0 前言
虚拟制造被认为是当今制造业最具挑战的领域，关于其内涵、体系结构和关键技术的探讨一直存在，从其诞生至今的十多年间已在汽车、飞机制造等一些行业取得了显著成果，符合这些制造业特征的虚拟制造理论、方法和技术体系得到了较好完善。船舶工业开展虚拟制造的研究与实践时间较晚，但以虚拟制造为标志的新一轮造船技术革命已在世界造船强国兴起，如何紧跟虚拟造船的先进步伐，提高船厂建造水平是摆在中国船舶工业面前的又一挑战。
精益造船是精益制造模式向船舶制造业渗透的结果，通过对比可以发现造船精益程度的差距是我们与日本、韩国船厂差距的一个主要方面，在自身管理水平落后的情况下，通过信息化提升造船精益性是中国船舶制造业的迫切出路，虚拟制造作为信息技术与制造技术结合的最新产物便被赋予了广阔前景。目前虚拟制造在国内船厂还没有成功应用的案例，在这方面进行的研究探索具有积极意义。在此背景下，选取总装造船中的典型制造过程为仿真实验对象，在精益制造和虚拟制造的理论指导下，以数字化制造软件DELMIA为工具进行仿真实验，经历从需求分析、方案设计、方案实施到验证评价的完整实验过程。
1 仿真实验策划
分析虚拟制造和精益造船对于本次实验的理论指导，结合船坞搭载过程的问题需求确定仿真实验要达到的验证与优化目标，再根据软件工具DELMIA的技术特征，设计出合理的仿真实验方案。
1.1 实验理论依据
虚拟制造是1993年由美国首先提出的一种全新概念，是实际制造过程在计算机上的本质实现，为产品的设计、加工、分析以及生产的组织管理等提供一个虚拟的仿真环境，从而在计算机上组织和“实现”生产，在实际投入生产前对产品的可制造性和可生产性等各方面性能进行验证，提高制造企业的TQCSE。虚拟制造从本质上讲是一种对制造系统的产品及过程完整统一的、高层次的仿真，是基于制造系统虚拟模型的仿真，虚拟模型就是利用计算机图形技术生成物理对象的信息映像，既包含了对象的几何特征，又包含了其本质规律的数学模型。在数学模型计算结果的驱动下，通过几何模型展现与实际制造系统相同的特征和行为。因此，虚拟仿真结合了基于物理模型仿真和基于数学模型仿真的优点。制造过程仿真分为制造系统仿真和具体加工过程仿真。制造系统仿真是以离散事件仿真为工具，对生产系统进行系统运行、调度及优化，验证不同的生产计划和工艺路线。加工过程仿真是表现切削、焊接、冲压、浇注等原材料转换为产品的加工过程。
精益制造是20世纪中期起源于日本汽车工业的一套先进制造模式，其面向多品种、中小批量的生产特征与船舶制造业特点非常一致。精益造船的基本原则是消除价值流中的一切无增值活动，在此原则下改进生产的具体措施包括：产品价值链分析，组织单件流水作业、拉动式计划制定体系、调节生产节拍与生产周期相接近来达到均衡连续的状态、实行现场6S管理、精度管理、全员工厂管理等。虚拟制造在投产前通过仿真来验证并优化生产系统的能力，为消除浪费、持续改进等目标的实现提供理想手段，将船舶制造这类复杂制造系统的精益程度推向更高层次。精益造船的原则和方法为虚拟仿真的开展形式提供具体指引。另一方面，现实生产过程越简化，虚拟制造实现起来就越容易。精益生产的核心是准时化生产和成组技术，要求简化生产过程，减少信息量，消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化，反过来为虚拟制造的实现创造了有利条件。
