船體零部件制造數(shù)字化車(chē)間物流仿真技術(shù)研究

金風(fēng)明，馬 健，譚小野，李 軍，宋艷媛

(1.北京中船信息科技有限公司，北京 100861；2.中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100081)

隨著“工業(yè)4.0”的到來(lái)，智能制造逐漸得到人們的關(guān)注，企業(yè)的自動(dòng)化、信息化水平已成為衡量現(xiàn)代企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo).數(shù)字化車(chē)間集成信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和智能技術(shù)，在制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)融合應(yīng)用，使企業(yè)在研發(fā)、制造、服務(wù)、管理全過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)精確感知、自動(dòng)控制、自主分析和綜合智能決策.物流仿真技術(shù)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，可快速準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)的瓶頸，提出相應(yīng)的解決方案，為生產(chǎn)管理者科學(xué)決策提供有力的支持[1].

本文以船體零部件生產(chǎn)為例，在數(shù)字化車(chē)間生產(chǎn)的背景下，利用Flexsim仿真軟件，建立從材料預(yù)處理、零件加工到部件加工生產(chǎn)流程的仿真模型，以生產(chǎn)系統(tǒng)中工位利用率和工位人員配置為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)該制造系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，并對(duì)物流仿真系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化.

1 船體零部件制造數(shù)字化車(chē)間工藝流程

船體零部件制造數(shù)字化車(chē)間是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上建設(shè)的，采用無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Indentification,RFID)、二維碼等感知技術(shù)，有線/無(wú)線傳感、短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等組網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)船體零部件制造車(chē)間設(shè)備通訊和信息交換，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤和監(jiān)控.船體零部件制造分為預(yù)處理、切割、零件加工、部件加工和管件加工等工藝過(guò)程.

(1)預(yù)處理階段主要使用感知層二維碼、RFID等技術(shù)對(duì)原材料(板材和型材)進(jìn)行標(biāo)識(shí)；以RFID/長(zhǎng)距離傳輸(LongRange,LoRa)技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車(chē)輛、板材的實(shí)時(shí)定位；建立堆場(chǎng)管理系統(tǒng)，以鋼板堆場(chǎng)應(yīng)用層智能平板電腦(Personal Access Device,PAD)掃描的方式管理鋼板入庫(kù)、庫(kù)位調(diào)整、配送，并對(duì)信息進(jìn)行顯示和反饋；使用網(wǎng)絡(luò)層的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(LoRa、WIFI)對(duì)信息進(jìn)行傳遞.

(2)切割階段通過(guò)智能制造網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運(yùn)用二維碼、RFID技術(shù)將預(yù)處理后鋼材分類(lèi)，對(duì)切割好的零件進(jìn)行信息儲(chǔ)存，同時(shí)對(duì)托盤(pán)、料架和樁位進(jìn)行感知識(shí)別；運(yùn)用多種傳感器/RFID以及PC/PAD顯示技術(shù)，對(duì)切割機(jī)和劃線機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，跟蹤切割進(jìn)度；通過(guò)終端控制機(jī)對(duì)工控機(jī)和面板下達(dá)指令，指導(dǎo)劃線、切割、維修；通過(guò)LoRa、RFID技術(shù)對(duì)平板車(chē)、叉車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)鋼材配套過(guò)程的優(yōu)化，使配套部的鋼材配套準(zhǔn)備與鋼材預(yù)處理、切割作業(yè)順序匹配，減少吊運(yùn)工作量.

(3)零件加工階段的終端控制機(jī)與設(shè)備相關(guān)聯(lián)，人工操作終端控制機(jī)，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)車(chē)間設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)并進(jìn)行信息反饋[2]；通過(guò)車(chē)間管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的收集進(jìn)行輔助工時(shí)統(tǒng)計(jì)，提供更詳細(xì)的管理數(shù)據(jù)支撐，并合理制定、調(diào)配工作計(jì)劃，讓設(shè)備利用率最大化，提高作業(yè)區(qū)整體生產(chǎn)效率；運(yùn)用二維碼、RFID等感知技術(shù)確定托盤(pán)、料架和樁位，利用LoRa/RFID技術(shù)確定平板車(chē)、叉車(chē)的具體位置，為后續(xù)生產(chǎn)提供準(zhǔn)備.

(4)部件加工階段通過(guò)車(chē)間無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，用移動(dòng)管理方式實(shí)現(xiàn)物物(部件實(shí)物、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)計(jì)制作BOM、生產(chǎn)計(jì)劃信息、部件配送物流信息)的合理集成銜接；通過(guò)移動(dòng)端車(chē)間管理系統(tǒng)，運(yùn)用二維碼和RFID標(biāo)簽技術(shù)管理部件作業(yè)區(qū)部件堆場(chǎng)和零件堆場(chǎng)；通過(guò)手動(dòng)操作PAD控制零部件的全過(guò)程配套系統(tǒng)，結(jié)合LoRa/RFID定位技術(shù)完成上下道作業(yè)區(qū)的零件和部件物流；通過(guò)終端機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效的分析，改變傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)管理方式，改善效率瓶頸，為科學(xué)管理提供支撐.

