船舶生产过程设计使用计算机模拟方法外文翻译资料

 2022-07-29 16:44:57

船舶生产过程设计使用计算机模拟方法

摘要

在这项研究中一个造船生产过程的设计方法，建议使用计算机模拟。期望从建议的方法给予更好和更多复杂造船生产过程的高效工具设计程序。本研究的第一部分是船舶生产工艺设计的现有实践讨论，强调其缺点和问题。接着，离散事件仿真建模方法，作为建议方法的基础，进行调查和描述了其特殊的特点，优点和应用原因，特别是在造船生产过程中。此外，仿真建模的基础描述以及建议的生产过程程序的方法。建议用于设计机器人型材制造生产的方法的案例研究是应用工艺线。选择的设计解决方案，在一个特定的造船厂生产过程中采用建议的方法通过与机器人型材切割生产线安装的比较进行评估。基于从真实生产获得的数据仿真模型进一步增强。最后，基于这项研究结果和提出了进一步研究的方向是被建议的。

关键词：船舶建造，生产工艺设计，做决定，电脑模拟

  1. 引言

在今天的市场上，造船厂不断投资改善生产过程和技术，以提高生产力和利润。 因此，船厂管理层往往在其生产过程中进行重要的行动，特别是在在现有生产过程中实施新技术的条款，这是一个复杂任务。 假设在已知的现有限制内，新的生产过程的设计是一个常常基于各种各样的任务，此外，解决方案是必须依赖决策变量之间的相互作用的结果[1]。关于这些问题，作者分析了现有的设计方法，技术和工具的设计生产过程，特别是造船过程[2]。感觉到现有的方法的缺点，需要一个新的科学建立的造船方法过程设计。这种方法应该在船厂内部提供实施新技术更好的支持，管理和改进现有以及在整个决策过程中。因此，在本文中一种论造船生产过程设计基于模拟建模方法和选择运营的研究方法。建议的方法和设计的计算机仿真模型通过特定造船厂生产过程的案例研究进行测试设计并在生产线安装后确认。模型进一步增强与实际过程数据，并确认了几个不同的生产场景和这样它有潜力在实际生产过程中用于调度，执行什么方案，优化，规划，控制等。

  1. 问题讨论

关于船厂生产过程的特点，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 - 船舶，高资本价值的个别产品，主要是不同类型和尺寸的复杂性的结果。这种复杂的产品需要同样复杂的造船工艺，具有以下基本特征[3]：大量的中间产品;过程的显着相互作用和相互依赖;主要是关于不同持续时间的非重复过程;过程输入包含大量的组件，但是具有少量不同的输出最终产品;在许多并行子过程中进行，具有更多或更少的时间重叠;过程在技术上不同，使用不同的工作方式;生产过程具有“产品在整个过程中的移动”以及“移动通过产品的过程”。在图1中，给出了船舶生产过程的简化方案。在进行的研究中，研究了用于生产过程设计的各种现有方法，技术和工具，并且确定了这些方法的缺点，特别是在上述船厂生产过程的复杂性方面[2,4]。一般来说，利用传统方法，通常基于与已经具有类似技术的其他造船厂的比较来定义设计解决方案。这种解决方案在特定情况下可以是令人满意的，但是不一定最佳地适应于观察到的造船厂[5,6]。对于这一点，用于过程设计和改进的科学方法的应用被更广泛地接受，即相关的数学建模方法[7,8]。然而，作者指出用于设计复杂的生产过程中常规数学建模和分析方法的缺点，如造船，这使得常规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，元素及其关系不充分已知，不能在数学上定义;真实问题通常非常复杂，这使得其分析定义非常困难;与传统的数学建模很比较很难呈现观察过程的动力学。根据确定的问题，在本研究中，提出了一种基于模拟建模方法的船舶生产工艺设计的新方法，以及选择的操作研究方法和工具。

