基于SLP的船舶切割加工中心布局設(shè)計(jì)優(yōu)化

王 岳， 馬新城， 岳志剛

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.渤海船舶重工有限責(zé)任公司， 遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

當(dāng)前，世界經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)市場(chǎng)復(fù)蘇動(dòng)能減弱，新船市場(chǎng)深度調(diào)整。造船企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐加快，在自動(dòng)化、智能化裝備逐步引入生產(chǎn)車間的同時(shí)，車間布局設(shè)計(jì)優(yōu)化問題已成為業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)之一[1]。從技術(shù)方法來看，這一問題的解決主要依托圖樣法、數(shù)學(xué)建模及算法求解、計(jì)算機(jī)模擬仿真和系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)(Systematic Layout Planning, SLP)等。ERTAY等[2]通過數(shù)據(jù)包絡(luò)分析和層次分析集成法，進(jìn)行車間制造設(shè)備的布置設(shè)計(jì)。張超等[3]在Plant Simulation軟件中采用混合遺傳算法對(duì)生產(chǎn)車間進(jìn)行設(shè)施布局方案優(yōu)化。李輝等[4]運(yùn)用混合蟻群算法求解動(dòng)態(tài)設(shè)施布置規(guī)劃問題。SLP的優(yōu)勢(shì)在于條理性和可行性強(qiáng)，在車間布局、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和船舶設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域取得了系列成果。

1 船舶生產(chǎn)車間裝備升級(jí)

1.1 基礎(chǔ)工藝流程

現(xiàn)代船舶建造需要所涉及專業(yè)的高度協(xié)同，各工位在生產(chǎn)進(jìn)程中聯(lián)系緊密[5]。受資源環(huán)境、建造方案和軟、硬件條件等影響，各船廠車間設(shè)置等均有所不同。為更好面向設(shè)計(jì)、制造、管理一體化，進(jìn)行自動(dòng)化、智能化升級(jí)改造，中心制造模式更具優(yōu)勢(shì)[6]。以生產(chǎn)中心為核心的船舶制造車間按照作業(yè)基本流程進(jìn)行布置的方案如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)中心按作業(yè)基本流程布置

其中，切割加工中心主要負(fù)責(zé)號(hào)料、切割、配套等生產(chǎn)任務(wù)。具體涉及等離子切割、板條切割及T型材加工、光電跟蹤切割和型鋼半自動(dòng)切割等系列裝備。當(dāng)前，許多先進(jìn)造船企業(yè)通過先行詳細(xì)組立策劃等深化生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案的推行，加大提升先行階段生產(chǎn)效率，進(jìn)而推動(dòng)質(zhì)量提升和造船周期的大幅縮短。切割加工中心是裝備升級(jí)的關(guān)鍵性車間之一。

1.2 先進(jìn)智能自動(dòng)化設(shè)備引入

重型裝備制造業(yè)主要使用的先進(jìn)切割手段有水切割、等離子切割、激光切割和板條切割。

水切割的優(yōu)點(diǎn)在于自動(dòng)化程度高，切割過程中不產(chǎn)生熱變形，不產(chǎn)生有毒氣體及粉塵，環(huán)保無(wú)污染。但是設(shè)備昂貴，能耗較高，后期維護(hù)成本也高，切割速度慢，不適合大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)。水切割目前僅在精度要求高、小批量的船舶特種零部件的加工中有所應(yīng)用。

等離子切割適合較厚鋼板，切割速度較好，生產(chǎn)成本較為低廉，是船廠主要采用的板材切割方式。美國(guó)海寶公司的XPR等離子切割系統(tǒng)提供出色的低碳鋼、不銹鋼和鋁材切割質(zhì)量，切割速度優(yōu)于常規(guī)等離子切割機(jī)，有利于大幅提升效率，減低切割成本。XPR等離子切割系統(tǒng)已成為厚板切割生產(chǎn)線重點(diǎn)升級(jí)換代產(chǎn)品之一。

