船舶总体装配制造物流仿真系统_袁华

第37卷　第1期2009年　1月　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)J .Huazho ng U niv .of Sci .&T ech .(Na tur al Science Editio n )V ol .37N o .1　Ja n .　2009收稿日期:2008-03-19.作者简介:袁　华(1977-),男,博士研究生,E -mail :lianhualcw @163.co m .船舶总体装配制造物流仿真系统袁　华1　赵　耀1　严　俊2(1华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;2武昌造船厂技术中心,湖北武汉430064)摘要:针对船舶总体装配制造物流仿真的功能需求,提出了船舶总体装配物流仿真系统总体解决方案,进行了总体架构的设计,完成了工程化仿真流程的制定和船舶总体装配物流仿真模型的建立.依托可视化仿真软件Q U ES T 建立了仿真运行环境,进行了系统实现,最后通过在船舶总体装配建造中的应用,验证了仿真系统设计的合理性.关　键　词:船舶总体装配;物流仿真;仿真流程;仿真建模;总体架构;可视化中图分类号:U662.9 文献标识码:A 文章编号:1671-4512(2009)01-0053-03Simulation system for ship assembly logisticsY uan H ua 1　Zhao Yao 1　Yan J un 2(1College o f Nav al A r chitec ture and Ocean Enginee ring ,Huazho ng U nive rsity o f Science and Technology ,Wuha n 430074,China ;2T echno log y Center o f Wuchang Shipya rd ,Wuhan 430064,China )A bstract :A gene ral scheme fo r the simulatio n system of ship assembly logistics is proposed .A simu -lation sy stem of ship assembly logistics w as defined and the sy stem architecture w as desig ned .The standard simulatio n pro cess and the simulation modeling w ere built .The simulatio n environment w as e stablished based on the visual softw are named Q UEST ,furthermo re ,the who le sy stem w as imple -m ented and used in the actual ship assem bly process efficiently .Key words :ship assembly ;logistics sim ulation ;simulation process ;simulatio n m odeling ;sy stem ar -chitecture ;visualization 船舶总体装配为多工种集中式制造系统,大量施工在有限空间内交叉频繁,制造物流瓶颈和各种干涉现象极易出现,导致船台周期延长,增加造船成本.在传统的船舶制造体系下,主要依靠以往的统计数据和经验对船舶总体装配建造方案进行评估与修订,效果并不理想;同时,由于缺乏可视化评估手段,使得不同施工工艺间的干涉难以发现.仿真技术在船舶装配建造中具有广泛的应用前景[1].文献[2,3]针对具体的造船工艺和设备进行仿真分析,但没有从船舶总体装配方案的全局展开仿真.McLean 和Shao [4]提出了一种船舶建造仿真的总体方案,该方案可对造船过程中的计划进度和资源匹配进行仿真分析,但没有考虑可视化技术的应用.本文针对船舶总体装配制造物流仿真的功能需求,提出了船舶总体装配物流仿真系统总体解决方案,进行了总体架构的设计,完成了仿真流程的制定和船舶总体装配物流仿真模型的建立,并验证了该仿真系统设计的合理性.1　船舶总体装配制造物流仿真系统设计1.1　总体架构船舶总体装配(以下简称总装)建造物流仿真系统如图1所示,包含3大功能模块:总装可视化仿真子系统、物流及制造资源平衡评估系统、总装过程优化调整系统[5].总装可视化仿真系统的功能是完成船舶总体装配过程的可视化模拟,是在仿真环境下按照既DOI :10.13245/j .hust .2009.01.027图1　船舶总体装配物流仿真系统总体架构定的总装方案实现装配加工的虚拟动态展示,并将船舶总体装配方案虚拟仿真结果以实景漫游的形式提供给用户,为开展装配路径可行性评估、装配过程静/动态干涉检验、装配施工人员人体工程学性能评估奠定基础[6].物流及制造资源平衡评价系统的功能是实现船舶总体装配建造方案的物流性能评估,通过对总体装配建造方案的模拟运行,获取制造资源利用率、制造资源使用/空闲时间、总段/分段装配周期等仿真结果,并根据仿真结果得到船舶总体装配方案的物流性能总体评价.总体装配建造方案优化调整系统的功能是在上述两个系统的仿真分析评估结果基础上,根据目标变量对总体装配建造方案进行优化调整,并将调整后的新方案再送往总体装配可视化仿真系统和物流及制造资源平衡评价系统,进行进一步仿真分析并不断迭代完善(如图2所示).图2　基于仿真的船舶总体装配方案制定与优化1.2　规范化仿真流程设计针对船舶总体装配仿真的工程化应用需求,其过程可分为:通过制定的船舶总体装配建造预期方案,挖掘与建造物流过程相关的信息,按照定义好的数据结构建立仿真模型;仿真模型在船舶总体装配物流仿真系统中运行,获得该预期方案的运行状态信息,以得到对该方案的多目标评价分析,并依此对预期方案进行优化改进[7].