0 前言
虛擬制造被認為是當今制造業最具挑戰的領域，關于其內涵、體系結構和關鍵技術的探討一直存在，從其誕生至今的十多年間已在汽車、飛機制造等一些行業取得了顯著成果，符合這些制造業特征的虛擬制造理論、方法和技術體系得到了較好完善。船舶工業開展虛擬制造的研究與實踐時間較晚，但以虛擬制造為標志的新一輪造船技術革命已在世界造船強國興起，如何緊跟虛擬造船的先進步伐，提高船廠建造水平是擺在中國船舶工業面前的又一挑戰。
精益造船是精益制造模式向船舶制造業滲透的結果，通過對比可以發現造船精益程度的差距是我們與日本、韓國船廠差距的一個主要方面，在自身管理水平落后的情況下，通過信息化提升造船精益性是中國船舶制造業的迫切出路，虛擬制造作為信息技術與制造技術結合的最新產物便被賦予了廣闊前景。目前虛擬制造在國內船廠還沒有成功應用的案例，在這方面進行的研究探索具有積極意義。在此背景下，選取總裝造船中的典型制造過程為仿真實驗對象，在精益制造和虛擬制造的理論指導下，以數字化制造軟件DELMIA為工具進行仿真實驗，經歷從需求分析、方案設計、方案實施到驗證評價的完整實驗過程。
1 仿真實驗策劃
分析虛擬制造和精益造船對于本次實驗的理論指導，結合船塢搭載過程的問題需求確定仿真實驗要達到的驗證與優化目標，再根據軟件工具DELMIA的技術特征，設計出合理的仿真實驗方案。
1.1 實驗理論依據
虛擬制造是1993年由美國首先提出的一種全新概念，是實際制造過程在計算機上的本質實現，為產品的設計、加工、分析以及生產的組織管理等提供一個虛擬的仿真環境，從而在計算機上組織和“實現”生產，在實際投入生產前對產品的可制造性和可生產性等各方面性能進行驗證，提高制造企業的TQCSE。虛擬制造從本質上講是一種對制造系統的產品及過程完整統一的、高層次的仿真，是基于制造系統虛擬模型的仿真，虛擬模型就是利用計算機圖形技術生成物理對象的信息映像，既包含了對象的幾何特征，又包含了其本質規律的數學模型。在數學模型計算結果的驅動下，通過幾何模型展現與實際制造系統相同的特征和行為。因此，虛擬仿真結合了基于物理模型仿真和基于數學模型仿真的優點。制造過程仿真分為制造系統仿真和具體加工過程仿真。制造系統仿真是以離散事件仿真為工具，對生產系統進行系統運行、調度及優化，驗證不同的生產計劃和工藝路線。加工過程仿真是表現切削、焊接、沖壓、澆注等原材料轉換為產品的加工過程。
精益制造是20世紀中期起源于日本汽車工業的一套先進制造模式，其面向多品種、中小批量的生產特征與船舶制造業特點非常一致。精益造船的基本原則是消除價值流中的一切無增值活動，在此原則下改進生產的具體措施包括：產品價值鏈分析，組織單件流水作業、拉動式計劃制定體系、調節生產節拍與生產周期相接近來達到均衡連續的狀態、實行現場6S管理、精度管理、全員工廠管理等。虛擬制造在投產前通過仿真來驗證并優化生產系統的能力，為消除浪費、持續改進等目標的實現提供理想手段，將船舶制造這類復雜制造系統的精益程度推向更高層次。精益造船的原則和方法為虛擬仿真的開展形式提供具體指引。另一方面，現實生產過程越簡化，虛擬制造實現起來就越容易。精益生產的核心是準時化生產和成組技術，要求簡化生產過程，減少信息量，消除過分臃腫的生產組織，使產品及其生產過程盡可能地簡化和標準化，反過來為虛擬制造的實現創造了有利條件。
計算機建模與仿真技術是虛擬制造的核心技術（另一核心技術是虛擬現實技術），達索系統的數字化制造軟件DELMIA（Digital EntERPrise Lean Manufacturing Interactive Application數字企業精益制造交互式應用）聚焦于對復雜制造/維護過程的仿真和相關數據的管理與協同，可全面滿足制造業按訂單生產和精益生產等分布式敏捷制造系統的三維仿真需求，對企業從設計、模擬、優化、控制到監視的所有制造過程都提供了相應的方法論、解決方案和專業服務等一體化解決手段，DELMIA全面支持以虛擬仿真為核心的數字化制造能力已在全球多個制造行業得到廣泛驗證，韓國已經有船廠選擇DELMIA作為虛擬造船策略的實施平臺，展現出DELMIA服務于船舶制造的良好潛力。
