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利用计算机仿真的造船生产工艺设计方法

摘要

在造船生产工艺设计方法论的研究中，计算机仿真被建议应用。它被希望从方法论建议给复杂的造船生产流程设计程序更好，更有效率的工具。本研究的第一部分讨论了现有实践中的造船生产工艺设计，强调了它的缺点和问题。接着，离散事件仿真建模方法作为基础的方法论建议被研究，并描述关于它的特点，优势和应用的理由，尤其是在造船生产过程。此外，还描述了仿真建模基础，提出了用于生产工艺程序的方法。设计一个自动化的型材装配生产工艺线被作为案例研究来论证。通过跟安装在特定造船厂生产工艺的自动化型材切割流水线，可以评价用建议方法论选择的设计方案。基于从实际生产中获得的数据，仿真系统可以得到更好的提升。最后，以这项研究的结果和驱动的结论为根据，给出了进一步方向的建议。

关键词：造船；生产工艺设计；决策；计算机仿真

1.介绍

在当今的市场中，船厂必须不断地致力于提高他们的生产工艺和技术，，以提高生产率和利润。因此船厂的管理者经常在他们的生产工艺上采取有意义的行动，尤其是在新技术实施到现有的生产工艺方面，这是一个复杂的任务。新的生产工艺的设计经常是一个基于各种已知现有限制条件的假设基础上的任务，此外，方案必须是依赖于各决策变量相互作用的结果【1】。对于这些问题，笔者分析了现有设计生产工艺的设计方法，技术和工具，特别是造船工艺【2】。根据观察现有方法的缺点，确定了为造船工艺学科学地建立一个新方法的需要。这种方法应该为船厂新技术的实施，管理和提高现有技术，以及决策制定的整个过程提供支持。因此本文将呈现一个基于仿真建模方法和选择性运筹学方法的造船生产工艺设计方法论。建议的方法和设计的计算机仿真模型通过特定船厂的生产工艺设计案例研究来检测，并且在生产线安装后被证实。利用真正的工艺数据，模型将进一步提升，并被几个生产方案证实，因此它有潜力应用在调度，进行假设分析方案，优化，计划，控制等真正的生产工艺中。

2.问题讨论

船厂生产过程，针对它的特点，是最复杂的业务和生产系统之一。它的复杂性是最终产品——船舶复杂性的结果。船舶是高资本值的单个产品，它主要是有不同的类型和尺寸。如此复杂的产品需要具有以下基本特征同样复杂的造船工艺：大量的中间产品；显著互动和相互依存的工艺；大多是关于非重复过程具有不同的持续时间；过程输入含有大量的组件，但具有小数目的不同输出的最终产品；工艺在许多并行子过程进行的，以更多或更少的时间重叠；制造工序为技术上的不同，采用不同的工作方式；生产过程中有两个，一个“通过工艺的产品运动”，一个“通过产品的工艺运动”【3】。图一给出了造船生产工艺的简化方案。在进行研究的过程中，针对生产工艺设计的各种现有方法，技术，工具被研究，这些方法的缺点被确定，特别是在上面提到的造船生产工艺复杂性方面【2,4】。通常用传统的方法，一个设计方案基于跟有类似工艺的其他船厂做比较来界定。在特定情况下这种方案可以令人满意，但并不一定最优地适应所观察的船厂【5,6】。对于这个问题，对工艺设计和改进的科学方法应用更加广泛的接受，例如数学建模的相关方法【7,8】。但是作者发现了传统的数学建模和分析方法在设计复杂的生产工艺时的缺点，如造船，这使得有某些限制因素的传统的数学方法得以应，例如：实际生产过程中，元素及其关系往往得不到充分已知，并且不能被数学定义；真正的问题往往很复杂，这使得其分析的定义很困难；用常规的数学建模，很难呈现观测流程的动态变化。根据发现的问题，本研究中，新的基于仿真建模方法，以及选择的作业研究方法和工具的造船生产流程设计方法被提出。

交船

涂装

装备装配（分段，模块）

装备加工

装备存储

码头舾装

船体分段合拢和船台舾装

船体分段组装和预舾装

船体构件装配和舾装

板材和型材加工

板材和型材预处理

钢材堆场

（板材和型材）

图1. 造船生产工艺方案

3.问题解决方法

基于对缺点进行分析和坚定，开发和建议了以离散事件仿真模型在基础方法的造船流程设计新方法。

3.1离散事件仿真建模

术语仿真建模表达了一种复杂的活动，涉及三个要素：实际系统，模型和计算机。仿真可以被定义为在确定的要求和限制下建立一个实际动态系统的动态模型。它的目的是理解真实系统的行为并为新系统的设计或者改造现有系统而评估不同的设计和生产可选方案【10】。

