基于工作包/派工單的船舶總組/搭載仿真與優(yōu)化

朱明華，單小芬，毛申飛，朱仁貴

（1. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

基于工作包/派工單的船舶總組/搭載仿真與優(yōu)化

朱明華1，單小芬1，毛申飛1，朱仁貴2

（1. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

針對(duì)某系列散貨船總組/搭載區(qū)域工作包/派工單（WP/WO）作業(yè)分解實(shí)際，對(duì)總組/搭載過(guò)程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝和流程、設(shè)施設(shè)備和資源等進(jìn)行系統(tǒng)而全面的梳理與分析，建立基于WP/WO作業(yè)計(jì)劃的總組/搭載仿真模型。實(shí)際生產(chǎn)前在虛擬環(huán)境中進(jìn)行評(píng)估，提前發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理更加準(zhǔn)確、高效，確保生產(chǎn)有條不紊地進(jìn)行。實(shí)例分析結(jié)果表明，面向WP/WO作業(yè)計(jì)劃的總組/搭載仿真是行之有效的，可為精細(xì)化管理提供決策依據(jù)。

工作包/派工單；總組/搭載；仿真；優(yōu)化

0 引 言

船舶建造[1]是一項(xiàng)復(fù)雜的工程項(xiàng)目，具有單件、小批生產(chǎn)、周期緊、多工種、空間分道及產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)占有重要地位等特點(diǎn)，零部件、系統(tǒng)及建造工藝的多樣性決定了其生產(chǎn)組織、生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)資源的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的造船工程計(jì)劃管理[2]主要是依據(jù)造船工程師的經(jīng)驗(yàn)編制粗略的計(jì)劃，各工種和各類生產(chǎn)活動(dòng)做到大致協(xié)調(diào)，該過(guò)程中未考慮各工作的資源配置等問(wèn)題。雖然目前部分船廠已開(kāi)發(fā)和應(yīng)用生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)等信息化手段，但尚未從根本上解決部門、工種及船舶之間在時(shí)間和空間上的矛盾。

目前大型造船企業(yè)均是采用巨型總段合攏的方式實(shí)現(xiàn)搭載及全船建造的，并以此周期來(lái)規(guī)劃各巨型總段和總段的建造周期。然而，制定作業(yè)計(jì)劃仍以經(jīng)驗(yàn)為主，并行作業(yè)間缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。利用離散事件系統(tǒng)仿真功能，可預(yù)先通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)船廠繁雜的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)而及早發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化[3]。這里從該角度出發(fā)，綜合考慮總組/搭載過(guò)程中的產(chǎn)品、建造工藝、建造資源和生產(chǎn)計(jì)劃等因素，建立面向工作包/派工單（WP/WO）作業(yè)計(jì)劃的總組/搭載區(qū)域仿真模型，為制定合理的建造計(jì)劃、確保船舶建造節(jié)點(diǎn)和建造質(zhì)量提供有效的可視化分析平臺(tái)[4]。

1 基于WP/WO作業(yè)計(jì)劃的仿真建模

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與梳理

1.1.1 輸入/輸出

數(shù)字化的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是對(duì)龐大的設(shè)計(jì)、制造和管理等信息加以采集、管理及有效應(yīng)用，改變大量數(shù)據(jù)仍以紙張為載體進(jìn)行傳遞、交流和存儲(chǔ)的狀況。由于面向的是船舶建造過(guò)程仿真，因此必須將該過(guò)程中涉及的所有數(shù)據(jù)納入到仿真模型，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)（解決造什么船）、工藝數(shù)據(jù)（如何造）、資源數(shù)據(jù)（用什么造）和計(jì)劃數(shù)據(jù)（什么時(shí)候造）。通過(guò)對(duì)總組/搭載過(guò)程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，編制建?；鶞?zhǔn)書并進(jìn)行建模詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立各單元的仿真模型；通過(guò)輸入WP/WO作業(yè)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)仿真運(yùn)行，輸出各項(xiàng)管控點(diǎn)內(nèi)容并對(duì)其進(jìn)行分析，從而為決策優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。具體技術(shù)方案見(jiàn)圖1。