计算机建模与仿真技术是虚拟制造的核心技术（另一核心技术是虚拟现实技术），达索系统的数字化制造软件DELMIA（Digital EntERPrise Lean Manufacturing Interactive Application数字企业精益制造交互式应用）聚焦于对复杂制造/维护过程的仿真和相关数据的管理与协同，可全面满足制造业按订单生产和精益生产等分布式敏捷制造系统的三维仿真需求，对企业从设计、模拟、优化、控制到监视的所有制造过程都提供了相应的方法论、解决方案和专业服务等一体化解决手段，DELMIA全面支持以虚拟仿真为核心的数字化制造能力已在全球多个制造行业得到广泛验证，韩国已经有船厂选择DELMIA作为虚拟造船策略的实施平台，展现出DELMIA服务于船舶制造的良好潜力。
1.2 仿真实验需求与目标
在现代总装造船模式中，船舶建造过程可视为原材料和中间产品的逐级装配过程，船坞搭载是其中极为重要的装配活动，这一阶段工作对船厂生产计划执行与控制影响大、使用瓶颈资源完成高价量装配任务，选取为仿真实验对象具有研究和应用意义。由于流程复杂和船厂管理粗放、人为干扰因素强、批量小、自动化程度低等特点，实际吊装中经常暴露出工艺路线不合理与计划对生产指导性差的问题，其后果是返工、停工等待、资源需求冲突、调度取代计划等不精益现象发生，需要一种有效手段能在生产系统运行前对其验证优化，而船舶制造不存在样品试制的环节更是放大了其对虚拟仿真的需求。
以船坞搭载中的船体分段总组和船坞总段吊装为具体实验对象，本次仿真属于前言中介绍的制造系统仿真。即以离散事件仿真为工具，对生产系统进行系统运行、调度及优化，验证不同的生产计划和工艺路线。仿真实验的具体目标是从仿真输出中获得两个装配活动的时间、空间指标和资源指标，为计划项目的标准化和吊装方案的量化评估提供参考数据，按精益造船的相关理论与方法定性、定量认识作业中存在的资源需求冲突、停工等待等不精益问题，分析问题原因并提出合理的优化建议。
1.3 仿真实验方案设计
以一艘大型商船货舱区域分段总组和总段船坞合拢两个吊装过程为仿真对象，表1和表2分别给出仿真具体内容。
表1 分段总组仿真内容
表2 船坞总段吊装仿真内容
使用CATIA建立仿真中的产品和资源三维模型，将模型插入到DELMIA DPM模块的APS工作台完成流程建模。仿真制作完成后运行仿真，使用DELMIA自带的仿真分析功能统计并输出反映吊装过程本质的数据。按照实验目标，基于仿真的视觉和数据输出分析吊装过程，完成验证与优化任务。图1为仿真实验技术路线。
图1 仿真实验技术路线
2 仿真实验实施
使用CATIA和DELMIA软件按照实验方案的技术路线完成规定的各项实验内容，具体工作分为三个前后衔接的工作阶段：仿真前准备、仿真制作与运行、仿真结果输出整理。
2.1 仿真前准备
在DELMIA创建仿真之前要做的准备工作是：用CATIA建好产品和资源模型。按模型类别不同采用不同建模模块，选择适当建模技术，表3为建模时用到的CATIA工作台。
表3 按建模工作台划分的模型类别
虚拟制造对仿真模型提出了多层次性和可重用性的要求。
1、多层次性。将子装配体和建造资源某一层次细节作为一个整体或黑箱，不必关心其内部实现细节，只需关心它作为一个整体对外表现的性能。反映在虚拟制造对产品和资源模型的需求上就是模型描述的多层次型和多粒度性，可以根据需要选择合适的层次和粒度，在此层次和粒度上研究产品有关性能而不必进入到其内部。这种多层次、多粒度信息描述为合理简化模型提供理论依据，对于提高后续仿真制作和运行效率有很大影响，而仿真的效率是决定仿真能否被项目采纳的关键，如果超出项目允许时间延误后续生产，再好的仿真成果也都毫无意义。
