基于物流仿真的工程船舶建造系統(tǒng)優(yōu)化研究

陳 寧，王 真，張洪軍，楊 浩CHEN Ning,WANG Zhen,ZHANG Hong-jun,YANG Hao

（1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116000；3.上海東方申信科技發(fā)展有限公司，上海 200030）

(1.School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.Dalian Shipbuilding Industry Corporation,Dalian 116000,China;3.Shanghai Oriental Shenxin Technology Development Corporation,Shanghai 200030,China)

隨著企業(yè)自動(dòng)化、信息化水平的不斷提高，運(yùn)用合理的物流方案，結(jié)合先進(jìn)的管理理念，科學(xué)的組織生產(chǎn)，已逐漸成為企業(yè)增強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。眾所周知，制造企業(yè)的生產(chǎn)線建造往往需要投入大量的人力和財(cái)力，研究表明，國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)的生產(chǎn)線物流系統(tǒng)由于前期規(guī)劃的不合理，造成后期生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，潛在生產(chǎn)能力得不到充分發(fā)揮等問(wèn)題。物流仿真技術(shù)的產(chǎn)生，有效地解決了這一問(wèn)題，通過(guò)建立虛擬的三維仿真模型，模擬生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)狀況并生成仿真數(shù)據(jù)報(bào)表，可以快速準(zhǔn)確地確定物流系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題，進(jìn)而提出相應(yīng)解決方案，為生產(chǎn)管理者的科學(xué)決策提供了有力支撐[1-2]。

本文以某船廠即將投產(chǎn)的工程船舶為依托，利用廠區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)資源，使用Quest物流仿真軟件，建立工程船從材料堆場(chǎng)、零部件加工、分段裝焊、分段舾裝、涂裝到船臺(tái)搭載的整個(gè)生產(chǎn)物流的仿真模型，并選取生產(chǎn)節(jié)拍的平衡、主要資源利用率以及產(chǎn)能輸出這三項(xiàng)作為該仿真系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)該生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃方案潛在的物流“瓶頸”進(jìn)行優(yōu)化分析，為改善實(shí)際生產(chǎn)線提供了可量化的決策依據(jù)。

1 Quest仿真軟件

Quest是一款面向物流分析的仿真軟件，具有優(yōu)越的用戶自定義功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，可以通過(guò)對(duì)工廠生產(chǎn)系統(tǒng)的集成、工藝流程的設(shè)計(jì)以及可視化制造流程的仿真方案模擬，實(shí)現(xiàn)在全三維數(shù)字化工廠環(huán)境下對(duì)生產(chǎn)工藝流程的準(zhǔn)確性與生產(chǎn)計(jì)劃的合理性進(jìn)行仿真驗(yàn)證[3]。船舶建造系統(tǒng)屬于離散系統(tǒng)仿真的范疇，零件種類眾多，涉及的工藝信息量大，僅僅使用Quest自身提供的一些標(biāo)準(zhǔn)控制程序及其組合遠(yuǎn)不能滿足仿真需求，可使用Quest的交互式仿真建模功能，通過(guò)以下三種方式對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展[4]：（1）仿真控制語(yǔ)言（SCL）。有其獨(dú)特的語(yǔ)法句式，仿真邏輯包括process logic（過(guò)程邏輯）和route logic（路徑邏輯），每一次調(diào)用的程序都存在于獨(dú)立的文件夾中，使程序可以重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)用戶所需的仿真效果[5]。（2）批控制語(yǔ)言（BCL）?？梢员挥脕?lái)創(chuàng)建實(shí)體、讀取模型、修改參數(shù)、運(yùn)行仿真，它還可以為用戶提供可視化控制功能。（3）調(diào)用C動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic-Link Library，DLL）方式。Quest允許 SCL主程序調(diào)用C語(yǔ)言編寫的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有程序的擴(kuò)展、資源的共享、平臺(tái)差異以及一些特殊目的的功能。

2 仿真模型的建立

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與處理。建立完整的系統(tǒng)模型需要從生產(chǎn)實(shí)際中不斷收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)以真實(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，抽象出模型的基本參數(shù)[5]，結(jié)合船廠的實(shí)際生產(chǎn)情況與仿真需求，將所需內(nèi)容歸納為產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息、生產(chǎn)工藝信息、資源配置信息和生產(chǎn)計(jì)劃信息幾個(gè)方面，把這些基本參數(shù)信息轉(zhuǎn)化為仿真軟件可識(shí)別的數(shù)據(jù)信息，作為仿真系統(tǒng)運(yùn)行的可依賴數(shù)據(jù)[6]，圖1為本文研究的工程船舶相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的處理流程。

