基于仿真的室內(nèi)裝焊工場分段建造方案評估與優(yōu)化

朱明華，李沛田，單小芬，毛申飛，朱仁貴

（1. 江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

工藝與材料

基于仿真的室內(nèi)裝焊工場分段建造方案評估與優(yōu)化

朱明華1，李沛田1，單小芬1，毛申飛1，朱仁貴2

（1. 江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

基于仿真的生產(chǎn)調(diào)度方法，以室內(nèi)裝焊工場的分段建造（含分段總組）為研究對象建立三維仿真模型，通過仿真模擬輸出仿真運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對特定建造方案下的物量、場地利用率及生產(chǎn)計劃等參數(shù)的準確評估。針對建造方案中的不合理之處，通過采用基于序列的優(yōu)化方法對生產(chǎn)計劃及場地布局等進行優(yōu)化。實例分析結(jié)果表明，該優(yōu)化方法可縮短分段建造周期、提高場地利用率，從而為生產(chǎn)計劃的制定和生產(chǎn)調(diào)度水平的提升提供支持。

仿真；室內(nèi)裝焊工場；分段建造

0 引 言

現(xiàn)代企業(yè)間的競爭已由過去的產(chǎn)品競爭轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃炷芰Ω偁?；相?yīng)的，生產(chǎn)系統(tǒng)作為工業(yè)企業(yè)間的競爭之本，正由過去的追求低成本和高效率生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽非笞陨硭刭|(zhì)和能力的提升，即由過去注重其有用性轉(zhuǎn)變?yōu)閺娬{(diào)其有效性。但是，何種生產(chǎn)系統(tǒng)是有效的，如何在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和構(gòu)造決策階段選出一個有效的生產(chǎn)系統(tǒng)，以及如何在生產(chǎn)系統(tǒng)運行階段評價一個生產(chǎn)系統(tǒng)的有效性是需要考慮的問題。對于船舶建造企業(yè)來說，生產(chǎn)系統(tǒng)評估指標一般來自于生產(chǎn)調(diào)度過程，因此生產(chǎn)系統(tǒng)評估指標的確立與生產(chǎn)調(diào)度方法息息相關(guān)。

一般的調(diào)度問題都是對具體生產(chǎn)環(huán)境中復(fù)雜、動態(tài)、多目標調(diào)度問題的一種抽象和簡化，因此調(diào)度算法可根據(jù)其對這些復(fù)雜性的表述進行分類。由于制造系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此很難用一個精確的解析模型來描述和分析。基于仿真的方法側(cè)重于對系統(tǒng)中運行的邏輯關(guān)系進行描述，通過仿真動態(tài)展現(xiàn)車間的生產(chǎn)狀態(tài)，并通過運行仿真模型來收集數(shù)據(jù)，分析不同調(diào)度方法下的系統(tǒng)性能；同時，運用已有知識和經(jīng)驗來選擇合適的調(diào)度方法（規(guī)則），從而改善生產(chǎn)系統(tǒng)性能。

現(xiàn)代的船舶建造大多以分段為單元制訂生產(chǎn)計劃、組織生產(chǎn)活動[1]。分段是由船體的零部件組成的局部結(jié)構(gòu)，由于分段建造會占用大量的空間區(qū)域和設(shè)施資源，因此對分段生產(chǎn)進行合理安排，在滿足調(diào)度約束的條件下獲得最優(yōu)的動態(tài)空間布局，這就是需要解決的分段空間調(diào)度問題[2]。

這里基于仿真的生產(chǎn)調(diào)度方法，以室內(nèi)裝焊工場的分段建造（含分段總組）為研究對象建立三維仿真模型，通過仿真模擬輸出仿真運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對特定建造方案下的物量、場地利用率及生產(chǎn)計劃等參數(shù)的準確評估[3]。針對建造方案中的不合理之處，通過采用基于序列的優(yōu)化方法對生產(chǎn)計劃和場地布局等進行優(yōu)化[4]。該優(yōu)化方法可縮短分段建造周期、提高場地利用率，從而為生產(chǎn)計劃的制定與生產(chǎn)調(diào)度水平的提升提供支持。

