近年来，我国船舶工业发展势头强劲，造船产量大幅提升。2011年1-8月全国造船完工量4217万载重吨，占世界市场份额的40.9%。同时，原世界第一造船大国韩国今年造船完工量为3439万载重吨，占全球造船份额的33.4%。但是，目前我国造船能力的扩充在很大程度上依赖于造船设施的新建或扩建，而制造技术和生产管理能力提升等方面则明显不足。例如根据大节点计划排定的各节点开工日期和生产周期并不精确，管理部门排到月计划而各生产班组排到日计划，而管理部门仅凭班组上报的日计划对实际生产并不能精确掌控，导致无法在全局统筹各生产资源的调度，也不能精确控制交货期，所以要取得突破，必须从加强生产过程的管理入手。
随着数字化制造技术的迅速发展，制造仿真技术已经广泛应用于汽车和航空制造业，用于对产品全生命周期中设计、制造、检验等环节进行模拟仿真，在加强生产管理，节约生产成本方而取得了显著效果。韩国三星重工利用DELMIA软件建立了完整的数字化造船系统，建立了虚拟船厂，可在虚拟环境下模拟整个造船过程。这套系统预计每年为企业减少730万美元的开支，大大提高韩国造船行业的困际竞争力。利用制造仿真技术，可以根据工厂的实际情况建立虚拟工厂，将待实行的多个生产计划同时在虚拟工厂中进行“预演”。通过虚拟制造，可以及早发现设计中的问题，减少建造过程的中设计方案的更改，减少建造过程中的延期，合理的规划建造过程，从而降低生产成本，提高产品质量，并保证交货期。
1 船厂生产运作仿真的内容
1.1 生产仿真的建模对象
生产仿真的建模对象包括两个方面，一方面是生产过程中需要的原材料和产生的中间产品，包括钢板、型材、零件，部件、分段，总段、整船和其他船装件等。另一方面是全厂区的车间、工场、堆场等与生产紧密相关的生产过程的载体。包括其中的运输、起重、加工设备以及其他工装设备等生产资源，也应包括产品和设备运行的轨迹，包括道路、轨道、传送带等，对于这些对象，需要建立合理的三维模型，既要能表现出该特定对象的功能，并能在生产过程中运动用以表述生产过程；又需要进行一定的简化，防止模型数量庞大而导致仿真运行缓慢。
另外，为了确立正确的数学建模标准，各船厂还需要对自身的生产基础数据进行调研和评审，用以精确模拟实际生产。这些数据包括各工位的基本工时，辅助材料的消耗，全厂的生产设备和工装的数量、分类、生产（辅助）能力等。以上数据是仿真能够正确反映船厂产能的必要条件，也是生产仿真数学模型的重要基础。
三维建模完成后，在仿真软件中建立初步设定的生产计划的数学模型，如采用准时制生产模式，生产计划的数学模型就可以表示为生产过程中的各工位在什么时间需要何种资源（包括数量）。再建立的设备数学模型，即设备的运行速度或生产能力等。综合这些三维模型和数学模型就可以对生产过程进行模拟。
1.2 船厂三维建摸
基于国内某船舶生产基地的现状，在DELMIA中建立其钢料堆场、预处理车间、理科车间、切割-部件联合车间中各加工、运输、辅助设备的三维模型。如预处理线、数控切割机、起重机、电动平板车、运输辊道；以及车间支撑柱、车间外壳、地面基础、钢板平台等，如图1～图4所示。
图1 预处理车间
图2 理料车间
图3 切割-部件联合车间
图4 部件车间一角
并按照该生产基地的实际状况，在DELMIA中AEC工厂模块中建立全厂区空间分布模型，以上各车间整合到仿真空间中，具体布置如图5所示。
图5 材料码头到部件车间总览
有了以上生产车间模型作为生产的载体，只需要在其中添加钢板、焊材等材料，在制品、中间产品以及操作工人的模型，就可以进行生产的仿真了。
2 生产仿真的关键技术
生产仿真的关键技术分为两个方面：一方面是建模技术，另一方面是驱动仿真运行的技术。
2.1 三维模型的建模技术
2.1.1 大批量模型的快速建模
对整个船厂模型的建模是一个工作量极大的任务，整个模型中的材料、设备和中间产品种类并不多，但是往往有局部的差别和变化。如果对每一个有差别的零件都重新建模将消耗相当多的时间。
而DELMIA中为研究者提供了便捷的零件库建模方式（图6）。对于有局部差别的零件，在建模时可以利用公式按钮添加若干个参数控制零件的局部差别，再利用设计表按钮创建零件库，并将其关联到一个Excel表格，在表格中可以任意添加参数值和新的参数变量，最后创建一个catalog文件将零件的名称、各参数和刚创建的Excel表格联系起来成为一个零件库。若对Excel表格进行了修改，DELMIA在打开catalog时会自动进行更新，保持零件库与Excel表格的一致性。
图6 船用标准钢板零件库示例
2.1.2 仿真模型的简化和轻量化
生产仿真的三维建模技术与常用的船舶装配仿真的技术基本相同，但若要考虑到全厂范围的生产过程仿真，由于模型多，数据量大，要在一定的硬件环境下使仿真能够流畅运行，就需要对某些次要模型进行简化处理，减少其中圆柱体、多截面体的数量；对某些相对位置固定的零件可将其建立到同一个part中，尽量减少零件树的节点，降低冗余，优化仿真操作。
对于简化后的模型，还需要使其轻量化。在DELMIA中，有两种方法：
第一种，先将设计零件生成的part文件通过装配设计模块组装成为produa，再通过DELMIA提供的过滤产品数据功能模块，将其转化为实体(*FLT.*类文件)，可以减少零件几何信息的数据量。
