基于计算机仿真的造船生产工艺设计方法外文翻译资料

基于计算机仿真的造船生产工艺设计方法

摘要

在这项研究中，建议使用计算机模拟的造船生产过程设计方法。从建议的方法学角度来看，可以为复杂的造船生产过程设计程序提供更好更高效的工具。在这项研究的第一部分，讨论了现有的造船业生产过程设计实践，强调了它的缺点和问题。接下来，作为建议方法论的基础，对离散事件仿真建模方法进行了研究，描述了它的特殊性，优点和应用原因，尤其是在造船生产过程中。此外，还介绍了仿真建模基础知识以及生产工艺流程的建议方法。演示了用于设计自动化型材制造生产线的建议方法学应用的案例研究。通过与具体船厂生产过程中的自动化轮廓切割生产线安装进行比较，评估了采用建议方法获得的选定设计方案。根据从实际生产中获得的数据，仿真模型得到进一步增强。最后，基于这项研究，结果和推断的结论，提出了进一步研究的方向。

关键词：造船；生产工艺设计决策；决策；计算机仿真

1. 介绍

在今天的市场上，造船厂不断投资改进生产工艺和技术，以提高生产率和利润。 因此，造船厂管理层往往在生产过程中采取重要行动，尤其是在将新技术应用到现有生产过程中，这是一项复杂的任务。新生产过程的设计是一项常常基于各种不同的在已知的现有限制内的假设的任务，此外，解决方案是必要的依赖决策变量之间的相互作用的结果[1]。针对这些问题，笔者分析了现有的设计方法，设计生产工艺的技术和工具，尤其是造船工艺[2]。鉴于现有方法的缺陷，确定了对造船工艺设计的新科学方法的需求。这种方法应该在船厂新技术实施，现有管理和改进以及整个决策过程中提供更好的支持。因此，本文将介绍一种基于仿真建模方法和选定的操作研究方法的造船生产过程设计方法。建议的方法和设计的计算机模拟模型通过特定造船厂生产过程设计的案例研究进行了测试，并在生产线安装后得到确认。模型通过实际过程数据得到了进一步增强，并且针对几种不同的生产情况进行了确认，因此它有可能用于实际生产过程的调度，假设情景，优化，计划和控制等。

1. 问题讨论

造船厂生产过程就其特点而言是最复杂的业务和生产系统之一。这种复杂性是其最终产品复杂性的结果 - 船舶，高资本价值的个别产品，主要是不同类型和规模的产品。这样一个复杂的产品需要同样复杂的造船过程，具有以下基本特征[3]：大量的中间产品;过程之间的重要互动和相互依存;主要是关于不同持续时间的非重复过程;过程输入包含大量组件，但是具有少量不同的输出最终产品;过程是在许多平行的子过程中进行的，具有更多或更少的时间重叠;过程在技术上是不同的，使用不同的工作方式;生产过程既有“产品在整个过程中的移动”，也有“产品在整个过程中移动”。在图1中，给出了造船生产过程的简化方案。在进行的研究中，对生产过程设计的各种现有方法，技术和工具进行了调查，并确定了这些方法的缺点，尤其是在上述复杂的造船厂生产过程中[2,4]。一般来说，在传统方法中，设计解决方案通常基于与已具有类似技术的其他造船厂的比较来定义。这种解决方案在特定情况下可以令人满意，但不一定适合于观察到的造船厂[5,6]。就此而言，科学方法在工艺设计和改进中的应用得到了更广泛的接受，即相关的数学建模方法[7,8]。然而，作者发现传统数学建模和分析方法在设计复杂生产过程（如造船）方面的缺点，这使得传统数学方法的应用具有一定的限制因素，如[9]：真实的生产过程，元素及其关系常常知之不足，无法在数学上定义;真正的问题往往非常复杂，这使得它的分析定义非常困难;使用传统的数学模型，很难呈现观察过程的动态。在确定的问题之后，在这项研究中，提出了一种基于仿真建模方法的造船生产过程设计新方法，以及选定的操作研究方法和工具。