激光切割速度快、精度高，非常適合薄板切割。中國(guó)揚(yáng)力集團(tuán)的ML系列數(shù)控光纖激光切割機(jī)具有龍門式短橫梁雙邊同步驅(qū)動(dòng)并搭載光纖激光發(fā)生器，擁有穩(wěn)定性好、定位精度和切割效率高等優(yōu)勢(shì)。采用光纖進(jìn)行激光光束傳輸，保證切割范圍內(nèi)所有地方都能達(dá)到最佳切割效果；同時(shí)該設(shè)備具有安全、操作方便、可靠性高、靈活性強(qiáng)、能耗低等特點(diǎn)，成為替換光電跟蹤激光切割的首選。

板條切割主要采用火焰數(shù)控切割，自動(dòng)化程度高而且成本低。T型材加工是將板條進(jìn)行拼裝焊接組成，使用日本發(fā)那科(FANUC)公司的焊接機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接，焊接速度快、質(zhì)量好。引入型鋼自動(dòng)劃線切割流水線，替代半自動(dòng)火焰切割，不僅有利于提升生產(chǎn)質(zhì)量，而且有利于大幅降低人力、時(shí)間等成本消耗。綜上所述，為提升質(zhì)量和先行階段生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)過程對(duì)人力資源的依賴，構(gòu)建新型切割加工中心，其相關(guān)工序工位如圖2所示。針對(duì)新的生產(chǎn)裝備，需要重新設(shè)計(jì)其在切割加工中心內(nèi)的布局位置，以達(dá)到最佳的空間利用。

圖2 切割加工中心工藝流程

2 采用SLP法的切割加工中心布局設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 布局設(shè)計(jì)流程

船舶零部件由于多品種、小批量特性，使得生產(chǎn)裝備的利用呈現(xiàn)離散式特征，較難通過常規(guī)數(shù)學(xué)建模及智能算法求解最佳生產(chǎn)方案。因此，在涉及設(shè)備運(yùn)行實(shí)際的條件下，對(duì)切割加工中心進(jìn)行布局設(shè)計(jì)優(yōu)化需要選擇一種更加合適的方法。SLP是一種能夠?qū)⑽锪鞣治雠c作業(yè)單元關(guān)聯(lián)程度分析相結(jié)合的技術(shù)方法[7]，與其他方法相比具有條理性和可執(zhí)行性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，具備建立描述離散要素內(nèi)部關(guān)聯(lián)的價(jià)值。

將區(qū)域布置問題以產(chǎn)品(P)、產(chǎn)量(Q)、工藝過程(R)、輔助部門(S)、時(shí)間(T)等5個(gè)基本要素為切入點(diǎn)進(jìn)行研究[8]。采用SLP法的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。對(duì)作業(yè)單元進(jìn)行劃分，分析各單元之間的物流與非物流關(guān)系，然后根據(jù)單元間的聯(lián)系程度進(jìn)行位置與距離的安排，繪制綜合關(guān)系圖。綜合各單元所需求的面積及實(shí)地可用面積，繪制出相應(yīng)的面積互相關(guān)系圖。最后進(jìn)行方案修繕，提出最終布置方案。

圖3 采用SLP法的設(shè)計(jì)流程

2.2 基本要素分析

切割加工中心總面積為22 456 m2，各作業(yè)單元需求面積如表1所示。在切割加工中心，各作業(yè)區(qū)域配有相應(yīng)的電磁吊或者半門吊進(jìn)行物料輔助吊運(yùn)。

表1 作業(yè)單元需求面積 m2

2.3 物流與非物流關(guān)系分析

物流關(guān)系是通過生產(chǎn)的工藝路線和各工位產(chǎn)量決定的。使用符號(hào)A、E、I、O、U表示物流關(guān)系強(qiáng)度變化的5個(gè)等級(jí)，A為超高的物流強(qiáng)度，E次之，其他依次降低，U為可忽略物流強(qiáng)度。依照數(shù)據(jù)對(duì)物流強(qiáng)度進(jìn)行劃分并繪制物流關(guān)系強(qiáng)度圖，如圖4(a)所示。

對(duì)生產(chǎn)車間進(jìn)行總體布置優(yōu)化，物流因素、非物流因素均起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)非物流因素的考慮，主要從工作的連續(xù)性、人員的調(diào)配聯(lián)系、物料的搬運(yùn)和生產(chǎn)安全等幾方面進(jìn)行研究分析，從而確定作業(yè)單元的非物流關(guān)系，繪制相應(yīng)的非物流關(guān)系圖，如圖4(b)所示。非物流關(guān)系強(qiáng)度同樣使用A、E、I、O、U等5個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分。

