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船舶型材自動(dòng)套料軟件開(kāi)發(fā)

2015-05-25 00:29郭朝義張馳劉杰
船海工程 2015年2期
關(guān)鍵詞:型材廢料利用率

郭朝義,張馳,劉杰

(1.泰州口岸船舶有限公司,江蘇 泰州 225321;2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430063)

船舶型材自動(dòng)套料軟件開(kāi)發(fā)

郭朝義1,張馳1,劉杰2

(1.泰州口岸船舶有限公司,江蘇 泰州 225321;2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430063)

針對(duì)船舶設(shè)計(jì)建造中手工套料不但操作繁瑣,而且容易出錯(cuò)的問(wèn)題,基于提高套料的準(zhǔn)確性和效率的考慮,在.NET平臺(tái)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)用于船舶型材批量套料的應(yīng)用軟件。實(shí)踐證明,使用該軟件能夠提高材料利用率,節(jié)約操作時(shí)間并降低庫(kù)存管理難度。

船舶;型材套料;軟件開(kāi)發(fā)

降低原材料消耗是當(dāng)今船舶企業(yè)在生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)過(guò)程中一直追求的目標(biāo),也是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要措施之一。在日韓等先進(jìn)的造船國(guó)家,數(shù)字化造船起步較早,已形成比較成熟的軟件或產(chǎn)品,包括設(shè)計(jì)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等[1-2]。在船舶建造過(guò)程中,需用到大量的型材,在操作過(guò)程中會(huì)通過(guò)切割或焊接等手段獲得所需長(zhǎng)度的型材。切割剩下的材料可以保存入庫(kù),形成余料庫(kù)。如何充分利用余料是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題,依靠人工來(lái)進(jìn)行該項(xiàng)工作不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且容易出紕漏。因此,有必要研究開(kāi)發(fā)型材套料軟件。

目前開(kāi)發(fā)的型材套料軟件一般基于排列和組合算法,通過(guò)遍歷的方式搜索出滿足要求的套料方案[3];采用的開(kāi)發(fā)工具主要有Delphi、python等,但完全基于遍歷的算法搜索時(shí)間長(zhǎng),個(gè)別約束的調(diào)整不方便。為此采用VB.NET作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,基于若干預(yù)定義規(guī)則,實(shí)現(xiàn)源文件導(dǎo)入、批量套料、材料利用率統(tǒng)計(jì)、報(bào)表輸出、余料庫(kù)存管理等功能。

1 需求分析

對(duì)于手工套料,主要過(guò)程是針對(duì)目標(biāo)型材,由相關(guān)人員在余料庫(kù)中尋找兩個(gè)或多個(gè)與目標(biāo)型材材料、規(guī)格一致的余料進(jìn)行焊接,或直接對(duì)一個(gè)余料或完整型材(或稱為標(biāo)準(zhǔn)型材)進(jìn)行切割,最終得到所需的長(zhǎng)度。套料前,工作人員需要對(duì)余料庫(kù)中的型材進(jìn)行歸類、測(cè)量和計(jì)算,直到找到滿足要求的組合方案。使用這種方法,主要存在以下問(wèn)題。

1)套料時(shí)需要重新對(duì)庫(kù)存進(jìn)行分類匯總,并通過(guò)手工計(jì)算,找出滿足要求的套料方案,由于一般為批量套料,故將耗費(fèi)大量的時(shí)間。

2)當(dāng)余料庫(kù)中沒(méi)有符合要求的組合時(shí),操作人員將會(huì)徒勞無(wú)功。

3)套料之后庫(kù)存信息需要及時(shí)更新并記錄在案,增加了額外的工作量。

為了克服手工方法存在的問(wèn)題,借助計(jì)算機(jī)技術(shù),開(kāi)發(fā)型材自動(dòng)套料軟件將能大大提高操作效率,并簡(jiǎn)化庫(kù)存管理工作。

