基于計算機仿真模擬的船舶制造工藝設(shè)計

王 玲

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211100）

船舶制造是一項極為復(fù)雜的生產(chǎn)過程，身為高資本價值的單個產(chǎn)品，不同類型、大小的船舶都需要與其相對應(yīng)的生產(chǎn)系統(tǒng)和制造工藝，其工藝具有以下基本特征：大量的中間產(chǎn)品，各項制造流程間的重要交互和相互依賴；具有大量不同持續(xù)時間的非重復(fù)過程；包含大量組件，但輸出的最終產(chǎn)品數(shù)量很少；進程在許多并行的子進程中進行，或多或少的時間重疊；工藝在技術(shù)上不同，使用不同的工作方式。在過去的研究中，研究者調(diào)查了各種生產(chǎn)過程設(shè)計方法、技術(shù)和工具，并確定了這些方法的缺點。傳統(tǒng)船舶制造工藝的設(shè)計通常根據(jù)與其他已經(jīng)擁有類似技術(shù)的造船廠的比較來定義設(shè)計解決方案。這種方法在一段時期內(nèi)取得了令人滿意的結(jié)果，但隨著船舶制造需求個性化的不斷突出，該類方法的適用性也有所下降[1]。對此，應(yīng)采用科學(xué)的數(shù)學(xué)建模、計算機模擬等相關(guān)方法對船舶制造工藝設(shè)計進行改進和更新。該研究針對傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模和分析方法在設(shè)計復(fù)雜生產(chǎn)過程的缺點，提出了一種基于計算機仿真建模方法的船舶制造和生產(chǎn)過程設(shè)計新方法。

1 基于計算機仿真模擬的船舶制造與生產(chǎn)過程設(shè)計的新方法

1.1 離散事件模擬仿真

仿真建模涉及三個要素的復(fù)雜活動：實際系統(tǒng)、模型和計算機。仿真可以定義為在特定的要求和限制內(nèi)建立實際動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)模型過程，目的是了解真實系統(tǒng)的行為并評估不同設(shè)計或生產(chǎn)備選方案[2]。由于船舶制造是一項高度復(fù)雜的生產(chǎn)過程，符合離散事件系統(tǒng)特征，因此該研究使用了離散事件仿真建模軟件eM-Plant 中的面向?qū)ο蟮腟imTalk 語言。與傳統(tǒng)的分析模型相比，計算機仿真模型更具描述性、更易于管理，設(shè)計人員能夠運用計算機在早期設(shè)計階段驗證各種決策替代方案。此外，這種方法能夠有效地提高決策效率，通過采集實時信息，能讓各環(huán)節(jié)工作人員從整體的角度觀察船舶制造容易出現(xiàn)的問題，使解決方案更可靠和風(fēng)險更低，適用于個性化需求更為突出的現(xiàn)代造船業(yè)。將仿真建模方法作為船舶生產(chǎn)過程設(shè)計基本方法的主要原因是：可用于在最終投資之前評估不同的設(shè)計方案（假設(shè)情景）；可用于對某些關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)進行試驗，而不會影響實際過程；可以在實際過程中發(fā)現(xiàn)其計算機模型上的過程瓶頸；可以提高過程生產(chǎn)率；可以改進調(diào)度策略；可以降低生產(chǎn)成本和提高質(zhì)量等。但同時，也需要注意計算機仿真模擬應(yīng)用存在的一些問題：仿真模擬應(yīng)用的時間較長，影響生產(chǎn)效率；可以用經(jīng)典實驗代替解決；開發(fā)仿真模型的成本高于潛在收益；仿真模型結(jié)果無法確認；建模系統(tǒng)的行為和特征過于復(fù)雜和未知[3]。

1.2 船舶生產(chǎn)設(shè)計模擬仿真具體過程

1.階段1。問題和項目目標定義：此階段應(yīng)分析現(xiàn)有流程，并使用圖形流程、因果圖、帕累托圖、生產(chǎn)基準（SWOT、比較表、專家調(diào)查、潛力分析）等方法和工具確定模擬仿真的目標和期限。該階段的任務(wù)如下：定義問題、原因及需要改進的地方；明確項目目標；明確具體任務(wù)和期限[4]。

2.階段2。確定輸入數(shù)據(jù)及仿真模型概念化：此階段的主要目標是收集所需的輸入數(shù)據(jù)，使用因果圖、CAD 工具、工藝流程圖、仿真對象編程語言等方法和工具建立初步的新設(shè)計解決方案和IT 仿真模型。

3.階段3。計算機仿真模型開發(fā)：本階段的主要目標是使用離散事件仿真模型方法和回歸分析、統(tǒng)計分析、仿真等工具，開發(fā)新生產(chǎn)工藝設(shè)計的功能計算機仿真模型。

