面向智能管控的船舶管舾雙托盤關鍵技術

高霆，王炬成

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

面向智能管控的船舶管舾雙托盤關鍵技術

高霆，王炬成

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

為提高生產效率，針對對當前船廠托盤管理的現狀，分析船廠面向智能管控的內外場托盤的設計需求，提出管舾雙托盤的設計思路，以tribon平臺為依托，采用相應的數據交互方法，實現內外場托盤的焊接物量提取，提出外場托盤子托盤的劃分思路，并通過二次開發在tribon中實現自動進行管舾裝件裝配。

智能管控；雙托盤；tribon；自動裝配

隨著《中國制造2025》綱領的實施，我國造船業將向智能管控的方向發展，這就對目前船廠的生產管理提出了更高的要求。智能管控在船舶管舾裝領域是要通過足夠管理數據的輸入對管舾的內場制作和外場安裝進行合理的計劃安排，以減少無效工時和非增值工時的消耗。目前我國船廠管舾裝還處于內場是利用成組技術的管件族制造，外場是單件散裝、調度管理依靠人工編制表格的狀態，與智能管控還有較大差距。管舾裝的智能管控在管理思想上可以借鑒機加行業模式，借助EM-PLANT或DELMIA平臺進行合理的計劃制訂及負荷仿真，但所有軟件平臺的應用都需要前期物量數據的輸入，這些數據來源于管舾內場和外場托盤。因此，需要對船廠管加車間和預舾裝場地在新的發展形勢下的實際需求進行分析，通過對tribon的二次開發實現管舾內外場托盤的改進。

1 船廠管舾托盤管理的現狀

船廠管件舾裝托盤分為面向加工制作的內場托盤和面向安裝的外場托盤。圖1所示為船廠管舾托盤的組織流程。

目前的生產設計是以區域設計為導向，以安裝托盤為單位進行內外場托盤統計的，即內外場托盤的管件數量是一致的,一個內場托盤對應一個外場托盤，如201分段預裝托盤、G101總段預裝托盤等。管加車間在安排任務時先將多個安裝托盤混合后按分道加工線拆分成多個制作托盤進行加工，然后結合外購的閥附件、緊固件等再次拆分成面向不同階段和區域的安裝托盤。

1.1 內場制作托盤管理現狀

各船廠現行的管件加工內場托盤的主要信息有：

1)管材清冊。將管材按規格分類匯總長度和重量信息。

2)附件清冊。將管件內場所需附件(如彎頭、法蘭等)按規格分類匯總數量和重量信息。

3)管件清冊。逐根表達管件的材料、長度、重量、表面處理和試驗信息。

由于船廠管加車間已經按照成組技術的管件族加工的理念進行了大中小管件生產線的組織，因此，管加車間需要將托盤人工分解后才能進行物資準備進而組織生產。在實際生產時由于不同的托盤中管件的數量、管徑、連接件、彎曲形狀不一樣，這就造成每根管件的加工工時是不同的，在按托盤分解后的每條生產線上的工作負荷就是不均勻的，現場經常會出現等待、工件積壓的情況。此外，由于托盤中僅提供了材料信息，而管理物量沒有體現，因此需人工憑經驗預估每根管件的加工工時，但做不到對每道工序的工時控制，總工時的準確性不高，現場易產生人為因素導致的無效工時消耗[1]。

1.2 外場安裝托盤管理現狀

各船廠現行的外場托盤主要信息有：

1)管件清冊。逐根表達管件的材料、長度、重量、表面處理信息，與內場一致。

2)閥件清冊。將外場所需閥件按規格分類匯總數量和重量信息。

3)緊固件清冊。將外場所需的法蘭緊固件(螺栓、螺母)按規格分類匯總數量和重量信息。

4)支架清冊。支架的名稱列表。

外場托盤雖然是按照安裝托盤匯總的信息，但是機艙一個托盤中的管件、閥件的數量近200件，現場施工時工人需要先根據安裝圖確定安裝次序，然后從200根管件中找到所要的對象，在安裝時需要花費大量的時間翻撿。此外，管件、閥件間的重量相差較大，需要吊車來協助安裝，所以船廠需要設置調度員來及時協調各施工場地的吊車需求。由于托盤中不能提供足夠的信息，使得人工協調的結果往往達不到最優化的效果，現場會出現等待的情況。

