周 波 魏 艷 潘鐘芳

（1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院 杭州310058；2.福建船舶工業(yè)集團(tuán)東南造船廠 福州350000）

引 言

中國造船業(yè)發(fā)展日新月異，但與日韓等造船企業(yè)在管理和技術(shù)方面有很大的差距［1］。從生產(chǎn)工藝的角度分析，船舶制造企業(yè)面臨以下主要問題：

（1）在制造過程中，不能均衡利用資源從而造成資源浪費(fèi)或不足；

（2）車間調(diào)度仍然采用以生產(chǎn)任務(wù)量為中心的調(diào)度方式，無法滿足節(jié)拍均衡生產(chǎn)；

（3）對于復(fù)雜工藝流程仍采用經(jīng)驗(yàn)的方式進(jìn)行排程，使得作業(yè)人員、設(shè)備調(diào)度混亂［2］。

隨著數(shù)字化造船概念的提出，國內(nèi)外一些研究學(xué)者運(yùn)用計算機(jī)在流程再造技術(shù)方面進(jìn)行一些探索，嘗試解決上述問題。江蘇科技大學(xué)的蔣志勇提出一種構(gòu)建船廠車間作業(yè)計劃仿真優(yōu)化系統(tǒng)框架的方法［3］。重慶大學(xué)的易樹平教授運(yùn)用eM-Plant對車間-任務(wù)型的造船車間構(gòu)建仿真模型［4］，開發(fā)車間產(chǎn)能分析模塊、制造資源分析模塊和生產(chǎn)瓶頸分析模塊。上海交通大學(xué)的劉學(xué)賡將面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)引入船廠管系分廠的生產(chǎn)物流中，用于統(tǒng)計管系的完工時間和加工設(shè)備利用率［5］。歐洲代爾夫特理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)了船舶制造的仿真模塊庫［6］（Simulation Toolkit Shipbuilding），能夠?qū)ιa(chǎn)動態(tài)因素的關(guān)聯(lián)性及其交互作用作出評估、識別潛在的瓶頸并推導(dǎo)出優(yōu)化措施。德國包豪斯大學(xué)Ulrike Beibert研究團(tuán)隊研究開發(fā)了基于離散事件的仿真平臺［7］，制定了模型數(shù)據(jù)輸入和輸出的格式，提出了按照時間順序推進(jìn)仿真的規(guī)則。比利時列日大學(xué)的Jean-David Caprace教授針對船廠的起吊裝置建立了起吊序列優(yōu)化模型［8］，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的不足。

本文先對大部分船廠采用的分段制造工藝進(jìn)行總結(jié)；然后結(jié)合國內(nèi)某船廠的分段制造車間基于Plant Simulation軟件建立仿真模型；通過運(yùn)行模型查找相應(yīng)的制造瓶頸，分析生產(chǎn)節(jié)拍的均衡性，并對此流程進(jìn)行優(yōu)化。

1 船廠分段車間制造流程

按照現(xiàn)代造船模式，造船流程按照“時間有序，空間分道”［9］的原則進(jìn)行布置，采用成組技術(shù)，強(qiáng)化中間產(chǎn)品［10］。船舶分段建造按照鋼板切割、組件加工、小組立、中組立、大組立（先行舾裝）、涂裝、舾裝幾個過程組織相應(yīng)的作業(yè)流程，其中涂裝和舾裝可移出分段制造車間在區(qū)域外進(jìn)行作業(yè)。

在鋼材預(yù)處理過程中，型材部件的制作階段采用流水作業(yè)。此外，作為船舶建造主流程的小組立也可組織流水作業(yè)，例如拼裝T型材、肋板上安裝加強(qiáng)筋、加強(qiáng)筋開口等作業(yè)，而大組立和曲面分段，由于產(chǎn)品的體積和重量迅速增加采用固定工位的生產(chǎn)模式［11］。

