基于并行工程的客滾船設(shè)計(jì)工期優(yōu)化研究

杜尊峰 樊 濤 趙 勇 文樹吉

（1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300354； 2.招商局郵輪研究院（上海）有限公司 上海 200137）

0 引 言

隨著我國造船水平的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)以二維圖紙為主的串行設(shè)計(jì)模式在客滾船的設(shè)計(jì)中存在諸多缺陷,已無法適應(yīng)目前客滾船的技術(shù)發(fā)展需求。此外，客滾船作為高附加值船型，設(shè)計(jì)工期的成功優(yōu)化也將為建造豪華郵輪奠定基礎(chǔ)。為優(yōu)化工程項(xiàng)目的進(jìn)度，國內(nèi)外學(xué)者提出并研究了許多工期壓縮技術(shù)，如分期建設(shè)、快速路徑和并行工程等。其中，并行工程理論是指對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)建造流程進(jìn)行分析，提高各階段的并行度，從全局角度優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)建造，從而實(shí)現(xiàn)工期優(yōu)化等目標(biāo)[1]。

并行工程目前已成功應(yīng)用在航空、航天、汽車和裝備制造等多個領(lǐng)域，理論的可行性得到了充分驗(yàn)證[2-5]。但在國內(nèi)外船舶領(lǐng)域，對于并行工程的研究多數(shù)仍停留在理論階段，僅有少數(shù)船舶在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)了簡單的并行工程應(yīng)用。

應(yīng)用并行工程理論能夠起到縮短船舶研發(fā)周期、降低船舶設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成本、提高船舶建造質(zhì)量的目的。張光明等[6]提出促進(jìn)造船第2次現(xiàn)代化管理的有效策略之一是推進(jìn)造船并行工程。劉寅東等[7]分析并行協(xié)同設(shè)計(jì)特征，搭建船舶并行協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，推動并行工程理論在船舶行業(yè)的應(yīng)用。王岳等[8]對船舶設(shè)計(jì)流程的仿真建模進(jìn)行深入研究，指出并行工程環(huán)境下改進(jìn)船舶設(shè)計(jì)流程的方法。遲振華等[9]研究了如何更好地在并行協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，對產(chǎn)生的文檔、圖紙和模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。TAN 等[10]指出并行工程理論是船企項(xiàng)目管理計(jì)劃流程優(yōu)化的策略之一，可通過對船舶及海工項(xiàng)目的全生命周期考慮，避免后期不必要的返 工。MONACA 等[11]通過分析現(xiàn)有船舶輔助設(shè)計(jì)軟件，指出在船舶設(shè)計(jì)過程中實(shí)施并行工程理論，需要集成并更新現(xiàn)有船舶輔助設(shè)計(jì)軟件，以便設(shè)計(jì)階段的快速變更。HANSEN 等[12]通過跟蹤實(shí)際造船案例，指出在船舶設(shè)計(jì)和施工階段實(shí)施并行工程需要考慮的要素。

由于客滾船不同于一些常規(guī)船型，其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零附件數(shù)量眾多等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)以二維圖紙為主的串行設(shè)計(jì)模式無法支撐并行工程理論的開展。在應(yīng)用并行工程理論以縮短客滾船設(shè)計(jì)開發(fā)周期時，對客滾船產(chǎn)品數(shù)字化提出了較高的要求，利用基于模型定義（model based definition, MBD）技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)協(xié)同進(jìn)行。MBD 技術(shù)是指在產(chǎn)品的三維模型上標(biāo)注幾何以及非幾何信息，以3D 模型作為唯一數(shù)據(jù)源進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，是支撐基于并行工程理論對客滾船設(shè)計(jì)工期進(jìn)行優(yōu)化的重要條件。MBD 技術(shù)在美國、日本、韓國等造船強(qiáng)國已取得廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)（船體、舾裝、管系等）向三維模型轉(zhuǎn)化[13]。方喜峰等[14]開發(fā)出基于MBD 技術(shù)的船用柴油機(jī)三維裝配工藝可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝配工藝的可視化發(fā)布。

本文以MBD 技術(shù)為支撐，應(yīng)用并行工程理論對客滾船設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析、調(diào)整和重組，構(gòu)建出客滾船新的設(shè)計(jì)模式；以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣為基本計(jì)算工具，通過某客滾船的實(shí)際設(shè)計(jì)對比其優(yōu)化前后的設(shè)計(jì)工期，證明了并行工程在縮短客滾船設(shè)計(jì)研發(fā)周期以及優(yōu)化整個項(xiàng)目進(jìn)度上的可行性與有效性。