图1 造船生产过程计划

3.解决问题的方法

基于进行的分析和确定的缺陷，制定并建议了一种用于造船生产过程设计的新方法，其中离散事件模拟建模作为其基本方法。

3.1离散事件仿真建模

术语模拟建模表示一个复杂的活动，涉及三个要素：实际系统，模型和计算机。模拟可以被定义为在限定的要求和限制内建立实际动态系统的动态模型的过程，目的是理解真实系统的行为并且评估不同的设计和/或生产替代方案以用于新系统或改进现有系统[10]。在所提出的方法中，在离散事件仿真建模软件eM-Plant中，使用面向对象的SimTalk语言。使用离散事件的模拟是因为在这项工作中研究的生产过程的系统主要被认为是离散事件系统。在这样的系统中，每个事件在特定的时刻发生，并标记系统中的状态在连续事件之间的变化，假设不发生系统的变化[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，并允许设计人员在计算机中快速的和早期设计阶段验证各种决策选择,[12]。此外，这种方法使得最终决定更可靠并更好地适应于观察到的造船厂，因为它提供了大量相关和及时的信息，使得在线路安装之前更好地适应于特定造船厂的解决方案能够实现更可靠和更低风险的决策。一般来说，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，一些最重要的原因是，[13]：计算机仿真模型可以用于评估不同的设计替代（假设情况）之前的最终投资;计算机仿真模型可用于对某些关键设备参数进行实验，而不影响实际过程;使用计算机模拟模型，可以在实际过程中在其计算机模型发生之前发现其处理瓶颈;使用过程模拟计算机模型可提高过程生产率;使用过程模拟计算机模型可以改进调度策略;使用过程模拟计算机模型可以降低生产成本并提高质量等。另一方面，应该意识到，仿真建模过程可能是耗时和昂贵的，因此不应该使用，例如：问题可以更快地解决，更容易分析;问题可以用经典实验解决;开发模拟模型的成本超过潜在收益;没有开发模拟模型需要的时间;仿真模型结果不能确定;建模系统的行为和特征太复杂和未知。

3.2拟议方法描述

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的情况。方法本身通过七个阶段组成如下：

阶段1：问题和项目目标定义；在此阶段，应分析现有流程，并使用诸如图形流程，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。这一阶段的任务如下：确定问题及其原因，以及需要改进的问题;项目目标应明确界定，责任和最后期限。

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，建立初步的新设计解决方案，并使用诸如原因效果图，CAD工具，过程流程图，仿真对象编程语言等方法和工具建立初步的新设计解决方案。阶段2的主要任务：输入数据的定义和初步新设计解决方案（定义设备CAD图纸，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：计算机仿真模型开发;本阶段的主要目标是使用主要离散事件仿真模型方法和工具，如回归分析，统计分析，仿真等开发新的生产过程设计的功能计算机仿真模型。本阶段的主要任务是：组织和系统化收集数据（了解可用数据的概况和缺失数据的识别）;定义输入生产数据（输入生产数据作为模拟模型的基础）;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;这一阶段的主要目标是验证开发的仿真模型并确认进一步分析，以建立对开发的仿真模型的功能和逻辑的信心。使用的方法主要是基准（比较表）和专家调查。为此，模型的验证理解从模型中移除逻辑错误，并确保模型的完整功能。

阶段5：生产场景分析和改进仿真模型；这一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。这个阶段应该定义线路参数，以满足项目目标。这一阶段的主要任务是：分析和验证模拟设计解决方案（应根据项目目标分析设计解决方案，以确定项目的目标是否得到满足;如果不能满足，则应进一步分析和改进解决方案）。模拟设计方案的分析与改进。因此，建议使用的方法和工具是：用于设计解决方案的验证，材料流分析和生产线负载分析模拟方法;具有灵敏度分析结果的是对线路参数的变化进行测试和最大影响的一个被识别。

阶段6：结果记录；这一阶段的主要任务是以明确和可理解的方式记录项目程序和结果。

阶段7：实施设计解决方案；该阶段的主要目标是将建议的设计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实施到真正的造船厂过程中；改进仿真模型（基于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。