圖1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理

2.2 幾何模型的建立。Quest仿真軟件具有強(qiáng)大的導(dǎo)入/導(dǎo)出功能，運(yùn)用三維建模軟件建立所需幾何模型，并將其保存為Quest可識(shí)別的.wrl或.stl格式，圖2是建立的加工設(shè)備和分段的幾何模型。

圖2 幾何模型

2.3 邏輯模型的建立。邏輯模型的建立即各設(shè)備的層次關(guān)系以及它們之間的交互行為，對(duì)于一些復(fù)雜和具有特殊調(diào)度要求的仿真模型，應(yīng)用Quest二次開(kāi)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)仿真目標(biāo)，本研究針對(duì)全廠的多船并行，且生產(chǎn)計(jì)劃跨度為兩年，數(shù)據(jù)信息復(fù)雜，開(kāi)發(fā)工作量龐大，由于篇幅所限，僅選取以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

2.3.1 仿真模型的驅(qū)動(dòng)。由于船廠各作業(yè)區(qū)生產(chǎn)計(jì)劃往往存儲(chǔ)于Excel表格中，而Quest開(kāi)放給用戶在DATA文件夾的數(shù)據(jù)接口只可調(diào)用.txt文件，為了使模型更貼近實(shí)際，筆者使用在SCL中調(diào)用C動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的擴(kuò)展方式，創(chuàng)建了Quest與Excel的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了Quest可直接識(shí)別.xlsx格式文件的開(kāi)發(fā)功能，圖3是模型中使用的分段制造的先行中日程計(jì)劃（部分）。

2.3.2 建立各作業(yè)區(qū)的計(jì)劃管理。在切割加工區(qū)、小組立制作區(qū)、集配中心、裝焊、船臺(tái)區(qū)域分別建立相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃，在程序中建立作業(yè)管理者（manager），實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的管理工作，例如：計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間是否到達(dá)，上級(jí)中間產(chǎn)品是否已制作完成，加工場(chǎng)地是否空閑等，下面是針對(duì)船臺(tái)計(jì)劃管理開(kāi)發(fā)的部分代碼：

圖3 分段裝焊作業(yè)計(jì)劃表

2.3.3 實(shí)時(shí)跟蹤各級(jí)中間產(chǎn)品流向信息。由于本文研究的仿真模型是多船并行生產(chǎn)，故其中任何一個(gè)零件的邏輯錯(cuò)誤，都可能導(dǎo)致整個(gè)模型運(yùn)行的失敗，建立仿真模型時(shí)，筆者使用SCL語(yǔ)言，為每一級(jí)的中間產(chǎn)品賦予了相應(yīng)的屬性和流向信息，保證其在廠區(qū)內(nèi)運(yùn)行的有序性，一方面可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)建模過(guò)程中的紕漏，及時(shí)修改模型邏輯，另一方面也為后期仿真結(jié)果的分析做好鋪墊，如圖4所示：

Part Name（sheet_part_class_387[11605]）：零件在模型中的屬性名稱

Current Element（C2_SXG_in_buf_1）：加工設(shè)備名稱（第二跨-三芯棍）

Seize Time（72489.5sec）：在該道工序上的加工時(shí)間

SHEET_PART_NAME（H2046_02_HCM020_f7）：鋼板零件名稱 （船號(hào)為H2046的編號(hào)為HCM020鋼板，f7為該鋼板切割的零件）

FLOW（G）：流向信息（該零件不需要進(jìn)行小構(gòu)件加工）

MACHINE_TYPE（C2_SXG）：加工形式

圖4 中間產(chǎn)品屬性信息

2.4 船廠物流仿真模型的建立。依據(jù)上述內(nèi)容，結(jié)合工程船的生產(chǎn)工藝流程圖（圖5），在Quest仿真軟件中建立工程船從鋼材堆場(chǎng)到船臺(tái)搭載的生產(chǎn)流程仿真模型，如圖6所示，仿真模型與船廠各作業(yè)區(qū)生產(chǎn)流程以及加工設(shè)備一一對(duì)應(yīng)，包括鋼材堆場(chǎng)、預(yù)處理線、零部件加工（切割加工、拼版工位、小組立制作等）、集配中心、涂裝房、預(yù)舾裝場(chǎng)地、裝焊平臺(tái)、船臺(tái)以及各起重運(yùn)輸設(shè)備等。