1 基于仿真的室內(nèi)裝焊工場分段建造方案評估

1.1 仿真建模

室內(nèi)裝焊工場是分段大組立和分段總組的建造區(qū)域。在分段建造時，室內(nèi)裝焊工場會為分段分配一個胎位，直至分段建造完成并被調(diào)離該區(qū)域。為簡化研究對象，將分段當作長方體處理，其投影占地尺寸（包括長度L，寬度B，高度H）為分段的最小占地尺寸。為方便工人行走、零件吊運及腳手架安裝，在分段投影區(qū)域外圍開設(shè)一個安全距離通道（長度和寬度方向為 1.5m，高度方向為 3m）。因此，分段投影尺寸加上通道尺寸就是分段的實際占用尺寸。

基于各仿真元素模型及其對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合室內(nèi)裝焊工場分段大組立和分段總組過程的調(diào)度邏輯、物流規(guī)則及場地布局等信息，在DELMIA/QUEST中構(gòu)建室內(nèi)裝焊工場仿真模型（見圖1）。在分段實際建造開始時，室內(nèi)裝焊工場的跨間并非完全空閑的場地，通常會遺留有正在建造的其他分段，因此在構(gòu)建物流仿真模型時要將帶有遺留分段的跨間設(shè)為初始化狀態(tài)。

1.2 建造方案評估

為實現(xiàn)參數(shù)化的輸入，開發(fā)建造方案評估軟件（見圖2），該軟件分為仿真數(shù)據(jù)準備、啟動仿真、仿真分析和生產(chǎn)計劃優(yōu)化等4個模塊。

1) 仿真數(shù)據(jù)準備是其他功能的基礎(chǔ)，在選擇參數(shù)化的外部文件、設(shè)置仿真時間之后，即可進行“仿真數(shù)據(jù)準備”；通過讀取仿真輸入數(shù)據(jù)，將其處理為仿真運行所需要的生產(chǎn)計劃和分段產(chǎn)品信息。

2) 點擊“啟動仿真”按鈕，通過C語言Windows函數(shù)啟動QUEST程序，即可自動打開仿真工程進行仿真模擬。

3) 仿真運行結(jié)束之后點擊“輸出分析文件”按鈕，自動輸出分析文件，實現(xiàn)對仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)化描述，從而為場地利用率及生產(chǎn)計劃的評價和優(yōu)化提供依據(jù)，主要包括月度物量統(tǒng)計、胎位占用周期、生產(chǎn)計劃驗證及計劃延遲明細等4個方面的信息，具體見表1～表4，其中月度物量統(tǒng)計直方圖見圖3。

表4 計劃延遲明細

從仿真模擬輸出的各項數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)，以先行中日程計劃為輸入，室內(nèi)裝焊工場的場地利用率不高，存在波峰波谷；同時，生產(chǎn)計劃未能按時完成，存在分段大組立、分段總組脫期的情況。因此，有必要對室內(nèi)裝焊工場的建造方案進行優(yōu)化。

2 室內(nèi)裝焊工場分段建造方案優(yōu)化

2.1 建造方案優(yōu)化流程

分段建造基本上是按照一定的序列進行的，原始的生產(chǎn)計劃雖然包含有序列，但建造時間固定，導(dǎo)致很多時間內(nèi)室內(nèi)裝焊工場的利用率較低。若能充分利用這些空閑時間，一旦場地出現(xiàn)足夠大的區(qū)域就安排分段建造，即可壓縮所有分段的建造周期。這里采用基于序列（搭載網(wǎng)絡(luò)）的優(yōu)化方法，優(yōu)化流程見圖4。