2 船體零部件制造仿真模型的建立

船體零部件制造仿真的建模對(duì)象主要包括原材料和零件、部件等，還包括廠區(qū)的車(chē)間、工場(chǎng)等與制造緊密相關(guān)的制造載體.它包括運(yùn)輸、起重、加工設(shè)備等生產(chǎn)資源，以及運(yùn)輸軌道、車(chē)輛路徑、傳送帶等.三維仿真模型既要表現(xiàn)出各對(duì)象的功能，又要清晰地表達(dá)生產(chǎn)過(guò)程.

為了精確模擬實(shí)際生產(chǎn)，需要對(duì)船體零部件制造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研和評(píng)審，包括各工位的基本工時(shí)、來(lái)料時(shí)間、設(shè)備數(shù)量與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等.準(zhǔn)確獲取這些數(shù)據(jù)是正確反映實(shí)際生產(chǎn)情況的前提，也是仿真建模的重要基礎(chǔ).

基于三維建模，針對(duì)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量和運(yùn)行參數(shù)、來(lái)料時(shí)間，在軟件中設(shè)定生產(chǎn)計(jì)劃的數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)船體零部件制造過(guò)程的物流仿真.

船體零部件制造過(guò)程復(fù)雜，其零部件生產(chǎn)屬于多品種小批量離散型生產(chǎn).為了對(duì)零部件制造系統(tǒng)進(jìn)行完整仿真，本文運(yùn)用模塊化建模思想將其劃分為材料預(yù)處理模塊(包含材料理配)、材料切割模塊、零件加工模塊、部件加工模塊和管件加工模塊，并根據(jù)各模塊業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了建模仿真.船體零部件制造仿真實(shí)體多，數(shù)據(jù)量大，需要一定的硬件、軟件環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)仿真.因此，對(duì)船體零部件制造系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理：①將實(shí)際中多條流水線簡(jiǎn)化為一條流水線；②忽略實(shí)際制造過(guò)程中環(huán)境、天氣、工人熟練程度等因素對(duì)生產(chǎn)造成的影響；③利用SketchUp軟件將廠區(qū)的廠房、設(shè)備等固定資源合成組件，作為單一模型，利用Flexsim動(dòng)畫(huà)引擎導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，以減少仿真系統(tǒng)的實(shí)體數(shù)量.

3 材料預(yù)處理仿真模塊

材料預(yù)處理通常有兩種，即型材預(yù)處理和板材預(yù)處理.預(yù)處理階段的生產(chǎn)物流比較簡(jiǎn)單：鋼材從原材料堆場(chǎng)被運(yùn)輸至生產(chǎn)流水線，經(jīng)過(guò)矯正、除銹、噴漆、烘干等工序，再運(yùn)輸至材料存儲(chǔ)區(qū)，以備加工使用[3].

根據(jù)其業(yè)務(wù)流程，材料預(yù)處理模塊的建模思路如圖1所示.材料預(yù)處理車(chē)間仿真布局如圖2所示.

圖1 材料預(yù)處理模塊的建模思路

圖2 材料預(yù)處理車(chē)間仿真布局

4 材料切割仿真模塊

材料預(yù)處理后，將符合生產(chǎn)要求與不符合生產(chǎn)要求的材料加以區(qū)分，對(duì)符合生產(chǎn)要求的材料進(jìn)行切割，并根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)切割后材料進(jìn)行打磨、彎曲、檢驗(yàn)、集配等加工.材料切割模塊的建模思路如圖3所示.材料切割車(chē)間仿真布局如圖4所示.

圖3 材料切割模塊的建模思路

圖4 材料切割車(chē)間仿真布局

5 零件加工仿真模塊

零件加工的生產(chǎn)物流始于預(yù)處理流水線的緩沖區(qū)，把處理過(guò)的板材或型材運(yùn)送至零件成組分道加工流水線，生成各種零件.零件生成以后，由物流中心根據(jù)下一工序的需要統(tǒng)一配送至下一工作現(xiàn)場(chǎng)(比如部件裝配車(chē)間、組件裝配車(chē)間、分段制造平臺(tái)、船臺(tái)、碼頭等地)進(jìn)行裝配，或者堆放在零件存儲(chǔ)緩沖區(qū)，需要時(shí)進(jìn)行運(yùn)輸[4].

零件加工模塊的建模思路如圖5所示.零件加工車(chē)間仿真布局如圖6所示.