型材自動(dòng)套料軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下主要功能。

1)自動(dòng)導(dǎo)入目標(biāo)型材數(shù)據(jù)列表,數(shù)據(jù)來(lái)源可以為Excel、Word、Xml等主要文件格式。

2)庫(kù)存材料信息按不同船級(jí)社來(lái)分類,滿足不同入級(jí)材料的套料,用戶可以分類查詢。

3)對(duì)于每個(gè)型材,能夠自動(dòng)計(jì)算搜索最優(yōu)的套料方案,并及時(shí)更新庫(kù)存信息。如果在所有設(shè)定的套料方法中沒(méi)有符合的方案,應(yīng)提醒用戶補(bǔ)充庫(kù)存。

4)實(shí)現(xiàn)連續(xù)套料,滿足焊接次數(shù)最少,使用完整型材根數(shù)最少等多個(gè)優(yōu)化約束目標(biāo)。

5)輸出列表中所有型材的套料方案,并以圖形化方式呈現(xiàn)。

6)統(tǒng)計(jì)余料使用量、產(chǎn)生的廢料量以及材料利用率。

2 軟件總體設(shè)計(jì)方案

軟件使用的目的在于充分利用庫(kù)存材料(包括標(biāo)準(zhǔn)型材和余料),優(yōu)先考慮其中的余料,同時(shí)又要滿足焊接次數(shù)的約束限制,這樣有利于減少對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型材的消耗,達(dá)到降低采購(gòu)成本的目的。套料的效果可ηE可用式(1)來(lái)描述。

余料數(shù)目減少是提高材料利用率比較直觀的一個(gè)方面,同時(shí)可以降低庫(kù)存的管理復(fù)雜度。一次套料使用多個(gè)余料有利于達(dá)到這個(gè)目的,但如果材料拼接過(guò)多,將會(huì)增加焊接次數(shù)和工作量,累積的變形也會(huì)影響使用效果。結(jié)合船廠的實(shí)際需求,設(shè)置每次套料的焊接次數(shù)不超過(guò)兩次,即目標(biāo)型材最多可以由3段材料焊接而成。此外,由于套料一般難以與目標(biāo)型材的長(zhǎng)度完全一致,會(huì)有一定的剩余長(zhǎng)度,故應(yīng)對(duì)這些剩余材料作進(jìn)一步處理。處理的方法為:如果剩余材料太短,利用價(jià)值不高,可以作為廢料處理,根據(jù)船廠的實(shí)際情況,將廢料的臨界長(zhǎng)度設(shè)置為400 mm;超過(guò)這個(gè)值的材料則可以再次利用,稱之為二次余料。

為了精確評(píng)價(jià)套料的結(jié)果,應(yīng)綜合考慮以下因素。

1)實(shí)際需要的材料長(zhǎng)度,Luse。

2)使用的庫(kù)存余料總長(zhǎng),Lstock。

3)總裕量,Lmargin。

4)二次余料總長(zhǎng),Lnewstock。

5)產(chǎn)生的廢料總長(zhǎng),Lwaste。

這些參數(shù)具有以下關(guān)系。

材料利用率可通過(guò)使用的庫(kù)存余料總長(zhǎng)度以及實(shí)際有用的余料長(zhǎng)度ηC來(lái)表示:

程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。圖中類型說(shuō)明如下。

類型1。無(wú)焊接和切割,余料庫(kù)中有與目標(biāo)型材材料、規(guī)格和長(zhǎng)度都相同的型材。

類型2。一次焊接(兩段與目標(biāo)型材材料、規(guī)格和長(zhǎng)度都相同的型材焊接而成)。

類型3。二次焊接(3段與目標(biāo)型材材料、規(guī)格和長(zhǎng)度都相同的型材焊接而成)。

類型4。余料切割(剩下的部分依長(zhǎng)度決定是否可再次利用)。

類型5。完整型材切割(剩下的部分依長(zhǎng)度決定是否可再次利用)。

3 關(guān)鍵問(wèn)題研究及實(shí)現(xiàn)

