基于數(shù)字孿生的船體分段裝配規(guī)劃研究

黃郁雯 李培勇 唐 正 王 沖 畢洪坤

(武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (大連船舶重工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)管理部2) 大連 116005)

0 引 言

分段是船舶建造過程中重要的中間產(chǎn)品.分段裝配工時約占船體裝配總工時的45%，分段裝配成本在船體裝配總成本中所占的比例達(dá)50%以上[1]，且分段的完工情況影響船臺總裝進(jìn)度.船舶制造中，分段裝配方案的制定先于裝配工作具體實施之前.由于分段裝配環(huán)境復(fù)雜多變，裝配過程中會出現(xiàn)各種動態(tài)擾動，對事先制定好的分段裝配方案產(chǎn)生影響，導(dǎo)致分段裝配延誤.同時，生產(chǎn)現(xiàn)場與工藝規(guī)劃部門之間的信息傳遞機(jī)制不夠健全，對裝配方案的修改產(chǎn)生影響.

船舶建造正在向數(shù)字化建造轉(zhuǎn)型.基于船舶數(shù)字化模型進(jìn)行裝配規(guī)劃，已經(jīng)開展多年.文獻(xiàn)[1]研究了船體分段裝配序列規(guī)劃的自動化模型.文獻(xiàn)[2]建立了船舶分段裝順序評價模型.Wei等[3]研究了一種面向舾裝件裝配順序規(guī)劃的裝配順序自動生成系統(tǒng).崔進(jìn)[4]建立了裝配信息模型，實現(xiàn)了船體分段裝配順序的自動生成.這方面的工作為船舶分段結(jié)構(gòu)裝配規(guī)劃數(shù)字化奠定了良好的基礎(chǔ)，但還不足以徹底解決上述問題.

近年來，以兩化融合為特征的智能制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，如數(shù)字孿生[5-6]等，為上述問題提供了新的解決方案.陶飛等[7]探索了數(shù)字孿生驅(qū)動的14類應(yīng)用設(shè)想與實施過程中所需突破的關(guān)鍵問題與技術(shù)，包括產(chǎn)品工藝規(guī)劃方法和工藝設(shè)計模式等.文獻(xiàn)[8]提出了飛機(jī)數(shù)字孿生裝配車間架構(gòu)，并對飛機(jī)數(shù)字孿生裝配車間關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[9]討論了以數(shù)字孿生為核心的通飛產(chǎn)品裝配工藝的總體框架與可實施方案，研究裝配工藝規(guī)劃與仿真、裝配執(zhí)行過程、信息交互與反饋三部分的具體內(nèi)容與實現(xiàn)過程.文獻(xiàn)[10]探討了數(shù)字孿生環(huán)境下CAPP的設(shè)計框架，研究了基于實作模型的實時工藝決策和基于數(shù)字孿生的工藝知識挖掘技術(shù).文獻(xiàn)[11]搭建了基于數(shù)字孿生的船舶設(shè)計、制造、運維、使用等全生命周期一體化管控模型，討論了基于數(shù)字孿生的船舶智能建造系統(tǒng)，將數(shù)字孿生船舶設(shè)計與工藝仿真結(jié)合，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控、數(shù)字化管理和工藝優(yōu)化.

文中建立基于數(shù)字孿生的船體分段裝配體系結(jié)構(gòu)，針對分段裝配順序規(guī)劃和仿真(數(shù)字空間)、裝配規(guī)劃執(zhí)行過程和信息采集與反饋(物理空間)、兩者間的信息交互三個方面開展研究，探討船體分段結(jié)構(gòu)裝配規(guī)劃的智能化解決方案.

1 基于數(shù)字孿生的分段裝配體系結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)字空間

數(shù)字空間的主要工作內(nèi)容見圖1.

圖1 數(shù)字空間的主要工作內(nèi)容

1.2 物理空間

在物理空間中的主要工作內(nèi)容見圖 2.

圖2 物理空間主要工作內(nèi)容

1.3 數(shù)字空間與物理空間的聯(lián)系

數(shù)字空間和物理空間的信息交互機(jī)制見圖 3.

圖3 信息交互機(jī)制

2 基于數(shù)字孿生的分段裝配工藝規(guī)劃方法

2.1 靜態(tài)裝配順序規(guī)劃方法

在靜態(tài)裝配環(huán)境下，分段裝配順序規(guī)劃方法如下.

1) 建立裝配信息模型.

2) 分析分段裝配結(jié)構(gòu)，構(gòu)建零件的分層裝配結(jié)構(gòu)，確定分段零件拆卸順序，倒置得到初始裝配順序.

3) 計算主要影響因素，對初始裝配順序中處于同一裝配序列的零件按分值大小排序，按分值調(diào)整裝配順序后即可得到靜態(tài)環(huán)境下的最終裝配順序.

2.2 分段裝配順序動態(tài)調(diào)度方法

由于分段裝配車間環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，分段裝配過程會發(fā)生各類動態(tài)擾動情況，動態(tài)擾動因素分類見圖4.

