基于Quest的某船廠生產(chǎn)流程仿真研究

陳 寧,王 真,劉繼東,謝鐵龍

(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.中國(guó)人民解放軍 91464部隊(duì),遼寧 大連 116041)(3.上海東方申信科技發(fā)展有限公司，上海 200030)

近年來(lái),隨著現(xiàn)代造船模式的不斷發(fā)展,造船模式的數(shù)字化、造船企業(yè)的信息化已經(jīng)成為全球造船業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素和有效手段,日本和韓國(guó)早已把對(duì)數(shù)字化造船的研究當(dāng)作戰(zhàn)略來(lái)實(shí)施,而國(guó)內(nèi)一些船廠,在造船管理和技術(shù)方面仍面臨很多問(wèn)題,主要?dú)w納為:①無(wú)法在船舶建造前對(duì)收益和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行確實(shí)有效的評(píng)估.②往往依據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)確定船舶建造節(jié)點(diǎn),無(wú)法準(zhǔn)確地制定符合實(shí)際生產(chǎn)的生產(chǎn)計(jì)劃[1].③在正式投產(chǎn)前,難以發(fā)現(xiàn)各作業(yè)區(qū)存在的問(wèn)題[2-3].造船是一項(xiàng)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,運(yùn)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,很難對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析,而虛擬仿真技術(shù)的產(chǎn)生,使得船廠可以不用消耗任何實(shí)際資源,通過(guò)仿真系統(tǒng)的模擬,優(yōu)化生產(chǎn)資源配置,改善船舶建造流程,達(dá)到在生產(chǎn)制造的前期就可以優(yōu)化已有的生產(chǎn)系統(tǒng)的效果,讓企業(yè)更加經(jīng)濟(jì)高效的形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[4].

1 離散事件系統(tǒng)仿真

1.1 離散事件仿真技術(shù)

系統(tǒng)仿真就是依據(jù)分析目的,在系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立逼近真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型,通過(guò)分析獲取正確決策所需的各種信息.按其性質(zhì)可分為離散系統(tǒng)仿真和連續(xù)系統(tǒng)仿真兩大類,船舶生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)典型的離散生產(chǎn)系統(tǒng),其仿真流程如圖1,一般可歸納為系統(tǒng)調(diào)研、確立目標(biāo)、建立仿真模型、運(yùn)行仿真模型、結(jié)果分析、系統(tǒng)優(yōu)化以及結(jié)果輸出[5].

圖1 離散系統(tǒng)仿真流程Fig.1 Discrete system simulation process

1.2 仿真工具選擇

國(guó)內(nèi)外針對(duì)離散系統(tǒng)仿真而開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件有很多,文中采用法國(guó)達(dá)索公司的Delmia/Quest仿真軟件,其具有直觀靈活的用戶界面和強(qiáng)大的可視化效果[6],獨(dú)特的編程語(yǔ)言SCL還具有很強(qiáng)的靈活性,更適應(yīng)于船舶這種大型制造業(yè)的離散系統(tǒng)仿真建模中.

1.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

仿真系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可理解為生產(chǎn)車間運(yùn)行性能的主要定量分析標(biāo)準(zhǔn),考慮到對(duì)仿真系統(tǒng)影響程度的高低及獲取的難易程度,文中采用設(shè)備利用率、生產(chǎn)線的平衡以及產(chǎn)出能力這三項(xiàng)作為船舶建造生產(chǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)[7]:

1)設(shè)備利用率

船廠的生產(chǎn)設(shè)備包括加工設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備,這些設(shè)備大多價(jià)格昂貴,因此很有必要監(jiān)控這些設(shè)備是否高效合理的使用,這也成為船廠提高盈利的一種重要手段.

2)生產(chǎn)線的平衡

均衡性生產(chǎn)是現(xiàn)代造船模式的重要特征,即判斷各項(xiàng)任務(wù)之間的并行生產(chǎn)時(shí)間是否達(dá)到均衡,串聯(lián)生產(chǎn)時(shí)間是否達(dá)到最短,是否存在“堆積”或“窩工”現(xiàn)象,通過(guò)仿真模型數(shù)據(jù)輸出報(bào)告,可以輕松的獲取上述結(jié)果.