綜上所述，當前的船廠管舾內外場托盤的內容已不能滿足船廠智能制造、綠色制造的要求，管舾的內場加工和外場安裝要向高效、有序、節能的方向發展，對內外場托盤表達的信息也就會提出更高的要求。按此思路，管舾的托盤管理應是內場需考慮成組加工，提供充分的物資信息和管理信息，外場考慮安裝次序的雙托盤管理模式[2-3]。目前我國船廠的生產設計平臺主要還是tribon，本文主要介紹基于tribon數據結構和typhon語言的托盤設計關鍵技術。

2 面向智能管控的內托盤設計

2.1 設計需求

現代造船模式指導下的管加車間采用的管件族加工技術，是根據管件加工的相似性組織生產線，每條生產線的加工工序相同，每道工序設有并聯的多個設備。若需加工的管件數為M，工序數為N，每道工序上的設備數為P，由于每根管件僅需在相應工序的設備上加工1次，這就是典型的并行機調度生產模式。目前主流的思想是借助仿真軟件采用遺傳算法來求解最優生產計劃[4]。

在進行優化計算時其種群中的染色體是一個M×N的矩陣，適應函數為完工期T。T既與染色體矩陣的排列相關，也與單根管件的加工工時定額ti相關。

式中，k為工作寬放系數，包括生理寬放、疲勞寬放和管理寬放，一般為一定值；tijo為管件i在j工序上消耗的正常作業時間；tijm為管件i在j工序上消耗的移動時間[5]。

由于每根管件的管徑、形狀及連接形式不同，因此要設計出合理的加工調度方案，就必須要得到較準確的單件工時tijo。也即生產設計提供的內場托盤應能體現每道工序的加工物量信息。圖2所示為按先彎后焊模式下船廠管加車間工序組織和相應工序管理需要的管理物量。

可見，要滿足智能管控對管加車間生產調度的需求，內場托盤一方面要按車間的分道生產線進行大中小管線及材質的分類匯總；另一方面托盤中要增加每根管件的管段數、彎頭數、裝配件數、焊縫數的統計信息。

因此改進后的內場托盤表應是圖3所示的形式，其中管子清冊中的工序物量是新增加的內容。

2.2 內場托盤設計的關鍵技術

在tribon數據庫中1根管件被稱為spool，spool由branch組成，當branch數大于2時就存在支管。每個branch又由n個part組成，每個管附件都是1個獨立的part，管段的具體結構見圖4。

其中特別要注意的是對于彎管(冷彎成形管)，如圖4中的part2～part6，雖然原材料是1根直管，但在成形后tribon中的數據是5個part。

根據圖2的工序，下面介紹3個關鍵數據的統計方法。

1)下料管段數量的統計。首先判斷branch的數量，然后按branch依次讀取管段的part信息，接著通過type code判斷是否為管材，若為管材則比較是否與上段part的材料相同，若不同則視為是新的一段管材，其中關鍵字如下：

PIPE.PIPS(′管段名′).NBRA ′提取支管數

PIPE.PIPS(′管段名′).BRANCH(支管號).PART(零件號).COMP_T ′提取管材type code

DexStr="PIPE.PIPS(′管段名′).NBRA"

Extract.DoDataExtraction DexStr

value=Extract.GetValue

value值即為該管段的支管數。此外，通過判斷一個管段中part的type code，也可以準確得出管段中附件的數量。

2)彎曲數量的統計。首先讀取part信息，通過type code判斷是否為管材，然后比較該part的2個連接面的矢量方向，若不同則視為一個彎角，其中關鍵字為：

PIPE.PIPS(′管段名′).BRANCH(支管號).PART(零件號).CON(1).VEC′提取1端面向量

3)焊縫數量的統計。內場焊縫數取決于支管數量和管件中附件的個數，如搭焊法蘭是兩道焊縫，對焊法蘭是1道焊縫，連接套管是兩道焊縫等，表1統計了部分常見附件的內場焊縫數量。