在提出的方法中，一种面向对象的Simtalk语言被应用在离散事件仿真建模软件eM-Plant中。

离散事件仿真的使用，是因为在我们研究的生产流程系统中主要是公认的离散事件系统。在这个系统中，每个时间发生在时间上的特定瞬间，标记一个系统中状态的改变。在连续时间之间，假定在系统中没有变化发生【11】。计算机模拟模型，相比于传统的分析模型，更多的是描述性的，更易于管理，它允许设计人员快速的在早期设计阶段在计算机上校验各项决定的替代品【12】。此外，这种方法使得最终的决定更可靠，适应观察的船厂更好，因为它提供了大量的相关和及时的信息，使用更加可靠并且低风险的决策，使得解决方案更加适合特定船厂优化安装线。总的来说，仿真建模方法被建议作为生产流程设计基本方法的几个最显著原因如下【13】：计算机仿真模型可用于评估不同的设计方案（方案假设分析），优化最终投资；计算机仿真模型可被用于与某些关键设备参数进行实验，但不影响实际流程；使用计算机仿真模型，有可能在流程瓶颈出现在实际进程前在计算机模型中被发现；使用工艺仿真计算机模型可以提高流程效率；使用工艺仿真的计算机模型可以提高调度策略；使用工艺仿真计算机模型可以降低生产成本，提高质量；等等。另一方面，应该注意，仿真建模过程可能是耗时且昂贵，因此不应该在下列情况被使用：问题能够被更快更容易的解析解决；问题可以用经典实验来解决；开发仿真模型的成本比潜在的好处多；没有时间开发该仿真模型；仿真模型结果无法确认；模拟系统的行为和特征是过于复杂的和未知的。

3.2推荐方法介绍

在这项工作中，我们特别感兴趣造船生产流程和它的计算机仿真模型的案例。方法本身是通过以下七个阶段构成的：

阶段1；确定问题和项目目标；在这个阶段，使用流程图，因果图，排列图，基准（SWOT，比较表，专家调查，潜力分析）等方法和工具，现有的流程应该被分析，问题，目标，最后期限应该被确定。这一阶段的主要任务是：明确问题及其原因，什么还有待提高;项目目标应明确规定;责任和时限加以界定。

阶段2；定义输入数据和构思仿真模型；这一阶段的主要目标是收集所需要的输入数据，使用如因果图，CAD工具，工艺流程图，模拟对象的编程语言等的方法和工具，初步建立新的设计解决方案和它的仿真模型。第二阶段的主要任务是：定义输入数据和初步全新设计的解决方案（定义设备的CAD图纸，工艺流程图，因果图等）;构思仿真模型（新的生产工艺的仿真模型，应在概念上定义）。

阶段3；计算机仿真模型开发；这个阶段的主要目标是主要使用离散事件模拟模型的方法和诸如回归分析，统计分析，仿真等工具来开发新的生产工艺设计的功能的计算机模拟模型。折以阶段的任务是：组织和系统化收集来的数据（了解可用数据的概况并识别缺少的数据）； 定义输入的生产数据（输入的生产数据作为仿真模型的基础被定义）；开发计算机仿真模型（包含离散仿真软件的计算机仿真模型的开发）。

阶段4；验证仿真模型；这个阶段的目标是验证开发的仿真模型，确认它可用于进一步分析，以建立功能和开发仿真模型逻辑的信心。使用的方法主要是基准测试（比较表）和专家调查。验证模型这个问题可理解为从模型中删除逻辑错误，并确保模型所有功能的实现。

阶段5；生产方案分析和仿真模型的改进；这个阶段的主要目的是评估设计方案的仿真模型和它的潜在的改进。这个阶段应该产生行参数的定义以满足项目目标。主要任务是：仿真设计方案的分析验证（设计方案应针对项目目标进行分析以发现是否满足项目目标，如果没有，方案应该被进一步分析和改进）；分析和改进仿真设计方案。在此建议使用的方法和工具，包括：针对设计方案验证，使用物质流分析和生产线负荷分析仿真方法；用敏感性分析的结果测试行参数的变化并确认最有影响力的一个。