1.1.2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)

總組/搭載區(qū)域涉及的產(chǎn)品主要有分段、小總段、總段、巨型總段和整船等5種類型，產(chǎn)品數(shù)據(jù)主要來(lái)自于各型船的《分段總段劃分圖》，主要包括各產(chǎn)品的工程號(hào)、產(chǎn)品代碼（分段號(hào)、總段號(hào)等）、幾何尺寸、姿態(tài)（總組、搭載、駁運(yùn)）、翻身信息、流向（小總段、總段、巨型總段、整船）及質(zhì)量等。各類型產(chǎn)品之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 各類型產(chǎn)品之間的關(guān)系

1.1.3 工藝數(shù)據(jù)

工藝數(shù)據(jù)主要包括總組/搭載過(guò)程的工藝設(shè)置及工時(shí)、調(diào)度邏輯等信息。

1.1.3.1 工藝設(shè)置及工時(shí)

根據(jù)搭載部WO的工序劃分法，可歸納出總組/搭載的工藝流程（見(jiàn)圖3），其中各道工藝的工時(shí)來(lái)自于WP/WO中的工時(shí)數(shù)據(jù)。

圖3 總組/搭載的工藝流程

1.1.3.2 調(diào)度邏輯

1) 在總組過(guò)程中，定位分段（小總段）只進(jìn)行定位工藝，非定位分段（小總段）則根據(jù)分段總組順序（見(jiàn)表1）依次完成定位、裝配及焊接等后續(xù)工藝。

表1 分段總組順序

2) 在搭載過(guò)程中，定位總段只進(jìn)行定位工藝，非定位總段（分段）則根據(jù)其所屬巨型總段的搭載網(wǎng)絡(luò)或移位后的搭載順序依次進(jìn)行吊裝并完成后續(xù)工藝。圖4為艉部巨型總段的搭載網(wǎng)絡(luò)。比總組過(guò)程更嚴(yán)格的是，只有在所有的網(wǎng)絡(luò)前關(guān)聯(lián)總段的狀態(tài)滿足剛性要求之后才可搭載下一總段。例如，20E總段在吊裝前需保證其關(guān)聯(lián)總段（10A，20C）完成裝配工藝。

1.1.4 資源數(shù)據(jù)

資源數(shù)據(jù)主要包含總組/搭載的場(chǎng)地布局及功能、物流路線、設(shè)備參數(shù)及選用規(guī)則等信息。該區(qū)域主要關(guān)注平板車、塔吊、龍門吊和船臺(tái)小車等設(shè)備，其物流路線由駁運(yùn)產(chǎn)品和場(chǎng)地功能共同決定，分段總組過(guò)程的設(shè)備選擇邏輯見(jiàn)表2。

圖4 艉部巨型總段的搭載網(wǎng)絡(luò)（30A為定位總段）

表2 分段總組過(guò)程的設(shè)備選擇邏輯

1.1.5 計(jì)劃數(shù)據(jù)

先行中日程計(jì)劃、月度計(jì)劃、周計(jì)劃和WP/WO作業(yè)計(jì)劃均可驅(qū)動(dòng)仿真模型運(yùn)行，總組/搭載區(qū)域的仿真模型主要面向WP/WO作業(yè)計(jì)劃。這里以搭載WO作業(yè)計(jì)劃為計(jì)劃輸入，其內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 總組/搭載WP/WO作業(yè)計(jì)劃

1.2 離散事件仿真建模

1.2.1 總組/搭載過(guò)程仿真建模

基于各仿真元素模型及其對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合總組/搭載過(guò)程的調(diào)度邏輯、物流規(guī)則及場(chǎng)地布局等信息，