1 基于并行工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前客滾船設(shè)計(jì)過程大多為典型的串行設(shè)計(jì)模式，可分為：基本設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段。基本設(shè)計(jì)階段主要是將船東需求轉(zhuǎn)化為概念性的設(shè)計(jì)，進(jìn)行客滾船總體方案的設(shè)計(jì)；詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是在基本設(shè)計(jì)的內(nèi)容上進(jìn)行深化，按照不同的區(qū)域和區(qū)段進(jìn)行，對不同的工程進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制圖紙；生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段是船廠對客滾船的建造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，確定客滾船的建造工藝等，制作相應(yīng)的加工圖、安裝圖，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。傳統(tǒng)客滾船設(shè)計(jì)過程，如下頁圖1 所示。結(jié)合船廠實(shí)際情況，國內(nèi)客滾船設(shè)計(jì)項(xiàng)目存在以下問題。

圖1 傳統(tǒng)客滾船設(shè)計(jì)模式

（1）傳統(tǒng)客滾船設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)組織結(jié)構(gòu)不完善。傳統(tǒng)客滾船設(shè)計(jì)過程為典型的串行過程，下一階段的設(shè)計(jì)工作必須等上一階段設(shè)計(jì)工作完成后才能開始。比如，基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)設(shè)計(jì)的工作均是以上一階段的結(jié)束為起點(diǎn)的。若某一階段的工作有所拖延，便會直接影響后續(xù)所有設(shè)計(jì)工作的進(jìn)展，進(jìn)而大大延長整個設(shè)計(jì)周期。

（2）以二維圖紙為主的設(shè)計(jì)模式難以支持并行設(shè)計(jì)的開展。通過對客滾船的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)客滾船的許多設(shè)計(jì)工作并不存在必然的遞進(jìn)關(guān)系，一些設(shè)計(jì)工作可以并行完成，只需其上一階段的設(shè)計(jì)工作確定部分前置的技術(shù)信息就可開展。但由于客滾船設(shè)計(jì)圖紙較復(fù)雜，并行設(shè)計(jì)的難度也相對提高，因此在傳統(tǒng)客滾船設(shè)計(jì)流程中，存在諸多可以按照并行設(shè)計(jì)模式展開卻仍然按照串行設(shè)計(jì)模式進(jìn)行工作的情況。

（3）串行設(shè)計(jì)流程導(dǎo)致“拋墻式”問題。“拋墻式”問題是指上一階段進(jìn)行的工作并不考慮下一階段可能會遇到的問題。在客滾船的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，最典型的“拋墻式”問題是客滾船的設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)階段未與建造部門充分溝通，設(shè)計(jì)的圖紙容易忽視生產(chǎn)階段的實(shí)際情況，最后導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工。通常情況下，設(shè)計(jì)單位只考慮設(shè)計(jì)出符合船東要求的圖紙，而忽略生產(chǎn)階段所面臨的實(shí)際施工以及船廠工藝問題，從而導(dǎo)致上游設(shè)計(jì)階段被忽視的問題直到生產(chǎn)中才能體現(xiàn)出來。

（4）在客滾船的設(shè)計(jì)過程中，若采用串行設(shè)計(jì)模式，會使結(jié)構(gòu)專業(yè)與其他專業(yè)的設(shè)計(jì)步調(diào)不一致，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大量返工，造成工時浪費(fèi)，周期延長。即當(dāng)結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)或者詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，由于其他專業(yè)不同步，大量的專業(yè)協(xié)調(diào)工作將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大范圍修改。

可見，客滾船的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式已經(jīng)不適應(yīng)時代潮流。因此，為了解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式存在的問題，可采用并行工程理論對其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。優(yōu)化后，設(shè)計(jì)流程具體如圖2 所示，灰色部分為主要優(yōu)化部分的設(shè)計(jì)流程。

圖2 客滾船并行設(shè)計(jì)模式

以MBD 技術(shù)為支撐，應(yīng)用并行工程理論后，設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)專業(yè)3D 一體化設(shè)計(jì)與舾裝專業(yè)提前設(shè)計(jì)的并行設(shè)計(jì)模式。設(shè)計(jì)流程并行度增加，基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)協(xié)同進(jìn)行，整體呈現(xiàn)“宏觀串行、微觀并行”的形式。基本設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)由原有的2D 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)?D 模型設(shè)計(jì)。在先進(jìn)設(shè)計(jì)軟件的支撐下，客滾船設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)專業(yè)只需設(shè)計(jì)1 個3D 模型，減少反復(fù)建模的工作量。各階段設(shè)計(jì)工程師在該模型上進(jìn)一步修改，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)3D 一體化設(shè)計(jì)。當(dāng)基本設(shè)計(jì)的區(qū)域3D 模型搭建完成后，詳細(xì)設(shè)計(jì)人員與生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員可以提前介入工作，實(shí)現(xiàn)舾裝專業(yè)提前設(shè)計(jì)。基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)協(xié)同進(jìn)行時，各設(shè)計(jì)階段主要工作如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)協(xié)同進(jìn)行時各設(shè)計(jì)階段主要工作

