船舶型材自動(dòng)套料軟件開發(fā)

郭朝義，張馳，劉杰

(1.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321;2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

船舶型材自動(dòng)套料軟件開發(fā)

郭朝義1，張馳1，劉杰2

(1.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321;2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

針對船舶設(shè)計(jì)建造中手工套料不但操作繁瑣，而且容易出錯(cuò)的問題，基于提高套料的準(zhǔn)確性和效率的考慮，在.NET平臺上設(shè)計(jì)開發(fā)用于船舶型材批量套料的應(yīng)用軟件。實(shí)踐證明，使用該軟件能夠提高材料利用率，節(jié)約操作時(shí)間并降低庫存管理難度。

船舶;型材套料;軟件開發(fā)

降低原材料消耗是當(dāng)今船舶企業(yè)在生產(chǎn)和經(jīng)營過程中一直追求的目標(biāo)，也是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要措施之一。在日韓等先進(jìn)的造船國家，數(shù)字化造船起步較早，已形成比較成熟的軟件或產(chǎn)品，包括設(shè)計(jì)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等［1-2］。在船舶建造過程中，需用到大量的型材，在操作過程中會(huì)通過切割或焊接等手段獲得所需長度的型材。切割剩下的材料可以保存入庫，形成余料庫。如何充分利用余料是一個(gè)關(guān)鍵的問題，依靠人工來進(jìn)行該項(xiàng)工作不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易出紕漏。因此，有必要研究開發(fā)型材套料軟件。

目前開發(fā)的型材套料軟件一般基于排列和組合算法，通過遍歷的方式搜索出滿足要求的套料方案［3］;采用的開發(fā)工具主要有Delphi、python等，但完全基于遍歷的算法搜索時(shí)間長，個(gè)別約束的調(diào)整不方便。為此采用VB.NET作為開發(fā)語言，基于若干預(yù)定義規(guī)則，實(shí)現(xiàn)源文件導(dǎo)入、批量套料、材料利用率統(tǒng)計(jì)、報(bào)表輸出、余料庫存管理等功能。

1 需求分析

對于手工套料，主要過程是針對目標(biāo)型材，由相關(guān)人員在余料庫中尋找兩個(gè)或多個(gè)與目標(biāo)型材材料、規(guī)格一致的余料進(jìn)行焊接，或直接對一個(gè)余料或完整型材(或稱為標(biāo)準(zhǔn)型材)進(jìn)行切割，最終得到所需的長度。套料前，工作人員需要對余料庫中的型材進(jìn)行歸類、測量和計(jì)算，直到找到滿足要求的組合方案。使用這種方法，主要存在以下問題。

1)套料時(shí)需要重新對庫存進(jìn)行分類匯總，并通過手工計(jì)算，找出滿足要求的套料方案，由于一般為批量套料，故將耗費(fèi)大量的時(shí)間。

2)當(dāng)余料庫中沒有符合要求的組合時(shí)，操作人員將會(huì)徒勞無功。

3)套料之后庫存信息需要及時(shí)更新并記錄在案，增加了額外的工作量。

為了克服手工方法存在的問題，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)型材自動(dòng)套料軟件將能大大提高操作效率，并簡化庫存管理工作。

型材自動(dòng)套料軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下主要功能。

1)自動(dòng)導(dǎo)入目標(biāo)型材數(shù)據(jù)列表，數(shù)據(jù)來源可以為Excel、Word、Xml等主要文件格式。

2)庫存材料信息按不同船級社來分類，滿足不同入級材料的套料，用戶可以分類查詢。

3)對于每個(gè)型材，能夠自動(dòng)計(jì)算搜索最優(yōu)的套料方案，并及時(shí)更新庫存信息。如果在所有設(shè)定的套料方法中沒有符合的方案，應(yīng)提醒用戶補(bǔ)充庫存。

4)實(shí)現(xiàn)連續(xù)套料，滿足焊接次數(shù)最少，使用完整型材根數(shù)最少等多個(gè)優(yōu)化約束目標(biāo)。

5)輸出列表中所有型材的套料方案，并以圖形化方式呈現(xiàn)。

6)統(tǒng)計(jì)余料使用量、產(chǎn)生的廢料量以及材料利用率。

2 軟件總體設(shè)計(jì)方案

軟件使用的目的在于充分利用庫存材料(包括標(biāo)準(zhǔn)型材和余料)，優(yōu)先考慮其中的余料，同時(shí)又要滿足焊接次數(shù)的約束限制，這樣有利于減少對標(biāo)準(zhǔn)型材的消耗，達(dá)到降低采購成本的目的。套料的效果可ηE可用式(1)來描述。

