0 前言
虛擬制造被認為是當今制造業(yè)最具挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，關(guān)于其內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的探討一直存在，從其誕生至今的十多年間已在汽車、飛機制造等一些行業(yè)取得了顯著成果，符合這些制造業(yè)特征的虛擬制造理論、方法和技術(shù)體系得到了較好完善。船舶工業(yè)開展虛擬制造的研究與實踐時間較晚，但以虛擬制造為標志的新一輪造船技術(shù)革命已在世界造船強國興起，如何緊跟虛擬造船的先進步伐，提高船廠建造水平是擺在中國船舶工業(yè)面前的又一挑戰(zhàn)。
精益造船是精益制造模式向船舶制造業(yè)滲透的結(jié)果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)造船精益程度的差距是我們與日本、韓國船廠差距的一個主要方面，在自身管理水平落后的情況下，通過信息化提升造船精益性是中國船舶制造業(yè)的迫切出路，虛擬制造作為信息技術(shù)與制造技術(shù)結(jié)合的最新產(chǎn)物便被賦予了廣闊前景。目前虛擬制造在國內(nèi)船廠還沒有成功應用的案例，在這方面進行的研究探索具有積極意義。在此背景下，選取總裝造船中的典型制造過程為仿真實驗對象，在精益制造和虛擬制造的理論指導下，以數(shù)字化制造軟件DELMIA為工具進行仿真實驗，經(jīng)歷從需求分析、方案設(shè)計、方案實施到驗證評價的完整實驗過程。
1 仿真實驗策劃
分析虛擬制造和精益造船對于本次實驗的理論指導，結(jié)合船塢搭載過程的問題需求確定仿真實驗要達到的驗證與優(yōu)化目標，再根據(jù)軟件工具DELMIA的技術(shù)特征，設(shè)計出合理的仿真實驗方案。
1.1 實驗理論依據(jù)
虛擬制造是1993年由美國首先提出的一種全新概念，是實際制造過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，為產(chǎn)品的設(shè)計、加工、分析以及生產(chǎn)的組織管理等提供一個虛擬的仿真環(huán)境，從而在計算機上組織和“實現(xiàn)”生產(chǎn)，在實際投入生產(chǎn)前對產(chǎn)品的可制造性和可生產(chǎn)性等各方面性能進行驗證，提高制造企業(yè)的TQCSE。虛擬制造從本質(zhì)上講是一種對制造系統(tǒng)的產(chǎn)品及過程完整統(tǒng)一的、高層次的仿真，是基于制造系統(tǒng)虛擬模型的仿真，虛擬模型就是利用計算機圖形技術(shù)生成物理對象的信息映像，既包含了對象的幾何特征，又包含了其本質(zhì)規(guī)律的數(shù)學模型。在數(shù)學模型計算結(jié)果的驅(qū)動下，通過幾何模型展現(xiàn)與實際制造系統(tǒng)相同的特征和行為。因此，虛擬仿真結(jié)合了基于物理模型仿真和基于數(shù)學模型仿真的優(yōu)點。制造過程仿真分為制造系統(tǒng)仿真和具體加工過程仿真。制造系統(tǒng)仿真是以離散事件仿真為工具，對生產(chǎn)系統(tǒng)進行系統(tǒng)運行、調(diào)度及優(yōu)化，驗證不同的生產(chǎn)計劃和工藝路線。加工過程仿真是表現(xiàn)切削、焊接、沖壓、澆注等原材料轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的加工過程。
