基于Plant Simulation的船舶鋼材預(yù)處理車間仿真與優(yōu)化*

□ 陳 功 □ 顧寄南

江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

基于Plant Simulation的船舶鋼材預(yù)處理車間仿真與優(yōu)化*

□ 陳 功 □ 顧寄南

江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

針對船舶鋼材預(yù)處理車間，使用Plant Simulation軟件建立該車間的模型。結(jié)合實際的車間布局，將船舶鋼材預(yù)處理車間的調(diào)度問題看作為混合作業(yè)車間調(diào)度問題，優(yōu)化目標(biāo)為縮短最大流程時間。使用Plant Simulation軟件內(nèi)置的遺傳算法（GA）模塊對其進(jìn)行仿真優(yōu)化，提高了其生產(chǎn)效率。

船舶預(yù)處理車間 Plant Simulation 仿真 遺傳算法

隨著現(xiàn)代造船模式的發(fā)展，我國船舶制造業(yè)也在不斷地進(jìn)行企業(yè)技術(shù)改革，以提高企業(yè)的綜合競爭力。為提高船舶制造業(yè)的生產(chǎn)效率，需要提前制定出合理有效的生產(chǎn)計劃。由于船舶行業(yè)生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)過程中的約束和擾動因素較多，如何合理地計劃和控制作業(yè)層的生產(chǎn)調(diào)度過程，是縮短加工周期、提高建造效率的關(guān)鍵。

船舶建造流程仿真技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代的造船成組技術(shù)，國外對船舶建造流程虛擬仿真進(jìn)行了許多研究，提出了不少的研究方法和體系結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了一些商業(yè)的系統(tǒng)軟件。日本多數(shù)造船廠將汽車生產(chǎn)流水線的批量法則應(yīng)用于船舶生產(chǎn)過程中，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，實現(xiàn)多品種小批量，按階段、區(qū)域和類型，以三維呈現(xiàn)的方式解決造船優(yōu)化問題，為施工提供盡可能全面細(xì)致的生產(chǎn)計劃和管理圖表，達(dá)到生產(chǎn)管理、設(shè)計一體化［1］。我國對船舶建造流程的虛擬仿真研究起步于80年代引進(jìn)的船舶CAD/CAE技術(shù)，由于傳統(tǒng)的造船模式難以按現(xiàn)代造船模式推行殼、舾、涂一體化，各船舶企業(yè)和大學(xué)、科研院所也積極進(jìn)行了基于虛擬再造技術(shù)的船舶建造流程優(yōu)化。大連理工大學(xué)的研究團(tuán)隊以船舶平面分段加工為對象，構(gòu)建生產(chǎn)流水線模型，模擬計劃任務(wù)的執(zhí)行。通過對工位生產(chǎn)效率、等待時間以及工時利用率等數(shù)據(jù)的采集分析，結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍均衡理論，對基于虛擬仿真的船舶中間產(chǎn)品生產(chǎn)計劃調(diào)整技術(shù)和方案進(jìn)行了研究。

船舶鋼材預(yù)處理車間是船舶建造流程的重要基礎(chǔ)作業(yè)車間，主要包括理料間和鋼材切割加工車間。理料間承擔(dān)鋼材的除銹工作，并為下一工序做準(zhǔn)備；鋼材切割加工車間負(fù)責(zé)型材的下料、切割、配套等工作，完成平面分段的切割套料、曲面分段的平板彎曲打磨、型材的加工裝焊等。鋼材預(yù)處理車間的工序流程和車間布局可以看成一個混合FSP問題。

1 問題描述與建模

1.1 混合FSP問題描述

混合 Flow shop調(diào)度問題（Hybrid Flow shop

Scheduling Problem,HFSP）也稱柔性Flow shop調(diào)度問題 （Flexible Flow shop Scheduling Problem，F(xiàn)FSP），是一般FSP的推廣，但更復(fù)雜，其特征是在某些工序上布局平行設(shè)備，普遍存在于化工、鋼鐵、制藥等工業(yè)流程中，被稱為柔性流水線［2］。

