船舶設(shè)計(jì)中的管材套料問(wèn)題分析與解決方案

周言高, 洪 楠

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225211)

0 引 言

船舶設(shè)計(jì)和建造是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到的舾裝物資數(shù)量龐大。就管路系統(tǒng)而言,一艘6萬(wàn)噸級(jí)散貨船有50～80個(gè)管路系統(tǒng)原理圖,約有11 000根管段,其中包含的管材、法蘭和彎頭異徑等零件的數(shù)量更多。在材料匯總統(tǒng)計(jì)、采購(gòu)、運(yùn)輸、管理、領(lǐng)用和后期的材料加工處理方面,均需消耗大量人力、設(shè)備和場(chǎng)地等資源。

為優(yōu)化和改進(jìn)管理模式,降低管理強(qiáng)度,細(xì)化管理目標(biāo),國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)通常對(duì)管材加工生產(chǎn)管理系統(tǒng)與物資采購(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行集成,利用這2個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)管材進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)套料,由此提升材料的利用率,加強(qiáng)對(duì)余料的管理。

然而,由于數(shù)據(jù)來(lái)源不止1個(gè),常出現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與物資到貨數(shù)據(jù)或生產(chǎn)套料數(shù)據(jù)存在偏差的情況,導(dǎo)致余料使用錯(cuò)誤,余料管理不便,到貨物資與采購(gòu)的物資規(guī)格不一致(如管材定尺長(zhǎng)度與到貨實(shí)際長(zhǎng)度不一致,導(dǎo)致管材套料數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等)。

由此,管材套料系統(tǒng)需充分考慮實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題,靈活調(diào)整,采用綜合套料的方式進(jìn)行套料管理,使管材套料后的數(shù)據(jù)更接近實(shí)際情況,提高加工效率,降低出錯(cuò)概率,盡可能地減少余料的數(shù)量,降低材料管理難度,節(jié)約材料成本。

1 管材套料現(xiàn)狀

管路要進(jìn)行綜合套料,需在模型設(shè)計(jì)完成、管材規(guī)格確定之后進(jìn)行。很多船廠(chǎng)為簡(jiǎn)化套料方式,一般采用固定規(guī)格型號(hào)和尺寸的管材作為母材,如采購(gòu)定長(zhǎng)為6 000 mm和12 000 mm的管材。受市場(chǎng)價(jià)格導(dǎo)向因素影響,這種定尺管材的采購(gòu)方式和采購(gòu)價(jià)格與采購(gòu)量有關(guān)。為降低采購(gòu)成本,部分船廠(chǎng)按實(shí)際到貨的管材尺寸進(jìn)行套料,這種套料方式靈活方便,有很強(qiáng)的適用性,存在的問(wèn)題是程序?qū)懿囊?guī)格和種類(lèi)的處理相對(duì)復(fù)雜,施工部門(mén)對(duì)母材管理的工作量較大。

管材套料在對(duì)母材進(jìn)行分類(lèi)處理的同時(shí),還需對(duì)切割的余料進(jìn)行管理和再利用,1個(gè)套料批次管段的數(shù)量可根據(jù)管材加工部門(mén)的加工能力進(jìn)行合理選擇,可對(duì)單個(gè)分段進(jìn)行套料,也可同時(shí)對(duì)多個(gè)分段進(jìn)行套料。多個(gè)分段混套的優(yōu)點(diǎn)是有助于提升材料利用率,缺點(diǎn)是會(huì)增加管理難度,每批套料的材料要在一定的周期內(nèi)加工完成,避免下料之后管段無(wú)法按時(shí)生產(chǎn),造成材料堆放混亂,進(jìn)而影響加工效率和導(dǎo)致管段施工制作出現(xiàn)差錯(cuò)。

