基于計算機仿真模擬的船舶制造工藝設計

王 玲

（江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211100）

船舶制造是一項極為復雜的生產過程，身為高資本價值的單個產品，不同類型、大小的船舶都需要與其相對應的生產系統和制造工藝，其工藝具有以下基本特征：大量的中間產品，各項制造流程間的重要交互和相互依賴；具有大量不同持續時間的非重復過程；包含大量組件，但輸出的最終產品數量很少；進程在許多并行的子進程中進行，或多或少的時間重疊；工藝在技術上不同，使用不同的工作方式。在過去的研究中，研究者調查了各種生產過程設計方法、技術和工具，并確定了這些方法的缺點。傳統船舶制造工藝的設計通常根據與其他已經擁有類似技術的造船廠的比較來定義設計解決方案。這種方法在一段時期內取得了令人滿意的結果，但隨著船舶制造需求個性化的不斷突出，該類方法的適用性也有所下降[1]。對此，應采用科學的數學建模、計算機模擬等相關方法對船舶制造工藝設計進行改進和更新。該研究針對傳統數學建模和分析方法在設計復雜生產過程的缺點，提出了一種基于計算機仿真建模方法的船舶制造和生產過程設計新方法。

1 基于計算機仿真模擬的船舶制造與生產過程設計的新方法

1.1 離散事件模擬仿真

仿真建模涉及三個要素的復雜活動：實際系統、模型和計算機。仿真可以定義為在特定的要求和限制內建立實際動態系統的動態模型過程，目的是了解真實系統的行為并評估不同設計或生產備選方案[2]。由于船舶制造是一項高度復雜的生產過程，符合離散事件系統特征，因此該研究使用了離散事件仿真建模軟件eM-Plant 中的面向對象的SimTalk 語言。與傳統的分析模型相比，計算機仿真模型更具描述性、更易于管理，設計人員能夠運用計算機在早期設計階段驗證各種決策替代方案。此外，這種方法能夠有效地提高決策效率，通過采集實時信息，能讓各環節工作人員從整體的角度觀察船舶制造容易出現的問題，使解決方案更可靠和風險更低，適用于個性化需求更為突出的現代造船業。將仿真建模方法作為船舶生產過程設計基本方法的主要原因是：可用于在最終投資之前評估不同的設計方案（假設情景）；可用于對某些關鍵設備參數進行試驗，而不會影響實際過程；可以在實際過程中發現其計算機模型上的過程瓶頸；可以提高過程生產率；可以改進調度策略；可以降低生產成本和提高質量等。但同時，也需要注意計算機仿真模擬應用存在的一些問題：仿真模擬應用的時間較長，影響生產效率；可以用經典實驗代替解決；開發仿真模型的成本高于潛在收益；仿真模型結果無法確認；建模系統的行為和特征過于復雜和未知[3]。

1.2 船舶生產設計模擬仿真具體過程

1.階段1。問題和項目目標定義：此階段應分析現有流程，并使用圖形流程、因果圖、帕累托圖、生產基準（SWOT、比較表、專家調查、潛力分析）等方法和工具確定模擬仿真的目標和期限。該階段的任務如下：定義問題、原因及需要改進的地方；明確項目目標；明確具體任務和期限[4]。

2.階段2。確定輸入數據及仿真模型概念化：此階段的主要目標是收集所需的輸入數據，使用因果圖、CAD 工具、工藝流程圖、仿真對象編程語言等方法和工具建立初步的新設計解決方案和IT 仿真模型。