精益制造是20世紀中期起源于日本汽車工業(yè)的一套先進制造模式，其面向多品種、中小批量的生產(chǎn)特征與船舶制造業(yè)特點非常一致。精益造船的基本原則是消除價值流中的一切無增值活動，在此原則下改進生產(chǎn)的具體措施包括：產(chǎn)品價值鏈分析，組織單件流水作業(yè)、拉動式計劃制定體系、調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍與生產(chǎn)周期相接近來達到均衡連續(xù)的狀態(tài)、實行現(xiàn)場6S管理、精度管理、全員工廠管理等。虛擬制造在投產(chǎn)前通過仿真來驗證并優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的能力，為消除浪費、持續(xù)改進等目標的實現(xiàn)提供理想手段，將船舶制造這類復雜制造系統(tǒng)的精益程度推向更高層次。精益造船的原則和方法為虛擬仿真的開展形式提供具體指引。另一方面，現(xiàn)實生產(chǎn)過程越簡化，虛擬制造實現(xiàn)起來就越容易。精益生產(chǎn)的核心是準時化生產(chǎn)和成組技術(shù)，要求簡化生產(chǎn)過程，減少信息量，消除過分臃腫的生產(chǎn)組織，使產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程盡可能地簡化和標準化，反過來為虛擬制造的實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件。
計算機建模與仿真技術(shù)是虛擬制造的核心技術(shù)（另一核心技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)），達索系統(tǒng)的數(shù)字化制造軟件DELMIA（Digital EntERPrise Lean Manufacturing Interactive Application數(shù)字企業(yè)精益制造交互式應用）聚焦于對復雜制造/維護過程的仿真和相關(guān)數(shù)據(jù)的管理與協(xié)同，可全面滿足制造業(yè)按訂單生產(chǎn)和精益生產(chǎn)等分布式敏捷制造系統(tǒng)的三維仿真需求，對企業(yè)從設(shè)計、模擬、優(yōu)化、控制到監(jiān)視的所有制造過程都提供了相應的方法論、解決方案和專業(yè)服務等一體化解決手段，DELMIA全面支持以虛擬仿真為核心的數(shù)字化制造能力已在全球多個制造行業(yè)得到廣泛驗證，韓國已經(jīng)有船廠選擇DELMIA作為虛擬造船策略的實施平臺，展現(xiàn)出DELMIA服務于船舶制造的良好潛力。
1.2 仿真實驗需求與目標
在現(xiàn)代總裝造船模式中，船舶建造過程可視為原材料和中間產(chǎn)品的逐級裝配過程，船塢搭載是其中極為重要的裝配活動，這一階段工作對船廠生產(chǎn)計劃執(zhí)行與控制影響大、使用瓶頸資源完成高價量裝配任務，選取為仿真實驗對象具有研究和應用意義。由于流程復雜和船廠管理粗放、人為干擾因素強、批量小、自動化程度低等特點，實際吊裝中經(jīng)常暴露出工藝路線不合理與計劃對生產(chǎn)指導性差的問題，其后果是返工、停工等待、資源需求沖突、調(diào)度取代計劃等不精益現(xiàn)象發(fā)生，需要一種有效手段能在生產(chǎn)系統(tǒng)運行前對其驗證優(yōu)化，而船舶制造不存在樣品試制的環(huán)節(jié)更是放大了其對虛擬仿真的需求。
以船塢搭載中的船體分段總組和船塢總段吊裝為具體實驗對象，本次仿真屬于前言中介紹的制造系統(tǒng)仿真。即以離散事件仿真為工具，對生產(chǎn)系統(tǒng)進行系統(tǒng)運行、調(diào)度及優(yōu)化，驗證不同的生產(chǎn)計劃和工藝路線。仿真實驗的具體目標是從仿真輸出中獲得兩個裝配活動的時間、空間指標和資源指標，為計劃項目的標準化和吊裝方案的量化評估提供參考數(shù)據(jù)，按精益造船的相關(guān)理論與方法定性、定量認識作業(yè)中存在的資源需求沖突、停工等待等不精益問題，分析問題原因并提出合理的優(yōu)化建議。