圖4 作業(yè)單元物流關(guān)系強(qiáng)度與非物流關(guān)系強(qiáng)度

2.4 綜合關(guān)系分析

將物流關(guān)系和非物流關(guān)系影響權(quán)重比設(shè)定為1∶1。定義物流與非物流等級(jí)A、E、I、O、U所代表的分值分別為4、3、2、1、0，綜合關(guān)系值為兩者分值相加。綜合關(guān)系等級(jí)根據(jù)得到的總分進(jìn)行判定，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)7～8分為A級(jí)，5～6分為E級(jí)，以此類推，0分為U級(jí)。相關(guān)聯(lián)作業(yè)單元的綜合關(guān)系，如表2所示。

表2 相關(guān)聯(lián)作業(yè)單元的綜合關(guān)系

依據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，繪制相應(yīng)的作業(yè)單元綜合關(guān)系強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 作業(yè)單元綜合關(guān)系強(qiáng)度

2.5 位置與面積相關(guān)圖

各作業(yè)單元之間的位置相關(guān)是根據(jù)其綜合關(guān)系所確定的。為了方便快捷地繪制面積關(guān)系圖，需要先計(jì)算出各作業(yè)單元之間的綜合接近程度，如表3所示。數(shù)值越高，則表示越接近，布局時(shí)應(yīng)安排在切割加工中心的中間位置；反之，應(yīng)選擇在邊緣區(qū)域進(jìn)行布置。

繪制面積相關(guān)圖時(shí)，各作業(yè)單元之間用連接線的數(shù)量表示關(guān)系接近程度。A用4條線表示，E用3條線表示，以此類推，U則表示不重要，不需要連接線進(jìn)行連接。根據(jù)接近程度的大小進(jìn)行排序，分值越大則優(yōu)先進(jìn)行布置。根據(jù)表1所統(tǒng)計(jì)的各個(gè)作業(yè)單元所需面積，結(jié)合作業(yè)單元綜合接近程度，以1 000 m2為一個(gè)基礎(chǔ)單位面積，對(duì)各個(gè)作業(yè)單元進(jìn)行面積劃分，繪制相應(yīng)的面積相關(guān)圖，如圖6 所示。

圖6 作業(yè)單元面積相關(guān)圖

2.6 布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

考慮切割加工中心各單元面積及設(shè)備、人員、車輛因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置需求和約束條件，繪制布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，如圖7所示。由于理料間不屬于加工中心的內(nèi)部區(qū)域，因此將其放置于車間運(yùn)輸入口的左側(cè)區(qū)域。

圖7 切割加工中心布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

3 切割加工中心布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案建模與對(duì)比分析

3.1 布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案建模

采用Plant Simulation軟件對(duì)切割加工中心布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以選擇最佳方案，仿真模型如圖8所示。

圖8 型鋼切割加工工位模型

3.2 布局方案對(duì)比分析

將生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃導(dǎo)入仿真模型，對(duì)比原生產(chǎn)車間布局、布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案1和方案2的生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)，將結(jié)果繪制成柱狀圖，如圖9所示。在相同生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)，新布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案中由新裝備帶來各工位生產(chǎn)量的明顯提高，而布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案2優(yōu)勢(shì)更為顯著。

圖9 布局方案生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)對(duì)比

布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方案2與原生產(chǎn)車間布局各工位無(wú)效生產(chǎn)時(shí)間占比情況如圖10所示，可以看到：采用SLP法布局之后，大幅降低了各工位無(wú)效生產(chǎn)時(shí)間的占比，提高了生產(chǎn)的精益性。

圖10 工位無(wú)效生產(chǎn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

面向自動(dòng)化、智能化裝備的升級(jí)需求，船舶切割加工中心布局設(shè)計(jì)優(yōu)化，既需考慮車間和產(chǎn)品條件特征，又需綜合考慮裝備運(yùn)行保障等復(fù)雜因素，以常規(guī)的技術(shù)方案很難取得理想的設(shè)計(jì)效果。因此，基于SLP理念，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用其中，可為船舶切割加工中心布局設(shè)計(jì)優(yōu)化提供新的思路與方法。