管材套料需要一套完整的解決方案,從前期材料預(yù)估和采購(gòu)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)完成之后的內(nèi)場(chǎng)制作托盤(pán)表下發(fā),再到管加工車(chē)間內(nèi)場(chǎng)施工制作之后的余料管理等階段,都需要圖紙和軟件的支撐,靠人工完成這一系列工作的難度很大,出錯(cuò)概率和成本投入很高。因此,需開(kāi)發(fā)一套基于Tribon設(shè)計(jì)平臺(tái)的管材套料應(yīng)用軟件,解決上述人工完成困難和成本投入高的問(wèn)題。該軟件直接從Tribon數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取模型數(shù)據(jù),基于管段加工信息對(duì)管材進(jìn)行套料處理,包含余料重復(fù)利用,余料和廢料的匯總、查詢(xún)等。在這種模式下,可做到管段數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新,避免出現(xiàn)跨平臺(tái)帶來(lái)的數(shù)據(jù)更新滯后和數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出繁瑣的問(wèn)題。

2 管材套料解決方案

套料方案可根據(jù)實(shí)際需求,采用通用背包法或比較歸類(lèi)法得到。

2.1 方案一

管材套料可采用背包算法實(shí)現(xiàn)[1],常見(jiàn)背包問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型及解法如下。

該問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可表示為

(1)

式(1)中:xi取0或1;i=1,2,3,…,m;m和n均為正值。

通過(guò)構(gòu)建上述數(shù)學(xué)模型,可設(shè)定母材的總長(zhǎng)度為n,可放入需套料管材零件的最大總價(jià)值為f[i][j],表示在前i個(gè)零件中,能套料最大長(zhǎng)度為j的母材中的最大價(jià)值,j=1,2,…,n。此時(shí)可很明顯地發(fā)現(xiàn),在前i個(gè)管材零件中,有些管材零件可被套料,而有些管材零件不能被套料。由此可得到

f[i][0]=f[0][j]=0

(2)

f[i][j]=f[i-1][j],j

(3)

f[i][j]=max{f[i-1][j],f[i-1][j-w[i]]+v[I]},j>w[i]

(4)

在式(2)～式(4)中:

1) 式(2)表示將前面i個(gè)管材零件套入長(zhǎng)度為0的母材中與將 0個(gè)管材零件套入長(zhǎng)度為j的母材中的價(jià)值是相同的,都是0價(jià)值。

2) 式(3)表明,在套入第i個(gè)管材零件時(shí),若第i個(gè)管材零件的長(zhǎng)度大于母材的長(zhǎng)度,則套入第i個(gè)管材零件的最大價(jià)值與套入第i-1個(gè)管材零件的最大價(jià)值是相同的,畢竟第i個(gè)管材零件無(wú)法被套入母材中。

3) 式(4)表明,當(dāng)?shù)趇個(gè)管材零件的長(zhǎng)度小于母材的長(zhǎng)度時(shí):若第i個(gè)管材零件被套入母材,則表明母材套料的最大價(jià)值等于將前i-1個(gè)管材零件套入長(zhǎng)度為j-w[i]的母材所得價(jià)值與第i個(gè)管材零件的價(jià)值之和;若第i個(gè)管材零件沒(méi)有被套入母材,則母材中套料的價(jià)值等于將前面i-1個(gè)管材零件套入長(zhǎng)度為j的母材中的最大價(jià)值;第i個(gè)管材零件套與不套的最大價(jià)值是不同的,只需比較這2個(gè)價(jià)值,取其中的最大價(jià)值作為將前面i個(gè)管材零件套入長(zhǎng)度為j的母材所取得價(jià)值的最優(yōu)解。

該算法可分為m個(gè)階段,其中:

1) 第1個(gè)階段,只套1個(gè)管材零件,計(jì)算在不同長(zhǎng)度母材下取得的最大價(jià)值;

2) 第2個(gè)階段,套入前2個(gè)管材零件,計(jì)算在不同長(zhǎng)度母材下取得的最大價(jià)值;

3) 第m個(gè)階段,套入前m個(gè)管材零件,計(jì)算在不同長(zhǎng)度母材下取得的最大價(jià)值。在母材長(zhǎng)度為n時(shí)取得的結(jié)果就是想要的結(jié)果。

為確定是哪個(gè)管材零件被套入母材,需從f[m][n]開(kāi)始倒退,有關(guān)系式

f[i][j]=f[i-1][j],x[i]=0,

(5)

f[i][j]!=f[i-1][j],x[i]=1,n=n-w[i]