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,即生產(chǎn)線在某段時(shí)間可以加工完成的產(chǎn)品數(shù)量(例如:零件數(shù)、部件數(shù)、分段數(shù)等).

2 實(shí)例分析

文中選取江蘇某船廠生產(chǎn)的36 m拖船為研究對(duì)象,通過(guò)調(diào)研,該船廠是一家擁有悠久歷史的中小型船企,以生產(chǎn)工程船舶為主,但在實(shí)際生產(chǎn)中存在生產(chǎn)節(jié)拍不平衡,車間生產(chǎn)資源配置不合理等問(wèn)題,通過(guò)仿真系統(tǒng)的分析,旨在確定生產(chǎn)瓶頸工位,優(yōu)化生產(chǎn)資源配置,平衡生產(chǎn)節(jié)拍,充分發(fā)揮船廠生產(chǎn)能力.

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和處理

建立完整的系統(tǒng)模型首先要從生產(chǎn)實(shí)際中不斷收集生產(chǎn)數(shù)據(jù),抽象出模型所需的基本參數(shù),作為仿真系統(tǒng)運(yùn)行的可依賴數(shù)據(jù),把這些基本參數(shù)應(yīng)用于船舶建造仿真模型中,將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為產(chǎn)品數(shù)據(jù)——“解決造什么船”、工藝數(shù)據(jù)——“如何造”、資源數(shù)據(jù)——“用什么造”和計(jì)劃數(shù)據(jù)——“什么時(shí)候造”.

2.1.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)

研究的對(duì)象是36 m拖船,相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)主要包括原材料清單、分段組成、分段比重、零件組成、加工類型、流向信息等.這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)相應(yīng)的規(guī)則庫(kù)進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)化成為仿真模型可以讀取的格式,包括分段號(hào)代碼、零件類型及流向代碼、零件加工代碼等,然后獲取這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息,有直接獲取和間接獲取兩種方法,有些產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以直接獲取,如切割長(zhǎng)度、零件重量等;而有些必須經(jīng)過(guò)判斷和計(jì)算間接獲取,如拼版長(zhǎng)度等.最后再將上述兩點(diǎn)通過(guò)程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)變成為模型可以直接讀取的數(shù)據(jù)信息.

2.1.2 工藝數(shù)據(jù)

工藝數(shù)據(jù)包括工藝流程、工時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式以及調(diào)度邏輯等.圖2為船廠生產(chǎn)工藝主流程,主要包括材料堆場(chǎng)、鋼材處理、船體加工、分段制造、分段舾裝、分段涂裝、船臺(tái)搭載等.工時(shí)數(shù)據(jù)是仿真運(yùn)行的核心數(shù)據(jù),其準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果.

2.1.3 資源數(shù)據(jù)

資源數(shù)據(jù)包括場(chǎng)地布局、設(shè)備運(yùn)輸、人員配置和加工參數(shù)等,圖3為廠區(qū)平面布置簡(jiǎn)圖.

圖2 船廠生產(chǎn)工藝主流程Fig.2 Main production technology process in shipyard

圖3 廠區(qū)平面布置Fig.3 Factory floor layout plan

2.1.4 計(jì)劃數(shù)據(jù)

依據(jù)拖船一年的生產(chǎn)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)仿真模型,Quest開(kāi)放給用戶的數(shù)據(jù)接口只可調(diào)用.txt文件,為了使模型更貼近實(shí)際,在SCL中調(diào)用C動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的擴(kuò)展方式,在C動(dòng)態(tài)庫(kù)中定義DataAnylize:trans程序函數(shù),實(shí)現(xiàn)了Quest可直接識(shí)別.xlsx格式文件的開(kāi)發(fā)功能.

