近年來(lái)，我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，造船產(chǎn)量大幅提升。2011年1-8月全國(guó)造船完工量4217萬(wàn)載重噸，占世界市場(chǎng)份額的40.9%。同時(shí)，原世界第一造船大國(guó)韓國(guó)今年造船完工量為3439萬(wàn)載重噸，占全球造船份額的33.4%。但是，目前我國(guó)造船能力的擴(kuò)充在很大程度上依賴(lài)于造船設(shè)施的新建或擴(kuò)建，而制造技術(shù)和生產(chǎn)管理能力提升等方面則明顯不足。例如根據(jù)大節(jié)點(diǎn)計(jì)劃排定的各節(jié)點(diǎn)開(kāi)工日期和生產(chǎn)周期并不精確，管理部門(mén)排到月計(jì)劃而各生產(chǎn)班組排到日計(jì)劃，而管理部門(mén)僅憑班組上報(bào)的日計(jì)劃對(duì)實(shí)際生產(chǎn)并不能精確掌控，導(dǎo)致無(wú)法在全局統(tǒng)籌各生產(chǎn)資源的調(diào)度，也不能精確控制交貨期，所以要取得突破，必須從加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程的管理入手。

    隨著數(shù)字化制造技術(shù)的迅速發(fā)展，制造仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和航空制造業(yè)，用于對(duì)產(chǎn)品全生命周期中設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真，在加強(qiáng)生產(chǎn)管理，節(jié)約生產(chǎn)成本方而取得了顯著效果。韓國(guó)三星重工利用DELMIA軟件建立了完整的數(shù)字化造船系統(tǒng)，建立了虛擬船廠，可在虛擬環(huán)境下模擬整個(gè)造船過(guò)程。這套系統(tǒng)預(yù)計(jì)每年為企業(yè)減少730萬(wàn)美元的開(kāi)支，大大提高韓國(guó)造船行業(yè)的困際競(jìng)爭(zhēng)力。利用制造仿真技術(shù)，可以根據(jù)工廠的實(shí)際情況建立虛擬工廠，將待實(shí)行的多個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃同時(shí)在虛擬工廠中進(jìn)行“預(yù)演”。通過(guò)虛擬制造，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，減少建造過(guò)程的中設(shè)計(jì)方案的更改，減少建造過(guò)程中的延期，合理的規(guī)劃建造過(guò)程，從而降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并保證交貨期。

1 船廠生產(chǎn)運(yùn)作仿真的內(nèi)容

    1.1 生產(chǎn)仿真的建模對(duì)象

    生產(chǎn)仿真的建模對(duì)象包括兩個(gè)方面，一方面是生產(chǎn)過(guò)程中需要的原材料和產(chǎn)生的中間產(chǎn)品，包括鋼板、型材、零件，部件、分段，總段、整船和其他船裝件等。另一方面是全廠區(qū)的車(chē)間、工場(chǎng)、堆場(chǎng)等與生產(chǎn)緊密相關(guān)的生產(chǎn)過(guò)程的載體。包括其中的運(yùn)輸、起重、加工設(shè)備以及其他工裝設(shè)備等生產(chǎn)資源，也應(yīng)包括產(chǎn)品和設(shè)備運(yùn)行的軌跡，包括道路、軌道、傳送帶等，對(duì)于這些對(duì)象，需要建立合理的三維模型，既要能表現(xiàn)出該特定對(duì)象的功能，并能在生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)用以表述生產(chǎn)過(guò)程；又需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，防止模型數(shù)量龐大而導(dǎo)致仿真運(yùn)行緩慢。

    另外，為了確立正確的數(shù)學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)，各船廠還需要對(duì)自身的生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研和評(píng)審，用以精確模擬實(shí)際生產(chǎn)。這些數(shù)據(jù)包括各工位的基本工時(shí)，輔助材料的消耗，全廠的生產(chǎn)設(shè)備和工裝的數(shù)量、分類(lèi)、生產(chǎn)（輔助）能力等。以上數(shù)據(jù)是仿真能夠正確反映船廠產(chǎn)能的必要條件，也是生產(chǎn)仿真數(shù)學(xué)模型的重要基礎(chǔ)。