(6)

式(5)表明,若f[i][j]=f[i-1][j],則表示第i個(gè)管材零件沒(méi)有被套入母材中;式(6)表明,若f[i][j]!=f[i-1][j],則表示第i個(gè)管材零件被套入母材中。根據(jù)該關(guān)系式,i從m到1遞推,直到確定第1個(gè)管材零件是否被套入母材中為止,此時(shí)就能確定被套入母材的具體物品。

上述方案能很好地提升材料的利用率,但當(dāng)管材規(guī)格和余料較多時(shí),該方案的程序運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng),會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)不好的體驗(yàn)。

2.2 方案二

采用比較歸類(lèi)法,先對(duì)需套料的管材零件進(jìn)行歸類(lèi),隨機(jī)取其中任意一種需套料的規(guī)格,再遍歷需套料零件,優(yōu)先從余料庫(kù)中選取符合條件的套料材料,設(shè)置允許的廢料值,盡可能地先利用余料庫(kù)中的材料。若余料不能滿(mǎn)足套料零件的需求,則從標(biāo)準(zhǔn)母材庫(kù)中選取定尺母材,保證該規(guī)格的所有需套料的管材被套完。套料主要流程見(jiàn)圖1。

圖1 套料主要流程

程序套料規(guī)則是:選取需套料的某一規(guī)格管段,優(yōu)先對(duì)其與余料庫(kù)中該規(guī)格中長(zhǎng)度差值最小的余料(或相等)進(jìn)行匹配套料,若套料后余料長(zhǎng)度小于設(shè)定值,則將其作為廢料,不再放入余料庫(kù)中,否則對(duì)余料進(jìn)行重新編碼,再將其放入余料庫(kù)中。已使用的余料從余料庫(kù)中移除,每根余料能被追溯出源于哪根余料或母材,已被套料的余料或母材記錄套料零件名稱(chēng),詳細(xì)套料過(guò)程見(jiàn)圖2,具體如下。

圖2 詳細(xì)套料過(guò)程

根據(jù)來(lái)貨管材規(guī)格,其長(zhǎng)度通常是固定的,若不是固定的,則需預(yù)定義母材規(guī)格表,從TribonDB數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取每根管段的長(zhǎng)度,并考慮為滿(mǎn)足彎管機(jī)夾頭的要求而增加的余量,然后對(duì)1個(gè)或多個(gè)分段管材進(jìn)行綜合套料,各根母材或余料的余料放入列表中供下次套料使用(小于設(shè)定值的除外,設(shè)定值通常是200 mm),充分保證余料能得到連續(xù)利用,某批次剩余的余料入庫(kù)管理,可采用多種方式對(duì)余料進(jìn)行查詢(xún)。

最終的管材套料結(jié)果以套料表和套料圖的方式展示,在實(shí)際生產(chǎn)中,可在管路材料的配盤(pán)、切割和裝配過(guò)程中使用。通過(guò)使用套料表和套料圖,使材料的流向明確、標(biāo)識(shí)合理,方便施工統(tǒng)計(jì)管理。

3 管材套料程序開(kāi)發(fā)

該程序基于Python語(yǔ)言[2]開(kāi)發(fā),圖形用戶(hù)界面(Graphical User Interface,GUI)設(shè)計(jì)采用wxPython插件包,集成于設(shè)計(jì)平臺(tái)TribonM3系統(tǒng)中,與設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)直接相連,套料相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于第三方開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)(sqlite)中,便于設(shè)計(jì)人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整,以及對(duì)管材的套料數(shù)據(jù)、母材規(guī)格、余料數(shù)據(jù)和編碼等信息進(jìn)行查詢(xún)。

主程序界面見(jiàn)圖3,該程序主要由4個(gè)基本部分組成,分別為設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)抽取功能模塊、管材規(guī)格的定義功能模塊、套料功能模塊和報(bào)表圖紙生成功能模塊。

