基于船厂船舶与海洋工程结构虚拟制造的以过程为中心的建模方法的研究外文翻译资料

 2022-07-29 17:26:31

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基于船厂船舶与海洋工程结构虚拟制造的以过程为中心的建模方法的研究

摘要

船厂的生产过程非常复杂，并且由于产品的工程特性，生产过程多种多样。 因此，造船厂的竞争力取决于其拥有的生产管理能力水平。许多船厂通过引进更高层次的规划体系和流程管理系统，大力提高生产力。最近，他们通过引入虚拟制造来扩大这些努力。虚拟制造使通过使用建模和仿真技术来实现提高生产力成为可能。因此，可以通过建立基于具体定量数据的改进计划来避免基于直观或直观的经验做出决策。本研究创新定义了适应造船特点的模拟建模方法。在现有虚拟制造建模方法的基础上，我们应用了适用于船厂生产环境的产品，流程，资源和进度表（PPR-S）模型。以流程为中心的模拟建模方法是基于船舶生产以过程为中心的特征定义的，并且设计了一种应用该方法的系统。由于它是考虑到各种虚拟制造软件的设计，因此在造船领域具有很高的应用灵活性。

关键词

PLM、虚拟制造生产、数字化生产、建模和仿真、船厂虚拟建模

1背景

尽管近期全球经济危机和工业停滞，韩国造船企业仍具有较高的竞争力。虽然像中国这样的新兴造船国家正在挑战这一领导地位，并且正在发挥强大的价格竞争力，但韩国通过建造高附加价值的船只，例如钻机和FPSO（浮式生产储存和运输）船只，以及 不断提高生产力来巩固了全球领先地位。 韩国造船业的竞争力在于其高效的生产管理能力。这与日本和欧洲国家依靠原有技术和创新发展在过去引领世界造船业的优势不同。为了保持竞争优势，以及持续的系统研究如何确保这一优势，生产管理是一个需要持续投资的领域，即使在经济停滞的时期。造船厂生产管理竞争力的指标是其PDFC，这是生产力，交付，灵活性和成本这些关键因素的缩写。 在这些关键因素中，最重要的是交货，其本身涉及许多因素，包括合规率，流程负载水平，物流拥堵等。

到二十世纪，韩国船厂生产管理技术的重点主要是改进流程和自动化。 随后，随着IT技术的发展和产品生命周期管理（PLM）的引入，韩国造船业尝试了各种技术的应用，如开发生产管理系统和虚拟制造的应用。然而，这些尝试在很大程度上是简单的 应用了在其他行业以及虚拟制造领域取得成功的技术，尤其是造船虚拟制造领域没有任何方法论。虚拟制造是经过验证的技术，在制造业（例如汽车工业和电子工业）方面表现出很大的效力。然而，由于造船厂生产按订单或更好的工程订单产品，并且由于其自动化率低于其他行业，因此将虚拟制造应用于造船方面遇到了诸多困难。虚拟制造被定义为“能够产生关于制造系统的结构，状态和行为的信息的计算机系统，例如可以在真正的制造环境中观察到”。虚拟制造的核心在于它能够产生一种精确模仿真实制造环境的虚拟制造环境。虚拟制造通常使用建模和仿真技术实现，并且根据行业的特点使用各种解决方案。

Caprace等人 将基于PLM的系统和解决方案作为复杂生产环境的合适软件。为了精确模拟造船厂复杂生产环境的特点，需要经过验证的仿真工具。 目前，为了模拟一个复杂的生产环境或工厂，两个这样的工具可以很好的在德国达索系统公司得到DELMIA DS QUEST的广泛应用，并且被德国西门子的“模拟仿真”广泛使用。 开发这两个软件包的公司也开发了PLM解决方案，除了模拟功能之外，它们还提供了各种系统集成功能。 还有一些其他经过充分验证的软件包，如Arena和AutoMod，但这些重点更多在于模拟相关功能，因此在系统集成方面并不是有益的。

由于造船厂的项目型产品可能需要2 - 3年的时间才能生产出来，所以必须以极高的精度和洞察力了解其商铺和/或工艺的生产能力。从生产角度来看，造船厂的生产数量可以大致定义为三个指标：资源（空间，设施和工作人员），生产技术和生产管理水平。当这三个要素在其所有复合物中得到全面考虑时，可以实现最大的生产力。通过提高生产技术和生产管理能力，无需任何额外的资源投入，真正有可能最大化造船厂的生产力。另一方面，如果生产技术和管理能力水平不足，与资源水平相比，实现的生产力水平只有很低的水平。这也意味着对虚拟制造执行成功的仿真取决于建模，即建模如何精确地描述目标系统的生产要素。