4.階段4。仿真模型驗證：此階段的主要目標是驗證已開發(fā)的仿真模型并對其進行確認以進行進一步分析，使用的方法主要是基準（比較表）和專家調(diào)查。

5.階段5。生產(chǎn)場景分析和仿真模型改進：該階段的主要目標是評估設(shè)計解決方案的仿真模型及其潛在改進空間，此階段應(yīng)定義生產(chǎn)線參數(shù)以滿足項目目標。

6.階段6。結(jié)果記錄：此階段的主要任務(wù)是以清晰易懂的方式記錄項目程序和結(jié)果。

7.階段7。設(shè)計解決方案的實施：此階段的主要目標是將建議的設(shè)計解決方案實施到實際的造船廠生產(chǎn)過程中。該階段的主要任務(wù)是：將最終設(shè)計方案實施到實際造船廠流程中；仿真模型的改進（基于從實際生產(chǎn)過程中收集的數(shù)據(jù)進一步改進仿真模型）。這種改進后的模型可用于持續(xù)的生產(chǎn)改進和生產(chǎn)計劃。這就是各階段的主要任務(wù)[5]。

2 計算機仿真模擬在船舶生產(chǎn)工藝設(shè)計中的具體應(yīng)用

2.1 確定新型加工生產(chǎn)線設(shè)計的目標

我們觀察到現(xiàn)有的部分船舶制造加工生產(chǎn)線已經(jīng)出現(xiàn)設(shè)施陳舊、產(chǎn)能不足、占用生產(chǎn)面積過多以及工人過多的問題。因此，造船廠的主要目標是設(shè)計一條新的、機器人化的加工生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線需要更少的空間、更高的效率和更高的吞吐率。這一階段使用的方法主要是通過與已有該生產(chǎn)線的類似船廠進行比較，以此選定設(shè)備制造商并提出初步生產(chǎn)工藝設(shè)計。生產(chǎn)線產(chǎn)量最初是使用設(shè)備制造商提供的平均加工生產(chǎn)時間估算的。然而，這種基于平均分布的解決方案并不完全適用于真實生產(chǎn)情況，因此需要使用來自幾種船舶類型的典型船舶部分的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來測試建議的解決方案，以最大限度地降低決策風(fēng)險，并更加確定建議的生產(chǎn)線將符合所需的工作量。因此，應(yīng)針對性地開發(fā)生產(chǎn)線解決方案的仿真模型。此類模型將使用選定船舶類型的生產(chǎn)組合進行測試，以評估建議的解決方案是否滿足所需的工作量。如果沒有，將進一步分析和改進生產(chǎn)線，以達到所需的工作量。通過這種方式，能夠有效降低決策風(fēng)險且最終解決方案更適合特定的船廠?？偠灾?，應(yīng)用開發(fā)的主要目標是：基于開發(fā)的計算機仿真模型，測試制造商建議的新生產(chǎn)線的設(shè)計解決方案是否符合最低工作量要求；如果不是，應(yīng)建議如何改進線路及其參數(shù)。

2.2 計算機仿真模型開發(fā)

根據(jù)初步建議的新型船舶加工生產(chǎn)線設(shè)計方案，創(chuàng)建概念因果圖和生產(chǎn)工藝流程圖，確定了生產(chǎn)線的初步技術(shù)特性、操作和物料流特性以及輸入的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)部分來自設(shè)備供應(yīng)商，部分來自船廠專家調(diào)查。來自觀察生產(chǎn)線的最重要的輸入?yún)?shù)，作為概念模擬模型的輸入數(shù)據(jù)。基于所進行的分析、收集的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程，確定了計算機模擬仿真模型的結(jié)構(gòu)、邏輯、功能和組織。

基于上述的生產(chǎn)過程圖、工藝流程圖和技術(shù)生產(chǎn)線特點，新型自動化型材制造仿真模型切割生產(chǎn)線是在專門的離散仿真軟件中開發(fā)的。同時，確定了作為模擬仿真模型生產(chǎn)組合的輸入材料規(guī)格。

2.3 仿真模型驗證、分析與改進

初始模型驗證主要基于造船廠專家經(jīng)驗和已知數(shù)據(jù)的測試過程模型邏輯、功能、行為和結(jié)果。模型會在多次迭代中進行微調(diào)，直到最終確認。確認模型可用于評估建議的生產(chǎn)設(shè)計是否滿足項目目標，即：對于初始建議設(shè)計解決方案，模擬制造時間Ftsim應(yīng)小于最小制造時間Ftmin，型材目標吞吐率——Tmin應(yīng)達到一月兩班，因此：

其中Ftsim是初始建議設(shè)計解決方案的所選輸入生產(chǎn)數(shù)據(jù)的模擬制造時間；Ftmin是所選輸入生產(chǎn)數(shù)據(jù)所需的最小制造時間；Np是所選產(chǎn)品組合中型材和扁鋼的數(shù)量；Tmin是目標船廠月產(chǎn)量中型材和扁鋼的數(shù)量；Nwd是一個月的工作日數(shù)；Ns 是一天的工作班次數(shù)；Nwhs是輪班工作時數(shù)。通過仿真建模，可以確定，針對選定特征輸入數(shù)據(jù)的最初建議設(shè)計解決方案的仿真制造時間Ftsim比最低要求的制造時間多花費約20%，F(xiàn)tmin：