圖5 零件加工模塊的建模思路

6 部件加工仿真模塊

部件裝配是指將兩個(gè)或者兩個(gè)以上的船體零件裝焊成組合件，如焊接T型梁、肋骨框架、尾柱等.部件裝配是按分道加工的，一般包括拼板部件裝配分道、組合型材部件裝配分道、曲型桁材構(gòu)件裝配分道、加強(qiáng)腹板和肘板裝配分道等.

部件加工模塊的建模思路如圖7所示.部件加工車(chē)間仿真布局如圖8所示.

7 仿真系統(tǒng)運(yùn)行

這里以仿真模型中工位設(shè)備和操作員狀態(tài)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在工位設(shè)備和操作員工作效率固定的前提下，通過(guò)分析工位設(shè)備和操作員的狀態(tài)，對(duì)工位配置的設(shè)備及操作員數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中工位的設(shè)備和人員配置工作，避免資源浪費(fèi).

從圖9所示的零件加工車(chē)間仿真設(shè)備狀態(tài)可知，零件加工車(chē)間設(shè)備前半部分傳送帶處于擁堵?tīng)顟B(tài)，后半部分設(shè)備利用率不足50%，叉車(chē)、操作員等空閑時(shí)間遠(yuǎn)大于使用時(shí)間，焊接工作臺(tái)也出現(xiàn)了擁堵，且車(chē)間工作效率低于50%.

從圖10所示的部件加工車(chē)間仿真設(shè)備狀態(tài)可知，打磨、焊接工位存在擁堵，且操作員、平板車(chē)等的空閑時(shí)間大于工作時(shí)間，設(shè)備與工作人員利用率不足30%，存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi).這說(shuō)明該車(chē)間的船體生產(chǎn)能力未能得到充分發(fā)揮， 而且各工位的設(shè)備

圖6 零件加工車(chē)間仿真布局

圖7 部件加工模塊的建模思路 圖8 部件加工車(chē)間仿真布局

圖9 零件加工車(chē)間仿真設(shè)備狀態(tài)

圖10 部件加工車(chē)間仿真設(shè)備狀態(tài)

配置不符合生產(chǎn)計(jì)劃需要，前后生產(chǎn)節(jié)拍不均衡，在焊接加工工位存在擁堵.

為此，特制定如下優(yōu)化措施：①在不改變工位設(shè)備性能參數(shù)的前提下，增加1臺(tái)火工工位設(shè)備，并減少搬運(yùn)設(shè)備數(shù)量，提高流水線設(shè)備的利用率，減少生產(chǎn)設(shè)備投資，避免資源浪費(fèi)；②部件加工車(chē)間增加打磨、焊接等工位的設(shè)備數(shù)量，減少搬運(yùn)車(chē)、操作員的數(shù)量，使兩個(gè)相鄰工位共用一名操作員或者搬運(yùn)設(shè)備.運(yùn)行優(yōu)化后，零件加工仿真設(shè)備狀態(tài)如圖11所示，部件加工仿真設(shè)備狀態(tài)如圖12所示.

圖11 優(yōu)化后零件加工仿真設(shè)備狀態(tài)

圖12 優(yōu)化后部件加工仿真設(shè)備狀態(tài)

優(yōu)化前、后車(chē)間各工位設(shè)備狀態(tài)對(duì)比可知，雖然優(yōu)化后的仿真模型沒(méi)有達(dá)到最佳效果，但是相比原始模型的設(shè)備利用率、系統(tǒng)流暢性都有明顯提高，操作人員及設(shè)備利用率在50%以上，同時(shí)擁有適當(dāng)空閑時(shí)間，系統(tǒng)較少出現(xiàn)擁堵環(huán)節(jié)，生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)拍更加均衡.

8 結(jié)束語(yǔ)

本文以生產(chǎn)量與設(shè)備利用率為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，使用Flexsim仿真軟件及其二次開(kāi)發(fā)功能對(duì)船體零部件制造數(shù)字化車(chē)間進(jìn)行建模仿真.雖然船體零部件制造數(shù)字化車(chē)間的仿真模型多、實(shí)體類(lèi)型復(fù)雜，但是對(duì)該數(shù)字化車(chē)間分模塊建模仿真，仍可直觀地表現(xiàn)出各車(chē)間設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)模型中設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率、資源消耗率、日生產(chǎn)量等輸出Excel報(bào)告.通過(guò)Flexsim仿真軟件的3D視圖可直觀顯示系統(tǒng)的瓶頸與擁堵環(huán)節(jié)，避免了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)間浪費(fèi)，為整體資源分配提供依據(jù).工藝流程的仿真設(shè)計(jì)能夠?yàn)橹圃燔?chē)間的整體規(guī)劃提供參考，避免了實(shí)際生產(chǎn)中規(guī)劃不合理造成的生產(chǎn)延誤.

[1] 陳 寧,王 真,張洪軍,等.基于物流仿真的工程船舶建造系統(tǒng)優(yōu)化研究[J]. 物流科技,2013,36(10):75-78.

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