2.2 仿真模型的建立

2.2.1 幾何模型的建立

Quest為用戶提供了很多用于構(gòu)造生產(chǎn)線仿真模型的基本元素,包括Part，Machine，AGV，Process等,建模時(shí)賦予它們與映射對(duì)象相同的屬性及操作,為了在虛擬環(huán)境中,真實(shí)反映出船舶建造流程,需要通過(guò)Quest強(qiáng)大的導(dǎo)入/導(dǎo)出功能建立仿真所需的三維幾何模型,圖4為使用三維建模軟件建立液壓機(jī)和拖船的幾何顯示模型.

a) 液壓機(jī)

b) 拖船

2.2.2 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,由于船舶建造系統(tǒng)涉及的工藝信息量大、零件種類眾多,僅僅使用Quest自身提供的一些標(biāo)準(zhǔn)控制程序極其組合遠(yuǎn)不能滿足仿真需求,故對(duì)于一些復(fù)雜和具有特殊調(diào)度要求的仿真模型,應(yīng)用它的二次開(kāi)發(fā)功能,實(shí)現(xiàn)仿真目標(biāo),即通過(guò)以下3種方式對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展:

1) 批控制語(yǔ)言(BCL)

可以被用來(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.

2) 仿真控制語(yǔ)言(SCL)

SCL語(yǔ)言有其獨(dú)特的語(yǔ)法句式,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,主要的仿真邏輯包括process logic(過(guò)程邏輯)和route logic(路徑邏輯)[8],通過(guò)‘User Func’選項(xiàng)被調(diào)用,實(shí)現(xiàn)用戶所需的仿真效果.

3) 調(diào)用C動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL,即“Dynamic-Link Library”)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.

“資本—政治—社會(huì)”范式并不是資本完全占居主導(dǎo)地位，在城市社會(huì)中，依然存在著政治引領(lǐng)資本和社會(huì)生活的范式樣態(tài)，也存在著社會(huì)生活引領(lǐng)資本與政治的范式樣態(tài)，這里只是表明三者之間存在天然的親和力。人類社會(huì)并非只有這一種發(fā)展范式，倘若如此，那么作為母體的等級(jí)制社會(huì)如何也產(chǎn)生不了“資本—政治—社會(huì)”范式，等級(jí)制社會(huì)的周期式振蕩也無(wú)力培育出資本主義生產(chǎn)方式。城市問(wèn)題與城市沖突也不斷提醒我們反思“資本—政治—社會(huì)”范式的內(nèi)在矛盾。

2.3 船廠仿真模型建立

依據(jù)上述內(nèi)容,在Quest仿真軟件中建立拖船從鋼材堆場(chǎng)到船臺(tái)搭載的生產(chǎn)流程仿真模型,圖5為全廠效果圖和模型運(yùn)行過(guò)程中船體C3加工跨區(qū)仿真模型.可看出,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.此外,在模型的建立過(guò)程中,使用了大量的對(duì)象控制程序,以執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)運(yùn)行邏輯,以鋼板的批創(chuàng)建程序設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明,即在初始化文件中對(duì)所需鋼板進(jìn)行定義,包括長(zhǎng)度、寬度、厚度、切割類型、切割長(zhǎng)度等.

open file file-name for text input as 2

read-line(# 2,line) /*讀取文件內(nèi)的數(shù)據(jù)信息*/

count=SCAN-STR(line,′ ′,sheet-name,size-x,size-y,size-z,weight,cut-length,Cut-Type)

the-part=produce(the-part-class) /*創(chuàng)建鋼板*/

array-index=get-block-index-routine(block-name)

