船臺(tái)分段搭載序列優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究

楊曉寧

大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116035

隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，造船模式也在發(fā)生變化。現(xiàn)代造船模式，是以統(tǒng)籌優(yōu)化理論為指導(dǎo)，應(yīng)用成組技術(shù)原理，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，按區(qū)域組織生產(chǎn)，殼（船體和上層建筑）、舾（裝）、涂（裝）作業(yè)在空間上分道、時(shí)間上有序，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化，均衡、連續(xù)地總裝造船。

船臺(tái)分段搭載過程復(fù)雜，影響因素繁雜，如何將其進(jìn)行量化處理，從而降低搭載計(jì)劃制定難度、提高搭載效率，是目前亟待解決的問題。船舶建造過程是一個(gè)漫長(zhǎng)的周期，而在總的建造周期內(nèi)，分段搭載占用的時(shí)間大多在45%以上，并且分段的搭載占用船臺(tái)的時(shí)間較長(zhǎng)，而船臺(tái)是船廠最重要的大型工位，搭載過程作業(yè)類型繁多，輔助設(shè)備集中密集，各工種作業(yè)配合，容不得任何節(jié)點(diǎn)的失誤[1]。要將人員、設(shè)備、場(chǎng)地、資源、作業(yè)等各種情況綜合考量，才能制定出合理的搭載計(jì)劃。在船廠，船臺(tái)總裝是船體建造的最終環(huán)節(jié)，而分段的搭載計(jì)劃又是前期各道工序工作計(jì)劃制定的依據(jù)[2]，因此，分段搭載計(jì)劃的制定，直接影響整個(gè)造船周期，優(yōu)化船臺(tái)分段搭載序列，可以大幅提高建造效率，降低造船成本，提高船廠在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

1 分段搭載快速性現(xiàn)狀分析

分段搭載優(yōu)化模型的建立方法各有不同，且求解方法也不盡相同。船臺(tái)龍門吊是決定船廠能力的特殊起貨設(shè)備，是影響分段搭載效率的最主要因素之一，目前的研究多是通過優(yōu)化其路徑提高搭載效率[4]。哈爾濱工程大學(xué)的杭立杰研究某油輪的主體分段搭載，對(duì)船臺(tái)搭載順序建立優(yōu)化模型，采用粒子群算法進(jìn)行求解；大連理工大學(xué)的衣朗，將船廠的船臺(tái)資源、起重能力和工藝約束等條件綜合考量，建立分段搭載的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并采用蟻群算法生成分段搭載網(wǎng)格圖；徐莉著重研究快速搭載管理，采用層次分析法，評(píng)價(jià)影響搭載快速性的因素，并給出對(duì)應(yīng)策略；房曉磊分別針對(duì)總段劃分、設(shè)計(jì)龍門吊吊排、搭載中的精度控制等幾個(gè)方面，研究提高搭載效率的可行性方案。

2 影響搭載快速性的因素

通過走進(jìn)船廠實(shí)地調(diào)研，了解掌握目前船廠分段搭載過程中對(duì)工藝的要求，分析影響搭載效率的主要因素，歸納影響搭載效率的普遍規(guī)律。船舶搭載主要依靠船臺(tái)龍門吊來實(shí)現(xiàn)。分段搭載的序列決定了分段起吊的順序，其完全限制龍門吊的作業(yè)。經(jīng)過調(diào)研，單個(gè)分段搭載流程如下：開始→判斷是否更換索具（決定跑車是否跑至索具存放位置）→跑車至分段初始位置→落鉤、掛鉤→切支點(diǎn)→判斷是否翻身（決定是否進(jìn)行翻身作業(yè)）→跑車至分段目標(biāo)位置→結(jié)束。

該流程中以龍門吊為起點(diǎn)，如果本次吊運(yùn)的分段重量與上一次相差不大，則直接行車至要吊運(yùn)的分段位置處，如果重量相差很大，則需要進(jìn)行吊鎖具的更換，首先需要跑車至吊索具位置，完成更換再跑車至分段位置；分段掛鉤之后，將分段建造過程中的支點(diǎn)切割，將分段吊運(yùn)到目標(biāo)位置，如果該分段采用的反造法，需要對(duì)分段進(jìn)行翻身，之后將分段吊運(yùn)到指定的目標(biāo)位置；在目標(biāo)位置與相鄰分段進(jìn)行精確對(duì)接，將建造過程中的假造余量切割，完成合攏的焊接工作后，龍門吊可以脫鉤，繼續(xù)按此步驟完成下一分段吊運(yùn)工作。