阶段6；结果记录;这一阶段的主要任务是以清晰易懂的方式记录项目的程序和结果。

阶段7；实施设计方案；这个阶段的主要目标是实现建议的设计方案到真实造船厂生产过程。这个阶段的主要任务是：实现最终的设计方案进入真正的船厂流程中；仿真模型的改进（仿真模型是基于实际生产过程中收集数据进一步提高）。这种改进的模型可以用于连续生产改进和生产计划。

表1展示了一个各方法阶段的提炼介绍以及有关的主要任务。

4. 方法应用案例

发达的方法被应用，并通过设计船厂自动化型材加工生产线为案例研究来测试。本节，方法被根据定义程序的解释来执行。

4.1确认自动化型材加工生产线的设计目标

在观测船厂，现有的型材加工生产线是老旧的，合格率不足，并且占用了大量的生产面积和工人。因此船厂的目标是设计一条新的型材加工生产线，它将需要更少的空间，更高的效率和更好的合格率。为定义初始设计，这个阶段使用的主要方法是对标测试，与有同类生产线的相似船厂作比较。这个船厂和所选设备的供应商已经建议了一个初始生产流程设计。使用设备制造商提高的普通型材生产时间，可以初步估算生产线的吞吐量。然而，根据普通型材的方案不能令人满意。为了使决策风险最小化，并更加确定建议的生产线符合被要求的吞吐量，还要求用来自几种船型的典型船舶分段的生产数据来测试建议方案。因此，决定开发最初建议生产线解决方案的仿真模型。这种模型将用备选船型选定的产品组合来测试，以评测所建议的生产方案是否满足了所要求的吞吐量。如果不是这样，为了实现所需的吞吐量提高，线路将被进一步分析。这样的结论，可以比传送给设备制造商的要求，以提高最初建议的解决方案的特定需求。以这种方式，最终方案更适应于特定造船厂和如所预料地降低整体成本，决策涉及风险小得多。概括的说，发达方法的应用目标是：基于改进的计算机模拟模型，它必须被测试制造商建议新自动化线的设计方案是否与最小吞吐量要求相匹配，Tmin；如果不，应当建议如何提高线路特性和它的参数。

4.2计算机仿真模型构思和开发

基于新自动化型材切割生产线的初始建议设计方案，创造了概念因果图（图2）和生产工艺流程图（图3）。此外，生产线的初步技术特性，操作和材料流动特性，和输入生产数据被确定。这个数据被部分从设备供应商和部分从船厂专家测量法所接受。从观察到的生产线最重要的输入参数，作为用于概念性仿真模型的输入数据，在表2给出。根据进行的分析，收集到的数据和定义的生产过程，计算机仿真模型就其结构，逻辑，功能和组织在概念上被定义。

制造时间

分类的托盘

机器人工作站

缓冲器

分类的起重机

抛丸工位

运输设备

图2.自动化型材加工生产线因果图

图3.自动化型材加工生产线概念生产流程图

表2. 仿真生产线元素输入参数

基于定义的生产流程因果图，工艺流程图，生产线技术特征，新自动化型材加工切割生产线仿真模型在特定的离散仿真软件中被开发，（图4）。在此，重要的是要区分相关和不相关的事实并做出正确的假设对于作为仿真建模过程基的础质量模型开发是具有根本重要性的。因此，重要的是要：决定什么应该包含在模型中和模型中的细节水平；区分过程和执行操作的基本资源；识别和定义时空限制条件下系统中的任何限制条件；同意并定义条件和验证和确认模型的方法；确定被期待的最终结果以及期限。

图注：A区 –传送型材和扁钢;B区- 旋转输送扩散材料到车间; C区 - 主输入输送机; D区 - 缓冲空间; E区 –抛丸工位; F区 - 机械切割工位; G区 –分拣起重机和分拣托盘; H区 – 为面板线输送型材

此外，定义为仿真模型作为生产组合的输入材料规格（表3），产品组合的具体配置是通过船厂专家测量方法定义。样本包含化学品船双层底和沥青船底的型材和扁钢。

件数

厚度

高

标签

表3.输入材料规格

4.3仿真模型验证，分析和改进

初始模型验证与船厂进行专家合作进行。这种验证主要基于船厂专家的经验和已知数据，测试流程模型的逻辑，功能，行为和结果。如果需要的话，模型微调在多次迭代，直到最终确认。这种被证实的模型能够用来评估建议设计是否实现了项目目标：仿真加工时间， Ftsim，型材及扁钢的定义特征输入生产组合最初建议的设计解决方案的，应小于最小时间，Ftmin，基于定义的型材在一个月内和两个班次来实

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