基于Plant Simulation船舶分段制造車間的仿真與優化

周 波 魏 艷 潘鐘芳

（1.浙江大學 海洋學院 杭州310058；2.福建船舶工業集團東南造船廠 福州350000）

引 言

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

（1）在制造過程中，不能均衡利用資源從而造成資源浪費或不足；

（2）車間調度仍然采用以生產任務量為中心的調度方式，無法滿足節拍均衡生產；

（3）對于復雜工藝流程仍采用經驗的方式進行排程，使得作業人員、設備調度混亂［2］。

隨著數字化造船概念的提出，國內外一些研究學者運用計算機在流程再造技術方面進行一些探索，嘗試解決上述問題。江蘇科技大學的蔣志勇提出一種構建船廠車間作業計劃仿真優化系統框架的方法［3］。重慶大學的易樹平教授運用eM-Plant對車間-任務型的造船車間構建仿真模型［4］，開發車間產能分析模塊、制造資源分析模塊和生產瓶頸分析模塊。上海交通大學的劉學賡將面向對象的仿真技術引入船廠管系分廠的生產物流中，用于統計管系的完工時間和加工設備利用率［5］。歐洲代爾夫特理工大學等研究機構合作開發了船舶制造的仿真模塊庫［6］（Simulation Toolkit Shipbuilding），能夠對生產動態因素的關聯性及其交互作用作出評估、識別潛在的瓶頸并推導出優化措施。德國包豪斯大學Ulrike Beibert研究團隊研究開發了基于離散事件的仿真平臺［7］，制定了模型數據輸入和輸出的格式，提出了按照時間順序推進仿真的規則。比利時列日大學的Jean-David Caprace教授針對船廠的起吊裝置建立了起吊序列優化模型［8］，可以預先發現生產物流系統的不足。

本文先對大部分船廠采用的分段制造工藝進行總結；然后結合國內某船廠的分段制造車間基于Plant Simulation軟件建立仿真模型；通過運行模型查找相應的制造瓶頸，分析生產節拍的均衡性，并對此流程進行優化。

1 船廠分段車間制造流程

按照現代造船模式，造船流程按照“時間有序，空間分道”［9］的原則進行布置，采用成組技術，強化中間產品［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的作業流程，其中涂裝和舾裝可移出分段制造車間在區域外進行作業。

在鋼材預處理過程中，型材部件的制作階段采用流水作業。此外，作為船舶建造主流程的小組立也可組織流水作業，例如拼裝T型材、肋板上安裝加強筋、加強筋開口等作業，而大組立和曲面分段，由于產品的體積和重量迅速增加采用固定工位的生產模式［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，為了便于建立統一的仿真模型，本文在調查各船廠小組立和大組立制造工藝流程的基礎上，對小組立和大組立的工藝流程做適當的簡化，只分析其影響工作進度的核心工藝，以便于后續仿真模型的開發。

（1）小組立簡化

現代化造船的船體裝配作業是以小組立作業的獨立分離為基礎的。小組立是將兩個或兩個以上的零件組成構件的生產過程，如拼裝T型材、肋板上安裝加強材、加強筋開孔等。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對象的工業仿真軟件，擁有強大的生產流程建模功能［13］，利用圖形化建模、系統提供的應用模板對象以及基本對象，使用戶能夠快速構建模型。

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控生產過程中每一工藝的耗時情況，并對生產過程中的瓶頸進行分析，找出當前分段制造車間設備布局的不足。

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 船廠分段車間生產模型

采用本文1.1節提出的流程簡化方法構建1.2節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

為了實現加工任務的連續性，通過編寫出口控制程序，實現對零部件制作的流出控制。

2 模型運行與優化

2.1 模型運行

對各工位的工作情況進行實時動態的檢測，檢測運行如圖5所示。

圖5 各工位設備工作動態統計

仿真結果表明：分段車間的吊車處在滿負荷運行狀態；小組立、型材冷彎加工、骨架間焊接、預舾裝、裝焊吊環等環節只有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，達到了75%；分段車間的焊接工作量達到97%。可以看到分段車間的焊接利用率僅次于吊車利用率99%，處于高負荷運行狀態。

2.2 模型優化與建議

在實際的裝配工藝中，胎架設計與制造這一工藝可以與小組立同時進行，艙口橫梁和艙口與甲板縱桁這兩個工藝也可以同時進行。為此，模型又被進一步優化，優化后的仿真模型運行結果如下頁圖6所示。

圖6 優化后各工位設備工作動態統計

優化后的仿真模型結果顯示各個加工設備的資源利用率達到65%以上，生產節拍趨于均衡。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行了交流，主管的回答也證實了此模型結果的正確，即：吊車布局形式以及分段車間空間的限制，嚴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，導致焊接人員不足，從而進一步制約了生產效率。為有效提高生產效率，特提出以下建議：

（1）合理安排吊機的起吊順序：一些小零部件可以集中放在托盤里，統一起吊，減少起吊次數；在大吊機下設置小起吊機，分擔大吊機的工作壓力；

（2）規范人員管理：在現有焊接人員數量的基礎上再增加10名焊接人員，合理排班，保證焊接人員的勞逸結合，提高生產效率。

3 結 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相結合的模式，日韓一些先進的企業在大組立后，把胎架放在移動運輸車上。這樣一個工序完成后，運輸車則前進并接受下一道工序。這種完全流水作業的生產模式使得造船周期大大縮短，但是對于設備的投資較大，對車間的布局形式要求較高，不符合現階段我國大部分船廠的造船模式。本文結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，可對船舶復雜的生產流程進行建模，有利于合理設置船舶制造的工藝流程及相應的加工設備和人員配比。

目前仿真模擬還有一些問題需要解決，主要集中在數據的統一化、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.基于擴展Petri網與遺傳算法的分段制造車間虛擬流水線調度研究［D］.鎮江：江蘇科技大學，2011.

［2］ 李川.基于虛擬流水線的船舶制造生產調度與建模技術研究［D］.上海：上海交通大學，2008.

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

［4］ 錢立秀.車間-任務型造船生產系統仿真研究與應用［D］.重慶：重慶大學，2009.

［5］ 劉學賡，金燁.仿真在造船企業管子生產物流系統中的應用［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，2009.

［10］ 岳衛宏.現代造船模式下的造船企業生產物流管理研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［11］ 羅岱，柳存根，張滇.基于車間單元的船舶建造系統仿真［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度模型及算法［D］.上海：上海交通大學，2011.

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