余料數(shù)目減少是提高材料利用率比較直觀的一個(gè)方面，同時(shí)可以降低庫存的管理復(fù)雜度。一次套料使用多個(gè)余料有利于達(dá)到這個(gè)目的，但如果材料拼接過多，將會(huì)增加焊接次數(shù)和工作量，累積的變形也會(huì)影響使用效果。結(jié)合船廠的實(shí)際需求，設(shè)置每次套料的焊接次數(shù)不超過兩次，即目標(biāo)型材最多可以由3段材料焊接而成。此外，由于套料一般難以與目標(biāo)型材的長度完全一致，會(huì)有一定的剩余長度，故應(yīng)對這些剩余材料作進(jìn)一步處理。處理的方法為:如果剩余材料太短，利用價(jià)值不高，可以作為廢料處理，根據(jù)船廠的實(shí)際情況，將廢料的臨界長度設(shè)置為400 mm;超過這個(gè)值的材料則可以再次利用，稱之為二次余料。

為了精確評價(jià)套料的結(jié)果，應(yīng)綜合考慮以下因素。

1)實(shí)際需要的材料長度，Luse。

2)使用的庫存余料總長，Lstock。

3)總裕量，Lmargin。

4)二次余料總長，Lnewstock。

5)產(chǎn)生的廢料總長，Lwaste。

這些參數(shù)具有以下關(guān)系。

材料利用率可通過使用的庫存余料總長度以及實(shí)際有用的余料長度ηC來表示:

程序設(shè)計(jì)流程見圖1。圖中類型說明如下。

類型1。無焊接和切割，余料庫中有與目標(biāo)型材材料、規(guī)格和長度都相同的型材。

類型2。一次焊接(兩段與目標(biāo)型材材料、規(guī)格和長度都相同的型材焊接而成)。

類型3。二次焊接(3段與目標(biāo)型材材料、規(guī)格和長度都相同的型材焊接而成)。

類型4。余料切割(剩下的部分依長度決定是否可再次利用)。

類型5。完整型材切割(剩下的部分依長度決定是否可再次利用)。

3 關(guān)鍵問題研究及實(shí)現(xiàn)

3．1 優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

關(guān)于優(yōu)化的一個(gè)問題:剩余長度是否只要小于廢料的臨界長度就是最優(yōu)方案。

如前文所述，長度小于400 mm的材料為廢料，如果剩余長度為小于200 mm甚至更小，則浪費(fèi)較少;如果剩余長度較大，如200～400 mm，則浪費(fèi)相對較多。因此這是一個(gè)辯證的問題，一方面，允許產(chǎn)生廢料，但要盡量避免廢料的長度接近臨界值;另一方面，剩余長度可以超過臨界值，但不應(yīng)過長。

在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，套料及優(yōu)化采用組合窮舉的方式。一種實(shí)現(xiàn)方法是，在考慮焊接次數(shù)及最大裕量限制的情況下，窮舉所有的組合方案，并從中找出剩余長度最短的方案作為最終方案［3］。對于這種方案，剩余材料一般較短，因此幾乎每次都會(huì)產(chǎn)生廢料。對上述方案作進(jìn)一步優(yōu)化:如果最終產(chǎn)生的廢料長度接近臨界值，則將裕量最低值設(shè)置為臨界值進(jìn)行重新計(jì)算，用搜索到的第一個(gè)方案取代原方案并退出搜索過程。這樣可以將原來產(chǎn)生較長的廢料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生二次余料，從而進(jìn)一步提高材料利用率。具體實(shí)現(xiàn)思路如下。

首先將套料方法進(jìn)行分類，如上述程序設(shè)計(jì)流程圖中的說明，套料的優(yōu)先級為從類型1到類型5依次降低。對于其中每一種方案，同時(shí)考慮使用余料數(shù)較多，實(shí)際操作方便和產(chǎn)生的廢料最少3個(gè)因素。類型1無需額外的工作量，并且不會(huì)產(chǎn)生多余材料;對于類型2到類型5，通常會(huì)產(chǎn)生剩余材料，可能是廢料或者二次余料，所以是主要優(yōu)化的對象。但在實(shí)際操作過程中，優(yōu)先考慮類型2～類型4，最后考慮類型5。優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法見圖2。

3．2 連續(xù)套料及材料使用情況統(tǒng)計(jì)

對于船舶設(shè)計(jì)建造，通常需要對某個(gè)分段或某個(gè)區(qū)域中的所有型材進(jìn)行批量套料，數(shù)量多達(dá)幾十甚至上百個(gè)，人工套料的缺陷此時(shí)體現(xiàn)得更為明顯，利用軟件來實(shí)現(xiàn)則能很好地克服這個(gè)問題。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