1.3 仿真實驗方案設(shè)計
以一艘大型商船貨艙區(qū)域分段總組和總段船塢合攏兩個吊裝過程為仿真對象，表1和表2分別給出仿真具體內(nèi)容。
表1 分段總組仿真內(nèi)容
表2 船塢總段吊裝仿真內(nèi)容
使用CATIA建立仿真中的產(chǎn)品和資源三維模型，將模型插入到DELMIA DPM模塊的APS工作臺完成流程建模。仿真制作完成后運行仿真，使用DELMIA自帶的仿真分析功能統(tǒng)計并輸出反映吊裝過程本質(zhì)的數(shù)據(jù)。按照實驗目標，基于仿真的視覺和數(shù)據(jù)輸出分析吊裝過程，完成驗證與優(yōu)化任務。圖1為仿真實驗技術(shù)路線。
圖1 仿真實驗技術(shù)路線
2 仿真實驗實施
使用CATIA和DELMIA軟件按照實驗方案的技術(shù)路線完成規(guī)定的各項實驗內(nèi)容，具體工作分為三個前后銜接的工作階段：仿真前準備、仿真制作與運行、仿真結(jié)果輸出整理。
2.1 仿真前準備
在DELMIA創(chuàng)建仿真之前要做的準備工作是：用CATIA建好產(chǎn)品和資源模型。按模型類別不同采用不同建模模塊，選擇適當建模技術(shù)，表3為建模時用到的CATIA工作臺。
表3 按建模工作臺劃分的模型類別
虛擬制造對仿真模型提出了多層次性和可重用性的要求。
1、多層次性。將子裝配體和建造資源某一層次細節(jié)作為一個整體或黑箱，不必關(guān)心其內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，只需關(guān)心它作為一個整體對外表現(xiàn)的性能。反映在虛擬制造對產(chǎn)品和資源模型的需求上就是模型描述的多層次型和多粒度性，可以根據(jù)需要選擇合適的層次和粒度，在此層次和粒度上研究產(chǎn)品有關(guān)性能而不必進入到其內(nèi)部。這種多層次、多粒度信息描述為合理簡化模型提供理論依據(jù)，對于提高后續(xù)仿真制作和運行效率有很大影響，而仿真的效率是決定仿真能否被項目采納的關(guān)鍵，如果超出項目允許時間延誤后續(xù)生產(chǎn)，再好的仿真成果也都毫無意義。
2、可重用性。虛擬制造的核心目標之一是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期降低開發(fā)成本，反映在對仿真模型需求上就是要求模型信息能夠方便地被重用，使每一個新項目的建模任務都能充分利用之前項目的建模成果。建模時按幾何特征、建模技術(shù)特征相似性對模型合理分類，并采用適當技術(shù)使所建模型具有可擴展的柔性。
CATIA成熟的混合建模、參數(shù)化建模能力和完善的按層次化簡與重用功能充分支持上述要求，為下一步DELMIA的仿真工作做好充分準備。圖2為所建部分產(chǎn)品和資源模型。
圖2 所建產(chǎn)品和資源模型
2.2 仿真制作與運行
在DELMIA DPM模塊的APS（Assembly Process Simulation）工作臺進行仿真制作。先把上一步建好的產(chǎn)品和資源模型插入進來，調(diào)整各模型位置關(guān)系搭建仿真開始前的場地布局，使用Simulation Activity Creation工具欄各項命令編輯模型動作，結(jié)合PERT圖、GANTT圖等功能按照實驗方案的設(shè)計內(nèi)容進行流程建模，仿真制作完成后，Simulation工具欄提供的各操作能以多種方式運行仿真。
這一環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容是創(chuàng)建仿真模型中的過程/流程模型（DELMIA中的Process），與虛擬制造對產(chǎn)品和資源模型的要求一樣，流程建模最需關(guān)注的技術(shù)目標不是如何細膩、精良地再現(xiàn)實際吊裝過程，而是在反映實際過程本質(zhì)的前提下，按不同層次、粒度盡可能簡化建模工作以縮短仿真完成時間，提高效率。圖3為仿真過程示意。