    三維建模完成后，在仿真軟件中建立初步設(shè)定的生產(chǎn)計(jì)劃的數(shù)學(xué)模型，如采用準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)模式，生產(chǎn)計(jì)劃的數(shù)學(xué)模型就可以表示為生產(chǎn)過(guò)程中的各工位在什么時(shí)間需要何種資源（包括數(shù)量）。再建立的設(shè)備數(shù)學(xué)模型，即設(shè)備的運(yùn)行速度或生產(chǎn)能力等。綜合這些三維模型和數(shù)學(xué)模型就可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬。

    1.2 船廠三維建摸

    基于國(guó)內(nèi)某船舶生產(chǎn)基地的現(xiàn)狀，在DELMIA中建立其鋼料堆場(chǎng)、預(yù)處理車(chē)間、理科車(chē)間、切割-部件聯(lián)合車(chē)間中各加工、運(yùn)輸、輔助設(shè)備的三維模型。如預(yù)處理線、數(shù)控切割機(jī)、起重機(jī)、電動(dòng)平板車(chē)、運(yùn)輸輥道；以及車(chē)間支撐柱、車(chē)間外殼、地面基礎(chǔ)、鋼板平臺(tái)等，如圖1～圖4所示。

    圖1 預(yù)處理車(chē)間

    圖2 理料車(chē)間

    圖3 切割-部件聯(lián)合車(chē)間

    圖4 部件車(chē)間一角

    并按照該生產(chǎn)基地的實(shí)際狀況，在DELMIA中AEC工廠模塊中建立全廠區(qū)空間分布模型，以上各車(chē)間整合到仿真空間中，具體布置如圖5所示。

    圖5 材料碼頭到部件車(chē)間總覽

    有了以上生產(chǎn)車(chē)間模型作為生產(chǎn)的載體，只需要在其中添加鋼板、焊材等材料，在制品、中間產(chǎn)品以及操作工人的模型，就可以進(jìn)行生產(chǎn)的仿真了。

2 生產(chǎn)仿真的關(guān)鍵技術(shù)

    生產(chǎn)仿真的關(guān)鍵技術(shù)分為兩個(gè)方面：一方面是建模技術(shù)，另一方面是驅(qū)動(dòng)仿真運(yùn)行的技術(shù)。

    2.1 三維模型的建模技術(shù)

    2.1.1 大批量模型的快速建模

    對(duì)整個(gè)船廠模型的建模是一個(gè)工作量極大的任務(wù)，整個(gè)模型中的材料、設(shè)備和中間產(chǎn)品種類(lèi)并不多，但是往往有局部的差別和變化。如果對(duì)每一個(gè)有差別的零件都重新建模將消耗相當(dāng)多的時(shí)間。

    而DELMIA中為研究者提供了便捷的零件庫(kù)建模方式（圖6）。對(duì)于有局部差別的零件，在建模時(shí)可以利用公式按鈕添加若干個(gè)參數(shù)控制零件的局部差別，再利用設(shè)計(jì)表按鈕創(chuàng)建零件庫(kù)，并將其關(guān)聯(lián)到一個(gè)Excel表格，在表格中可以任意添加參數(shù)值和新的參數(shù)變量，最后創(chuàng)建一個(gè)catalog文件將零件的名稱(chēng)、各參數(shù)和剛創(chuàng)建的Excel表格聯(lián)系起來(lái)成為一個(gè)零件庫(kù)。若對(duì)Excel表格進(jìn)行了修改，DELMIA在打開(kāi)catalog時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行更新，保持零件庫(kù)與Excel表格的一致性。

    圖6 船用標(biāo)準(zhǔn)鋼板零件庫(kù)示例

    2.1.2 仿真模型的簡(jiǎn)化和輕量化

    生產(chǎn)仿真的三維建模技術(shù)與常用的船舶裝配仿真的技術(shù)基本相同，但若要考慮到全廠范圍的生產(chǎn)過(guò)程仿真，由于模型多，數(shù)據(jù)量大，要在一定的硬件環(huán)境下使仿真能夠流暢運(yùn)行，就需要對(duì)某些次要模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，減少其中圓柱體、多截面體的數(shù)量；對(duì)某些相對(duì)位置固定的零件可將其建立到同一個(gè)part中，盡量減少零件樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，降低冗余，優(yōu)化仿真操作。