表1 內場附件焊縫數量表

通過讀取管段中part的type code，然后根據表1即可統計出相應附件的內場焊縫物量。

3 面向智能管控的外托盤設計

3.1 設計需求

管舾的外場管理需求主要為解決外場焊接物量和提高管件在外場安裝時的效率，由于同一時期內會出現多個分段同時進行外場舾裝的情況，調度員需要收集同一時期內需要汽車吊協助安裝的管路，此類管路和相應的支架應單獨成為一個子托盤。其他管件、支架應按照一定的規則分成多個子托盤以便提高管件翻檢效率。外場托盤表的形式不需太大改進，只需按子托盤統計物量，并在管子清冊中增加焊接物量即可。圖5為改進的子托盤管子清冊。

3.2 外場托盤設計的關鍵技術

3.2.1 焊接物量

管舾外場焊縫數量主要來源于支架和管路焊接，支架焊縫可以從墊板或角鋼的數量上統計出，管路的焊縫數量統計也是基于對管路附件的類型判別，表2是部分附件的外場焊縫統計表。

表2 外場附件焊縫數量表

實際上，由于分段邊界處會設置合攏管，如圖6所示，此時，套管的兩端連接管屬于不同的module，因此需將外場焊縫數量減少1個。用PIPE.PIPM(′管路名′).CON(′連接面號′).REF.CONN_N可以得到相鄰管段的名稱，據此可以對焊縫數量進行修正。

3.2.2 子托盤劃分

考慮到汽車吊的合理使用，外場預裝時需將重量超過75 kg的管路集中裝配以提高翻撿效率，對有連接關系的大管路應先進行平地預組然后整體吊裝。單管重量小于75 kg的管路由人工搬運安裝，為提高翻撿效率，子托盤在設計時可以遵循按板架、區域相對集中的原則[6]。

子托盤的劃分可以采用Tribon的assembly planing模塊，其結構形式如圖7。

外場托盤的子托盤是以二級裝配為單位的，三級裝配是面向安裝圖紙的表達，主要考慮管件預組和各板架上管路的安裝次序。

目前大多數船廠在利用tribon進行管系生產設計時不采用assembly planing模塊的原因，主要是裝配是以spool為單位進行的，當一個module里管件數量較多時，人工收集耗時較大且易遺漏。為提高設計效率，本文設計了自動收集管件裝配的方法，通過先遍歷船體結構的裝配樹，篩選出作為子托盤參照的板架，然后判斷支架和板架、支架和關聯管段的相對位置，進而對支架和管段賦予裝配信息[7]，其主要思路見圖8。

這個思路可以實現將管路和支架按支架所焊接的大板架分別進行裝配，剩余的管路一般是獨立的通艙件，可以通過管路和板架的空間干涉來判斷通艙件屬于哪個板架。程序中與tribon數據庫進行信息傳遞的關鍵有以下3點。

1)判斷支架在板架上。先通過提取支架墊板的方向向量與板架的方向向量進行比較，然后提取墊板的坐標與板架的邊界形狀進行比較，再計算墊板到板架的距離，滿足以上條件的即可判定支架是焊在板架上了。其關鍵語句如下。

STR.ITE(′支架名′).GRO(1)PART(3).COG

′提取墊板坐標

STR.ITE(′支架名′).GRO(1).PART(3).ROU

′提取墊板方向向量

HULL.PANEL(′板架名′).TRANSFORMATION_MATRIX ′板架位置描述4X4矩陣

HULL.PLATE(′板名′).OUT.NSEG

′板材零件的輪廓邊數量

HULL.PLATE(′板名′).OUT.SEG(1).END_POINT

′板材零件每條輪廓邊的起點

HULL.PLATE(′板名′).OUT.SEG(1).START_POINT ′板材零件每條輪廓邊的終點

2)判斷支架關聯的管子。支架主要通過管夾來和管路形成關聯，首先判斷管夾方向向量與管線方向是否一致，接著判斷管夾中心是否在管線范圍之內，最后計算管夾中心到管線的距離，據此可以準確地找出與支架關聯的管路。其關鍵語句如下。

