大型復雜分段組立流程優化研究

于 洋，胡誠程，楊可明，原 磊

（江南造船（集團）有限責任公司，上海201913）

0 引 言

高質量、高效率、安全造船一直是造船廠追求的目標。在現代造船模式下，船體結構是分段建造的，隨著車間制造能力的提升和船舶產品的升級換代，分段劃分日益朝大型化方向發展，分段結構日益復雜化，大型復雜分段的制造難度越來越高，制造周期越來越長。因此，如何在生產資源投入基本不變的情況下有效提高大型復雜分段的制造效率，控制分段制造周期，是造船業需研究的課題。

大型復雜分段制造中主要包含裝配和焊接兩大工種[1]，其中：裝配是將船體零件和部件組合成分段的過程；焊接是按工藝要求將裝配好的結構連接在一起的過程。從整個分段的制造流程看，焊接滲透整個裝配過程，但從單個部件的制造流程看，裝配是焊接的前道作業，裝配的順序直接決定結構焊接施工的難易程度，裝配作業的結束時間直接決定焊接作業的開始時間。大型復雜分段具有結構尺寸大、重量重、零部件多和布置密集等特征，這使得結構裝配工序多，工藝復雜，操作難度大，整個分段的制造周期較長。但是，在以中間產品為導向的現代造船模式下，大型復雜分段的制造也存在并行交叉作業[2]，因此在分段制造管理中找到影響分段制造周期的關鍵任務[3-4]，并對其進行有效管理，通過采取合理的工藝分解和流程優化措施縮短關鍵任務耗時，能有效縮短分段制造周期[5-6]，達到高效生產的目的。

1 典型分段傳統組立流程分析

1.1 分段結構分析

圖1為某船底部雙層底分段結構模型，其中：分段外部主要由底板、外板和甲板組成，底板與外板之間為曲形舭部外板結構；分段內部主要由縱艙壁、橫艙壁、T型肋板、橫梁、縱骨和加強肘板等部件交叉連接而成。按生產設計零件拆解，整個分段共包含970個零件，其中，主板零件202個，型材零件76個，肘板零件216個，補板零件167個，面板零件147個，加強筋162個。有些零件看似相同，實則不同，因不同零件的厚度、材質、形狀、大小、坡口和收縮量等存在差異，使得零件具有唯一性，在裝配時必須將特定的零件裝配到特定的位置，不可互換使用。

圖1 某船底部雙層底分段結構模型

1.2 中間產品導向型任務分解

現代造船模式按區域/類型/階段一體化組織生產[7]，船體分段作為船體結構建造中的重要中間產品，其建造過程也需進行較多的作業任務分解和裝配組合。根據底部雙層底分段結構的特點，采用成組技術，按空間上分道的原則，將分段建造過程的組立級別拆分為一級小組立、二級小組立、平面中組立、曲形中組立和大組立。根據制造車間作業分工，整個分段的具體組立流程見圖2，小組立以分段為單位在部件作業區進行裝配和焊接，完成之后配送到裝焊作業區，開始進行相應的中大組立裝焊作業。

圖2 任務分解及作業流程

2 分段制造工期預估

2.1 分段制造標準工時預估

船體分段結構制造工時主要包括零部件的物流配送工時、裝配工時、焊接工時、修補和檢驗工時，其中裝配工時和焊接工時占分段制造工時的80%以上，通過計算這2種工時，并結合分段零部件數量和建造難易系數，即可估算出整個結構的制造標準工時。

焊接工時與焊接物量有關，可根據結構制造階段、組立類型、焊接方法、焊接位置、焊縫長度和焊接零件厚度等關鍵屬性要素進行計算，這些屬性要素可在分段結構建模結束之后，從船舶設計軟件中提取[8]。

在船體結構制造中，裝配作業與焊接作業相互交叉、相互依存，因此裝配工時能以焊接物量為基礎進行估算，如對接焊縫需要對接裝配，角接焊縫需要角接裝配，單面焊雙面成形焊的焊縫長度是裝配長度的1倍，角接縫的焊縫長度是裝配長度的2倍，不同焊接方法對裝配的要求不同使得裝配效率有所不同。由于曲形組立需要在胎架上裝配，因此曲形組立的裝配工時包含胎架制作工時。

工期是指完成每項制造任務實際花費的時間，以結構物量為基礎，結合制造車間資源配置，通過工時轉換得出雙層底分段各項制造任務的工期（見表1）。

表1 任務排序和工期預估

2.2 分段制造關鍵路徑分析

關鍵路徑法是一種網絡圖分析方法，網絡圖節點表達見表2，其工作原理是為每個最小制造任務計算工期，并定義最早開始時間tES、最早結束時間tEF、最遲開始時間tLS和最遲結束時間tLF，按制造任務的緊前緊后關系形成網絡邏輯圖，所有作業時差為零的任務組成的路線即為完成整個制造任務所需要的最長路徑，即關鍵路徑。

表2 關鍵路徑法網絡圖節點表達

在船體分段結構制造中，關鍵路徑為從船體分段小組立制造開始至大組立制造完成過程中延時最長的一條任務路徑，分段結構制造周期受分段制造關鍵路徑的制約，與其他延時小的任務路徑無關。以分段制造的每項制造任務的工期為基礎，按制造任務之間的緊前緊后關系建立網絡邏輯圖（見圖3），通過計算發現工序C、M2和G的時差為0，因此C→M2→G為傳統組立流程下的關鍵路徑，分段制造總工期為365h。