套料的一個(gè)前提是遵循余料型材和目標(biāo)型材的材料、規(guī)格以及報(bào)檢船級社相一致的原則。首先在數(shù)據(jù)庫中建立材料庫表，包含的字段主要有:材質(zhì)、規(guī)格、長度、數(shù)量、船級社，材料類型，其中材料包括完整型材和余料兩大類。在將庫存信息從數(shù)據(jù)庫上載到用戶計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中時(shí)，需要將其中數(shù)量大于1的材料展開為多個(gè)相同的材料，在實(shí)際套料時(shí)則作為不同的材料使用，即內(nèi)存中實(shí)際的材料數(shù)目為。

式中:n——數(shù)據(jù)庫中材料的記錄數(shù)(針對制定的入級船級社);

N——內(nèi)存中材料的數(shù)目;

Ni——每條記錄中“數(shù)量”字段值。

內(nèi)存中的庫存信息是存儲(chǔ)在DataTable對象中的一個(gè)列表，可以看作是整個(gè)套料過程的一個(gè)中間表。當(dāng)庫存信息從數(shù)據(jù)庫中讀取之后，立即釋放數(shù)據(jù)庫資源，連續(xù)套料過程中的數(shù)據(jù)處理則交由中間表處理，避免每一個(gè)套料都消耗數(shù)據(jù)庫資源。套料結(jié)束后，再一次性對數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行更新，減輕數(shù)據(jù)庫的壓力，同時(shí)可提高連續(xù)套料的效率。

為準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)套料結(jié)果，需要用到套料前和套料后的全局參數(shù)，如目標(biāo)型材的數(shù)量和總長度、使用型材的數(shù)量和總長度、產(chǎn)生的廢料總長等，這些數(shù)據(jù)是對源表中所有型材數(shù)據(jù)和套料結(jié)果數(shù)據(jù)的匯總。為詳細(xì)記錄每次套料的詳細(xì)信息，將目標(biāo)型材數(shù)據(jù)和套料結(jié)果數(shù)據(jù)分別封裝到一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，具體參數(shù)見表1。

表1 套料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體成員

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析計(jì)算(參考式(2)～式(4))，可以獲取套料前后的總體數(shù)據(jù)和材料使用率。

4 工程應(yīng)用分析

以某27 000 DWT多用途船為例，獲得某分段Excel格式的目標(biāo)型材源表后，直接導(dǎo)入到軟件中，并選定材料需要報(bào)檢的船級社，見圖3。然后可以執(zhí)行套料過程，完成之后可以顯示套料所用的時(shí)間，見圖4。

圖3 需要套料的型材列表

圖4 套料結(jié)果及花費(fèi)時(shí)間

此外，模擬前所述優(yōu)化之前的套料過程，并將套料結(jié)果與改進(jìn)后的方法進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5。

圖5 優(yōu)化前后材料利用率對比

通過對比可以看出，在優(yōu)化之后，雖然套料時(shí)間有所增加，但總的時(shí)間仍然較少，而材料利用率提高了2個(gè)以上的百分點(diǎn)。優(yōu)化后的方法在減少廢料長度的同時(shí)也減少了廢料的數(shù)量，因此可以進(jìn)一步提高材料利用率。

5 結(jié)束語

用型材自動(dòng)套料軟件取代原始的手工套料，大大縮短了操作時(shí)間，并能獲得較高的材料利用率，庫存管理也得到了簡化。對目前使用的一種套料軟件采用的方法進(jìn)行優(yōu)化，使材料綜合利用率得到了進(jìn)一步提高。設(shè)計(jì)的軟件已經(jīng)在船舶企業(yè)成功應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

［1］劉杰.基于OLE技術(shù)的造船廠信息一體化研究［J］.船海工程，2007，36(4):86-88.

［2］姚玉南.船舶信息管理系統(tǒng)開發(fā)研究［J］.船海工程，2006，30(4):110-113.

［3］錢善波，孫志偉.型材自動(dòng)套料管理系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用［J］.造船技術(shù)，2008(3):8-10.

Development of the Automatic Nesting Software of Section Bar in Shipbuilding

GUO Chao-yi1，ZHANG Chi1，LIU
Jie2 (1.Taizhou Kouan Shipbuilding Co.，Ltd，Taizhou Jiangsu 225321，China; 2.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)

Since manual nesting in shipbuilding is operating-complicated and subjected to default easily，a software is developed on the.NET development platform to realize automatic nesting of the section bar in shipbuilding.The practical use show that the software can improve the accuracy，efficiency and material utilization，reduce the operation time and difficulty of stock management.

ship;nesting of section bar;software development

U671

A

1671-7953(2015)02-0015-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.004

2014-10-15

修回日期:2014-10-27

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2013107)

郭朝義(1964-)，男，碩士，高級工程師

研究方向:船型研發(fā)、船舶企業(yè)信息化應(yīng)用

E-mail:guocy@cnkasc.com