3.1 優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

關(guān)于優(yōu)化的一個(gè)問(wèn)題:剩余長(zhǎng)度是否只要小于廢料的臨界長(zhǎng)度就是最優(yōu)方案。

如前文所述,長(zhǎng)度小于400 mm的材料為廢料,如果剩余長(zhǎng)度為小于200 mm甚至更小,則浪費(fèi)較少;如果剩余長(zhǎng)度較大,如200~400 mm,則浪費(fèi)相對(duì)較多。因此這是一個(gè)辯證的問(wèn)題,一方面,允許產(chǎn)生廢料,但要盡量避免廢料的長(zhǎng)度接近臨界值;另一方面,剩余長(zhǎng)度可以超過(guò)臨界值,但不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。

在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中,套料及優(yōu)化采用組合窮舉的方式。一種實(shí)現(xiàn)方法是,在考慮焊接次數(shù)及最大裕量限制的情況下,窮舉所有的組合方案,并從中找出剩余長(zhǎng)度最短的方案作為最終方案[3]。對(duì)于這種方案,剩余材料一般較短,因此幾乎每次都會(huì)產(chǎn)生廢料。對(duì)上述方案作進(jìn)一步優(yōu)化:如果最終產(chǎn)生的廢料長(zhǎng)度接近臨界值,則將裕量最低值設(shè)置為臨界值進(jìn)行重新計(jì)算,用搜索到的第一個(gè)方案取代原方案并退出搜索過(guò)程。這樣可以將原來(lái)產(chǎn)生較長(zhǎng)的廢料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生二次余料,從而進(jìn)一步提高材料利用率。具體實(shí)現(xiàn)思路如下。

首先將套料方法進(jìn)行分類,如上述程序設(shè)計(jì)流程圖中的說(shuō)明,套料的優(yōu)先級(jí)為從類型1到類型5依次降低。對(duì)于其中每一種方案,同時(shí)考慮使用余料數(shù)較多,實(shí)際操作方便和產(chǎn)生的廢料最少3個(gè)因素。類型1無(wú)需額外的工作量,并且不會(huì)產(chǎn)生多余材料;對(duì)于類型2到類型5,通常會(huì)產(chǎn)生剩余材料,可能是廢料或者二次余料,所以是主要優(yōu)化的對(duì)象。但在實(shí)際操作過(guò)程中,優(yōu)先考慮類型2~類型4,最后考慮類型5。優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖2。

3.2 連續(xù)套料及材料使用情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)于船舶設(shè)計(jì)建造,通常需要對(duì)某個(gè)分段或某個(gè)區(qū)域中的所有型材進(jìn)行批量套料,數(shù)量多達(dá)幾十甚至上百個(gè),人工套料的缺陷此時(shí)體現(xiàn)得更為明顯,利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)則能很好地克服這個(gè)問(wèn)題。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

套料的一個(gè)前提是遵循余料型材和目標(biāo)型材的材料、規(guī)格以及報(bào)檢船級(jí)社相一致的原則。首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立材料庫(kù)表,包含的字段主要有:材質(zhì)、規(guī)格、長(zhǎng)度、數(shù)量、船級(jí)社,材料類型,其中材料包括完整型材和余料兩大類。在將庫(kù)存信息從數(shù)據(jù)庫(kù)上載到用戶計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中時(shí),需要將其中數(shù)量大于1的材料展開(kāi)為多個(gè)相同的材料,在實(shí)際套料時(shí)則作為不同的材料使用,即內(nèi)存中實(shí)際的材料數(shù)目為。

式中:n——數(shù)據(jù)庫(kù)中材料的記錄數(shù)(針對(duì)制定的入級(jí)船級(jí)社);

N——內(nèi)存中材料的數(shù)目;