    對(duì)于簡(jiǎn)化后的模型，還需要使其輕量化。在DELMIA中，有兩種方法：

    第一種，先將設(shè)計(jì)零件生成的part文件通過(guò)裝配設(shè)計(jì)模塊組裝成為produa，再通過(guò)DELMIA提供的過(guò)濾產(chǎn)品數(shù)據(jù)功能模塊，將其轉(zhuǎn)化為實(shí)體(*FLT.*類(lèi)文件)，可以減少零件幾何信息的數(shù)據(jù)量。

    第二種，將設(shè)計(jì)零件生成的part文件另存為cgr格式，cgr格式是可視化文件的一種格式，只顯示零件或設(shè)備的外形以及零件之間的裝配信息，而不調(diào)入零件本身的幾何信息，大大減少了模型的數(shù)據(jù)量。然后在裝配設(shè)計(jì)中，將cgr格式的零件導(dǎo)入并組裝成為product（圖7）。

    圖7 cgr格式的part組裝為produd示例

    以上兩種輕量化方法的區(qū)別在于cgr格式的零件樹(shù)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，在大量設(shè)備和產(chǎn)品的仿真中，零件樹(shù)的結(jié)構(gòu)極大的影響仿真動(dòng)作的編制和仿真控制的速度。不過(guò)用這種方法在大量建模的時(shí)候操作量較大，相對(duì)轉(zhuǎn)換實(shí)體法較浪費(fèi)時(shí)間。所以對(duì)于零件較多并較復(fù)雜的模型最好使用轉(zhuǎn)換cgr格式方法，而批量建模時(shí)采用轉(zhuǎn)換實(shí)體方法。

    這兩種簡(jiǎn)化模型的方法都有相同的缺陷，那就是零件不具有線面等幾何信息，雖然在組裝成product時(shí)可以靠羅盤(pán)精確定位，但零件之間不能設(shè)定約束條件，會(huì)在仿真操作不慎時(shí)出現(xiàn)意外的零件分離現(xiàn)象。

    并且經(jīng)過(guò)輕量化的模型無(wú)法編輯，若需要編輯零件的幾何信息，則必須修改輕量化之前的文件，重新過(guò)濾產(chǎn)品數(shù)據(jù)或者另存為cgr格式，覆蓋要修改的文件，并在仿真中使用更新命令獲取修改后的零件。

    2.1.3 仿真模型的貼圖

    為了使仿真更加逼真，還可以對(duì)各零件進(jìn)行貼圖和上色。DELMIA中對(duì)零件貼圖最常用的方法是對(duì)零件添加材質(zhì)，DELMIA本身提供許多種材質(zhì)，有相應(yīng)的表面圖形和光學(xué)性質(zhì)。若需自定義則可以在材質(zhì)屬性的渲染效果中修改光學(xué)性質(zhì)，還可以從本地圖庫(kù)中找到需要的圖片進(jìn)行貼圖，并可以選擇不同表面的貼圖方向。此外，還可以用圖片工作室模塊中的添加標(biāo)簽工具，它可以在一個(gè)用戶設(shè)定的范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行貼圖，使模型更加逼真。

    2.2 仿真系統(tǒng)與仿真的驅(qū)動(dòng)

    2.2.1 DELMIA仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    DELMIA軟件系統(tǒng)是法國(guó)達(dá)索公司的PLM產(chǎn)品系統(tǒng)中的一個(gè)面向制造過(guò)程的“數(shù)字化制造”平臺(tái)子系統(tǒng)。它包括面向制造過(guò)程設(shè)計(jì)的DPE；面向工藝過(guò)程分析的DPM；面向物流過(guò)程分析的QUEST；這三個(gè)部分可以通過(guò)PPR（Product、Process、Resource）Hub連接，在DPE和DPM中均可定義生產(chǎn)計(jì)劃和工藝，再利用DPM進(jìn)行三維仿真。

    2.2.2 仿真的驅(qū)動(dòng)