圖4 動態(tài)擾動因素

考慮到裝配車間的實際情況和動態(tài)調(diào)度問題的特點，文中主要考慮導(dǎo)致零件延誤的擾動和導(dǎo)致吊車延誤的擾動兩種擾動因素.為了處理裝配過程的動態(tài)擾動和復(fù)雜約束問題，本節(jié)將以裝配過程中的零件延誤為例討論分段裝配的動態(tài)調(diào)度求解策略.

1) 約束條件 ①每個零件在裝配流程中只使用一次；②每個零件的裝配過程一旦開始不能中斷；③1臺吊車不能同時吊裝2個零件；④動態(tài)調(diào)度時已裝配和正在裝配的零件不受影響；⑤重調(diào)度的未裝配的零件必須晚于重調(diào)度時刻.

2) 零件的完工情況反饋 將零件在實際裝配過程中所需的時間與預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)工時進(jìn)行比較，并反饋到數(shù)字空間的重調(diào)度程序中，以實現(xiàn)分段裝配順序的重調(diào)度.

3) 求解策略 基于以上條件，對動態(tài)調(diào)度的重規(guī)劃進(jìn)行數(shù)學(xué)建模.

零件1的裝配開始時間為0，其他零件的裝配開始時間等于前一零件的開始時間加前一零件的完工時間.其他零件的開始時間為

sti=sti-1+ti

(1)

式中：sti為零件i的裝配開始時間；ti為零件i所需裝配標(biāo)準(zhǔn)工時.

計算各分段零件裝配標(biāo)準(zhǔn)工時ti為

ti=αi×li

(2)

式中：αi為零件i裝焊類型對應(yīng)的單位長度所需工時；li為零件i所需裝焊的焊縫長度.

通過模糊聚類法分析不同區(qū)域不同零件焊接時間，不同作業(yè)區(qū)中單位焊縫長所需焊接時間αi(h/m)見表1.

表1 不同作業(yè)區(qū)中單位焊縫長所需焊接時間

平面分段中各零件的裝焊時間見表2.

表2 分段零件裝焊標(biāo)準(zhǔn)工時

在分段裝配過程中，時刻Tr時突然出現(xiàn)擾動，需要對裝配方案進(jìn)行重新規(guī)劃.對已經(jīng)裝配完成的分段零件保持原裝配順序不變，對正在裝配的零件和未裝配的零件裝配順序進(jìn)行重新規(guī)劃.故障零件的重新裝配開始時間由重調(diào)度時刻Tr或上一零件的完工時刻中的較大者決定，故障零件的裝配開始時間為

sti=max(Tr,sti-1+ti)

(3)

通過現(xiàn)場反饋的實際裝配時間，分析計算故障分段的零件編號和工時誤差，從而判斷是否需要重新規(guī)劃裝配順序.

(4)

(5)

為保證分段裝配工作的平穩(wěn)進(jìn)行，裝配順序的重新規(guī)劃應(yīng)與原方案偏差盡量小.完工時間指分段所有零件裝配完成的時間總和，即

(6)

初始調(diào)度偏離度是重調(diào)度方案中每個零件裝配的開始時間與原始調(diào)度方案中的相對應(yīng)零件的開始時間之差的絕對值之和，即

(7)

(8)

式中：f′為重調(diào)度方案的偏離度懲罰函數(shù).

為同時保證調(diào)度方案的穩(wěn)定性和效率性，效率性賦值權(quán)重為4，調(diào)度穩(wěn)定性賦值權(quán)重為1，加權(quán)計算兩個目標(biāo)評價函數(shù)，最終分段裝配重調(diào)度評價函數(shù)為

F=4f+f′

(9)

3 數(shù)字空間與物理空間的信息交互

生成的可視化裝配工藝文件需要通過信息交互平臺下達(dá)，裝配現(xiàn)場采集和反饋的擾動信息也需要通過信息交互平臺進(jìn)行反饋.因此，構(gòu)建的信息交互平臺，需要滿足以下幾點要求.

1) 分段裝配信息數(shù)據(jù)庫 分段裝配信息數(shù)據(jù)庫主要由三部分構(gòu)成：分段裝配工藝要求和資源情況、分段信息和分段裝配順序規(guī)劃文件等.

2) 數(shù)據(jù)庫信息管理 包括分段裝配工藝要求文件、分段裝配安全要求文件等分段裝配要求文件的整理更新；分段裝配過程中的資源信息變更，進(jìn)而修改分段裝配車間的各類資源信息表；分段裝配過程中的擾動信息分析歸納、處理方法歸納、修整時間歸納等；分段建模要求更新、分段裝配規(guī)劃順序文件的對應(yīng)整理等工作.

3) 信息查詢

4) 信息反饋 能通過RFID設(shè)備自動采集反饋收集到的信息，也能通過裝配人員的手持終端掃描電子標(biāo)識后反饋問題，通過如圖片、視頻、文字等不同的信息傳遞方式，便捷地反饋裝配現(xiàn)場的各類信息.

