船體分段裝配序列規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張子凡

（天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津300000）

1 引言

為解決目前我國(guó)造船企業(yè)，工藝制定自動(dòng)化水準(zhǔn)低、難度大的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)針對(duì)船舶裝配工藝的計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)，旨在通過(guò)系統(tǒng)開發(fā)將裝配序列的推理和評(píng)價(jià)技術(shù)等進(jìn)行合理封裝，幫助設(shè)計(jì)人員更好地進(jìn)行裝配工藝制定。

2 裝配工藝輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

船體建造涉及的結(jié)構(gòu)件眾多，裝配工藝制定過(guò)程復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化程度不高，難以系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)的積累和繼承。基于此背景，我們研究設(shè)計(jì)的船體裝配工藝輔助決策系統(tǒng)，可以利用推理模塊，實(shí)現(xiàn)高效快捷地給出船體分段裝配序列的建議，并為裝配工藝知識(shí)的收集、繼承和管理提供良好的解決方案。具體目標(biāo)包括：①實(shí)現(xiàn)造船企業(yè)裝配設(shè)計(jì)工藝的集成，便于企業(yè)對(duì)已有工藝和知識(shí)進(jìn)行高效的收集、保存和管理；②加強(qiáng)裝配工藝設(shè)計(jì)的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，提高船舶建造效率；③通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用，降低建造過(guò)程返工率，縮短建造周期，降低船舶制造的生產(chǎn)成本。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循如下原則：①操作簡(jiǎn)便。軟件使用方便快捷，界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔且便于操作。②系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)保障簡(jiǎn)易。該系統(tǒng)系自主研發(fā)，具有較好的技術(shù)支持能力，能夠及時(shí)地對(duì)軟件進(jìn)行更新升級(jí)。③具有良好的整體性。預(yù)留出專用接口，便于將該系統(tǒng)與其他軟件進(jìn)行整合。④較強(qiáng)的專業(yè)性。⑤具備數(shù)據(jù)收集功能。便于相關(guān)知識(shí)、資源和數(shù)據(jù)的積累、分析和進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3 開發(fā)環(huán)境及運(yùn)行環(huán)境

開發(fā)平臺(tái)：MS Visual Studio 2012。該開發(fā)平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單，可視化程度高，界面友好等特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)：本系統(tǒng)開發(fā)采用SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL Server 2012是新一代大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS），功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)安全性高，可以提供高效可靠的數(shù)據(jù)管理方案。

軟件運(yùn)行環(huán)境：Windows7/windows10操作系統(tǒng)。

硬件運(yùn)行環(huán)境：Intel（R）Core?2i3-2410M及以上，內(nèi)存不小于1G。

3 裝配序列輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝配序列輔助規(guī)劃決策系統(tǒng)的目標(biāo)和船體裝配工藝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如下所示。

支撐層：提供外部程序的鏈接；資源層：實(shí)現(xiàn)裝配資源、知識(shí)推理、模型仿真等資源的存儲(chǔ)；功能層：主要包括裝備資源管理、裝配序列規(guī)劃、仿真、評(píng)價(jià)、輔助決策等五個(gè)模塊；用戶層：方便用戶從人機(jī)交互的界面進(jìn)入船舶分段裝配序列輔助決策系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)主要功能模塊

3.2.1 系統(tǒng)登錄

該模塊包括船體裝配工藝輔助決策系統(tǒng)的登錄和退出。

3.2.2 船體裝配工藝輔助決策系統(tǒng)