close #2

a) 全廠效果圖

b)C3跨加工車間

3 仿真結(jié)果與分析優(yōu)化

3.1 仿真結(jié)果

在船廠模型調(diào)試成功后進(jìn)行仿真,設(shè)置仿真時(shí)間為一年,使用SCL語(yǔ)言控制仿真結(jié)果的輸出,在各作業(yè)區(qū)域建立管控點(diǎn),實(shí)時(shí)跟蹤每一個(gè)零件的流向信息,采用反向逐級(jí)查找的方式,找到生產(chǎn)瓶頸環(huán)節(jié).文章在1.3節(jié)提出了3個(gè)仿真系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo),即設(shè)備利用率η、生產(chǎn)線平衡和產(chǎn)能輸出,文中將這3個(gè)指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)定義為產(chǎn)能>設(shè)備利用率>生產(chǎn)線平衡.通過(guò)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析可知,4臺(tái)切割機(jī)在一個(gè)月內(nèi)的平均總零件產(chǎn)出數(shù)量為3 561個(gè),而該產(chǎn)區(qū)的現(xiàn)有月度產(chǎn)能需求至少要達(dá)到3 600個(gè).從各切割機(jī)利用率(圖6)可以看出,3號(hào)切割機(jī)的平均利用率均達(dá)到80%以上,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,利用率超過(guò)75%,視為不安全,即超過(guò)安全閥值[9],而1號(hào)切割機(jī)大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài),利用率較低.從集配中心管控點(diǎn)輸出(圖7)可以看出不同船號(hào)04分段(機(jī)艙分段)的零件集配完成時(shí)間均晚于其它分段,造成了前后道生產(chǎn)線的不均衡.

圖6 各切割機(jī)利用率對(duì)比Fig.6 Comparison of cutting machine utilization

圖7 集配中心管控點(diǎn)輸出Fig.7 Control point output in distribution center

3.2 解決方案(優(yōu)化)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知,1,2,4號(hào)為數(shù)控等離子切割機(jī),切割范圍廣,3號(hào)為數(shù)控火焰切割機(jī),表1為36 m拖船鋼板原材料及切割機(jī)資源配置信息,結(jié)合廠區(qū)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀及仿真結(jié)果分析,現(xiàn)提出以下2種優(yōu)化方案:

1) 重新分配切割機(jī)任務(wù)資源,將3號(hào)切割機(jī)厚度大于12 mm的鋼板分配給1號(hào)切割機(jī).

2) 關(guān)閉1號(hào)切割機(jī),將其鋼板切割任務(wù)分配給2號(hào)切割機(jī),并把3號(hào)切割機(jī)厚度大于12 mm的鋼板分配給4號(hào)切割機(jī).

3.3 方案比較

在仿真模型中分別對(duì)上述兩種方案進(jìn)行驗(yàn)證,得到結(jié)果如表2.

表1 鋼板原材料及切割機(jī)資源配置信息Table 1 Steel raw material and cutting machine resources allocation informations

表2 調(diào)整后仿真結(jié)果輸出Table 2 Results of simulation output after adjusting

選取前面定義的系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,可以看出,兩種方案的月平均產(chǎn)出零件數(shù)均達(dá)到了產(chǎn)區(qū)現(xiàn)有月度產(chǎn)能需求(3 600個(gè)).方案1的4臺(tái)切割機(jī)平均利用率數(shù)值較平均,且都在前面提到的安全閥值內(nèi),而方案2的切割機(jī)利用率均超過(guò)75%,不符合安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步通過(guò)方案1的零件集配完成時(shí)間對(duì)其生產(chǎn)線的均衡性進(jìn)行分析,可看出,零件集配時(shí)間相對(duì)較集中,前后道生產(chǎn)線的節(jié)拍也較平衡順暢,綜合上述分析,應(yīng)選取方案1.

4 結(jié)論

文中使用仿真軟件Quest實(shí)現(xiàn)了拖船從鋼材堆場(chǎng)、零部件加工、分段裝焊、分段總組、船臺(tái)搭載整個(gè)生產(chǎn)流程的建模與仿真,以切割加工區(qū)為例,進(jìn)行了仿真結(jié)果的優(yōu)化分析,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備資源的合理配置,消除了生產(chǎn)瓶頸.總之,仿真技術(shù)為船廠建造計(jì)劃管理技術(shù)的提高提供了有效的解決途徑,是船廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化造船的一個(gè)重要手段[10].

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