基于eM—Plant的船塢建造系統(tǒng)仿真

章家棟 柳存根 梅見華

摘 要：虛擬仿真技術(shù)越來越多的被用于船舶建造研究，利用專門軟件對實(shí)際造船系統(tǒng)模擬仿真，將使船舶建造周期的研究在低成本和高效率的條件下進(jìn)行。eM-plant這一仿真軟件十分適用于復(fù)雜制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模仿真。通過eM-plant對國內(nèi)某船廠的總組平臺和船塢搭載建造過程進(jìn)行系統(tǒng)仿真建模及建造周期分析，對建造系統(tǒng)的優(yōu)化工作具有相當(dāng)重要的意義。

關(guān)鍵詞：建造周期；eM-plant；生產(chǎn)建模；系統(tǒng)仿真

0 引言

近年來，經(jīng)濟(jì)市場此起彼伏，世界航運(yùn)格局不斷變遷。液貨船、散貨船、集裝箱船、海工裝備四大船型是世界造船市場競爭的主要陣地[1]。國內(nèi)造船廠面臨的主要難點(diǎn)就是針對這些多變的船型制造與設(shè)計(jì)，如何做到快速高效，使我國的造船行業(yè)領(lǐng)先于世界。因此，建立一種低成本和高效率，能滿足復(fù)雜制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求的模擬仿真是當(dāng)務(wù)之急。

隨著眾多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)，通過調(diào)研得出eM-plant這一仿真軟件具備面向?qū)ο罂刂频撵`活性、繼承性、層式結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，用于船舶復(fù)雜制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模仿真具有一定的優(yōu)勢。能使船廠更加高效、經(jīng)濟(jì)，優(yōu)化了生產(chǎn)活動(dòng)，提升了建造能力水平，曾強(qiáng)市場競爭力。

1 eM-Plant軟件及仿真技術(shù)的引入

系統(tǒng)仿真可以籠統(tǒng)地定義為針對一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的逼近模擬[2]。計(jì)算機(jī)仿真是針對真實(shí)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上建立模型，然后在仿真模型上運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)這個(gè)模型以研究系統(tǒng)的性能的過程[3]。國外在船舶建造水平提升的同時(shí)也運(yùn)用了制造行業(yè)常用的仿真方法對生產(chǎn)流程、計(jì)劃體系、勞動(dòng)力資源、物流，甚至過程控制進(jìn)行虛擬建造分析，來實(shí)現(xiàn)壓縮周期、提升效率、降低成本等目標(biāo)。

eM-Plant是一款完全采用面向?qū)ο蠓椒ǖ碾x散系統(tǒng)仿真軟件，能夠分析和優(yōu)化生產(chǎn)線的多種性能指標(biāo)，幫助用戶評價(jià)和規(guī)劃方案[4]。因此，國內(nèi)外也有很多學(xué)者將其運(yùn)用在船舶建造領(lǐng)域，建立不同層面的系統(tǒng)模型，從預(yù)處理流水線到船塢、碼頭，鋼板原材料逐步成船的建造流程進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

2 建造系統(tǒng)的構(gòu)建

為了方便地說明eM-Plant的應(yīng)用，將系統(tǒng)仿真建立在國內(nèi)某船廠真實(shí)生產(chǎn)能力和產(chǎn)品計(jì)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，為建立準(zhǔn)確的生產(chǎn)建造模型，對該船廠的建造系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 建造流程的構(gòu)建

該船廠為現(xiàn)代化造船模式下的大型總裝造船企業(yè)。其生產(chǎn)建造流程框架如圖1所示。其中分段總組（P階段）和船塢搭載（D階段）是船體建造入水前最后兩個(gè)階段，是決定了整個(gè)建造生產(chǎn)鏈進(jìn)度的關(guān)鍵所在，其生產(chǎn)建造既要求節(jié)拍明確，又必須擁有柔性化的調(diào)整空間，圖1所表示的P＼D建造階段就是作為建模仿真的對象系統(tǒng)。