3.階段3。計算機仿真模型開發：本階段的主要目標是使用離散事件仿真模型方法和回歸分析、統計分析、仿真等工具，開發新生產工藝設計的功能計算機仿真模型。

4.階段4。仿真模型驗證：此階段的主要目標是驗證已開發的仿真模型并對其進行確認以進行進一步分析，使用的方法主要是基準（比較表）和專家調查。

5.階段5。生產場景分析和仿真模型改進：該階段的主要目標是評估設計解決方案的仿真模型及其潛在改進空間，此階段應定義生產線參數以滿足項目目標。

6.階段6。結果記錄：此階段的主要任務是以清晰易懂的方式記錄項目程序和結果。

7.階段7。設計解決方案的實施：此階段的主要目標是將建議的設計解決方案實施到實際的造船廠生產過程中。該階段的主要任務是：將最終設計方案實施到實際造船廠流程中；仿真模型的改進（基于從實際生產過程中收集的數據進一步改進仿真模型）。這種改進后的模型可用于持續的生產改進和生產計劃。這就是各階段的主要任務[5]。

2 計算機仿真模擬在船舶生產工藝設計中的具體應用

2.1 確定新型加工生產線設計的目標

我們觀察到現有的部分船舶制造加工生產線已經出現設施陳舊、產能不足、占用生產面積過多以及工人過多的問題。因此，造船廠的主要目標是設計一條新的、機器人化的加工生產線，該生產線需要更少的空間、更高的效率和更高的吞吐率。這一階段使用的方法主要是通過與已有該生產線的類似船廠進行比較，以此選定設備制造商并提出初步生產工藝設計。生產線產量最初是使用設備制造商提供的平均加工生產時間估算的。然而，這種基于平均分布的解決方案并不完全適用于真實生產情況，因此需要使用來自幾種船舶類型的典型船舶部分的生產數據來測試建議的解決方案，以最大限度地降低決策風險，并更加確定建議的生產線將符合所需的工作量。因此，應針對性地開發生產線解決方案的仿真模型。此類模型將使用選定船舶類型的生產組合進行測試，以評估建議的解決方案是否滿足所需的工作量。如果沒有，將進一步分析和改進生產線，以達到所需的工作量。通過這種方式，能夠有效降低決策風險且最終解決方案更適合特定的船廠。總而言之，應用開發的主要目標是：基于開發的計算機仿真模型，測試制造商建議的新生產線的設計解決方案是否符合最低工作量要求；如果不是，應建議如何改進線路及其參數。

2.2 計算機仿真模型開發

根據初步建議的新型船舶加工生產線設計方案，創建概念因果圖和生產工藝流程圖，確定了生產線的初步技術特性、操作和物料流特性以及輸入的生產數據。該數據部分來自設備供應商，部分來自船廠專家調查。來自觀察生產線的最重要的輸入參數，作為概念模擬模型的輸入數據。基于所進行的分析、收集的數據和生產過程，確定了計算機模擬仿真模型的結構、邏輯、功能和組織。

基于上述的生產過程圖、工藝流程圖和技術生產線特點，新型自動化型材制造仿真模型切割生產線是在專門的離散仿真軟件中開發的。同時，確定了作為模擬仿真模型生產組合的輸入材料規格。

2.3 仿真模型驗證、分析與改進

初始模型驗證主要基于造船廠專家經驗和已知數據的測試過程模型邏輯、功能、行為和結果。模型會在多次迭代中進行微調，直到最終確認。確認模型可用于評估建議的生產設計是否滿足項目目標，即：對于初始建議設計解決方案，模擬制造時間Ftsim應小于最小制造時間Ftmin，型材目標吞吐率——Tmin應達到一月兩班，因此：

其中Ftsim是初始建議設計解決方案的所選輸入生產數據的模擬制造時間；Ftmin是所選輸入生產數據所需的最小制造時間；Np是所選產品組合中型材和扁鋼的數量；Tmin是目標船廠月產量中型材和扁鋼的數量；Nwd是一個月的工作日數；Ns 是一天的工作班次數；Nwhs是輪班工作時數。通過仿真建模，可以確定，針對選定特征輸入數據的最初建議設計解決方案的仿真制造時間Ftsim比最低要求的制造時間多花費約20%，Ftmin：