    仿真的運(yùn)行過(guò)程就是生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程，表現(xiàn)為仿真環(huán)境中各模型在某時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行了某個(gè)工藝動(dòng)作。DELMIA中的模型運(yùn)動(dòng)需要先創(chuàng)建Process，即一系列運(yùn)動(dòng)代表的工藝過(guò)程，可以根據(jù)不同船廠編制計(jì)劃的習(xí)慣自定義其名稱(chēng)和類(lèi)別。再在Process樹(shù)下編制整個(gè)計(jì)劃的全部工藝流程，打開(kāi)流程圖會(huì)將已經(jīng)設(shè)定好的工藝過(guò)程顯示出來(lái)，可以簡(jiǎn)便明了的設(shè)定工藝間的層級(jí)關(guān)系和先后順序，并對(duì)各工藝添加相關(guān)的產(chǎn)品和資源。

    完成了工藝流程圖，就可以在各工藝中插入該工藝的生產(chǎn)動(dòng)作，即模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程(move activity)利用，并用羅盤(pán)輔助模型定位完成運(yùn)動(dòng)軌跡，并設(shè)定每個(gè)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，通過(guò)記錄器記錄下來(lái)，最終就形成一個(gè)工藝步驟。操作時(shí)每個(gè)運(yùn)動(dòng)的軌跡都會(huì)顯示出來(lái)，便于修改。再通過(guò)GANTT圖，可以修改各動(dòng)作的起始、消耗時(shí)間，便于計(jì)劃的修改和工藝周期的控制。

    對(duì)于全廠范圍的生產(chǎn)仿真，由于模型數(shù)量較多，activity的數(shù)最在此基礎(chǔ)上更是巨大，為了快速完成activity的建模，DELMIA可以將process和activiCy進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)相同模型的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，在PPR樹(shù)結(jié)構(gòu)中用簡(jiǎn)單的復(fù)制粘貼手段就可以達(dá)到目的。這極大的方便了大型工藝過(guò)程的建模。

    為達(dá)到良好的仿真效果，可在仿真中插入不同的攝像機(jī)位置，在仿真運(yùn)行過(guò)程中軟件會(huì)平滑移動(dòng)鏡頭，讓仿真的觀看者能夠從各角度了解生產(chǎn)的實(shí)際情況。

    圖8、圖9是船廠鋼板經(jīng)過(guò)預(yù)處理進(jìn)入理料車(chē)間分垛堆放的生產(chǎn)過(guò)程以及部件車(chē)間自動(dòng)拼板和球扁鋼肋骨冷彎的加工過(guò)程仿真演示結(jié)果。

    圖8 理料車(chē)間鋼板分垛堆放過(guò)程仿真

    圖9  自動(dòng)拼扳以及肋骨冷彎加工過(guò)程仿真結(jié)果

3 結(jié)論與展望

    本文對(duì)船廠的部分車(chē)間進(jìn)行了建模，研究了大型離散式生產(chǎn)仿真的快速、優(yōu)化建模技術(shù)，并對(duì)材料碼頭到部件車(chē)間的生產(chǎn)進(jìn)行了模擬仿真。

    雖然生產(chǎn)仿真的模型數(shù)量較多較雜，精確建模需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，但是它對(duì)整個(gè)工廠的生產(chǎn)管理意義十分重大。在仿真運(yùn)行過(guò)程中，可以直觀的表現(xiàn)全局或者局部視角下各車(chē)間各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)其中設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率、資源消耗率、場(chǎng)地占用率等要素輸出報(bào)告。直觀的三維演示和數(shù)據(jù)報(bào)表可以提供給管理者需要的大量信息，比一般的生產(chǎn)計(jì)劃表格更清晰，更便于管理的實(shí)施。若在仿真中有某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)擁堵等現(xiàn)象導(dǎo)致生產(chǎn)停滯，可以從全局著眼，調(diào)整所需資源的分配方式和分配數(shù)量，克服實(shí)際生產(chǎn)中局部資源重新調(diào)配的局限性，用更少的時(shí)間或其他資源使生產(chǎn)回到正軌，保證交貨期。隨著數(shù)字化制造技術(shù)在汽車(chē)、飛機(jī)航空工業(yè)的迅速發(fā)展，它在船舶制造方面的也將發(fā)揮更大的作用，結(jié)合數(shù)字化工作平臺(tái)等技術(shù)形成更高效的數(shù)字化船廠。

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本文標(biāo)題：基于DELMIA的船廠生產(chǎn)過(guò)程仿真

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