2.2 總組搭載建造特點(diǎn)分析

平臺總組建造生產(chǎn)活動(dòng)是指分段在預(yù)舾裝及涂裝結(jié)束后流轉(zhuǎn)至平臺胎位進(jìn)行總段合攏。此階段包含了總段吊裝入塢前的中間產(chǎn)品的全部工作。

船塢搭載建造生產(chǎn)活動(dòng)則是指平臺總段或分段按照搭載網(wǎng)絡(luò)順序吊裝，在船塢內(nèi)進(jìn)行主船體合攏成型。此階段的工作內(nèi)容和平臺總組大致相同，在主船體合攏后還需完成船舶起浮條件的檢驗(yàn)及艙室油漆、外板噴涂等工作。

顯然，無論總組，還是搭載，其生產(chǎn)建造的方式明顯區(qū)別于先行內(nèi)場流水線式的作業(yè)模型，具有自身的鮮明特點(diǎn)。

3 建造系統(tǒng)建模

3.1 平臺總組建造胎位模型的建立

平臺總組主要的生產(chǎn)工序包括總組定位、裝配、電焊、無損探傷、板縫真空、目視檢驗(yàn)、舾裝件安裝、涂裝、OTS預(yù)修割。在生產(chǎn)建造模型中可以用singleproc 來建模，可以對該工序的施工工時(shí)，工序工種需求，協(xié)調(diào)的管理人員、施工排班等方面進(jìn)行設(shè)定以貼合實(shí)際系統(tǒng)。

總組胎位流轉(zhuǎn)的特點(diǎn)是總段一旦入胎，所有工序完成后才會通過吊車搭載入塢。這在模型中等同于總組胎位模型中只要有中間產(chǎn)品未離開，該總組胎位的入口就是關(guān)閉狀態(tài)。為此，總組胎位的模型前端需要設(shè)置一個(gè)場地的緩沖來模擬涂裝堆場的分段儲備狀態(tài)，并用Method 進(jìn)行胎位入口控制。

3.2 搭載吊裝模型的建立

船舶總段完工后將通過龍門式起重機(jī)吊裝入塢，吊裝的方式主要根據(jù)總段重量區(qū)分為單車起吊和雙車聯(lián)吊兩種，其模型如圖2所示。

搭載吊裝仿真模型中的吊裝分流工作主要依靠FlowControl 來完成。模型建立過程中，在中間產(chǎn)品的清單中加入吊裝方式的屬性“way”，并對FlowControl的退出策略選擇根據(jù)MU屬性選擇后續(xù)對象。

3.3 船塢建造總流程模型的分析

根據(jù)批次產(chǎn)品狀態(tài)和生產(chǎn)計(jì)劃，總組胎位共計(jì)61個(gè)胎位，分為8個(gè)管理區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。

利用eM-plant的層式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將各平臺區(qū)域模型、搭載吊裝模型、搭載作業(yè)區(qū)模型組成圖3船塢建造總流程模型。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

4.1 仿真過程與結(jié)果

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃導(dǎo)入模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，總組計(jì)劃完成情況較好，有少量總段脫期，搭載方面脫期非常嚴(yán)重。

display中可以看到在8月中下旬積壓總段物量較多，最多曾達(dá)到19個(gè)總段吊裝后無人施工狀態(tài)。此處的波峰導(dǎo)致有多種原因，一方面，總組物量沒有錯(cuò)峰后集中在8月中下旬出胎吊裝；另一方面，搭載勞動(dòng)力水平偏弱，無法應(yīng)對集中的物量，實(shí)際出塢周期將延后15天。從系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以進(jìn)一步驗(yàn)證瓶頸問題，如A401-404胎位總組開工有滯后現(xiàn)象，完工的總段在胎位上停滯等待等。