以上不符合項目目標。因此，必須進一步分析設(shè)計解決方案以確定原因。進一步分析的主要內(nèi)容如下：物質(zhì)流分析；生產(chǎn)線負載分析和潛在生產(chǎn)線瓶頸識別；用靈敏度分析方法識別對目標函數(shù)影響最大的線參數(shù)。在敏感性分析方法中，模擬了在初始輸入值的10%范圍內(nèi)變化的線路特性，以及所有場景組合。特別更改的參數(shù)是自動化切割速度；起重機運動和起升速度；噴砂速度；緩沖區(qū)的大小和傳送帶的速度。參數(shù)變化范圍根據(jù)船廠專家的調(diào)查方法確定，已經(jīng)確定了主要問題和對切割時間影響最大元素是分揀起重機的性能。

由于起重機操作性能的不足，自動化切割站被阻塞的時間超過35%。因此，對各種生產(chǎn)場景進行了更多模擬，同時改變起重機和自動化切割站參數(shù)。結(jié)果顯示在表1 中，表1 比較了改進的模擬制造時間Ftsimp與最初建議解決方案的目標最小制造時間。

表1 制造時間結(jié)果和相對于最初建議解決方案的改進

其中Tmin根據(jù)公式（2）計算，基于以下特定造船廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)：Np——2136 型材和扁鋼零件；Tmin——每月11000 個型材和扁鋼；Nwd——每月24 個工作日；Ns——天2 個工作班次；Nwhs——7.5 工作小時輪班。由此可以明顯看出，改進后的仿真模型解決方案比制造商最初建議的設(shè)計解決方案提高了13%。此外，這種改進的解決方案滿足了所需的每月吞吐量目標，而最初提出的解決方案沒有實現(xiàn)這一目標。在下面的部分中，將基于與實際過程的比較來解釋開發(fā)的仿真模型。

2.4 仿真模型確認、增強及進一步研究

基于仿真模型的方法和計算機模型，針對實際生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行了測試。根據(jù)與實際生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的比較，對計算機仿真模擬的效果進行了評估。對比四種不同組合的生產(chǎn)樣本，我們發(fā)現(xiàn)其與計算機仿真模擬結(jié)果存在著一定差異，平均值約為7.25%（表2）。產(chǎn)品組合由來自以下三艘不同船舶的部分組成：產(chǎn)品組合1 主要由扁鋼和來自船中部雙底部分的型材組成；產(chǎn)品組合2 由扁鋼和型材組成，來自運輸船型；產(chǎn)品組合3 由扁鋼和型材組成，運輸船型，主要來自船中段的雙殼段。產(chǎn)品組合4 由扁鋼和型材組成，來自瀝青運輸船型，主要來自船中段的底部。產(chǎn)品組合之間測量時間的差異主要是由于這些船舶的結(jié)構(gòu)特征不同，如平均型材厚度、型材尺寸、型材端部制備、型材處理類型和特性等。

表2 計算機模擬工藝時間與實測生產(chǎn)時間的比較

由于某些人為因素問題、意外故障或堵塞沒有包含在模擬仿真模型中，這些問題可以從生產(chǎn)過程中收集較長時間的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計和概率變量包含在模型中。盡管如此，這個版本的模型仍然被認為足夠準確，該模型還可用于：規(guī)劃和評估某些生產(chǎn)組合所需的工作時間；提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)測生產(chǎn)中的問題和瓶頸；根據(jù)各種條件對生產(chǎn)過程進行連續(xù)測量和分析，以便其可以不斷適應(yīng)和改進等。

3 結(jié)論

該研究對現(xiàn)有的船舶生產(chǎn)過程設(shè)計方法和技術(shù)進行了分析，認識到傳統(tǒng)方法和傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與復(fù)雜生產(chǎn)過程設(shè)計存在的缺點。介紹了基于計算機仿真模擬的船舶制造與生產(chǎn)過程設(shè)計的新方法，并給出船舶生產(chǎn)設(shè)計模擬仿真具體過程。基于此，探索計算機仿真模擬在船舶生產(chǎn)工藝設(shè)計中的具體應(yīng)用。根據(jù)研究結(jié)果，使用計算機模擬仿真建模完成設(shè)計解決方案與使用傳統(tǒng)方法的最初建議設(shè)計相比，制造時間縮短了13%。但與實測生產(chǎn)時間相比存在7.25%的差異，應(yīng)在后續(xù)的研究中予以解決。計算機模擬仿真為造船廠管理層提供了在早期設(shè)計階段驗證設(shè)計備選方案的有效工具，并使管理層能夠以較低的風(fēng)險水平做出決策，從而提高制造效率、降低制造成本。