2 基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的工期計(jì)算

傳統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)度工具（如網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖、時間Petri 網(wǎng)等）均能清晰展現(xiàn)各工序之間的關(guān)系，可合理安排各工序順序，但是這些進(jìn)度工具要求項(xiàng)目中不能存在交疊執(zhí)行的工序。然而，在客滾船實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一些工序并不需要等其前置工序全部完成后再開展設(shè)計(jì)工作，例如基本設(shè)計(jì)中的舾裝設(shè)計(jì)只需要船體設(shè)計(jì)部分完成后即可開展設(shè)計(jì)工作。當(dāng)前客滾船設(shè)計(jì)流程中均存在部分交疊執(zhí)行的工序，若按照傳統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)度工具安排設(shè)計(jì)工作，對于客滾船設(shè)計(jì)周期的控制有非常不利的影響，因此，這些工具難以適用于客滾船設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（design structure matrix, DSM）是用矩陣來反映各工序之間關(guān)系的方法，在艦船設(shè)計(jì)等復(fù)雜系統(tǒng)工程中具有突出優(yōu)勢。劉強(qiáng)等[15]采用DSM 分析船舶設(shè)計(jì)要素之間的關(guān)聯(lián)性，降低多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型的耦合度。徐一帆等[16]利用DSM 分解和細(xì)化艦船設(shè)計(jì)的系統(tǒng)流程，對設(shè)計(jì)流程進(jìn)度及費(fèi)用進(jìn)行評估。白思俊等[17]為解決傳統(tǒng)項(xiàng)目周期計(jì)算方法中工序不能重疊執(zhí)行的局限性，基于DSM 設(shè)計(jì)了1 種考慮時間因子的項(xiàng)目周期計(jì)算模型。

該模型強(qiáng)調(diào)各工序之間的信息流，通過分析緊前工序的時間因子能夠很好地處理交疊執(zhí)行的工 序[17-18]。以船體基本設(shè)計(jì)和舾裝基本設(shè)計(jì)為例，船體基本設(shè)計(jì)為舾裝基本設(shè)計(jì)的緊前工序，船體基本設(shè)計(jì)提供信息后，舾裝基本設(shè)計(jì)才能開始執(zhí)行。此時，緊前工序船體基本設(shè)計(jì)的時間因子為tA/dA，dA表示船體基本設(shè)計(jì)的執(zhí)行時間；tA表示緊前工序船體基本設(shè)計(jì)提供信息時，船體基本設(shè)計(jì)的已執(zhí)行時間，具體如圖3 所示。

圖3 工序A、B的信息流示意圖

當(dāng)tA/dA=1 時，表示船體基本設(shè)計(jì)完成時提供信息；當(dāng)tA/dA＜1 時，表示船體基本設(shè)計(jì)完成部分后提供信息。若舾裝基本設(shè)計(jì)存在多個緊前工序（如船舶主要參數(shù)、核心設(shè)備訂貨等），則需要所有緊前工序提供信息后，舾裝基本設(shè)計(jì)才能開始執(zhí)行。

矩陣A是工期計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，矩陣A的對角線元素Aii表示第i行對應(yīng)工序的執(zhí)行時間，對角線以外的元素Aij表示第j列對應(yīng)的緊前工序傳遞給第i行對應(yīng)工序的時間因子。若Aij為空，表示第j列對應(yīng)的緊前工序不需要傳遞消息給第i行對應(yīng)的工序。利用矩陣A存儲信息流tA/dA，表示信息流的起始時刻。例如A21=0.3 表示第1 列對應(yīng)的工序完成30%時，給第2 行對應(yīng)的工序。

根據(jù)上述參數(shù)可以建立客滾船設(shè)計(jì)工期計(jì)算模型如下：

式中：n為工序數(shù)量；i為客滾船設(shè)計(jì)流程中的某道工序；j為工序i的緊前工序；P(i)為工序的緊前工序集合；TS*i為工序i的計(jì)算起始時刻，TSi為工序i的實(shí)際起始時刻（當(dāng)TS*i≥0 時，TS*i＝TSi）；TFi為工序i的結(jié)束時刻。