其仿真过程如图3所示.1.3　仿真模型标准定义仿真模型是对仿真对象的抽象精确描述,系统仿真过程实际上是仿真模型的状态随着仿真时图3　船舶总体装配物流仿真过程钟推进的变迁.船舶总体装配物流仿真模型的主体是总装过程中的产品实体和制造资源.通过相应语义分析,本系统的仿真模型由5部分组成:仿真时钟模型、几何信息模型、制造资源模型、约束模型和产品实体模型.仿真模型整体结构如图4所示.图4　仿真模型整体结构图仿真时钟模型:仿真模型在任一状态下的时间刻度描述.仿真时钟模型的语义定义为:〈××仿真模型〉所处的当前时刻.约束模型:对仿真模型在仿真过程中状态变化的条件和范围的描述.如模型产生状态变化的前置条件和状态变化的范围要求.所有仿真模型按照约定好的约束条件发生状态的变化直至建造过程结束.约束模型的语义定义为:在什么条件下,〈××仿真模型〉状态将会发生什么变化.产品实体运动模型:对仿真环境在仿真过程中运动性质的描述,如当前位置、朝向、倾斜度等.产品实体运动模型随着仿真时钟的推进而发生改变,其变化过程直接反映为仿真模型的运动轨迹,在仿真环境中,所有的仿真模型依据定义好的运动轨迹和约束条件在仿真时钟的驱动下发生状态变化,并配以实体几何外观可视化展现,构成建造过程的仿真虚拟.产品实体运动模型的语义定为:〈××仿真模型〉的当前位置、倾斜度、朝向.每一个产品实体在每一道工序中的起始位置(X ,Y ,Z 坐标)和终止位置(X ,Y ,Z 坐标).实体几何信息模型:对仿真模型的形状、大小、颜色、材质等实体几何性质的三维描述.实体几何信息模型通过仿真驱动环境转化为产品实体的可视化效果.实体几何信息模型的语义定义为:·54· 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　第37卷〈××仿真模型〉的形状、大小、尺寸参数、颜色等.制造资源模型:对仿真模型状态发生变化的辅助参与者的描述,如对应于制造过程的工具、设备、原材料和人员等.制造资源模型的语义定义为:〈××仿真模型〉状态发生XX 变化时,需要的辅助参与者.1.4　基于Q UEST 的船舶总体装配仿真建模采用可视化物流仿真软件Q UEST 作为仿真驱动环境,其本身具备仿真时钟运行驱动能力,通过基于QUEST 的仿真建模实现了对船舶总体装配物流仿真模型的容纳[8].船舶总体装配物流仿真系统主要实现立体分段形成、总段形成、总段合拢形成全船等过程的仿真,应将制造过程抽象成为在Q UEST 仿真平台上可以实现的物流过程.根据制定的仿真模型定义和QU ES T 的建模能力,对前面仿真过程进行了相应调整,仿真过程如图5所示.图5　基于Q U EST 的船舶总装物流仿真过程a .产品仿真模型的建立.基于已有三维设计平台完成船舶产品三维设计模型,通过对产品建造数据到Q UES T 仿真平台的数据转换和模型坐标关系的转换,实现从产品三维设计模型向QUEST 的数据导入.b .工装设备仿真模型的建立.在对制造资源模型定义以后,再在三维设计软件中对其进行三维实体建模,包括行车、船台小车、行车轨道、船台小车轨道、厂房等.再经过数据转换接口转换为QUEST 仿真环境中的仿真模型.c .约束模型的建立.按照总装过程的资源分配、建造工艺、装配路径等要求建立物流约束关系,如行车时间分配及调度、船台小车占用、立体分段内部安装顺序、吊装路径选择、安装过程中干涉消除等.为了在QU ES T 仿真环境中体现上述约束,将其中一部分体现在仿真剧本中,另外一部分直接用于指导QUEST 仿真模型的建立,最终这些约束关系都在仿真的运行过程中得到实现.2　应用实例本系统在船舶的总体装配建造中进行了应用,首先对其建造过程进行了可视化模拟,然后进行了总体装配制造物流性能参数的计算,某船体分段总体装配建造可视化模拟图如图6所示.图6　某分段总装建造可视化模拟仿真结束后的输出结果,是仿真软件QUEST 中用户定制模型的状态变化记载,通过反演推算可以得到实际建造的物流评价.物流评价指标主要包括总装建造资源的使用时间、负荷分布情况等,反映了各种建造资源的使用率和使用时间在整个总体装配周期内的分布情况,为进行相关资源的负荷平衡提供依据[9,10],图7是船舶8个分段总体装配过程中行车运行、焊接、吊装(含对接)和质检等制造工艺和资源的工时统计的仿真结果.本文针对船舶产品总体装配建造的制造物流仿真需求开展了研究工作,得到了以下有意义的结论:a .提出了船舶总体装配物流仿真系统总体解决方案,进行了总体架构设计,完成了工程化仿真流程的制定和船舶总体装配物流仿真模型的建立,依托可视化仿真软件QUEST 建立了仿真运行环境.b .实现了对总体装配建造的可视化模拟与制造物流性能参数的计算,在船舶总体装配的应用实例表明,本仿真系统的仿真模型能有效地反映建造特征并满足仿真需求,并提供利用虚拟仿真手段对船舶总体装配建造过程的物流信息进行计算和分析的能力,为生产过程的优化重构和企业资源配置调整提供可视化的工程模拟手段.(下转第64页)·55·第1期 袁　华等:船舶总体装配制造物流仿真系统 的,设计旧水泥混凝土路面沥青加铺层时,应对重载的不利影响充分加以考虑.c .反射裂缝应力吸收层的弹性模量对反射裂缝的产生和扩展有一定的影响.当吸收层模量从20MPa 增加到100M Pa 时,加铺层主拉应力相应下降约8%.所以采用较大模量的吸收层,对延缓反射裂缝的出现有一定作用.参考文献[1]杨　斌.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究[D ].西安:长安大学公路学院,2006.[2]Chen Dar hao ,Sculliong T ,Bilyeu J .L esso ns lear nedon jointed co ncre te pav ement rehabilitatio n strategies in tex as [J ].Jo urnal of T ranspo rtatio n 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