在DELMIA/QUEST中構(gòu)建總組/搭載過(guò)程仿真模型（見(jiàn)圖5）。

圖5 總組/搭載過(guò)程仿真模型

1.2.2 仿真與分析

仿真建模是仿真分析的前提，通過(guò)建立仿真模型，船廠更加關(guān)注仿真分析，即期望通過(guò)仿真所得數(shù)據(jù)為船舶建造的生產(chǎn)管理提供決策依據(jù)。將2015年總組/搭載的WP/WO作業(yè)計(jì)劃作為仿真輸入驅(qū)動(dòng)仿真模型運(yùn)行，并自動(dòng)輸出該區(qū)域的管控點(diǎn)內(nèi)容，主要包括物量統(tǒng)計(jì)、效率計(jì)算和計(jì)劃評(píng)估等3個(gè)方面。

1) 物量統(tǒng)計(jì)：月度消耗的分段物量（個(gè)數(shù)、噸位）及完成的搭載物量（吊數(shù)、噸位）統(tǒng)計(jì)。

2) 效率計(jì)算：主要輸出場(chǎng)地利用率及關(guān)鍵設(shè)備（龍門吊、塔吊及平板車）的負(fù)荷（吊數(shù)、排序、每吊用時(shí)）、利用率和行走距離。

3) 計(jì)劃評(píng)估：在仿真模型中輸入初步制定的總組/搭載WP/WO作業(yè)計(jì)劃，通過(guò)模擬輸出仿真運(yùn)行的總組/搭載計(jì)劃，對(duì)兩者進(jìn)行工程量、周期及資源配置的對(duì)比，分析在工藝分解上的合理性，分析原始計(jì)劃存在的問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以提高計(jì)劃執(zhí)行的準(zhǔn)確性。

2 WP/WO作業(yè)計(jì)劃優(yōu)化

2.1 優(yōu)化流程

從人員負(fù)荷均衡性的角度對(duì)總組/搭載WP/WO作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。首先基于Microsoft Project（以下簡(jiǎn)稱MP）實(shí)現(xiàn)班組負(fù)荷分析。由于MP是一個(gè)功能強(qiáng)大、使用靈活的項(xiàng)目管理軟件，具有項(xiàng)目范圍管理（項(xiàng)目分解）、項(xiàng)目進(jìn)度管理（甘特圖）、項(xiàng)目資源管理（資源平衡）、信息溝通管理（豐富的視圖和報(bào)表）和項(xiàng)目綜合管理（統(tǒng)籌協(xié)調(diào)整個(gè)項(xiàng)目的計(jì)劃、進(jìn)度及資源）等功能，項(xiàng)目組將基于該軟件開(kāi)展相關(guān)工作。

1) 結(jié)合搭載計(jì)劃，以搭載網(wǎng)絡(luò)和班組任務(wù)分配為輸入條件，制作計(jì)劃編制模板及班組負(fù)荷分析模板；2) 輸出WP/WO計(jì)劃，為仿真提供計(jì)劃數(shù)據(jù)；

3) 建立與WP/WO劃分一致的仿真模型，通過(guò)仿真模擬輸出改進(jìn)后的WP/WO計(jì)劃，同時(shí)輸出精確的關(guān)鍵設(shè)備作業(yè)排序及場(chǎng)地調(diào)度安排等數(shù)據(jù)；

4) 將模擬改進(jìn)后的計(jì)劃導(dǎo)入到MP模板中進(jìn)行班組負(fù)荷分析等，并提交合理的生產(chǎn)計(jì)劃。

2.2 實(shí)例分析

2.2.1 WP/WO作業(yè)計(jì)劃

將2015年涉及總組/搭載的所有船舶的搭載網(wǎng)絡(luò)輸入到MP計(jì)劃編制模板中，由此即可輸出WP/WO作業(yè)計(jì)劃（見(jiàn)表4）。

表4 WP/WO作業(yè)計(jì)劃（MP）

2.2.2 仿真模擬

基于文件的源（File Based Source）處理方式，將生成的總組/搭載WP/WO計(jì)劃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成QUEST指定的格式，以驅(qū)動(dòng)仿真模型運(yùn)行。在考慮場(chǎng)地資源、設(shè)備資源、工藝及邏輯等因素的影響下，可輸出模擬改進(jìn)后的WP/WO作業(yè)計(jì)劃（見(jiàn)表5）。