圖3 仿真過程示意
2.3 仿真結(jié)果輸出
幾何模型具有直觀的視覺效果，數(shù)據(jù)能精確揭示系統(tǒng)的本質(zhì)規(guī)律，DELMIA軟件對生產(chǎn)進行驗證依賴于兩個關(guān)鍵能力：一是全三維可視化地仿真制造過程，二是能靈活定制仿真數(shù)據(jù)輸出，從直觀視覺和數(shù)值反饋兩方面提供研究制造過程的依據(jù)。DELMIA自帶的仿真分析工具能輸出時間和空間兩類指標，這些功能集中在“Simulation Analysis Tools”和“Analysis Tools”兩個工具欄中。可靈活定制工藝執(zhí)行中空間和時間數(shù)據(jù)的監(jiān)測統(tǒng)計和表達顯示，并將數(shù)據(jù)圖文并茂地以XML文檔輸出。
本次仿真實驗的目標是從計劃管理角度獲得系統(tǒng)的標準作業(yè)耗時、均衡性測算、資源負荷等時間相關(guān)的性能，不需要獲得表達裝配細節(jié)的空間數(shù)據(jù)，通過仿真獲得的數(shù)據(jù)如下：
1、分段總組標準作業(yè)時間。有兩種獲取方式，一種是在仿真運行時手動記錄由播放控制工具欄顯示的作業(yè)起、止時間，相減即得到這項作業(yè)的總耗時；另一種方式是仿真運行時記錄下“Simulated Activity”窗口顯示的作業(yè)起、止動作節(jié)點，在GANTT中找到兩動作節(jié)點的起、止時間，終止動作的結(jié)束時間減去開始動作的開始時間就得到作業(yè)總耗時。圖4為第一種時間獲取方式，圖5為第二種時間獲取方式。
圖4 第一種時間獲取方式
圖5 第二種時間獲取方式
作業(yè)結(jié)束時間減去開始時間157.4s-16.4s=141s，得到分段總組標準作業(yè)耗時141s。
2、平板運輸車將總段運往船塢邊時間。以相同方式得到該項時間為125s。
3、龍門吊完成分段吊裝的標準時間。以相同方式得到該項時間為73.5s。
4、龍門吊完成總段吊裝的標準時間。以相同方式得到該項時間為104s。
5、總組作業(yè)時兩臺門座式起重機運行與等待時間。點擊“Simulation Analysis Tools”工具欄的“Data Readout”按鈕，選擇一臺門座式起重機，彈出的窗口中顯示一系列時間統(tǒng)計項，依次是流程總時間、模型總運行時間、模型單次運動時間、模型閑置時間、模型在整個流程中的運行率。圖6是分段總組時兩臺門座式起重機負荷情況。從顯示的數(shù)據(jù)中可以看出，在分段總組141s的流程持續(xù)時間中，NO.1門座式起重機49.72%的時間在運行，NO.2門座式起重機50.49%的時間在運行。
圖6 分段總組時兩臺門座式起重機負荷情況
3 仿真結(jié)果分析
按精益造船中單件流水作業(yè)的觀點，把分段總組和船塢總段吊裝視為兩個前后相連的工位，通過仿真得到兩個工位標準作業(yè)時間、在制品轉(zhuǎn)運時間、兩工位間緩沖區(qū)容量等數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)來預測生產(chǎn)中的瓶頸，著重了解工位阻塞與開工不足的情況，對存在問題清晰后針對性地提出可行的優(yōu)化措施，使生產(chǎn)系統(tǒng)以均衡精益的方式提高產(chǎn)量。
1、初始數(shù)據(jù)，即從仿真中輸出的原始數(shù)據(jù)，如表4。
表4 初始數(shù)據(jù)
2、處理數(shù)據(jù)：船塢搭載既要吊裝總段又要吊裝分段，取兩項吊裝標準作業(yè)時間的算術(shù)平均值作為船塢工位的標準作業(yè)時間，記為t1，由下式計算得出：