钢制堆场

(板材和型材)

漆装

设备组件

(区块、模块)

设备制造

设备储存

船舶交付

船体砌块安装和

滑道上的装备

船下水后的最后装备

船体积木总成和

车间内的装备

船体截面组件

和装束

制造

板材和型材

预制

板材和型材

图1 造船生产工艺方案

1. 问题解决方法

在进行分析和发现缺点的基础上，开发并建议了一种新的造船生产过程设计方法，以离散事件仿真建模作为其基本方法。

3.1离散事件仿真建模

术语模拟建模表达了一个复杂的活动，涉及三个要素：实际的系统，模型和计算机。仿真可以被定义为在确定的要求和限制内建立实际动态系统的动态模型的过程，目的在于理解真实系统的行为以及评估不同设计和/或生产方案的设计新系统或改进现有系统[10]。在所提出的方法论中，使用了离散事件仿真建模软件eM-Plant内的面向对象的SimTalk语言。因为本文研究的生产过程系统主要被认为是离散事件系统，所以使用离散事件模拟。在这样的系统中，每个事件都发生在特定的时刻，并标记系统中，连续事件之间的状态变化，假定系统发生变化[11]。与传统分析模型相比，计算机模拟模型更具描述性，更易于管理，并且使设计人员能够在计算机，快速和早期设计阶段验证各种决策方案[12]。此外，这种方法使最终决策更加可靠，并更好地适用于观察到的造船厂，因为它提供了大量相关和及时的信息，从而在解决方案安装之前更好地适应特定的造船厂，从而实现更可靠和风险更低的决策。总的来说，为什么仿真建模方法被建议作为生产过程设计的基本方法的一些最重要的原因是：计算机仿真模型可用于在最终投资之前评估不同的设计方案（假设情景） ;计算机仿真模型可用于实验某些关键设备参数而不影响实际过程;使用计算机模拟模型，可以在实际过程中发现其计算机模型上的流程瓶颈;使用过程模拟计算机模型可以提高过程生产率采用过程模拟计算机模型可以改善调度策略;使用过程模拟计算机模型可以降低生产成本和提高质量等。另一方面，人们应该意识到，仿真建模过程可能是耗时且昂贵的，因此不应该使用，例如：问题可以更快解决，更容易分析;问题可以用经典实验来解决;开发仿真模型的成本高于潜在收益;没有时间开发仿真模型所需要的;仿真模型结果无法确认;建模系统的行为和特征过于复杂和未知。

3.2 拟议方法说明

在这项工作中，特别感兴趣的将是造船生产过程及其计算机模拟模型。方法本身分为七个阶段，如下所示：

阶段1;问题和项目目标定义;在此阶段，应分析现有流程，并应使用图形处理流程，原因效果图，帕累托图，基准（SWOT，比较表，专家调查，潜在分析）等方法和工具来定义问题，目标和期限。这个阶段的任务如下：定义问题及其原因，以及需要改进的地方;项目目标应明确界定;责任和期限应该定义。

阶段2：输入数据的定义和仿真模型的概念化;这一阶段的主要目标是收集所需的输入数据，使用原因效果图，CAD工具，工艺流程图，模拟对象编程语言等方法和工具建立初步的新设计方案及其仿真模型。阶段2：输入数据的定义和初步的新设计解决方案（定义设备CAD图，工艺流程图，原因效果图等）;概念化仿真模型（新生产过程的仿真模型应在概念上定义）。

阶段3：计算机模拟模型开发;这一阶段的主要目标是开发基于离散事件仿真模型的方法和回归分析，统计分析，仿真等工具的新生产过程设计的功能计算机仿真模型。该阶段的主要任务是：组织和系统化收集数据（了解可用数据的概览和缺失数据的识别）;输入生产数据的定义（输入生产数据作为模拟模型的基础应予以定义）;开发计算机仿真模型（在离散仿真软件中开发新设计的计算机仿真模型）。