STR.ITE(′支架名′).GRO(1)PART(1).COG

′提取管夾坐標

STR.ITE(′支架名′).GRO(1).PART(3).ROU

′提取管夾方向向量

PIPE.PIPM(′管路名′).PART(1).NOD(1).POI

′提取管線1個端點坐標

PIPE.PIPM(′管路名′).PART(1).SPOOL_NAME

′提取對應的管段spool名

3)添加裝配信息。確定管段和支架后通過tribon自帶的API接口就可實現舾裝對象的裝配信息的自動賦予[8]。其主要語句如下。

KCS_ASSEMBLY. ASSEMBLY_NEW(父級裝配名，新裝配名) ′新建裝配

KCS_ASSEMBLY. ASSEMBLY_ACTIVATE(裝配名)

′激活裝配

KCS_ASSEMBLY. MODEL_COLLECT(管段名/支架名) ′在裝配下收集模型

KCS_ASSEMBLY. ASSEMBLY_SAVE()

′保存裝配

圖9所示為通過程序自動收集管段和支架的結果。

4 結論

1)通過二次開發向DELMIA等管理平臺傳遞的內外場托盤的管理物量和焊接物量，其數據提取方法可行、數據可靠，具有較強的通用性。

2)本文介紹的相關技術解決了船廠管舾生產部門迫切需求的管理物量缺失問題，為現場派工和制定合理的生產計劃提供了數據支撐。

3)目前大連理工大學、哈爾濱工業大學的研究主要是面向智能控制的管加車間生產體系框架的搭建，本文解決的是管理信息從生產設計平臺向管理平臺的傳遞，是實現智能管控的必要補充。

4)在自動裝配方面，對于垂直于板架的支架判斷較準確，但在處理傾斜且沒有墊板的支架時會發生誤判，需要人工干預，還有進一步優化的空間。

5)本文對自動裝配的研究主要是面向管舾裝件，但是其思路可以指導鐵舾、電氣、通風等專業，通過深入的研究最終可以在tribon中實現多專業的自動裝配。

[1] 李琳.基于生產流程的船舶管加工車間信息模型的研究[J].新技術新工藝，2012(9)：34-37.

[2] 李險峰.DELMIA讓數字化工廠成為現實[J].CAD/CAM與制造業信息化，2008(15)：45-49.

[3] 鄧碩.面向船舶制造的托盤集配技術及系統實現[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007.

[4] 解彥琦.船廠管加工車間生產計劃仿真[D].鎮江：江蘇科技大學，2011.

[5] 史青濤.基于遺傳算法的單工序并行機分批調度研究[D].大連：大連理工大學，2014.

[6] 謝國術.提高散貨船上甲板管路先行舾裝率的方法[J].船海工程，2014，43(6):165-167.

[7] 孫良，鄭燦平.TRIBON M3裝配計劃模塊的焊接計算二次開發與應用[C].長三角地區船舶工業發展論壇,2014.

[8] 王淑梅,王新奇.Tribon M3焊接計劃應用與開發[J].船舶工程,2008,30(5):76-78.

The Key Technology of Ship Pipe Double Pallets with Face to Intelligent Management

GAO Ting, WANG Ju-cheng

(College of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

In order to improve production efficiency, in regard to the current situation of shipyards’ pallets management, the design requirements of manufacturing and installation pallets with face to intelligent management in shipyards were analyzed, and a design idea of double pallets was proposed. Based on tribon platform, the cross-data method was employed to realize welding material quantity extraction. The division idea of sub-pallets for installation pallets was put forward for automatic assembly of pipes and outfitting in tribon with the help of secondary development.

intelligent management; double pallet; tribon; automatically assembly

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.017

2016-09-14

國家自然科學基金(51509114)

高霆(1979—)，男，碩士，講師

U671.4

A

1671-7953(2017)02-0073-06

修回日期：2016-09-28

研究方向:船舶與海洋工程