在此過程中，不難發(fā)現(xiàn)，分段搭載作業(yè)時(shí)間有兩類：一類是作業(yè)必要時(shí)間，如吊索具的更換時(shí)間、分段對(duì)正焊接時(shí)間等，不受搭載順序的影響，在本研究中為不可縮短時(shí)間；另一類時(shí)間主要受到搭載順序影響，如吊索具的更換次數(shù)和吊車行進(jìn)距離等，為可優(yōu)化時(shí)間。因此，影響船舶分段搭載效率的主要因素如下：

2.1 吊車行走的路線

以吊運(yùn)兩個(gè)分段為例，方案a：先吊運(yùn)分段1，再吊運(yùn)分段2，吊車行走的路線中，1、3為吊車負(fù)載路線，2為吊車空載路線；方案b：將吊運(yùn)順序顛倒，即先吊運(yùn)分段2，再吊運(yùn)分段1，吊車行走的路線中，1、3為吊車負(fù)載路線，2為吊車空載路線。顯然兩種吊運(yùn)方案中，吊車負(fù)載運(yùn)行距離相等，方案a中吊車空載運(yùn)行距離顯著降低，從而減少龍門吊的無效運(yùn)行時(shí)間，搭載效率較高。吊車吊運(yùn)分段順序示意圖如圖1所示。

圖1 吊車吊運(yùn)分段順序示意圖

2.2 吊索具的更換次數(shù)

以吊運(yùn)三個(gè)分段為例，分段1和分段3為重量接近、吊耳規(guī)格相同的分段，而分段2重量和吊耳規(guī)格均與上述兩分段有較大差別，按照吊車使用要求，當(dāng)?shù)踹\(yùn)重量變化較大、吊耳規(guī)格不同時(shí)，需要對(duì)吊車更換吊索具。由此可見，分段搭載順序?yàn)?、2、3時(shí)需要更換兩次吊索具，增加了吊車的無效行走距離，降低了搭載效率；而分段搭載順序?yàn)?、3、2時(shí)只需更換一次吊索具，因此搭載效率更高。

3 構(gòu)建船舶分段搭載模型

在分析船臺(tái)分段搭載的過程以及搭載序列對(duì)搭載效率的影響后，將船臺(tái)分段搭載細(xì)化到每一個(gè)分段的搭載過程所需要的時(shí)間，再將所有時(shí)間全部疊加在一起，使其最小化，即為該船的搭載最優(yōu)方案。一臺(tái)龍門吊搭載該分段的時(shí)間為五個(gè)階段，每個(gè)階段所用的時(shí)間計(jì)算方法如下：

1）吊車更換吊索具及其產(chǎn)生空載行走時(shí)間

式中：Ti1、Ti2、Ti3、Ti4、Ti5分別為每個(gè)階段吊車吊運(yùn)第i個(gè)分段所需要的時(shí)間；Lsxi、Lsyi為吊車由上一位置空載到吊索具所在位置橫縱個(gè)方向的行走距離；Vkxi、Vkyi為吊車空載橫向速度和縱向速度；Tch為更換單個(gè)鎖具的時(shí)間；Nsji為吊車吊運(yùn)第1個(gè)分段的吊索具數(shù)量；r1i為0時(shí)表示不需要更換鎖具，為1時(shí)表示需要更換鎖具。

2）吊車空載至吊運(yùn)分段初始位置時(shí)間

式中：Lcxi、Lcyi為吊車由上一位置空載到要吊運(yùn)分段所在位置橫縱個(gè)方向的行走距離。

3）分段掛鉤、翻身、起吊到合理高度時(shí)間

式中：Hc1i、Hc2i為吊起分段前后吊車吊鉤距離胎架的高度；Vdl為吊車提升或下放分段的速度；Tcx為一個(gè)吊耳掛鉤或卸鉤需要時(shí)間；Ndei為吊耳的數(shù)目；Ttu為分段翻身的時(shí)間；r3i為0表示該分段不需要翻身，為1表示需要翻身。

4）吊車將分段吊運(yùn)至目標(biāo)位置負(fù)載時(shí)間

式中：Lmxi、Lmyi為吊車由上一位置負(fù)載到要吊運(yùn)分段目標(biāo)位置橫縱個(gè)方向的行走距離；Vfxi、Vfyi為吊車空載橫向速度和縱向速度。

5）分段到達(dá)目標(biāo)位置，完成找正、切余量及焊接工作直到落鉤時(shí)間

式中：Tp為分段找正所需時(shí)間；Lfhi為分段悍接的長(zhǎng)度；Vfh為分段焊接的速度。

船舶建造是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過程，而船臺(tái)分段搭載工期所占比重接近甚至超過一半。若分段搭載計(jì)劃制定有誤，會(huì)直接導(dǎo)致船廠的工期延誤。研究分段搭載的優(yōu)化系統(tǒng)，幫助船廠制定合理的船臺(tái)分段搭載計(jì)劃，對(duì)于船廠縮短造船周期、提高核心競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有現(xiàn)實(shí)意義。