以上不符合項目目標。因此，必須進一步分析設計解決方案以確定原因。進一步分析的主要內容如下：物質流分析；生產線負載分析和潛在生產線瓶頸識別；用靈敏度分析方法識別對目標函數影響最大的線參數。在敏感性分析方法中，模擬了在初始輸入值的10%范圍內變化的線路特性，以及所有場景組合。特別更改的參數是自動化切割速度；起重機運動和起升速度；噴砂速度；緩沖區的大小和傳送帶的速度。參數變化范圍根據船廠專家的調查方法確定，已經確定了主要問題和對切割時間影響最大元素是分揀起重機的性能。

由于起重機操作性能的不足，自動化切割站被阻塞的時間超過35%。因此，對各種生產場景進行了更多模擬，同時改變起重機和自動化切割站參數。結果顯示在表1 中，表1 比較了改進的模擬制造時間Ftsimp與最初建議解決方案的目標最小制造時間。

表1 制造時間結果和相對于最初建議解決方案的改進

其中Tmin根據公式（2）計算，基于以下特定造船廠生產數據：Np——2136 型材和扁鋼零件；Tmin——每月11000 個型材和扁鋼；Nwd——每月24 個工作日；Ns——天2 個工作班次；Nwhs——7.5 工作小時輪班。由此可以明顯看出，改進后的仿真模型解決方案比制造商最初建議的設計解決方案提高了13%。此外，這種改進的解決方案滿足了所需的每月吞吐量目標，而最初提出的解決方案沒有實現這一目標。在下面的部分中，將基于與實際過程的比較來解釋開發的仿真模型。

2.4 仿真模型確認、增強及進一步研究

基于仿真模型的方法和計算機模型，針對實際生產過程數據進行了測試。根據與實際生產過程數據的比較，對計算機仿真模擬的效果進行了評估。對比四種不同組合的生產樣本，我們發現其與計算機仿真模擬結果存在著一定差異，平均值約為7.25%（表2）。產品組合由來自以下三艘不同船舶的部分組成：產品組合1 主要由扁鋼和來自船中部雙底部分的型材組成；產品組合2 由扁鋼和型材組成，來自運輸船型；產品組合3 由扁鋼和型材組成，運輸船型，主要來自船中段的雙殼段。產品組合4 由扁鋼和型材組成，來自瀝青運輸船型，主要來自船中段的底部。產品組合之間測量時間的差異主要是由于這些船舶的結構特征不同，如平均型材厚度、型材尺寸、型材端部制備、型材處理類型和特性等。

表2 計算機模擬工藝時間與實測生產時間的比較

由于某些人為因素問題、意外故障或堵塞沒有包含在模擬仿真模型中，這些問題可以從生產過程中收集較長時間的數據作為統計和概率變量包含在模型中。盡管如此，這個版本的模型仍然被認為足夠準確，該模型還可用于：規劃和評估某些生產組合所需的工作時間；提前發現和預測生產中的問題和瓶頸；根據各種條件對生產過程進行連續測量和分析，以便其可以不斷適應和改進等。

3 結論

該研究對現有的船舶生產過程設計方法和技術進行了分析，認識到傳統方法和傳統數學建模與復雜生產過程設計存在的缺點。介紹了基于計算機仿真模擬的船舶制造與生產過程設計的新方法，并給出船舶生產設計模擬仿真具體過程。基于此，探索計算機仿真模擬在船舶生產工藝設計中的具體應用。根據研究結果，使用計算機模擬仿真建模完成設計解決方案與使用傳統方法的最初建議設計相比，制造時間縮短了13%。但與實測生產時間相比存在7.25%的差異，應在后續的研究中予以解決。計算機模擬仿真為造船廠管理層提供了在早期設計階段驗證設計備選方案的有效工具，并使管理層能夠以較低的風險水平做出決策，從而提高制造效率、降低制造成本。