圖5 工程船工藝流程圖

圖6 船廠仿真模型

3 仿真結(jié)果及優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。仿真系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為生產(chǎn)線運(yùn)行性能的主要定量分析標(biāo)準(zhǔn)，為方案進(jìn)一步的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)，鑒于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)仿真系統(tǒng)影響程度的高低，筆者主要從以下三個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

（1）生產(chǎn)節(jié)拍平衡。均衡性生產(chǎn)是現(xiàn)代造船模式的重要特征，即各生產(chǎn)資源的利用率應(yīng)該保持較高水平，且資源之間差異較小，這不僅有利于避免生產(chǎn)線上“堆積”或“窩工”現(xiàn)象，也有利于提高各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)能力。

（2）資源利用率。反映了船廠主要資源的占用情況，進(jìn)而分析其是否為影響船廠生產(chǎn)物流的瓶頸因素。

（3）產(chǎn)能輸出。產(chǎn)出能力也是船廠管理人員最為關(guān)注的一個(gè)宏觀問(wèn)題，即該廠區(qū)在一年時(shí)間里，可建造完成的工程船舶總量。

3.2 結(jié)果分析。在該廠區(qū)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上仿真未來(lái)兩年的該型號(hào)工程船舶建造能力，在各作業(yè)區(qū)建立管控點(diǎn)，控制仿真結(jié)果的輸出，發(fā)現(xiàn)首制船的周期為74天/艘（包含模型初始化時(shí)間），之后造船的節(jié)拍為28天/艘，年產(chǎn)量為36艘，主要資源的利用率如表1所示。

表1 主要資源利用率

從表1可以看出，該廠區(qū)兩臺(tái)龍門吊的平均利用率都不到60%，這表明該船廠的船臺(tái)生產(chǎn)能力還未得到充分發(fā)揮，從場(chǎng)地資源利用率的輸出可知，機(jī)艙分段和涂裝場(chǎng)地的胎位占用率過(guò)高，該處的中間產(chǎn)品存在“堆積”現(xiàn)象，造成了前后道生產(chǎn)節(jié)拍的不均衡，成為制約整個(gè)生產(chǎn)流程的瓶頸環(huán)節(jié)。

3.3 解決方案。根據(jù)上述分析，做出以下方案調(diào)整：（1）艏分段的場(chǎng)地利用率偏低，減少該作業(yè)區(qū)胎位數(shù)量，將其中兩個(gè)胎位用于制作機(jī)艙分段，使場(chǎng)地的資源分配更加合理。（2）結(jié)合廠區(qū)實(shí)際規(guī)劃布局，增加涂裝中心的胎位數(shù)量，當(dāng)其胎位數(shù)量由四個(gè)調(diào)整為六個(gè)時(shí)，仿真結(jié)果最優(yōu)，也可考慮優(yōu)化涂裝工藝，最大限度利用涂裝車間。

重新對(duì)上述優(yōu)化方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到結(jié)果如表2所示，兩臺(tái)龍門吊的平均利用率分別提高了8.47%和10.45%，各作業(yè)區(qū)的胎位利用率也穩(wěn)定在80%左右，相對(duì)較均衡，首制船的制作周期縮短為68天，造船節(jié)拍為24天/艘，廠區(qū)產(chǎn)能約為40艘，相比優(yōu)化前提高了4艘。

表2 主要資源利用率

4 結(jié)論和展望

本文依據(jù)各作業(yè)區(qū)生產(chǎn)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)仿真模型運(yùn)行，使用Quest仿真軟件及其二次開(kāi)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)了工程船舶的生產(chǎn)建造流程虛擬仿真，并對(duì)船廠物流瓶頸環(huán)節(jié)提出合理改善方案，提高了預(yù)期產(chǎn)能，可在進(jìn)一步的研究中，對(duì)其中的物量消耗率、計(jì)劃完成情況等相關(guān)要素進(jìn)行具體分析，這些直觀的三維演示和數(shù)據(jù)分析都將為船廠建造計(jì)劃管理技術(shù)提供更有效地解決途徑，可見(jiàn)，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于企業(yè)物流規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的意義。

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