2、可重用性。虚拟制造的核心目标之一是缩短产品开发周期降低开发成本，反映在对仿真模型需求上就是要求模型信息能够方便地被重用，使每一个新项目的建模任务都能充分利用之前项目的建模成果。建模时按几何特征、建模技术特征相似性对模型合理分类，并采用适当技术使所建模型具有可扩展的柔性。
CATIA成熟的混合建模、参数化建模能力和完善的按层次化简与重用功能充分支持上述要求，为下一步DELMIA的仿真工作做好充分准备。图2为所建部分产品和资源模型。
图2 所建产品和资源模型
2.2 仿真制作与运行
在DELMIA DPM模块的APS（Assembly Process Simulation）工作台进行仿真制作。先把上一步建好的产品和资源模型插入进来，调整各模型位置关系搭建仿真开始前的场地布局，使用Simulation Activity Creation工具栏各项命令编辑模型动作，结合PERT图、GANTT图等功能按照实验方案的设计内容进行流程建模，仿真制作完成后，Simulation工具栏提供的各操作能以多种方式运行仿真。
这一环节的工作内容是创建仿真模型中的过程/流程模型（DELMIA中的Process），与虚拟制造对产品和资源模型的要求一样，流程建模最需关注的技术目标不是如何细腻、精良地再现实际吊装过程，而是在反映实际过程本质的前提下，按不同层次、粒度尽可能简化建模工作以缩短仿真完成时间，提高效率。图3为仿真过程示意。
图3 仿真过程示意
2.3 仿真结果输出
几何模型具有直观的视觉效果，数据能精确揭示系统的本质规律，DELMIA软件对生产进行验证依赖于两个关键能力：一是全三维可视化地仿真制造过程，二是能灵活定制仿真数据输出，从直观视觉和数值反馈两方面提供研究制造过程的依据。DELMIA自带的仿真分析工具能输出时间和空间两类指标，这些功能集中在“Simulation Analysis Tools”和“Analysis Tools”两个工具栏中。可灵活定制工艺执行中空间和时间数据的监测统计和表达显示，并将数据图文并茂地以XML文档输出。
本次仿真实验的目标是从计划管理角度获得系统的标准作业耗时、均衡性测算、资源负荷等时间相关的性能，不需要获得表达装配细节的空间数据，通过仿真获得的数据如下：
1、分段总组标准作业时间。有两种获取方式，一种是在仿真运行时手动记录由播放控制工具栏显示的作业起、止时间，相减即得到这项作业的总耗时；另一种方式是仿真运行时记录下“Simulated Activity”窗口显示的作业起、止动作节点，在GANTT中找到两动作节点的起、止时间，终止动作的结束时间减去开始动作的开始时间就得到作业总耗时。图4为第一种时间获取方式，图5为第二种时间获取方式。
图4 第一种时间获取方式
图5 第二种时间获取方式
作业结束时间减去开始时间157.4s-16.4s=141s，得到分段总组标准作业耗时141s。
2、平板运输车将总段运往船坞边时间。以相同方式得到该项时间为125s。
3、龙门吊完成分段吊装的标准时间。以相同方式得到该项时间为73.5s。
4、龙门吊完成总段吊装的标准时间。以相同方式得到该项时间为104s。
5、总组作业时两台门座式起重机运行与等待时间。点击“Simulation Analysis Tools”工具栏的“Data Readout”按钮，选择一台门座式起重机，弹出的窗口中显示一系列时间统计项，依次是流程总时间、模型总运行时间、模型单次运动时间、模型闲置时间、模型在整个流程中的运行率。图6是分段总组时两台门座式起重机负荷情况。从显示的数据中可以看出，在分段总组141s的流程持续时间中，NO.1门座式起重机49.72%的时间在运行，NO.2门座式起重机50.49%的时间在运行。
图6 分段总组时两台门座式起重机负荷情况
