基于物流仿真的工程船舶建造系統優化研究

陳 寧，王 真，張洪軍，楊 浩CHEN Ning,WANG Zhen,ZHANG Hong-jun,YANG Hao

（1.江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116000；3.上海東方申信科技發展有限公司，上海 200030）

(1.School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.Dalian Shipbuilding Industry Corporation,Dalian 116000,China;3.Shanghai Oriental Shenxin Technology Development Corporation,Shanghai 200030,China)

隨著企業自動化、信息化水平的不斷提高，運用合理的物流方案，結合先進的管理理念，科學的組織生產，已逐漸成為企業增強自身競爭力的重要途徑。眾所周知，制造企業的生產線建造往往需要投入大量的人力和財力，研究表明，國內外很多企業的生產線物流系統由于前期規劃的不合理，造成后期生產效率低，生產成本高，潛在生產能力得不到充分發揮等問題。物流仿真技術的產生，有效地解決了這一問題，通過建立虛擬的三維仿真模型，模擬生產線的實際生產狀況并生成仿真數據報表，可以快速準確地確定物流系統的瓶頸問題，進而提出相應解決方案，為生產管理者的科學決策提供了有力支撐[1-2]。

本文以某船廠即將投產的工程船舶為依托，利用廠區現有生產資源，使用Quest物流仿真軟件，建立工程船從材料堆場、零部件加工、分段裝焊、分段舾裝、涂裝到船臺搭載的整個生產物流的仿真模型，并選取生產節拍的平衡、主要資源利用率以及產能輸出這三項作為該仿真系統的評價指標，對該生產系統規劃方案潛在的物流“瓶頸”進行優化分析，為改善實際生產線提供了可量化的決策依據。

1 Quest仿真軟件

Quest是一款面向物流分析的仿真軟件，具有優越的用戶自定義功能和強大的數據分析能力，可以通過對工廠生產系統的集成、工藝流程的設計以及可視化制造流程的仿真方案模擬，實現在全三維數字化工廠環境下對生產工藝流程的準確性與生產計劃的合理性進行仿真驗證[3]。船舶建造系統屬于離散系統仿真的范疇，零件種類眾多，涉及的工藝信息量大，僅僅使用Quest自身提供的一些標準控制程序及其組合遠不能滿足仿真需求，可使用Quest的交互式仿真建模功能，通過以下三種方式對其進行功能擴展[4]：（1）仿真控制語言（SCL）。有其獨特的語法句式，仿真邏輯包括process logic（過程邏輯）和route logic（路徑邏輯），每一次調用的程序都存在于獨立的文件夾中，使程序可以重復利用，實現用戶所需的仿真效果[5]。（2）批控制語言（BCL）。可以被用來創建實體、讀取模型、修改參數、運行仿真，它還可以為用戶提供可視化控制功能。（3）調用C動態鏈接庫（Dynamic-Link Library，DLL）方式。Quest允許 SCL主程序調用C語言編寫的動態鏈接庫來實現現有程序的擴展、資源的共享、平臺差異以及一些特殊目的的功能。

2 仿真模型的建立

2.1 基礎數據的采集與處理。建立完整的系統模型需要從生產實際中不斷收集生產數據，同時以真實的生產數據為基礎，抽象出模型的基本參數[5]，結合船廠的實際生產情況與仿真需求，將所需內容歸納為產品數據信息、生產工藝信息、資源配置信息和生產計劃信息幾個方面，把這些基本參數信息轉化為仿真軟件可識別的數據信息，作為仿真系統運行的可依賴數據[6]，圖1為本文研究的工程船舶相關產品數據的處理流程。

圖1 產品數據處理

2.2 幾何模型的建立。Quest仿真軟件具有強大的導入/導出功能，運用三維建模軟件建立所需幾何模型，并將其保存為Quest可識別的.wrl或.stl格式，圖2是建立的加工設備和分段的幾何模型。

圖2 幾何模型

2.3 邏輯模型的建立。邏輯模型的建立即各設備的層次關系以及它們之間的交互行為，對于一些復雜和具有特殊調度要求的仿真模型，應用Quest二次開發功能，實現仿真目標，本研究針對全廠的多船并行，且生產計劃跨度為兩年，數據信息復雜，開發工作量龐大，由于篇幅所限，僅選取以下幾個關鍵點進行說明。

2.3.1 仿真模型的驅動。由于船廠各作業區生產計劃往往存儲于Excel表格中，而Quest開放給用戶在DATA文件夾的數據接口只可調用.txt文件，為了使模型更貼近實際，筆者使用在SCL中調用C動態鏈接庫的擴展方式，創建了Quest與Excel的數據接口，實現了Quest可直接識別.xlsx格式文件的開發功能，圖3是模型中使用的分段制造的先行中日程計劃（部分）。