3 實(shí)例驗(yàn)證

在未應(yīng)用并行工程理論進(jìn)行優(yōu)化前，傳統(tǒng)客滾船設(shè)計(jì)流程會導(dǎo)致客滾船產(chǎn)生大量專業(yè)協(xié)調(diào)問題。因此，本文結(jié)合某船廠所承建的某型號姊妹型客滾船的實(shí)際設(shè)計(jì)流程，驗(yàn)證應(yīng)用并行工程優(yōu)化設(shè)計(jì)流程的可行性。該型號客滾船的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和應(yīng)用并行工程理論進(jìn)行設(shè)計(jì)工期優(yōu)化后的各個工序完成時間可用1 個定制度量，具體數(shù)據(jù)如表2 和下頁表3所示，其中表2 所述時間為該船廠提供的該姊妹客滾船型中第1 艘的實(shí)際設(shè)計(jì)時間。

表2 傳統(tǒng)客滾船設(shè)計(jì)流程中各工序所需時間

優(yōu)化前后，客滾船工期計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣分別如表4 和表5 所示[17]。

表4 優(yōu)化前客滾船工期計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

表5 優(yōu)化后客滾船工期計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

根據(jù)表中數(shù)據(jù)及上述計(jì)算公式，應(yīng)用并行工程理論對客滾船設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化之前，設(shè)計(jì)該型號客滾船各工序起始時刻和結(jié)束時刻如表6 所示。

表6 優(yōu)化前客滾船各工序起始時刻和結(jié)束時刻

同時，考慮到工序間的沖突及協(xié)調(diào)問題所帶來的時間損失，如果由于設(shè)計(jì)審核，發(fā)現(xiàn)存在問題則需要返工修改，同時各工序完成時間往往會由于不確定因素出現(xiàn)延時等情況。因此，本文充分調(diào)研專家意見，通過設(shè)置時間裕度系數(shù)來度量由于工序延時和工序間的協(xié)調(diào)、沖突造成的損失時間。時間裕度系數(shù)與工序數(shù)量有關(guān)，工序數(shù)越多、系數(shù)越大。本文設(shè)置串行設(shè)計(jì)模式下的時間裕度系數(shù)為1.1，并行設(shè)計(jì)模式下的時間裕度系數(shù)為1.05。

因此，優(yōu)化前，該客滾船設(shè)計(jì)工期為26.4 個月。優(yōu)化后，設(shè)計(jì)該型號客滾船各工序起始時刻和結(jié)束時刻如表7 所示。

表7 優(yōu)化后客滾船各工序起始時刻和結(jié)束時刻

優(yōu)化后，客滾船設(shè)計(jì)工期為21 個月。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程可比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程提前5.4 個月，優(yōu)化率達(dá)25.7%。相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)全流程，減少約1/9 生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作量。 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程采用結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，即整個設(shè)計(jì)過程中只建立1 個3D 模型，因此客滾船建模工作量約減少1/2，并且出圖工作量約減少1/4，總計(jì)占生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作量的1/9。

（2）實(shí)現(xiàn)舾裝專業(yè)提前介入設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中舾裝專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作需要等基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后才能進(jìn)行。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程從基本設(shè)計(jì)起就轉(zhuǎn)變?yōu)?D 模型設(shè)計(jì)，當(dāng)各區(qū)域模型建立完成后，舾裝詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)可提前介入設(shè)計(jì)。

（3）避免設(shè)計(jì)返工問題。傳統(tǒng)串行設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)工作會因?yàn)轸秆b專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的不協(xié)調(diào)問題造成重新返工，易延誤工期。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程各階段設(shè)計(jì)工作可協(xié)同進(jìn)行，不會造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的大規(guī)模返工；同時，優(yōu)化后的工序數(shù)量減少，降低了由于不確定性而造成的工序延期風(fēng)險。

4 結(jié) 語

依托于MBD 技術(shù)，應(yīng)用并行工程理論后，客滾船設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)專業(yè)3D 一體化設(shè)計(jì)與舾裝專業(yè)提前設(shè)計(jì)的并行設(shè)計(jì)模式，有效處理了各專業(yè)協(xié)調(diào)問題，使各設(shè)計(jì)階段協(xié)同進(jìn)行，提高各工序并行度從而縮短設(shè)計(jì)時間。應(yīng)用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行工期計(jì)算，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程后的某型號客滾船設(shè)計(jì)時間整體縮短，優(yōu)化率達(dá)25.7%。

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)在船舶領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣，并行設(shè)計(jì)模式能夠更好地發(fā)揮作用。例如舾裝專業(yè)可以依托設(shè)計(jì)軟件轉(zhuǎn)為3D 一體化設(shè)計(jì)，更進(jìn)一步縮減設(shè)計(jì)過程中的工作量，實(shí)現(xiàn)各階段工作協(xié)同進(jìn)行，提升設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。