因此，本研究的目的是建立一种可用于应用针对造船优化的虚拟制造技术的模拟建模方法。这是通过分析现有的虚拟制造案例，以及对学术研究成果的回顾来完成的。为了实现船厂生产模拟，基本上需要一个密切描述造船厂工作环境的模拟模型。然而，由于造船厂处理各种产品，造船厂的仿真建模需要大量工时和高成本。现有的建模方法主要集中在造船厂的设施，换言之，资源。然而，这样的建模适合于大批量生产小品种的产品。在造船厂生产工程订单型产品的过程中，流程是生产管理的关键单位。因此，需要基于造船厂流程的建模方法。因此，以流程为中心的建模方法是基于对造船过程特征的分析来定义的，实现了虚拟制造系统和信息模型。

本文提出的以流程为中心的建模方法适用于生产计划和生产流程的先前验证。它是建立在工厂分解结构信息结构（WB S）的基础之上的，这是造船厂管理的生产管理标准体系。

2文献综述

从20世纪90年代末期开始，虚拟制造技术被认真引入造船厂。 到20世纪90年代中期，研究开发和完善了布局自动化系统，智能生产调度系统，集成块装配规划系统等生产管理系统的主要课题。 之后，Alfeld等人介绍了一种模拟技术来检查造船厂生产过程中的动态复杂性，生产管理系统无法检查，并将其称为虚拟造船厂。

仿真建模研究可以分为模拟建模的建模方法和信息模型两大类。 前者研究如何描述一种模型，而后者研究了构建模拟模型所需的信息模型的构建。

已经对仿真建模方法进行了一些研究。 例如，基尔辛奇评估了装配线的生产能力，并使用Petri网实现了线路平衡，该Petri网在工程过程建模中得到广泛应用。 然而，基尔辛奇的工作在复杂过程的表现方面存在局限性。 Han等人。 定义了船体面板生产线的相关条件，并构建了代表它的仿真模型。 他们的工作成功地建立了造船厂的复杂过程，但是在设备建模方面，必须考虑处理材料流动的转移设备的空间特性，设备运动与单元过程之间的联系没有得到适当的反映。

Kim等人 研究了造船厂生产过程的产品模型为中心的模拟模型。 他们使用造船厂的CAD信息。 对于流程建模，他们使用广泛使用的建模方法：统一建模语言（UML）和IDEFO（集成定义0）。这种方法适用于在某个固定过程中产生产品的系统，如金研究中的一个 等等。然而，对于生产计划的验证来说，这不是有用的，因为需要对各种过程进行比较和评估。

Ryan和Heavey开发了一种用于仿真的过程建模方法，该方法基于这样一个事实，即无需收集需求和使用仿真工具构建模型是非常困难的。基于现有的流程建模技术，他们建议使用模拟活动图（SAD）进行需求分析和构建概念模型。还有一个使用活动循环图（ACD）的研究，一种离散事件模拟的活动描述方法。然而，他们的方法是有限的，因为它被设计用于基本的模拟建模，而对于造船厂等复杂系统的建模，必须使用专业建模工具来重建该模型。关于虚拟制造模拟信息模型的研究，Woo等试图建造一座数字化造船厂，并建立了一个造船厂仿真模型建设的信息模型。在他们的方法中，他们使用广泛用作标准图形建模语言的UML，通过对构成模拟模型的信息进行分类，使用产品，过程和资源（PPR）标准来创建制造商店和其他室内商店。 Lee等人。构建了基于数字制造的产品数据管理（PDM）系统和企业资源规划（ERP）系统集成的数据模型。两篇论文从PPR的角度对虚拟制造仿真模型进行了分类;基本虚拟制造信息模型如图1所示。在PLM系统的信息交换和整合方面，PPR模型根据产品工程，制造工程和控制工程的划分，根据其关系进行管理; 例如，产品工程管理那些考虑产品模型和资源模型之间的关系的元素。 在造船厂的情况下，除了PPR之外，进度信息非常重要。 因此，本研究将产品，流程，资源和时间表（PPR-S）模型应用于PPR模型的改进版本，并定义了反映船舶生产特性的以过程为中心的模拟建模方法。

3虚拟制造的建模与仿真

在制造领域中使用的建模和仿真技术包括基于资源和产品模型运行的物理模型以及描述流程和进度表的逻辑模型。在大多数情况下，模拟的目标是生产计划和过程的验证和优化，这是制造系统中最重要的元素。通过构建虚拟生产环境，每个商店或生产线的这种模拟提供了制造执行系统（MES）的主数据或高级计划和调度（APS）系统的虚拟执行结果。这种方法现在已经成为实现制造生产力的基本技术。特别是，生产模拟被强调为实施虚拟制造的技术 - PLM的核心战略，最近成为制造业的“热门”关键词。包括造船在内的大多数制造业拥有自己的生产系统。由于PLM考虑到与现有系统集成的可能性，因此生产仿真技术还应考虑模拟结果与现有系统的兼容性。在这个意义上，本文介绍了可以表达仿真信息的信息模型的设计，以应用可以利用现有系统的信息的仿真技术。