1.1 某船廠分段車間制造流程簡化

在整個分段制造車間，耗時最多、作業(yè)量最大的工序集中于小組立和大組立階段［12］。由于各個船廠的小組立和大組立工藝有所差別，為了便于建立統(tǒng)一的仿真模型，本文在調(diào)查各船廠小組立和大組立制造工藝流程的基礎(chǔ)上，對小組立和大組立的工藝流程做適當(dāng)?shù)暮喕?，只分析其影響工作進(jìn)度的核心工藝，以便于后續(xù)仿真模型的開發(fā)。

（1）小組立簡化

現(xiàn)代化造船的船體裝配作業(yè)是以小組立作業(yè)的獨(dú)立分離為基礎(chǔ)的。小組立是將兩個或兩個以上的零件組成構(gòu)件的生產(chǎn)過程，如拼裝T型材、肋板上安裝加強(qiáng)材、加強(qiáng)筋開孔等。其工藝流程及工作量如表1所示。

（2）大組立簡化

大組立是將零件和部件組成分段的生產(chǎn)過程。其工藝流程及工作量如表2所示。

1.2 基于Plant Simulation的甲板分段制造流程建模

Plant Simulation軟件是西門子公司的一款面向?qū)ο蟮墓I(yè)仿真軟件，擁有強(qiáng)大的生產(chǎn)流程建模功能［13］，利用圖形化建模、系統(tǒng)提供的應(yīng)用模板對象以及基本對象，使用戶能夠快速構(gòu)建模型。

表1 小組立工藝流程

表2 大組立工藝流程

針對某船廠的分段制造車間，以某海工船的甲板分段制造為例,仿真甲板分段的制造流程。建立的虛擬制造過程模型可監(jiān)控生產(chǎn)過程中每一工藝的耗時情況，并對生產(chǎn)過程中的瓶頸進(jìn)行分析，找出當(dāng)前分段制造車間設(shè)備布局的不足。

如圖1所示，該分段制造車間由六跨組成，最大跨距42 m，每跨分布兩層，分別裝有20 t和5 t行車。

圖1 某船廠分段制造車間

該甲板分段的制作工藝流程如圖2所示,安裝縱橫骨架的工藝圖如圖3所示。

圖2 甲板分段制作工藝流程

圖3 甲板大組立縱橫骨架安裝工藝流程

1.3 船廠分段車間生產(chǎn)模型

采用本文1.1節(jié)提出的流程簡化方法構(gòu)建1.2節(jié)甲板分段制造仿真模型，如下頁圖4所示。

圖4 某船廠分段制造車間仿真模型

為了實(shí)現(xiàn)加工任務(wù)的連續(xù)性，通過編寫出口控制程序，實(shí)現(xiàn)對零部件制作的流出控制。

2 模型運(yùn)行與優(yōu)化

2.1 模型運(yùn)行

對各工位的工作情況進(jìn)行實(shí)時動態(tài)的檢測，檢測運(yùn)行如圖5所示。

圖5 各工位設(shè)備工作動態(tài)統(tǒng)計

仿真結(jié)果表明：分段車間的吊車處在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；小組立、型材冷彎加工、骨架間焊接、預(yù)舾裝、裝焊吊環(huán)等環(huán)節(jié)只有50%的利用率；平面分段裝配線和型材部件裝配的利用率則較高，達(dá)到了75%；分段車間的焊接工作量達(dá)到97%?？梢钥吹椒侄诬囬g的焊接利用率僅次于吊車?yán)寐?9%，處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 模型優(yōu)化與建議

在實(shí)際的裝配工藝中，胎架設(shè)計與制造這一工藝可以與小組立同時進(jìn)行，艙口橫梁和艙口與甲板縱桁這兩個工藝也可以同時進(jìn)行。為此，模型又被進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后的仿真模型運(yùn)行結(jié)果如下頁圖6所示。