船體裝配工藝輔助決策系統(tǒng)，含裝配資源管理、裝配模擬、裝配序列規(guī)劃、裝配序列評(píng)價(jià)等四大模塊，其主要功能描述如下：①裝配資源管理。對(duì)常見制造物理資源和基本數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)。主要功能包括產(chǎn)品信息管理、裝配規(guī)則管理和部件連接信息管理。其中產(chǎn)品信息管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的屬性記錄和編輯功能，裝配規(guī)則管理和部件連接信息管理則提供對(duì)裝配工藝所需資源的增加和修改工作。②裝配模擬。該模塊主要包括裝配模型管理和裝配過(guò)程模擬兩個(gè)子模塊。裝配模型管理子模塊，主要管理造船所需的裝配結(jié)構(gòu)件模型；裝配過(guò)程模擬子模塊，則主要對(duì)裝配相關(guān)知識(shí)資料進(jìn)行管理，對(duì)裝配工藝進(jìn)行虛擬仿真，還可以作為直觀的裝配過(guò)程演示與分析途徑。③裝配序列規(guī)劃。該模塊主要用于裝配序列的工藝制定。在完成裝配對(duì)象的確定和初始條件設(shè)置的基礎(chǔ)上，將研究對(duì)象和裝配規(guī)則進(jìn)行匹配，通過(guò)內(nèi)部推理機(jī)制給出切實(shí)可行的裝配序列決策建議。這一模塊是該系統(tǒng)的核心，主要功能包括對(duì)象管理、工藝輔助決策和結(jié)果管理。④裝配序列評(píng)價(jià)。通過(guò)人機(jī)交互的方式確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，并選定待評(píng)價(jià)的裝配序列，通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算機(jī)制對(duì)裝配序列做出評(píng)價(jià)，以便于用戶根據(jù)實(shí)際需求做出相應(yīng)決策。

3.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1截取了一部分?jǐn)?shù)據(jù)表，用以說(shuō)明本系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邏輯的設(shè)計(jì)。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.2 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表2描述了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的物理設(shè)計(jì)。

表2 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表

4 系統(tǒng)應(yīng)用分析

以某雙底層分段裝焊工藝的制定過(guò)程為例，其結(jié)構(gòu)模型如下圖所示。

目前船廠的裝焊工藝主要采取人工編制的方法，工藝編制過(guò)程涉及船體模型建立、裝焊工藝編制及實(shí)驗(yàn)認(rèn)證，對(duì)于新產(chǎn)品和新工藝編制的合理性和可靠性的認(rèn)證審定周期較長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的裝配序列的制定過(guò)程相比，船舶裝配工藝輔助決策系統(tǒng)，能夠在提高裝配工藝制定效率、提升裝配工藝的合理性和可行性方面取得良好效果。

在裝配工藝方面，該系統(tǒng)主要通過(guò)以下三個(gè)步驟提高裝配序列的制定效率。

①裝配序列的智能推理。目前船廠現(xiàn)有的裝配工藝主要依賴設(shè)計(jì)人員和施工人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度不足。船舶裝配工藝輔助決策系統(tǒng)，則通過(guò)將傳統(tǒng)的裝配知識(shí)進(jìn)行整理分析，結(jié)合智能細(xì)算系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的推理規(guī)則，并將其固化為裝配工藝的標(biāo)準(zhǔn)化流程，以對(duì)裝配工作進(jìn)行建議和指導(dǎo)。

②裝配序列的仿真。通過(guò)三維軟件對(duì)推理生成的裝配工藝進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證其可行性和有效性，從而對(duì)其進(jìn)行初步篩選。

③裝配序列的評(píng)價(jià)。通過(guò)系統(tǒng)的裝配序列評(píng)價(jià)模塊，由資深的裝焊工藝人員制定評(píng)價(jià)指標(biāo)和相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合模擬的結(jié)果對(duì)裝配序列進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析和優(yōu)劣排序，從給出的裝配序列建議中選出最切實(shí)可行的裝配序列。

經(jīng)過(guò)船體裝配工藝輔助決策系統(tǒng)的優(yōu)化，采用模塊化造船思想，以組立（縱艙壁+肋板）為單元，將部件數(shù)量由64個(gè)下降為43個(gè)，總工時(shí)由93個(gè)下降為76個(gè)，在很大程度上縮短了船體分段的建造工時(shí)。有利于降低全船的建造周期，在市場(chǎng)低迷的情況下最大限度地節(jié)約造船企業(yè)的生產(chǎn)成本，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。