī)則及場(chǎng)地布局等信息，在DELMIA/QUEST中構(gòu)建室內(nèi)裝焊工場(chǎng)仿真模型（見圖1）。在分段實(shí)際建造開始時(shí)，室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的跨間并非完全空閑的場(chǎng)地，通常會(huì)遺留有正在建造的其他分段，因此在構(gòu)建物流仿真模型時(shí)要將帶有遺留分段的跨間設(shè)為初始化狀態(tài)。

1.2 建造方案評(píng)估

為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的輸入，開發(fā)建造方案評(píng)估軟件（見圖2），該軟件分為仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、啟動(dòng)仿真、仿真分析和生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化等4個(gè)模塊。

1) 仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是其他功能的基礎(chǔ)，在選擇參數(shù)化的外部文件、設(shè)置仿真時(shí)間之后，即可進(jìn)行“仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備”；通過讀取仿真輸入數(shù)據(jù)，將其處理為仿真運(yùn)行所需要的生產(chǎn)計(jì)劃和分段產(chǎn)品信息。

2) 點(diǎn)擊“啟動(dòng)仿真”按鈕，通過C語言Windows函數(shù)啟動(dòng)QUEST程序，即可自動(dòng)打開仿真工程進(jìn)行仿真模擬。

3) 仿真運(yùn)行結(jié)束之后點(diǎn)擊“輸出分析文件”按鈕，自動(dòng)輸出分析文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)化描述，從而為場(chǎng)地利用率及生產(chǎn)計(jì)劃的評(píng)價(jià)和優(yōu)化提供依據(jù)，主要包括月度物量統(tǒng)計(jì)、胎位占用周期、生產(chǎn)計(jì)劃驗(yàn)證及計(jì)劃延遲明細(xì)等4個(gè)方面的信息，具體見表1～表4，其中月度物量統(tǒng)計(jì)直方圖見圖3。

表4 計(jì)劃延遲明細(xì)

從仿真模擬輸出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)，以先行中日程計(jì)劃為輸入，室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的場(chǎng)地利用率不高，存在波峰波谷；同時(shí)，生產(chǎn)計(jì)劃未能按時(shí)完成，存在分段大組立、分段總組脫期的情況。因此，有必要對(duì)室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的建造方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 室內(nèi)裝焊工場(chǎng)分段建造方案優(yōu)化

2.1 建造方案優(yōu)化流程

分段建造基本上是按照一定的序列進(jìn)行的，原始的生產(chǎn)計(jì)劃雖然包含有序列，但建造時(shí)間固定，導(dǎo)致很多時(shí)間內(nèi)室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的利用率較低。若能充分利用這些空閑時(shí)間，一旦場(chǎng)地出現(xiàn)足夠大的區(qū)域就安排分段建造，即可壓縮所有分段的建造周期。這里采用基于序列（搭載網(wǎng)絡(luò)）的優(yōu)化方法，優(yōu)化流程見圖4。

1) 讀取原始生產(chǎn)計(jì)劃，獲取原始的序列；

2) 從仿真第1天開始，每天都盡量將剩下的分段按照序列的順序添加到室內(nèi)裝焊工場(chǎng)中；

3) 每天結(jié)束前，將形成的分段總組添加到平臺(tái)中，并將完工的分段和分段總組移出平臺(tái)。

2.2 優(yōu)化效果

通過基于序列的優(yōu)化方法輸出新的生產(chǎn)計(jì)劃，再使用建造方案評(píng)估軟件進(jìn)行評(píng)價(jià)，所得結(jié)果與原始生產(chǎn)計(jì)劃相比主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1) 分段建造周期大幅度提前，單船分段工期大大縮短（見圖5）。

2) 室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的場(chǎng)地利用率明顯提高，且負(fù)荷較為均衡（見圖6）。

3 結(jié) 語

針對(duì)當(dāng)前船舶建造企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度方法仍停留在人工經(jīng)驗(yàn)與 Excel表格相結(jié)合的水平上的情況[5]，提出一種基于仿真的生產(chǎn)調(diào)度方法，并以室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的分段建造過程為對(duì)象建立三維仿真模型。與此同時(shí)，開發(fā)建造方案評(píng)估軟件，通過參數(shù)化的輸入驅(qū)動(dòng)仿真模型運(yùn)行，并自動(dòng)輸出仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括月度物量統(tǒng)計(jì)、胎位占用周期、生產(chǎn)計(jì)劃驗(yàn)證及計(jì)劃延遲明細(xì)等信息。由仿真模擬輸出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，以先行中日程計(jì)劃為輸入，室內(nèi)裝焊工場(chǎng)的利用率不高，且生產(chǎn)計(jì)劃未能按時(shí)完成。針對(duì)建造方案中的不合理之處，通過采用基于序列的優(yōu)化方法對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃和場(chǎng)地布局等進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)例分析結(jié)果表明，該優(yōu)化方法是行之有效的，場(chǎng)地利用率明顯提高、單船分段建造周期顯著縮短，有助于進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 張光發(fā)，劉玉君，紀(jì)卓尚. 船舶分段建造計(jì)劃仿真與優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 2011, 17(12)： 2643-2651.

[2] LEEK J, LEE J K, CHOI S Y. A spatial scheduling system and its application to shipbuilding： DAS-Curve[J]. Expert Systems with Applications, 1996, 10(3)： 311-324.

[3] 朱明華，顧華，李沛田，等. DELMIA/QUEST軟件在船舶建造仿真中的應(yīng)用[J]. 江南艦船技術(shù)，2011 (5)： 22-25.

[4] 張志英，楊克開，于瑾維. 面向船體分段建造的二維不規(guī)則空間調(diào)度方法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012, 46(4)： 651-656.

[5] 劉祥博，朱明華，單小芬，等.船舶建造過程仿真技術(shù)研究與應(yīng)用[C]. 2012年國(guó)防科技工業(yè)軍工制造數(shù)字化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2012 (1)： 298-302.

Evaluation and Optimization of Simulation Based Block Construction Scheme for Indoor Assembly in Welding Workshop

ZHU Ming-hua1，LI Pei-tian1，SHAN Xiao-fen1，MAO Shen-fei1，ZHU Ren-gui2

（1. Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China；2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbulding Co., Ltd., Guangzhou 510715, China）

This study establishes a 3D simulation model for the block construction (including section assembly) of indoor assembly in welding workshop based on the production scheduling simulation method. Accurate evaluation of production capacity, space utilization, production plan and other parameters for the specific construction can be achieved with the simulation data and the production plan and space arrangement are optimized with a sequence based optimization method to rectify the inappropriateness. The result of the analysis on some examples shows that the proposed optimization method can reduce the block construction cycle, increase space utilization, and thus provide support to the production plan making and to the improvement of production scheduling.

simulation; indoor assembly in welding workshop; block construction

U671.4；U673

A

2095-4069 (2017) 01-0043-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.008

2016-06-010

國(guó)防科工局基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A0720132011）

朱明華，男，博士，高級(jí)工程師，1981年生。2010年畢業(yè)于上海交通大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)部部長(zhǎng)助理，主要研究方向?yàn)榇皵?shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造。