2.3.2 建立各作業區的計劃管理。在切割加工區、小組立制作區、集配中心、裝焊、船臺區域分別建立相應的生產計劃，在程序中建立作業管理者（manager），實現對生產計劃的管理工作，例如：計劃執行時間是否到達，上級中間產品是否已制作完成，加工場地是否空閑等，下面是針對船臺計劃管理開發的部分代碼：

圖3 分段裝焊作業計劃表

2.3.3 實時跟蹤各級中間產品流向信息。由于本文研究的仿真模型是多船并行生產，故其中任何一個零件的邏輯錯誤，都可能導致整個模型運行的失敗，建立仿真模型時，筆者使用SCL語言，為每一級的中間產品賦予了相應的屬性和流向信息，保證其在廠區內運行的有序性，一方面可以及時發現建模過程中的紕漏，及時修改模型邏輯，另一方面也為后期仿真結果的分析做好鋪墊，如圖4所示：

Part Name（sheet_part_class_387[11605]）：零件在模型中的屬性名稱

Current Element（C2_SXG_in_buf_1）：加工設備名稱（第二跨-三芯棍）

Seize Time（72489.5sec）：在該道工序上的加工時間

SHEET_PART_NAME（H2046_02_HCM020_f7）：鋼板零件名稱 （船號為H2046的編號為HCM020鋼板，f7為該鋼板切割的零件）

FLOW（G）：流向信息（該零件不需要進行小構件加工）

MACHINE_TYPE（C2_SXG）：加工形式

圖4 中間產品屬性信息

2.4 船廠物流仿真模型的建立。依據上述內容，結合工程船的生產工藝流程圖（圖5），在Quest仿真軟件中建立工程船從鋼材堆場到船臺搭載的生產流程仿真模型，如圖6所示，仿真模型與船廠各作業區生產流程以及加工設備一一對應，包括鋼材堆場、預處理線、零部件加工（切割加工、拼版工位、小組立制作等）、集配中心、涂裝房、預舾裝場地、裝焊平臺、船臺以及各起重運輸設備等。

圖5 工程船工藝流程圖

圖6 船廠仿真模型

3 仿真結果及優化

3.1 系統評價指標。仿真系統的評價指標作為生產線運行性能的主要定量分析標準，為方案進一步的優化提供了可靠的依據，鑒于不同的評價指標對仿真系統影響程度的高低，筆者主要從以下三個方面對該系統進行評價分析。

（1）生產節拍平衡。均衡性生產是現代造船模式的重要特征，即各生產資源的利用率應該保持較高水平，且資源之間差異較小，這不僅有利于避免生產線上“堆積”或“窩工”現象，也有利于提高各生產環節對突發事件的響應能力。

（2）資源利用率。反映了船廠主要資源的占用情況，進而分析其是否為影響船廠生產物流的瓶頸因素。

（3）產能輸出。產出能力也是船廠管理人員最為關注的一個宏觀問題，即該廠區在一年時間里，可建造完成的工程船舶總量。

3.2 結果分析。在該廠區現狀的基礎上仿真未來兩年的該型號工程船舶建造能力，在各作業區建立管控點，控制仿真結果的輸出，發現首制船的周期為74天/艘（包含模型初始化時間），之后造船的節拍為28天/艘，年產量為36艘，主要資源的利用率如表1所示。

表1 主要資源利用率

從表1可以看出，該廠區兩臺龍門吊的平均利用率都不到60%，這表明該船廠的船臺生產能力還未得到充分發揮，從場地資源利用率的輸出可知，機艙分段和涂裝場地的胎位占用率過高，該處的中間產品存在“堆積”現象，造成了前后道生產節拍的不均衡，成為制約整個生產流程的瓶頸環節。

3.3 解決方案。根據上述分析，做出以下方案調整：（1）艏分段的場地利用率偏低，減少該作業區胎位數量，將其中兩個胎位用于制作機艙分段，使場地的資源分配更加合理。（2）結合廠區實際規劃布局，增加涂裝中心的胎位數量，當其胎位數量由四個調整為六個時，仿真結果最優，也可考慮優化涂裝工藝，最大限度利用涂裝車間。

重新對上述優化方案進行仿真驗證，得到結果如表2所示，兩臺龍門吊的平均利用率分別提高了8.47%和10.45%，各作業區的胎位利用率也穩定在80%左右，相對較均衡，首制船的制作周期縮短為68天，造船節拍為24天/艘，廠區產能約為40艘，相比優化前提高了4艘。

表2 主要資源利用率

4 結論和展望

本文依據各作業區生產計劃驅動仿真模型運行，使用Quest仿真軟件及其二次開發功能實現了工程船舶的生產建造流程虛擬仿真，并對船廠物流瓶頸環節提出合理改善方案，提高了預期產能，可在進一步的研究中，對其中的物量消耗率、計劃完成情況等相關要素進行具體分析，這些直觀的三維演示和數據分析都將為船廠建造計劃管理技術提供更有效地解決途徑，可見，虛擬仿真技術對于企業物流規劃設計具有重要的意義。

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