表5 WP/WO作業(yè)計(jì)劃（仿真）

2.2.3 改進(jìn)的WP/WO作業(yè)計(jì)劃

由于MP的靈活性，班組負(fù)荷分析所需的WP/WO作業(yè)計(jì)劃既可由搭載網(wǎng)絡(luò)生成，又可從外部文件直接導(dǎo)入。將模擬改進(jìn)后的計(jì)劃導(dǎo)入到MP的計(jì)劃編制模板中，可自動(dòng)生成班組負(fù)荷分析。對(duì)超負(fù)荷的班組，可通過(guò)提前開(kāi)工、增加班組施工人員及安排加班等方式進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)后的人員負(fù)荷較均衡的狀態(tài)見(jiàn)圖6，待所有的班組均不超負(fù)荷時(shí)，即認(rèn)為該WP/WO計(jì)劃是可行的。

圖6 人員負(fù)荷較均衡的狀態(tài)

3 結(jié) 語(yǔ)

仿真只是一種技術(shù)手段，關(guān)鍵在于利用先進(jìn)的技術(shù)手段解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題[5]。通過(guò)建立基于WP/WO作業(yè)計(jì)劃的總組/搭載仿真模型，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際生產(chǎn)前在虛擬環(huán)境中展現(xiàn)未來(lái)真實(shí)的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，并發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，使設(shè)計(jì)、WP/WO作業(yè)計(jì)劃和生產(chǎn)管理更為準(zhǔn)確、高效，確保生產(chǎn)有條不紊地進(jìn)行。該研究還只是良好的開(kāi)端，通過(guò)面向 WP/WO作業(yè)計(jì)劃的總組/搭載仿真優(yōu)化實(shí)踐，對(duì)總組/搭載過(guò)程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝和流程、生產(chǎn)現(xiàn)狀和資源等進(jìn)行系統(tǒng)而全面的梳理與分析，實(shí)現(xiàn)了總組/搭載過(guò)程仿真模擬和各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的輸出。

[1] 朱安慶，馬曉平，周魯兵. 數(shù)字化造船生產(chǎn)設(shè)計(jì)管理研究[J]. 船舶工程，2010, 32 (3)∶ 63-65.

[2] 鄭冬標(biāo)，邢曉龍. 江南造船數(shù)字化生產(chǎn)計(jì)劃關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用[J]. 船舶與海洋工程，2010 (2)∶ 72-78.

[3] 胡可一，鄭冬標(biāo). 數(shù)字化造船與江南信息化建設(shè)[J]. 上海造船，2005 (1)∶ 1-5.

[4] CHA J H, ROH M I, LEE K Y. Integrated simulation framework for the process planning of ships and offshore structures[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2010, 26(5)∶ 430-453.

[5] 朱明華，顧華，李沛田，等. DELMIA/QUEST軟件在船舶建造仿真中的應(yīng)用[J]. 江南艦船技術(shù)，2011 (5)∶ 22-25.

Ship Pre-erection/Erection Simulation and Optimization Based on Work Package/Work Order

ZHU Ming-hua1，SHAN Xiao-fen1，MAO Shen-fei1，ZHU Ren-gui2
（1. Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China；2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbulding Co., Ltd., Guangzhou 510715, China）

According to the work breakdown practice of work package/work order (WP/WO) in the pre-erection/erection area, this paper carries out systematic and comprehensive analysis on the basic data, production technology and process, facility and equipment as well as the resources during pre-erection/erection, and establishes the pre-erection/erection simulation model based on WP/WO plan. Assessment is performed in a virtual environment before production to reveal potential problem and thus to make the design, production and management more accurate, effective and in a more orderly way. Analysis of a practical example shows that the pre-erection/erection simulation based on WP/WO work plan is an effective new technology that provides decision basis for fine management.

WP/WO; pre-erection/erection; simulation; optimization

U671；U673.2

A

2095-4069 (2017) 02-0072-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.013

2016-06-01

國(guó)防科工局基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A0720132011）

朱明華，男，博士，高級(jí)工程師，1981年生。2010年畢業(yè)于上海交通大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)部部長(zhǎng)助理，主要研究方向?yàn)榇皵?shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造。