在表1中，显示了方法阶段和相关主要任务的简明介绍。

表1 方法阶段和相关主要任务的简明介绍

4.方法应用案例研究

通过设计造船厂自动化型材制造生产线的案例研究，应用和测试了开发的方法。 按照本节中说明的规定程序进行方法学。

4.1确定新的自动化型材生产线设计的目标

现有型材生产线，在观察到的造船厂中已经过时，生产率不足，生产区域过大和工人。因此，造船厂的主要目标是设计一种新的，机器人型材生产线，其将需要更少的空间，更高效并且具有更大的生产率。在这个阶段，用于定义初始设计的方法主要是通过与已经有这样的生产线的类似造船厂进行比较来进行基准测试，其中造船厂和选择的设备制造商提出了初始生产过程设计。最初使用由设备制造商提供的平均曲线生产时间来估计线路吞吐量。然而，基于平均分布的这种解决方案不能完全令人满意。它比需要测试建议的解决方案与来自几种船类型的典型船部分的生产数据，以最小化决策风险，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模拟模型。这种模型将使用选定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。如果不是，则将进一步分析和改进线路以便实现所需的吞吐量。这样的结论可以传达给设备制造商，要求改进对特定需求的初始建议的解决方案。以这种方式，决策制定涉及更少的风险，最终解决方案更适应于特定造船厂并且可预期地具有降低的总成本。总之，应用开发的方法的主要目标是：基于开发的计算机模拟模型，必须测试制造商提出的新机器人生产线的设计解决方案是否符合最小吞吐量要求Tmin；如果不是，应该建议如何提高线路特性及其参数。

4.2计算机模拟模型的概念化与发展

基于新的机器人型材切割线的最初建议的设计解决方案，创建概念性原因效果图（图2）和生产过程流程图（图3）。 此外，定义了生产线的初步技术特性，操作和材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接受，部分来自船厂专家调查方法。 来自观察生产线的最重要的输入参数，作为概念仿真模型的输入数据，呈现在表2中。基于进行的分析，收集的数据和定义的生产过程，计算机仿真模型在概念上关于其结构，逻辑，功能和组织

图.2 机器人型材生产线造成效果图

图.3 机器人型材生产线概念生产流程图

表2生产线元素模拟输入参数

基于定义的生产工艺原因效应图，工艺流程图，生产线的技术特征，新的自动化型材制造切割线的仿真模型已经在专业的离散仿真软件中开发出来（图4）。 因此，重要的是区分相关的和不相关的事实，并且作出正确的假设对于开发作为仿真建模过程的基础的质量模型是至关重要的。 因此，重要的是：确定模型中应包括哪些内容以及模型中的详细程度； 区分过程中的基本资源和执行的操作；在空间或时间约束方面识别和定义系统上的任何限制；同意和定义验证和确认模型的条件和方法；确定什么是期望的最终结果以及最后期限。

图例：区域A - 带型材和扁钢的输送机; 区域B - 旋转输送带发散材料作坊; 区域C - 主输入输送机; 区域D - 缓冲区; 区域E - 爆破站; 区域F - 机器人切割站; 区域G - 分拣起重机和分拣托盘; 区域H - 面板线型材输送机。

图 .4 新型自动化型材切割生产线模拟模型

此外，定义了作为用于仿真模型的生产组合的输入材料规范（表3），其中产品组合具体配置通过造船厂专家定义测量方法。 样品包含从船的双层底的轮廓和扁钢化学产品和型材以及从船底用于沥青的扁钢。

表3输入材料规格

4.3仿真模型验证，分析和改进

初始模型验证是与船厂专家合作进行的。 这种验证主要涉及测试过程模型逻辑，功能，行为和结果，主要基于造船厂专家经验和已知数据。 如果需要，在几次迭代中对模型进行微调，直到最终确认。 这种确认的模型可用于评估建议的设计是否满足项目目标，即：对于定义的特性输入生产混合型材和扁钢的初始建议设计解决方案的模拟制造时间Ftsim应小于最小制造时间， Ftmin，基于定义的截面目标吞吐率 - Tmin，在一个月和两个班次中实现。 因此：

(1)

和

， [h] (2)

其中Ftsim是初始建议设计解决方案的所选输入生产数据的模拟制造时间; Ftmin是所选输入生产数据所需的最小制造时间; Np是所选产品组合中的型材和扁钢的数量; Tmin是目标造船厂月份生产中的型材和扁钢的数量; Nwd是每月工作日数; Ns是一天中的工作班次数; Nwhs是班次中的工作小时数。 通过仿真建模，确定所选特性输入数据的初始建议设计解的模拟制造时间Ftsim大约比最低所需制造时间长20％，Ftmin：

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