4.2 反饋與計(jì)劃調(diào)整

根據(jù)仿真分析結(jié)果，對原定搭載吊裝計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整、重新調(diào)度[5]。將某船型艏部區(qū)域12個(gè)總段的28個(gè)分段進(jìn)行散吊，塢內(nèi)大總組。L環(huán)和M環(huán)搭載縫用模塊運(yùn)輸裝置進(jìn)行移位合攏。以此來調(diào)整并平衡一部分吊車及勞動(dòng)力資源，避免生產(chǎn)波峰的產(chǎn)生。

4.3 勞動(dòng)力分布優(yōu)化

根據(jù)艏部區(qū)域搭載計(jì)劃的調(diào)整，對平臺區(qū)域的裝配和電焊勞動(dòng)力進(jìn)行了壓縮，并向船塢調(diào)整。增加了搭載一區(qū)和二區(qū)的勞動(dòng)力，對比如表1。

同時(shí)，面對船塢生產(chǎn)高峰，在高峰階段設(shè)置了加班方案。

優(yōu)化方案一：周一至周五17：10-19：30；

優(yōu)化方案二：周一至周五17：10-20：00；

優(yōu)化方案三：周一至周五17：10-20：30。

4.4 優(yōu)化結(jié)論

計(jì)劃和勞動(dòng)力調(diào)整后運(yùn)行仿真系統(tǒng)，得到如下結(jié)果。

綜合上述結(jié)果來看：

方案一：在第五批次生產(chǎn)中搭載物量完成仍不足，將影響計(jì)劃出塢周期，所以方案一不合適；

方案二：雖然出塢完整性都沒有達(dá)到100%，但在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)，H1336船283舾裝件未完成不制約船舶出塢，到生產(chǎn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，4個(gè)半船未完工總段都在檢驗(yàn)階段，符合半船起浮要求；

方案三：通過嚴(yán)格核對，物量完成率達(dá)100%。

相比方案二勞動(dòng)力有溢出，故三種加班方案中，方案二最合適。

由于方案一和方案二對第六批次搭載生產(chǎn)影響很少；所以最終優(yōu)化方案可以定為第五批次搭載高峰期采用加班方案二，第六批次則采用加班方案一。隨著搭載計(jì)劃的調(diào)整、勞動(dòng)力和加班方案的優(yōu)化，總組平臺的各胎位指標(biāo)也較原方案有了改善。

5 結(jié)語

本文從現(xiàn)代化造船模式著手，重點(diǎn)對船舶建造的總組、吊裝、船塢搭載生產(chǎn)的流程進(jìn)行了深入研究和分析。根據(jù)國內(nèi)某船廠真實(shí)建造系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行資源、產(chǎn)品計(jì)劃，以eM-plant仿真軟件為平臺進(jìn)行建模何仿真。通過對建造生產(chǎn)活動(dòng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析和研究，查找了生產(chǎn)瓶頸和計(jì)劃不平衡點(diǎn)，優(yōu)化了建造方案并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論以供現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)參考采納。展現(xiàn)了建造系統(tǒng)仿真在船廠實(shí)際生產(chǎn)策劃管理方面的優(yōu)勢和重要性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂龍德，中國手持訂單量繼續(xù)領(lǐng)跑世界[J] . 廣東造船，2016，（5）：11-13.

[2] 羅岱，柳存根，張滇. 基于車間單元的船舶建造系統(tǒng)仿真[J] . 中國造船，2011（3）：204-213.

[3] 王正中，復(fù)雜系統(tǒng)仿真方法及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2001（1）： 3-5.

[4] 姚海鳳，馮勛省，郭丁俊. 基于eM-plant的汽車零部件生產(chǎn)線平衡技術(shù)的仿真研究[J]. 物流技術(shù).2011.219（6）：114-117， 120.

[5] 張志英，徐晨，毛祖杰. 基于規(guī)則的船舶分段動(dòng)態(tài)空間調(diào)度方法[J]，上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（8）：1019-1025.

作者簡介：

章家棟 1987.4.22- 男 漢族 籍貫江蘇 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 工程碩士在讀 主要研究方向?yàn)榇敖ㄔ旃芾矸较颉?/p>