（T3＋T4）÷2＝t1 代入實驗值 t1＝（104s＋73.5s）÷2＝88.75s （3-1）
假設(shè)有足夠多的平板運輸車把總組完的總段第一時間運走，那么將總組和總段運輸時間合在一起作為這個工位的完工交付時間，這樣總組的標準作業(yè)時間由下式算得，記為t2。
T1＋T2＝t2代入實驗值 t2＝141s＋125s＝266s （3-2）
不需要總組的分段耗時T5從總組場地運往船塢邊，取T5和t2的算術(shù)平均值作為總組工位的標準作業(yè)時間,記為t3，由下式計算：
（T5＋t2）÷2＝t3 代入實驗值 t3＝（90s＋266s）÷2＝178s（3-3）
表5為處理后用于分析的數(shù)據(jù)。
表5 處理后用于分析的數(shù)據(jù)
3、數(shù)據(jù)分析與問題描述。數(shù)據(jù)顯示總組作業(yè)耗時約為船塢吊裝的兩倍，也就是儲備區(qū)每消耗兩個產(chǎn)品（分/總段）才會有一個產(chǎn)品補充進來，假設(shè)兩個工位同時開工同時停工，假設(shè)儲備區(qū)初始時容量滿額為6個，那么總組完成5次作業(yè)后儲備區(qū)只剩一個分/總段，龍門吊完成這個分/總段吊裝后船塢作業(yè)便陷入等待，開始出現(xiàn)等待的時間為t4：
（t3×5）＋t1＝t4代入實驗值 t4＝（178s×5）＋88.75s＝978.75s （3-4）
即經(jīng)過t4，由于儲備區(qū)放空導致船塢工位出現(xiàn)開工不足的狀況，這便是系統(tǒng)瓶頸。
4、系統(tǒng)優(yōu)化措施。考慮以下措施消除瓶頸：
（1）提高總組區(qū)域作業(yè)效率；
（2）適當增大工位間緩沖區(qū)容量；
（3）放慢船塢作業(yè)速度；
從仿真獲得的總組區(qū)域兩臺門座式起重機的負荷情況看，設(shè)備有效工作時間只占總流程時間50%左右，所以改進總組工藝提高作業(yè)效率的措施是應當首先考慮的；緩沖區(qū)容量相當于庫存，從精益造船角度出發(fā)庫存越小越好，所以不建議采用增加緩沖區(qū)容量的措施；適當放慢船塢作業(yè)速度可以減小龍門吊負荷，增加設(shè)備維護保障時間和精度控制時間，船廠在生產(chǎn)任務不太繁重的情況下可以考慮此項措施。
4 結(jié)論
（1）實驗表明，在其他制造行業(yè)得到驗證的成熟、通用的建模與仿真軟件可大大降低虛擬造船技術(shù)門檻，目前虛擬造船有待破解的難題更多的是一種理論與方法問題，而不是技術(shù)問題。本次實驗的方案策劃、實施與評價都是在虛擬制造和精益造船的理論與方法指導下完成的，初步達到通過虛擬仿真來提升造船精益性的預期效果，是對虛擬造船理論與方法的有益探索。
（2）驗證了DELMIA解決方案基于精益制造理念實現(xiàn)虛擬制造的能力，是實施虛擬造船策略的合適平臺。但DELMIA本身不具備自動優(yōu)化功能，對問題的判斷與優(yōu)化決策都由人來完成，仿真能做的只是準確呈現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題方面，為分析與決策提供有效依據(jù)。
（3）實驗中流程模型的輸入數(shù)據(jù)不是來源于實際，所以實驗輸出以及得出的結(jié)論具有參考意義，在以后的研究中應當密切與船廠生產(chǎn)實際的結(jié)合，通過向仿真提供真實有效的輸入來進一步驗證仿真結(jié)論，使仿真技術(shù)真正具備服務造船生產(chǎn)的價值。
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本文標題：2013PLM征文：基于DELMIA的船廠船塢搭載過程仿真
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