HFSP可描述為假設(shè)要加工n個工件（Ji，i=1,2,...,n）,每個工件的加工工藝相似，即每個工件都要依次經(jīng)過m道加工工序（M1→M2→...→Mm,允許有工件由于工藝需求，跳過其中的某些工序），工序Mj包含的平行設(shè)備數(shù)為Z（j）（j=1,2,...,m）［3］。

在加工過程中還需要滿足下面的約束條件：

（1）同一臺設(shè)備在某一個時刻只能加工一個工件；

（2）同一工件的同一道工序在同一時刻只能被一臺設(shè)備加工；

（3）每個工件的每道工序一旦開始，加工便不能中斷；

（4）不同工件之間具有相同的優(yōu)先級；

（5）不同工件的工序之間沒有先后約束，同一工件的工序之間有先后約束；

（6）所有工件在零時刻都可以被加工［4］。

1.2 模型的建立

生產(chǎn)流程仿真數(shù)據(jù)的來源是實際的生產(chǎn)制造過程，真實的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是抽象出仿真模型基本參數(shù)的第一步。掌握具體產(chǎn)品制造車間的生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)調(diào)度安排及設(shè)施布置是收集生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)工作。造船生產(chǎn)系統(tǒng)仿真建模是針對造船車間的生產(chǎn)線上機(jī)加工工段與車間生產(chǎn)管理的仿真建模，因此數(shù)據(jù)收集的對象包括各加工單元的加工參數(shù)、加工能力、搬運、裝夾、卸載與車間生產(chǎn)計劃及生產(chǎn)作業(yè)安排。

船舶分段建造的鋼材預(yù)處理車間分布有預(yù)熱室、噴丸除銹機(jī)、高壓噴漆裝置、烘干區(qū)域。在鋼材的預(yù)熱除銹階段，鋼板通過連接各設(shè)備的傳送道進(jìn)入加工設(shè)備，類似于生產(chǎn)流水線。處理完成后的鋼材將被運送至鋼材切割加工車間，該車間分為3個胯間（如圖1中3條平行流水線），各分布有滾床、剪板機(jī)，在該車間將完成鋼板的切割和彎曲作業(yè)。

在Plant Simulation中，Source（產(chǎn)生資源）對象是容量為1，沒有處理時間參數(shù)的一個物流對象，使用Source對象可以模擬鋼板從材料堆場進(jìn)入車間的過程。Singleproc（單工位工站）對象表示一次只能處理一個MU的設(shè)備或設(shè)施，鋼材預(yù)處理車間內(nèi)的各種設(shè)備都可以使用Singleproc對象進(jìn)行仿真。使用Singleproc對象代表各種設(shè)備。Buffer（暫存區(qū)）對象代表緩沖區(qū)，將一個Buffer對象和一個Singleproc對象用Connector（連接）對象連接來表示一個具有單一工站的排隊系統(tǒng)［5］。

建立鋼材預(yù)處理車間仿真模型，如圖1所示。

完成車間基本建模之后，設(shè)置各個設(shè)備的加工時間和控制策略。現(xiàn)以加工10種零件為例，每種工件都具有相同的5個工序，最后2個工序有3臺并行機(jī)。輸入加工任務(wù)表，設(shè)定各個零件在每臺設(shè)備上的加工時間，見表1。

▲圖1 船舶建造鋼材預(yù)處理車間仿真模型

表1 加工任務(wù)表

2 仿真與優(yōu)化

2.1 仿真結(jié)果

運行仿真模型，在默認(rèn)狀態(tài)下，工件按順序（J1、J2、

J3、J4、J5、J6、J7、J8、J9、J10）進(jìn)入設(shè)備進(jìn)行加工，總運行時間為94 min，得到工件加工甘特圖如圖2所示。

▲圖2 默認(rèn)順序下的仿真甘特圖

2.2 加工順序優(yōu)先法則

混合流水作業(yè)車間不僅需要解決工件的進(jìn)入加工順序，還有工件在各工序的并行設(shè)備上的加工順序安排。工件在各工序的并行設(shè)備上的加工順序安排一般有兩種法則：最短作業(yè)時間和先到先服務(wù)法則。筆者采用最短作業(yè)時間原則，這是一種設(shè)備無閑置時間的分配策略。在平行機(jī)工序前設(shè)立一個暫存區(qū)，上道工序加工完成的工件均先進(jìn)入暫存區(qū)，查詢并行設(shè)備有無設(shè)備空閑，然后按下列規(guī)則調(diào)度。