圖3 傳統組立流程網絡邏輯圖

3 基于關鍵路徑的分段組立流程優化

關鍵路徑是分段制造任務中耗時最長的路徑，決定著分段制造的總工期，若要提高分段制造效率，需縮短關鍵路徑上的關鍵制造任務所需時間，通過對關鍵路徑上的組立流程進行優化，并對關鍵制造任務生產資源進行優先安排，達到縮短分段制造工期的目的。

3.1 分道建造小組立

分道建造是現代造船模式的重要組成部分[9]，在傳統組立流程中，小組立C為DK1A甲板中組立的前道工序，需在小組立C整體裝焊完成并配送到中大組立車間之后，DK1A中組立才能開始制造，而小組立C的制造工期達112h，占整個制造工期的30%。

從圖2中可看出，小組立C由116個一級小組立和23個二級小組立組成，而在任務流向上，這139個小組立一部分歸屬于BS1A底板中組立，一部分歸屬于BS1B中組立，還有一部分歸屬于DK1A甲板中組立。因此，相對于關鍵制造任務DK1A甲板中組立制造開工所需的這部分小組立，關鍵制造任務小組立C多裝焊了屬于BS1A底板中組立和BS1B中組立的小組立，延長了小組立C的工期。

基于分道建造的理念，為確保關鍵制造任務DK1A甲板中組立制造提前開工，可將小組立C拆分成屬于DK1A甲板中組立的小組立C2和不屬于DK1A甲板中組立的小組立C1，二者分道建造和配送（見圖4）。

圖4 小組立分道建造的任務分解及作業流程

按照新的任務分解，建立小組立分道建造的組立流程網絡邏輯圖（見圖5）。從圖5中可看出，新的關鍵路徑為C2→M2→G，總工期為336d，相對于傳統作業流程，采用小組立分道建造和配送的優化措施，總工期可縮短8%。

需說明的是，因小組立C1為非關鍵制造任務，即使包含屬于2個中組立的小組立，為減少理料和配送工作，可不對小組立C1做進一步的分道拆解。同時，為確保關鍵路徑上的工期不受影響，在生產資源安排上優先保證小組立C2的制造需求。

圖5 小組立分道建造的組立流程網絡邏輯圖

3.2 增加中組立數量

在新的關鍵路徑C2→M2→G上，關鍵制造任務C2、M2和G之間為串聯建造關系，各制造任務的工期都難以進一步壓縮。但是，若采取增加中組立數量的措施，對關鍵路徑上的制造任務做進一步拆解，會產生新的制造路徑，出現并行建造關系[10]，同時減少原關鍵任務的工作量，使整體工期得到壓縮。

圖6為關鍵路徑C2→M2→G上增加中組立數量的任務分解及作業流程。由于車間采用總分式布局，即1個小組立作業區滿足多個中大組立作業區的小組立需求，使得小組立生產壓力較大，前后道物量供需匹配不協調，若將一部分小組立移送到中大組立作業區制造，既能緩解小組立作業區的壓力，又能平衡前后道物量?；谝陨峡紤]，在對關鍵路徑進行優化時，將小組立C2中尺寸和工作量較大的二級小組立移送中大組立車間制造，形成SS1A、FR55C、FR55E和LB37B甲板中組立，剩余的小組立定義為小組立C3，以進一步縮短小組立制造工期。同時，根據DK1A甲板中組立的結構特征和裝配工藝特征，在建造DK1A甲板中組立之前，增加DK1C中組立，使得新的DK1A甲板中組立制造物量減少，裝配和焊接難度降低。

按照增加中組立數量的任務分解，針對原關鍵路徑上的制造任務部分建立組立流程網絡邏輯圖（見圖7）。從圖7中可看出，增加中組立數量之后，產生了新的關鍵路徑C3→M3→M4→M2→G，總工期為292h，相對于傳統作業流程，總工期減少了20%。

3.3 實船應用

綜上所述，通過小組立做小、中組立做多和合理分道，可明顯縮短分段制造工期?；谠撗芯砍晒麑υO計圖紙和套料原則進行優化，從設計和工藝源頭進行改進，通過圖紙和下發數據的雙重落地，帶動制造端的變革，最終達到縮短分段制造工期的目的，并在兩型新建產品上進行實船應用。

船體分段組立流程優化圖是在制造現場分解生產任務和開展分段裝配施工用到的重要指導圖紙（見圖8），基于小組立做小、中組立做多的思想，對船體分段組立流程圖進行優化，相對于傳統圖紙，小組立物量減少32%，中組立物量增加29%。

圖6 增加中組立數量的任務分解和作業流程

圖7 增加中組立數量的分段組立流程網絡邏輯圖

圖8 船體分段組立流程優化圖

分段建造是以零件切割為起點的，因此套料數據是制造現場實現分道切割和建造的重要基礎。為確保研究成果順利落地，在原有中大組立混套原則的基礎上建立新的中組立套料拆分原則，以船體分段組立流程為基礎，將中大組立零件分開套料，確保中組立和配送至中組立的小組立能優先切割，有效保證關鍵路徑上的關鍵任務順利完成，確保整個分段制造工期不受影響。

4 結 語

本文基于關鍵路徑法對大型復雜分段裝配作業流程進行分析，找到分段裝焊過程中的關鍵路徑，并通過采用分道建造小組立和增加中組立數量的措施對關鍵路徑上的關鍵制造任務進行重新分解和優化，達到縮短分段制造工期的目的，對提升企業工藝設計能力和生產管理能力具有重要的指導意義。研究發現，在生產計劃安排上：對于關鍵制造任務，優先為其安排生產資源，以確保制造工期不受影響；對于非關鍵制造任務，可在資源調配允許的情況下，盡量在時差規定的時間內晚開工，以更好地解決后道物量需求與前道物量供應之間的矛盾，使生產更加順暢。