4 實例計算

4.1 裝配順序規(guī)劃對象

選取的研究對象為23 000 DWT雙殼散貨船平行中體的一雙層底分段，該分段在全船中的相似分段較多，該分段起止肋位為在FR110+200-FR123+200，分段長度為9.75 m，寬度為15.4 m，在FR111、FR114、FR117、FR120、FR122設(shè)有實肋板.該分段橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖見圖5.

圖5 分段橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 靜態(tài)裝配順序規(guī)劃

將零件X表示為?，對劃分好的組立和零件進(jìn)行編號，結(jié)果見表3，分析分段零件間的干涉關(guān)系，得到拆卸網(wǎng)絡(luò)圖，見圖6，分析分段零件拆卸網(wǎng)絡(luò)圖，得到分段零件緊前關(guān)系表，見表4.根據(jù)分段零件緊前關(guān)系表可以得到該分段的拆卸干涉矩陣，根據(jù)分段干涉矩陣可以計算得到如下的拆卸順序：拆卸順序為1、2、3、4、5、6、7、8的零件分別為：、⑧、②⑦、⑨、③⑥、⑩、④⑤、①；倒置分段拆卸順序得到初始裝配順序：①→④⑤→⑩→③⑥→⑨→②⑦→⑧→.

表3 分段零件編號表

圖6 分段零件拆卸網(wǎng)絡(luò)圖

針對初始裝配順序中存在處于同一裝配順序的情況，考慮五個主要影響因素因素對裝配順序的影響，通過各影響因素的評價函數(shù)計算分值，加權(quán)平均后即可得到零件的分值.各零件總得分統(tǒng)計結(jié)果見表5.

表4 分段零件緊前關(guān)系表

計算出零件的分值后，比較同一裝配順序零件的分值大小，分值越大，裝配難度越大，裝配順序應(yīng)越靠前，對裝配順序重新排序后得到：①→④⑤→⑩→③⑥→→⑨→②⑦→→→⑧→→.

根據(jù)現(xiàn)場裝配車間的實際情況，本文選取單吊機(jī)的串行裝配方式，通過比較當(dāng)前零件的重心到下一零件的重心距離，參考裝配現(xiàn)場先左后右的習(xí)慣，可以得到最終裝配順序為：①→④→⑤→→⑩→③→⑥→→→⑨→→⑦→②→→→⑧→→.

4.3 動態(tài)裝配順序規(guī)劃

在分段裝配過程中，本文假定旁底桁部件-2裝焊誤差過大，需要對該零件進(jìn)行修整，影響了預(yù)訂的裝配規(guī)劃的順利執(zhí)行.為了保證裝配工作的高效進(jìn)行，需要對裝配順序進(jìn)行重新規(guī)劃.根據(jù)現(xiàn)場反饋分段零件實際裝配工時，分析計算得到故障零件編號為9號旁底桁部件-2，實際完工工時加上預(yù)計修正工時誤差為0.5 h.由雙層底分段零件拆卸網(wǎng)絡(luò)圖可知，為了保證在發(fā)生動態(tài)擾動時故障零件修整和其他零件裝配工作的同步進(jìn)行，應(yīng)考慮故障零件與其他零件間的拓?fù)潢P(guān)系，在保證已裝配零件裝配順序不變的情況下重新規(guī)劃發(fā)生擾動時的裝配順序.分析零件間的拓?fù)潢P(guān)系后，得到新的緊前關(guān)系表，見表 6.

表5 雙層底分段各零件總得分統(tǒng)計結(jié)果

表6 擾動后分段零件緊前關(guān)系表

由表6可知：擾動后的分段拆卸干涉矩陣，由新的分段拆卸干涉矩陣得到分段零件的初始裝配順序為：①→④→⑤⑩→③→⑥→→⑦→⑨→②→→⑧→.

通過雙層底分段各零件總得分比較同一裝配順序零件的分值大小，得到發(fā)生擾動后的分段零件裝配順序為：①→④→⑤→⑩→→③→⑥→→→→⑦→⑨→②→→→→⑧→.

5 結(jié) 論

1) 建立了基于數(shù)字孿生的船體分段裝配體系結(jié)構(gòu)，對體系結(jié)構(gòu)模型的三部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)論述，包括：數(shù)字空間的分段裝配順序規(guī)劃和仿真、物理空間的執(zhí)行過程和信息采集與反饋、兩者間的信息交互三個方面開展研究.

2) 討論了基于數(shù)字孿生的分段裝配工藝規(guī)劃方法，構(gòu)建數(shù)字空間的物理空間的信息交互平臺，開發(fā)了基于數(shù)字孿生的分段裝配信息交互平臺.

3) 以某散貨船貨倉區(qū)雙層底分段為例，模擬該模型的工作過程，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件延誤故障時的分段裝配順序動態(tài)調(diào)度.