第二种，将设计零件生成的part文件另存为cgr格式，cgr格式是可视化文件的一种格式，只显示零件或设备的外形以及零件之间的装配信息，而不调入零件本身的几何信息，大大减少了模型的数据量。然后在装配设计中，将cgr格式的零件导入并组装成为product（图7）。
图7 cgr格式的part组装为produd示例
以上两种轻量化方法的区别在于cgr格式的零件树结构更为简洁，在大量设备和产品的仿真中，零件树的结构极大的影响仿真动作的编制和仿真控制的速度。不过用这种方法在大量建模的时候操作量较大，相对转换实体法较浪费时间。所以对于零件较多并较复杂的模型最好使用转换cgr格式方法，而批量建模时采用转换实体方法。
这两种简化模型的方法都有相同的缺陷，那就是零件不具有线面等几何信息，虽然在组装成product时可以靠罗盘精确定位，但零件之间不能设定约束条件，会在仿真操作不慎时出现意外的零件分离现象。
并且经过轻量化的模型无法编辑，若需要编辑零件的几何信息，则必须修改轻量化之前的文件，重新过滤产品数据或者另存为cgr格式，覆盖要修改的文件，并在仿真中使用更新命令获取修改后的零件。
2.1.3 仿真模型的贴图
为了使仿真更加逼真，还可以对各零件进行贴图和上色。DELMIA中对零件贴图最常用的方法是对零件添加材质，DELMIA本身提供许多种材质，有相应的表面图形和光学性质。若需自定义则可以在材质属性的渲染效果中修改光学性质，还可以从本地图库中找到需要的图片进行贴图，并可以选择不同表面的贴图方向。此外，还可以用图片工作室模块中的添加标签工具，它可以在一个用户设定的范围内对产品进行贴图，使模型更加逼真。
2.2 仿真系统与仿真的驱动
2.2.1 DELMIA仿真系统简介
DELMIA软件系统是法国达索公司的PLM产品系统中的一个面向制造过程的“数字化制造”平台子系统。它包括面向制造过程设计的DPE；面向工艺过程分析的DPM；面向物流过程分析的QUEST；这三个部分可以通过PPR（Product、Process、Resource）Hub连接，在DPE和DPM中均可定义生产计划和工艺，再利用DPM进行三维仿真。
2.2.2 仿真的驱动
仿真的运行过程就是生产计划的执行过程，表现为仿真环境中各模型在某时间点执行了某个工艺动作。DELMIA中的模型运动需要先创建Process，即一系列运动代表的工艺过程，可以根据不同船厂编制计划的习惯自定义其名称和类别。再在Process树下编制整个计划的全部工艺流程，打开流程图会将已经设定好的工艺过程显示出来，可以简便明了的设定工艺间的层级关系和先后顺序，并对各工艺添加相关的产品和资源。
完成了工艺流程图，就可以在各工艺中插入该工艺的生产动作，即模型的运动过程(move activity)利用，并用罗盘辅助模型定位完成运动轨迹，并设定每个运动的时间，通过记录器记录下来，最终就形成一个工艺步骤。操作时每个运动的轨迹都会显示出来，便于修改。再通过GANTT图，可以修改各动作的起始、消耗时间，便于计划的修改和工艺周期的控制。
对于全厂范围的生产仿真，由于模型数量较多，activity的数最在此基础上更是巨大，为了快速完成activity的建模，DELMIA可以将process和activiCy进行分类，对相同模型的重复运动，在PPR树结构中用简单的复制粘贴手段就可以达到目的。这极大的方便了大型工艺过程的建模。
为达到良好的仿真效果，可在仿真中插入不同的摄像机位置，在仿真运行过程中软件会平滑移动镜头，让仿真的观看者能够从各角度了解生产的实际情况。
图8、图9是船厂钢板经过预处理进入理料车间分垛堆放的生产过程以及部件车间自动拼板和球扁钢肋骨冷弯的加工过程仿真演示结果。
图8 理料车间钢板分垛堆放过程仿真
图9 自动拼扳以及肋骨冷弯加工过程仿真结果
3 结论与展望
本文对船厂的部分车间进行了建模，研究了大型离散式生产仿真的快速、优化建模技术，并对材料码头到部件车间的生产进行了模拟仿真。
虽然生产仿真的模型数量较多较杂，精确建模需要耗费相当的时间，但是它对整个工厂的生产管理意义十分重大。在仿真运行过程中，可以直观的表现全局或者局部视角下各车间各设备的运行状态，并对其中设备运转率、资源消耗率、场地占用率等要素输出报告。直观的三维演示和数据报表可以提供给管理者需要的大量信息，比一般的生产计划表格更清晰，更便于管理的实施。若在仿真中有某些环节出现拥堵等现象导致生产停滞，可以从全局着眼，调整所需资源的分配方式和分配数量，克服实际生产中局部资源重新调配的局限性，用更少的时间或其他资源使生产回到正轨，保证交货期。随着数字化制造技术在汽车、飞机航空工业的迅速发展，它在船舶制造方面的也将发挥更大的作用，结合数字化工作平台等技术形成更高效的数字化船厂。
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本文标题：基于DELMIA的船厂生产过程仿真
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