（1）并行機(jī)有單機(jī)空閑，且等候隊列中只有剛進(jìn)入的單個工件時，直接進(jìn)入該空閑單機(jī)加工；

（2）并行機(jī)有多機(jī)空閑，且等候隊列中只有剛進(jìn)入的單個工件時，選擇工件在所有空閑設(shè)備中加工的最短加工時間的單機(jī)進(jìn)入；

（3）并行機(jī)無空閑，則工件在暫存區(qū)隊列中等候；

（4）暫存區(qū)隊列有等候的多個工件，當(dāng)某并行機(jī)出現(xiàn)空閑時，挑選在該設(shè)備加工時間最短的工件進(jìn)入。

對于以最小化最大完成時間為目標(biāo)函數(shù)的HFSP排列排序調(diào)度問題，在一個給定的工件處理優(yōu)先級順序下，設(shè)備無閑置工件分配策略是一種最優(yōu)分配模式［6］。

2.3 基于遺傳算法的優(yōu)化

采用遺傳算法求解流水作業(yè)車間問題一般考慮5個要素：染色體編碼、適應(yīng)度構(gòu)造、初始種群的設(shè)計、遺傳算子的確定和控制參數(shù)設(shè)計。使用Plant Simulation軟件中的GA模塊，以最大流程時間最小化為優(yōu)化目標(biāo)，對船廠鋼材預(yù)處理車間生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。

選用部分映射交叉算子PMX，交叉概率為0.8，變異概率為0.1，遺傳代數(shù)為10代，每代子代數(shù)量為15。優(yōu)化后零件的加工順序變?yōu)?J9、J2、J5、J3、J11、J10、J8、J1、J12、J4。優(yōu)化后的甘特圖如圖3所示，GA優(yōu)化的HTML（超級文本標(biāo)記語言）報告如圖4所示。系統(tǒng)運行時間為74 min，與未優(yōu)化前對比，生產(chǎn)系統(tǒng)的最大流程時間有了明顯縮短。

▲圖3 優(yōu)化后的仿真甘特圖

▲圖4 遺傳算法優(yōu)化報告

由優(yōu)化后的統(tǒng)計圖能看出，該問題在第一代時，平均的適應(yīng)值為6 400左右，經(jīng)過十代的遺傳變異，適應(yīng)值逐漸收斂，最后穩(wěn)定在了4 440左右。

3 結(jié)束語

建立船廠鋼材預(yù)處理車間的仿真模型，設(shè)置各加工設(shè)備參數(shù)及控制策略，根據(jù)加工任務(wù)表對鋼材預(yù)處理車間調(diào)度問題進(jìn)行仿真。結(jié)合最短作業(yè)時間法則和GA模塊對零件的加工順序和并行機(jī)選擇進(jìn)行優(yōu)化，縮短了加工時間。但仍有許多不足之處，主要集中在算法設(shè)計和優(yōu)化目標(biāo)之間的結(jié)合，完善系統(tǒng)模型使其更加接近實際的生產(chǎn)狀況。這將是筆者下一階段的研究工作。

［1］ 李川.基于虛擬流水線的船舶制造生產(chǎn)調(diào)度與建模技術(shù)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［2］ 王萬良，吳啟迪.生產(chǎn)調(diào)度智能算法及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［3］ 周金平.生產(chǎn)系統(tǒng)仿真——Plant Simulation應(yīng)用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［4］ 高亮，張國輝，王曉娟.柔性作業(yè)車間調(diào)度智能算法及其應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

［5］ 施於人，鄧易元，蔣維.EM-plant仿真技術(shù)教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［6］ 唐立新，吳亞萍.混合流水車間調(diào)度的遺傳下降算法［J］.自動化學(xué)報，2002，28（4）：637-641.

（編輯 平 平）

F407.474

A

1000-4998（2015）10-0065-03

*某部委基礎(chǔ)科研計劃項目（編號：JCKY2013414C001）

2015年6月