船臺分段搭載序列優化系統的數學模型研究

楊曉寧

大連職業技術學院，遼寧 大連 116035

隨著社會進步和經濟的發展，造船模式也在發生變化。現代造船模式，是以統籌優化理論為指導，應用成組技術原理，以中間產品為導向，按區域組織生產，殼（船體和上層建筑）、舾（裝）、涂（裝）作業在空間上分道、時間上有序，實現設計、生產、管理一體化，均衡、連續地總裝造船。

船臺分段搭載過程復雜，影響因素繁雜，如何將其進行量化處理，從而降低搭載計劃制定難度、提高搭載效率，是目前亟待解決的問題。船舶建造過程是一個漫長的周期，而在總的建造周期內，分段搭載占用的時間大多在45%以上，并且分段的搭載占用船臺的時間較長，而船臺是船廠最重要的大型工位，搭載過程作業類型繁多，輔助設備集中密集，各工種作業配合，容不得任何節點的失誤[1]。要將人員、設備、場地、資源、作業等各種情況綜合考量，才能制定出合理的搭載計劃。在船廠，船臺總裝是船體建造的最終環節，而分段的搭載計劃又是前期各道工序工作計劃制定的依據[2]，因此，分段搭載計劃的制定，直接影響整個造船周期，優化船臺分段搭載序列，可以大幅提高建造效率，降低造船成本，提高船廠在行業中的競爭力[3]。

1 分段搭載快速性現狀分析

分段搭載優化模型的建立方法各有不同，且求解方法也不盡相同。船臺龍門吊是決定船廠能力的特殊起貨設備，是影響分段搭載效率的最主要因素之一，目前的研究多是通過優化其路徑提高搭載效率[4]。哈爾濱工程大學的杭立杰研究某油輪的主體分段搭載，對船臺搭載順序建立優化模型，采用粒子群算法進行求解；大連理工大學的衣朗，將船廠的船臺資源、起重能力和工藝約束等條件綜合考量，建立分段搭載的數據結構，并采用蟻群算法生成分段搭載網格圖；徐莉著重研究快速搭載管理，采用層次分析法，評價影響搭載快速性的因素，并給出對應策略；房曉磊分別針對總段劃分、設計龍門吊吊排、搭載中的精度控制等幾個方面，研究提高搭載效率的可行性方案。

2 影響搭載快速性的因素

通過走進船廠實地調研，了解掌握目前船廠分段搭載過程中對工藝的要求，分析影響搭載效率的主要因素，歸納影響搭載效率的普遍規律。船舶搭載主要依靠船臺龍門吊來實現。分段搭載的序列決定了分段起吊的順序，其完全限制龍門吊的作業。經過調研，單個分段搭載流程如下：開始→判斷是否更換索具（決定跑車是否跑至索具存放位置）→跑車至分段初始位置→落鉤、掛鉤→切支點→判斷是否翻身（決定是否進行翻身作業）→跑車至分段目標位置→結束。

該流程中以龍門吊為起點，如果本次吊運的分段重量與上一次相差不大，則直接行車至要吊運的分段位置處，如果重量相差很大，則需要進行吊鎖具的更換，首先需要跑車至吊索具位置，完成更換再跑車至分段位置；分段掛鉤之后，將分段建造過程中的支點切割，將分段吊運到目標位置，如果該分段采用的反造法，需要對分段進行翻身，之后將分段吊運到指定的目標位置；在目標位置與相鄰分段進行精確對接，將建造過程中的假造余量切割，完成合攏的焊接工作后，龍門吊可以脫鉤，繼續按此步驟完成下一分段吊運工作。

在此過程中，不難發現，分段搭載作業時間有兩類：一類是作業必要時間，如吊索具的更換時間、分段對正焊接時間等，不受搭載順序的影響，在本研究中為不可縮短時間；另一類時間主要受到搭載順序影響，如吊索具的更換次數和吊車行進距離等，為可優化時間。因此，影響船舶分段搭載效率的主要因素如下：

2.1 吊車行走的路線

以吊運兩個分段為例，方案a：先吊運分段1，再吊運分段2，吊車行走的路線中，1、3為吊車負載路線，2為吊車空載路線；方案b：將吊運順序顛倒，即先吊運分段2，再吊運分段1，吊車行走的路線中，1、3為吊車負載路線，2為吊車空載路線。顯然兩種吊運方案中，吊車負載運行距離相等，方案a中吊車空載運行距離顯著降低，從而減少龍門吊的無效運行時間，搭載效率較高。吊車吊運分段順序示意圖如圖1所示。

圖1 吊車吊運分段順序示意圖

2.2 吊索具的更換次數

以吊運三個分段為例，分段1和分段3為重量接近、吊耳規格相同的分段，而分段2重量和吊耳規格均與上述兩分段有較大差別，按照吊車使用要求，當吊運重量變化較大、吊耳規格不同時，需要對吊車更換吊索具。由此可見，分段搭載順序為1、2、3時需要更換兩次吊索具，增加了吊車的無效行走距離，降低了搭載效率；而分段搭載順序為1、3、2時只需更換一次吊索具，因此搭載效率更高。

3 構建船舶分段搭載模型

在分析船臺分段搭載的過程以及搭載序列對搭載效率的影響后，將船臺分段搭載細化到每一個分段的搭載過程所需要的時間，再將所有時間全部疊加在一起，使其最小化，即為該船的搭載最優方案。一臺龍門吊搭載該分段的時間為五個階段，每個階段所用的時間計算方法如下：

1）吊車更換吊索具及其產生空載行走時間

式中：Ti1、Ti2、Ti3、Ti4、Ti5分別為每個階段吊車吊運第i個分段所需要的時間；Lsxi、Lsyi為吊車由上一位置空載到吊索具所在位置橫縱個方向的行走距離；Vkxi、Vkyi為吊車空載橫向速度和縱向速度；Tch為更換單個鎖具的時間；Nsji為吊車吊運第1個分段的吊索具數量；r1i為0時表示不需要更換鎖具，為1時表示需要更換鎖具。

2）吊車空載至吊運分段初始位置時間

式中：Lcxi、Lcyi為吊車由上一位置空載到要吊運分段所在位置橫縱個方向的行走距離。

3）分段掛鉤、翻身、起吊到合理高度時間

式中：Hc1i、Hc2i為吊起分段前后吊車吊鉤距離胎架的高度；Vdl為吊車提升或下放分段的速度；Tcx為一個吊耳掛鉤或卸鉤需要時間；Ndei為吊耳的數目；Ttu為分段翻身的時間；r3i為0表示該分段不需要翻身，為1表示需要翻身。

4）吊車將分段吊運至目標位置負載時間

式中：Lmxi、Lmyi為吊車由上一位置負載到要吊運分段目標位置橫縱個方向的行走距離；Vfxi、Vfyi為吊車空載橫向速度和縱向速度。

5）分段到達目標位置，完成找正、切余量及焊接工作直到落鉤時間

式中：Tp為分段找正所需時間；Lfhi為分段悍接的長度；Vfh為分段焊接的速度。

船舶建造是一個長時間的過程，而船臺分段搭載工期所占比重接近甚至超過一半。若分段搭載計劃制定有誤，會直接導致船廠的工期延誤。研究分段搭載的優化系統，幫助船廠制定合理的船臺分段搭載計劃，對于船廠縮短造船周期、提高核心競爭力等方面具有現實意義。