圖6 優(yōu)化后各工位設(shè)備工作動態(tài)統(tǒng)計

優(yōu)化后的仿真模型結(jié)果顯示各個加工設(shè)備的資源利用率達(dá)到65%以上，生產(chǎn)節(jié)拍趨于均衡。同時也表明整個分段制造車間的瓶頸在吊車起重和焊接工序。 為此，研究人員與車間主管進(jìn)行了交流，主管的回答也證實(shí)了此模型結(jié)果的正確，即：吊車布局形式以及分段車間空間的限制，嚴(yán)重制約了吊車的起吊能力；同時，分段車間的焊接工作量大，而焊接工種大部分屬于外包工種，人員流動性大，導(dǎo)致焊接人員不足，從而進(jìn)一步制約了生產(chǎn)效率。為有效提高生產(chǎn)效率，特提出以下建議：

（1）合理安排吊機(jī)的起吊順序：一些小零部件可以集中放在托盤里，統(tǒng)一起吊，減少起吊次數(shù)；在大吊機(jī)下設(shè)置小起吊機(jī)，分擔(dān)大吊機(jī)的工作壓力；

（2）規(guī)范人員管理：在現(xiàn)有焊接人員數(shù)量的基礎(chǔ)上再增加10名焊接人員，合理排班，保證焊接人員的勞逸結(jié)合，提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié) 論

目前船舶分段制造車間大部分仍采用固定工位與流水線生產(chǎn)相結(jié)合的模式，日韓一些先進(jìn)的企業(yè)在大組立后，把胎架放在移動運(yùn)輸車上。這樣一個工序完成后，運(yùn)輸車則前進(jìn)并接受下一道工序。這種完全流水作業(yè)的生產(chǎn)模式使得造船周期大大縮短，但是對于設(shè)備的投資較大，對車間的布局形式要求較高，不符合現(xiàn)階段我國大部分船廠的造船模式。本文結(jié)合我國大部分船廠采用的造船模式，通過流程再造的虛擬仿真技術(shù)，可對船舶復(fù)雜的生產(chǎn)流程進(jìn)行建模，有利于合理設(shè)置船舶制造的工藝流程及相應(yīng)的加工設(shè)備和人員配比。

目前仿真模擬還有一些問題需要解決，主要集中在數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化、模型的靈活化和制造過程的仿真化。如何提高船舶制造過程的柔性，如何通過仿真改善制造工藝流程，則是下一階段筆者要做的工作。

［1］ 王金鐘.基于擴(kuò)展Petri網(wǎng)與遺傳算法的分段制造車間虛擬流水線調(diào)度研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2011.

［2］ 李川.基于虛擬流水線的船舶制造生產(chǎn)調(diào)度與建模技術(shù)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［3］ 姚偉，蔣志勇.eM-Plant在船廠生產(chǎn)計劃調(diào)度中的可應(yīng)用性研究［J］.造船技術(shù)，2011，25（4）：8-9.

［4］ 錢立秀.車間-任務(wù)型造船生產(chǎn)系統(tǒng)仿真研究與應(yīng)用［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

［5］ 劉學(xué)賡，金燁.仿真在造船企業(yè)管子生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.船舶工程，2008，30（1）：74-75.

［6］ Kaarsemaker J，Nienhuis U.Simulation of a Maritime Pre-fabrication Process［C］//Conference on Computer Applications and Information Technology in the Maritime Industries（COMPIT），Delft of Netherland.2006.

［7］ K?nig M, Bei?ert U, Steinhauer D, et al.Constraint-based Simulation of Outfitting Processes in Shipbuilding and Civil engineering［C］//Proceedings of the 6th EUROSIM Congress on Modeling and Simulation.2007.

［8］ Caprace J D，Trevisani Da Silva C，Rigo P，et al.Discrete Event Production Simulation and Optimisation of Ship Block Erection Process［C］//Proceeding of the 10th International Conference on Computer Applications and Information Technology in the Maritime Industries.2011.

［9］ 謝磊.基于eM-Plant的船舶建造流程建模與仿真［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009.

［10］ 岳衛(wèi)宏.現(xiàn)代造船模式下的造船企業(yè)生產(chǎn)物流管理研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［11］ 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，2011，52（3）：205-207.

［12］ 鄭俊麗.船舶分段制造車間的模塊空間調(diào)度模型及算法［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［13］ 施於人，鄧易元，蔣維.eM-Plant仿真技術(shù)教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.