Ni——每條記錄中“數(shù)量”字段值。

內(nèi)存中的庫(kù)存信息是存儲(chǔ)在DataTable對(duì)象中的一個(gè)列表,可以看作是整個(gè)套料過(guò)程的一個(gè)中間表。當(dāng)庫(kù)存信息從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取之后,立即釋放數(shù)據(jù)庫(kù)資源,連續(xù)套料過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理則交由中間表處理,避免每一個(gè)套料都消耗數(shù)據(jù)庫(kù)資源。套料結(jié)束后,再一次性對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行更新,減輕數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力,同時(shí)可提高連續(xù)套料的效率。

為準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)套料結(jié)果,需要用到套料前和套料后的全局參數(shù),如目標(biāo)型材的數(shù)量和總長(zhǎng)度、使用型材的數(shù)量和總長(zhǎng)度、產(chǎn)生的廢料總長(zhǎng)等,這些數(shù)據(jù)是對(duì)源表中所有型材數(shù)據(jù)和套料結(jié)果數(shù)據(jù)的匯總。為詳細(xì)記錄每次套料的詳細(xì)信息,將目標(biāo)型材數(shù)據(jù)和套料結(jié)果數(shù)據(jù)分別封裝到一個(gè)結(jié)構(gòu)體中,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 套料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體成員

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析計(jì)算(參考式(2)~式(4)),可以獲取套料前后的總體數(shù)據(jù)和材料使用率。

4 工程應(yīng)用分析

以某27 000 DWT多用途船為例,獲得某分段Excel格式的目標(biāo)型材源表后,直接導(dǎo)入到軟件中,并選定材料需要報(bào)檢的船級(jí)社,見(jiàn)圖3。然后可以執(zhí)行套料過(guò)程,完成之后可以顯示套料所用的時(shí)間,見(jiàn)圖4。

圖3 需要套料的型材列表

圖4 套料結(jié)果及花費(fèi)時(shí)間

此外,模擬前所述優(yōu)化之前的套料過(guò)程,并將套料結(jié)果與改進(jìn)后的方法進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化前后材料利用率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出,在優(yōu)化之后,雖然套料時(shí)間有所增加,但總的時(shí)間仍然較少,而材料利用率提高了2個(gè)以上的百分點(diǎn)。優(yōu)化后的方法在減少?gòu)U料長(zhǎng)度的同時(shí)也減少了廢料的數(shù)量,因此可以進(jìn)一步提高材料利用率。

5 結(jié)束語(yǔ)

用型材自動(dòng)套料軟件取代原始的手工套料,大大縮短了操作時(shí)間,并能獲得較高的材料利用率,庫(kù)存管理也得到了簡(jiǎn)化。對(duì)目前使用的一種套料軟件采用的方法進(jìn)行優(yōu)化,使材料綜合利用率得到了進(jìn)一步提高。設(shè)計(jì)的軟件已經(jīng)在船舶企業(yè)成功應(yīng)用,取得了良好的應(yīng)用效果。

[1]劉杰.基于OLE技術(shù)的造船廠信息一體化研究[J].船海工程,2007,36(4):86-88.

[2]姚玉南.船舶信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].船海工程,2006,30(4):110-113.

[3]錢善波,孫志偉.型材自動(dòng)套料管理系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用[J].造船技術(shù),2008(3):8-10.

Development of the Automatic Nesting Software of Section Bar in Shipbuilding

GUO Chao-yi1,ZHANG Chi1,LIU
Jie2 (1.Taizhou Kouan Shipbuilding Co.,Ltd,Taizhou Jiangsu 225321,China; 2.School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

Since manual nesting in shipbuilding is operating-complicated and subjected to default easily,a software is developed on the.NET development platform to realize automatic nesting of the section bar in shipbuilding.The practical use show that the software can improve the accuracy,efficiency and material utilization,reduce the operation time and difficulty of stock management.

ship;nesting of section bar;software development

U671

A

1671-7953(2015)02-0015-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.004

2014-10-15

修回日期:2014-10-27

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2013107)

郭朝義(1964-),男,碩士,高級(jí)工程師

研究方向:船型研發(fā)、船舶企業(yè)信息化應(yīng)用

E-mail:guocy@cnkasc.com

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