圖3 主程序界面

3.1 設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)抽取功能模塊

程序調(diào)用TribonM3的kcs_dex、kcs_util、KcsPoint2D、KcsPolygon2D和kcs_ui等接口[3-5],按單托盤(pán)或多托盤(pán)的方式收取分離后的管路數(shù)據(jù),將其存入sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)中,為后續(xù)套料計(jì)算提供原始數(shù)據(jù),見(jiàn)圖4。

圖4 設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)抽取界面

3.2 管材規(guī)格的定義功能模塊

根據(jù)需求定義母材的規(guī)格,支持定尺和非定尺的方式,定義完成的母材規(guī)格應(yīng)用于管材自動(dòng)套料中,母材可從其他系統(tǒng)中導(dǎo)出并導(dǎo)入其中,也可通過(guò)程序批量創(chuàng)建定尺母材,見(jiàn)圖5。

圖5 管材規(guī)格定義界面

3.3 管材套料功能模塊

根據(jù)第2節(jié)中的算法原理對(duì)管段數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)(規(guī)格、材質(zhì)和船級(jí)等),對(duì)套料零件和母材信息進(jìn)行計(jì)算處理,選擇合適的母材或余料生成管路零件的套料數(shù)據(jù),并將套料結(jié)果緩存于內(nèi)存中,為報(bào)表和圖紙的生成提供數(shù)據(jù)支撐;同時(shí),對(duì)余料數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)回寫(xiě),自動(dòng)生成余料代碼,圖6為套料后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)覽界面。

圖6 套料后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)覽界面

3.4 報(bào)表圖紙生成功能模塊

根據(jù)套料結(jié)果在TribonM3系統(tǒng)平臺(tái)上自動(dòng)生成套料報(bào)表和套料草圖,支持套料余料的查詢(xún)和導(dǎo)出,見(jiàn)圖7。

4 管材套料應(yīng)用案例

該軟件主要應(yīng)用于技術(shù)部門(mén)或施工部門(mén),圖紙和報(bào)表可由技術(shù)部單獨(dú)下發(fā),或放置在管路內(nèi)場(chǎng)托盤(pán)表中下發(fā),施工部門(mén)根據(jù)圖紙和報(bào)表做好標(biāo)識(shí)和管理工作。在158 000 載重噸油船上進(jìn)行全船的管段套料,并將套料圖紙和清單下發(fā)給管加工車(chē)間,按套料清單進(jìn)行管段下料,對(duì)余料進(jìn)行管理,不僅將材料的利用率由之前的90%提高到了95%左右,而且解決了管材無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題。管材套料表和套料圖為管路制作部門(mén)工作的開(kāi)展提供了便利,采用可視化的套料圖,能降低對(duì)工人素質(zhì)的要求,從而降低施工出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。

在節(jié)約材料成本方面,如158 000載重噸散貨船全船的管材約有600 t,按單船可節(jié)約5%計(jì)算,每艘船可節(jié)約管材30 t,同時(shí)有助于技術(shù)部門(mén)在采購(gòu)材料時(shí)做到有據(jù)可依,不會(huì)出現(xiàn)隨意增補(bǔ)管材定額的情況,造成后期倉(cāng)儲(chǔ)物資積壓?jiǎn)栴}難以解決?，F(xiàn)每種管材規(guī)格的用量和用途都能查詢(xún)和追溯,可查詢(xún)?cè)擃?lèi)型管材應(yīng)用于哪些托盤(pán)中的哪些管段和剩余余料等。

圖8和圖9分別為自動(dòng)生成的158 000載重噸散貨船實(shí)船套料草圖和套料報(bào)表。

圖8 158 000載重噸散貨船實(shí)船套料草圖

圖9 158 000載重噸散貨船實(shí)船套料報(bào)表

5 結(jié) 語(yǔ)

管材套料除了具有節(jié)約材料成本和提高加工精度等優(yōu)勢(shì)以外,還能利用報(bào)表和套料圖上詳細(xì)記錄的每根母材的流向、管材的下料信息、每根管路的下料長(zhǎng)度和余料信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間生產(chǎn)的細(xì)化管理。研究成果可供船舶建造同行解決船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的管材套料問(wèn)題參考。