阶段4：验证仿真模型;这个阶段的主要目标是对开发的仿真模型进行验证并确认其进一步分析，以建立开发仿真模型的置信度功能和逻辑。使用的方法主要是基准（比较表）和专家调查。就此而言，模型验证理解从模型中去除逻辑错误并确保模型的全部功能。

第五阶段：仿真模型的生产场景分析和改进;这个阶段的主要目标是评估设计解决方案的仿真模型及其潜在的改进。这个阶段的结果应该是定义线参数以满足项目目标。这一阶段的主要任务是：模拟设计方案的分析和验证（设计方案应根据项目目标进行分析，以确定项目目标是否得到满足，否则应进一步分析和改进方案）;分析和改进模拟设计方案。因此，所使用的建议方法和工具是：为验证设计方案，使用材料流动分析和生产线负荷分析模拟方法;灵敏度分析结果是针对线路参数的变化进行测试的，并且大部分影响被识别。

阶段6：结果记录;这个阶段的主要任务是以清晰和可理解的方式记录项目程序和结果。

阶段7：设计解决方案的实施;这个阶段的主要目标是将建议的设计解决方案实施到真正的造船厂生产过程中。这一阶段的主要任务是：将最终设计解决方案应用到真正的造船厂流程中;仿真模型的改进（根据从实际生产过程收集的数据进一步改进仿真模型）。这种改进的模型可用于连续生产改进和生产计划。

表1显示了方法阶段和相关主要任务的简要介绍。

1. 方法学应用案例研究

通过设计造船厂机器人化型材制造生产线的案例研究，应用和测试了开发的方法。 方法学按照本节所述的规定程序进行。

4.1确定新的自动化轮廓生产线设计的目标

观察到的造船厂中现有的型材生产线已经过时并且生产率不足，占用太大的生产面积和工人。因此，造船厂的主要目标是设计一个新的，自动化的轮廓生产线，这将需要更少的空间，效率更高，吞吐率更高。此阶段用于定义初始设计的方法主要是通过与已经拥有此类生产线的类似造船厂进行比较来进行基准测试，其中造船厂和选定设备制造商已提出初始生产工艺设计。线路吞吐量最初使用设备制造商提供的平均配置文件生产时间进行估算。但是，基于平均情况的这种解决方案并不完全令人满意。它要求测试建议的解决方案和来自几种船型的典型船舶部分的生产数据，以便将决策风险降至最低，并更确定建议的生产线将符合所需的吞吐量。因此，决定开发最初建议的生产线解决方案的仿真模型。这种模型将通过所选船型的选定生产组合进行测试，以评估建议的解决方案是否满足所需的吞吐量。如果没有，该生产线将进一步分析和改进，以实现所需的吞吐量。这样的结论可能会传达给设备制造商，要求改进最初针对特定需求提出的解决方案。通过这种方式，决策制定涉及的风险更小，最终的解决方案更适合特定的造船厂，并且可以期望降低总体成本。总之，开发方法应用的主要目标是：基于开发的计算机仿真模型，如果制造商建议的新机器人化生产线的设计解决方案符合最小吞吐量要求Tmin，则必须进行测试;如果不是，应该建议如何改善线路特性及其参数。

4.2计算机仿真模型的概念化和开发

基于最初建议的新型机器人仿形切割线的设计解决方案，创建了概念原因效果图（图2）和生产工艺流程图（图3）。此外，还定义了生产线的初步技术特性，操作和物料流动特性以及输入生产数据。 这些数据部分来自设备供应商，部分来自造船专家调查方法。表2列出了观察生产线的最重要输入参数，作为概念模拟模型的输入数据。基于实施的分析，收集的数据和定义的生产过程，计算机模拟模型在结构，逻辑，功能和组织。

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