1) 讀取原始生產(chǎn)計劃，獲取原始的序列；

2) 從仿真第1天開始，每天都盡量將剩下的分段按照序列的順序添加到室內(nèi)裝焊工場中；

3) 每天結(jié)束前，將形成的分段總組添加到平臺中，并將完工的分段和分段總組移出平臺。

2.2 優(yōu)化效果

通過基于序列的優(yōu)化方法輸出新的生產(chǎn)計劃，再使用建造方案評估軟件進行評價，所得結(jié)果與原始生產(chǎn)計劃相比主要有以下幾個優(yōu)點：

1) 分段建造周期大幅度提前，單船分段工期大大縮短（見圖5）。

2) 室內(nèi)裝焊工場的場地利用率明顯提高，且負荷較為均衡（見圖6）。

3 結(jié) 語

針對當前船舶建造企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度方法仍停留在人工經(jīng)驗與 Excel表格相結(jié)合的水平上的情況[5]，提出一種基于仿真的生產(chǎn)調(diào)度方法，并以室內(nèi)裝焊工場的分段建造過程為對象建立三維仿真模型。與此同時，開發(fā)建造方案評估軟件，通過參數(shù)化的輸入驅(qū)動仿真模型運行，并自動輸出仿真運行數(shù)據(jù)，包括月度物量統(tǒng)計、胎位占用周期、生產(chǎn)計劃驗證及計劃延遲明細等信息。由仿真模擬輸出的各項數(shù)據(jù)可知，以先行中日程計劃為輸入，室內(nèi)裝焊工場的利用率不高，且生產(chǎn)計劃未能按時完成。針對建造方案中的不合理之處，通過采用基于序列的優(yōu)化方法對生產(chǎn)計劃和場地布局等進行優(yōu)化。實例分析結(jié)果表明，該優(yōu)化方法是行之有效的，場地利用率明顯提高、單船分段建造周期顯著縮短，有助于進一步提高企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度水平和核心競爭力。

[1] 張光發(fā)，劉玉君，紀卓尚. 船舶分段建造計劃仿真與優(yōu)化[J]. 計算機集成制造系統(tǒng) 2011, 17(12)： 2643-2651.

[2] LEEK J, LEE J K, CHOI S Y. A spatial scheduling system and its application to shipbuilding： DAS-Curve[J]. Expert Systems with Applications, 1996, 10(3)： 311-324.

[3] 朱明華，顧華，李沛田，等. DELMIA/QUEST軟件在船舶建造仿真中的應(yīng)用[J]. 江南艦船技術(shù)，2011 (5)： 22-25.

[4] 張志英，楊克開，于瑾維. 面向船體分段建造的二維不規(guī)則空間調(diào)度方法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2012, 46(4)： 651-656.

[5] 劉祥博，朱明華，單小芬，等.船舶建造過程仿真技術(shù)研究與應(yīng)用[C]. 2012年國防科技工業(yè)軍工制造數(shù)字化學(xué)術(shù)會議論文集，2012 (1)： 298-302.

Evaluation and Optimization of Simulation Based Block Construction Scheme for Indoor Assembly in Welding Workshop

ZHU Ming-hua1，LI Pei-tian1，SHAN Xiao-fen1，MAO Shen-fei1，ZHU Ren-gui2

（1. Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China；2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbulding Co., Ltd., Guangzhou 510715, China）

This study establishes a 3D simulation model for the block construction (including section assembly) of indoor assembly in welding workshop based on the production scheduling simulation method. Accurate evaluation of production capacity, space utilization, production plan and other parameters for the specific construction can be achieved with the simulation data and the production plan and space arrangement are optimized with a sequence based optimization method to rectify the inappropriateness. The result of the analysis on some examples shows that the proposed optimization method can reduce the block construction cycle, increase space utilization, and thus provide support to the production plan making and to the improvement of production scheduling.

simulation; indoor assembly in welding workshop; block construction

U671.4；U673

A

2095-4069 (2017) 01-0043-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.008

2016-06-010

國防科工局基礎(chǔ)科研項目（A0720132011）

朱明華，男，博士，高級工程師，1981年生。2010年畢業(yè)于上海交通大學(xué)機械制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)任江南造船（集團）有限責(zé)任公司設(shè)計部部長助理，主要研究方向為船舶數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造。