3 仿真结果分析
按精益造船中单件流水作业的观点，把分段总组和船坞总段吊装视为两个前后相连的工位，通过仿真得到两个工位标准作业时间、在制品转运时间、两工位间缓冲区容量等数据，分析这些数据来预测生产中的瓶颈，着重了解工位阻塞与开工不足的情况，对存在问题清晰后针对性地提出可行的优化措施，使生产系统以均衡精益的方式提高产量。
1、初始数据，即从仿真中输出的原始数据，如表4。
表4 初始数据
2、处理数据：船坞搭载既要吊装总段又要吊装分段，取两项吊装标准作业时间的算术平均值作为船坞工位的标准作业时间，记为t1，由下式计算得出：
（T3＋T4）÷2＝t1 代入实验值 t1＝（104s＋73.5s）÷2＝88.75s （3-1）
假设有足够多的平板运输车把总组完的总段第一时间运走，那么将总组和总段运输时间合在一起作为这个工位的完工交付时间，这样总组的标准作业时间由下式算得，记为t2。
T1＋T2＝t2代入实验值 t2＝141s＋125s＝266s （3-2）
不需要总组的分段耗时T5从总组场地运往船坞边，取T5和t2的算术平均值作为总组工位的标准作业时间,记为t3，由下式计算：
（T5＋t2）÷2＝t3 代入实验值 t3＝（90s＋266s）÷2＝178s（3-3）
表5为处理后用于分析的数据。
表5 处理后用于分析的数据
3、数据分析与问题描述。数据显示总组作业耗时约为船坞吊装的两倍，也就是储备区每消耗两个产品（分/总段）才会有一个产品补充进来，假设两个工位同时开工同时停工，假设储备区初始时容量满额为6个，那么总组完成5次作业后储备区只剩一个分/总段，龙门吊完成这个分/总段吊装后船坞作业便陷入等待，开始出现等待的时间为t4：
（t3×5）＋t1＝t4代入实验值 t4＝（178s×5）＋88.75s＝978.75s （3-4）
即经过t4，由于储备区放空导致船坞工位出现开工不足的状况，这便是系统瓶颈。
4、系统优化措施。考虑以下措施消除瓶颈：
（1）提高总组区域作业效率；
（2）适当增大工位间缓冲区容量；
（3）放慢船坞作业速度；
从仿真获得的总组区域两台门座式起重机的负荷情况看，设备有效工作时间只占总流程时间50%左右，所以改进总组工艺提高作业效率的措施是应当首先考虑的；缓冲区容量相当于库存，从精益造船角度出发库存越小越好，所以不建议采用增加缓冲区容量的措施；适当放慢船坞作业速度可以减小龙门吊负荷，增加设备维护保障时间和精度控制时间，船厂在生产任务不太繁重的情况下可以考虑此项措施。
4 结论
（1）实验表明，在其他制造行业得到验证的成熟、通用的建模与仿真软件可大大降低虚拟造船技术门槛，目前虚拟造船有待破解的难题更多的是一种理论与方法问题，而不是技术问题。本次实验的方案策划、实施与评价都是在虚拟制造和精益造船的理论与方法指导下完成的，初步达到通过虚拟仿真来提升造船精益性的预期效果，是对虚拟造船理论与方法的有益探索。
（2）验证了DELMIA解决方案基于精益制造理念实现虚拟制造的能力，是实施虚拟造船策略的合适平台。但DELMIA本身不具备自动优化功能，对问题的判断与优化决策都由人来完成，仿真能做的只是准确呈现系统存在的问题方面，为分析与决策提供有效依据。
（3）实验中流程模型的输入数据不是来源于实际，所以实验输出以及得出的结论具有参考意义，在以后的研究中应当密切与船厂生产实际的结合，通过向仿真提供真实有效的输入来进一步验证仿真结论，使仿真技术真正具备服务造船生产的价值。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
相关文章