大多数实现生产仿真的研究都是基于离散事件系统规范（DEVS），它是分散事件系统仿真（DES）的代表性形式。虽然还有其他基于Petri网，有限自动机，功能图，系统动力学图等研究，但这些研究仅用于某些目标或范围有限的模型。基于DEV S的仿真模型在其基本形式上不足以模拟复杂的生产系统。在大多数情况下，使用耦合模型来克服这个缺点。然而，如果在生产系统中，如果各种元素复杂地互连，则实现耦合模型是非常耗时的。特别是在实际生产领域，由于需求变化频繁，单靠DEVS难以满足所有需求。因此，已经开发和商业化了各种模拟建模工具。为了成功建立虚拟制造业，引入这样的解决方案至关重要。

如前所述，在该领域正在使用的众多商业模拟软件包包括罗克韦尔自动化的竞技场，达索系统的DELMIA DS QUEST和西门子的“模拟仿真”。 生成仿真模型的顺序与一个软件包的不同之处在于另一个软件包，但是可以在三个步骤中描述一般的公共序列，如表1所示。在第一步中，同时进行资源建模和产品建模。 资源建模创建由仿真软件提供的基本资源对象，并输入形状信息，位置信息和属性。 产品建模创建基于资源生成的目标产品对象，定义形状信息，并输入属性。

在下一步中，进行过程建模和材料处理资源建模。流程建模定义了正在生产的内容，以及如何使用哪些资源生成它。基于步骤1中定义的资源建模和产品建模，流程建模定义了产品和所需的资源，并确定了处理时间。材料处理资源建模执行材料处理资源的建模，不能将其作为一个独立的对象实现。材料处理资源的建模是复杂的，因为除了普遍使用的特性之外，它还涉及许多其他属性。这些包括空间和逻辑约束，例如资源移动路径的信息。建模也应反映资源的分配规则，还必须考虑资源和运输产品的位置。在这方面，建模方法与一个软件包最不同。最后一步是逻辑建模。在此步骤中，将与工作规则相关的逻辑，优先级的确定以及某些资源的利用率模拟到使用由商业提供的单独的建模者在步骤1和2中建模的产品，流程和资源模型软件。大多数软件提供了一些默认路由逻辑，但是对于详细的逻辑建模，需要使用软件支持的内置语言进行额外的建模。

商业软件的比较表明，生成设备和设施作为虚拟对象的资源建模，产生产品信息的产品建模以及反映模拟模型中工作规则的仿真逻辑建模都非常相似，尽管有其实施细节有些差异。然而，流程建模和资源处理资源建模显示了很大的差异。在DELMIA D5的情况下，为所有其他类型的建模提供了图形用户界面，而只有简单的实体生成和逻辑分配被支持用于过程建模。虽然这是有利的，因为直观建模通过将物理资源与逻辑进程分开而成为可能，但是也是不利的，因为与其他类型的建模相比，过程建模变得抽象。另一方面，在竞技场和植物模拟的情况下，当流程中存在分叉或组合时，可以产生特定的过程对象，并且可以通过集成接口进行过程建模。由于材料处理资源建模需要基于动态空间信息来实现，因此根据软件的环境显示差异。由基于3D的QUEST和基于2D的Arena和Plant Simulation提供的功能本身是不同的。由于具有特点，因此可以使用基于3D的软件进行更详细的建模，因为需要更长的建模时间，因为有更多的信息需要定义而不是基于2D的软件。

4造船厂虚拟制造过程中心建模

4.1造船厂生产信息分析

分析船厂生产信息，以确定造船厂生产仿真模型的详细规格。 该产品被定义为船舶及其组成部件和从属材料。 在码头竖立的大块被称为架设块。 它由各种较小的块组成，通过分组合，中间组装和组装的阶段完成。 对于造船厂，船舶本身是构成项目的产品。 因此，使用一些混合形式的产品物料清单（BOMB）和加工的BOM。 这种混合特性在WBS中表示，WBS包括产品，流程，资源和调度的集成信息。 可以看出，在造船厂使用的WBS模型，如图1所示。 2，包括PPR-S的所有信息。 其中，产品和流程是重要的，因为它们具有四级复杂结构，包括船舶，块，过程和任务。

为了进行造船厂的模拟，重要的是分析造船厂主要产品块的信息。图3描绘了船舶的基本产品WBS。根据船舶的大小和工作类型，可将船舶的舱区分为四类。一个块由各种部件组成，如桁材，板和加强筋。一个块通常被分配不同的名称，这取决于它在工作过程中的当前阶段。子组件过程通过焊接加工的板和从属部件来产生子组件块。然后，子组件块和从属部件形成中间组件块。以类似的方式，中间组件块形成一个大的组装块，其自身形成一个开放（PE）块。因此，产品的结构是通过考虑使用WBS代码实现的设计阶段的块的生产来确定的。与产品相关的WBS代码是项目代码，块代码等。项目代码包括船舶类型和一系列船舶编号等信息（如适用）。块代码包括诸如块的区域和位置的信息。

造船厂的过程信息是根据活动进行管理的，该信息被用作中期调度的基础数据。活动包括主要过程和相关任务。实际流程管理在任务层面实施。表2列出了构成生产流程的流程和任务，按照日程表进行管理。例如，“组装”包括诸如中级组装和大组合作为其下级的任务，这是分配实际工作单的点。中间组件包括自动

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