1.2 仿真實驗需求與目標
在現代總裝造船模式中，船舶建造過程可視為原材料和中間產品的逐級裝配過程，船塢搭載是其中極為重要的裝配活動，這一階段工作對船廠生產計劃執行與控制影響大、使用瓶頸資源完成高價量裝配任務，選取為仿真實驗對象具有研究和應用意義。由于流程復雜和船廠管理粗放、人為干擾因素強、批量小、自動化程度低等特點，實際吊裝中經常暴露出工藝路線不合理與計劃對生產指導性差的問題，其后果是返工、停工等待、資源需求沖突、調度取代計劃等不精益現象發生，需要一種有效手段能在生產系統運行前對其驗證優化，而船舶制造不存在樣品試制的環節更是放大了其對虛擬仿真的需求。
以船塢搭載中的船體分段總組和船塢總段吊裝為具體實驗對象，本次仿真屬于前言中介紹的制造系統仿真。即以離散事件仿真為工具，對生產系統進行系統運行、調度及優化，驗證不同的生產計劃和工藝路線。仿真實驗的具體目標是從仿真輸出中獲得兩個裝配活動的時間、空間指標和資源指標，為計劃項目的標準化和吊裝方案的量化評估提供參考數據，按精益造船的相關理論與方法定性、定量認識作業中存在的資源需求沖突、停工等待等不精益問題，分析問題原因并提出合理的優化建議。
1.3 仿真實驗方案設計
以一艘大型商船貨艙區域分段總組和總段船塢合攏兩個吊裝過程為仿真對象，表1和表2分別給出仿真具體內容。
表1 分段總組仿真內容
表2 船塢總段吊裝仿真內容
使用CATIA建立仿真中的產品和資源三維模型，將模型插入到DELMIA DPM模塊的APS工作臺完成流程建模。仿真制作完成后運行仿真，使用DELMIA自帶的仿真分析功能統計并輸出反映吊裝過程本質的數據。按照實驗目標，基于仿真的視覺和數據輸出分析吊裝過程，完成驗證與優化任務。圖1為仿真實驗技術路線。
圖1 仿真實驗技術路線
2 仿真實驗實施
使用CATIA和DELMIA軟件按照實驗方案的技術路線完成規定的各項實驗內容，具體工作分為三個前后銜接的工作階段：仿真前準備、仿真制作與運行、仿真結果輸出整理。
2.1 仿真前準備
在DELMIA創建仿真之前要做的準備工作是：用CATIA建好產品和資源模型。按模型類別不同采用不同建模模塊，選擇適當建模技術，表3為建模時用到的CATIA工作臺。
表3 按建模工作臺劃分的模型類別
虛擬制造對仿真模型提出了多層次性和可重用性的要求。
1、多層次性。將子裝配體和建造資源某一層次細節作為一個整體或黑箱，不必關心其內部實現細節，只需關心它作為一個整體對外表現的性能。反映在虛擬制造對產品和資源模型的需求上就是模型描述的多層次型和多粒度性，可以根據需要選擇合適的層次和粒度，在此層次和粒度上研究產品有關性能而不必進入到其內部。這種多層次、多粒度信息描述為合理簡化模型提供理論依據，對于提高后續仿真制作和運行效率有很大影響，而仿真的效率是決定仿真能否被項目采納的關鍵，如果超出項目允許時間延誤后續生產，再好的仿真成果也都毫無意義。
2、可重用性。虛擬制造的核心目標之一是縮短產品開發周期降低開發成本，反映在對仿真模型需求上就是要求模型信息能夠方便地被重用，使每一個新項目的建模任務都能充分利用之前項目的建模成果。建模時按幾何特征、建模技術特征相似性對模型合理分類，并采用適當技術使所建模型具有可擴展的柔性。
CATIA成熟的混合建模、參數化建模能力和完善的按層次化簡與重用功能充分支持上述要求，為下一步DELMIA的仿真工作做好充分準備。圖2為所建部分產品和資源模型。
圖2 所建產品和資源模型
2.2 仿真制作與運行
在DELMIA DPM模塊的APS（Assembly Process Simulation）工作臺進行仿真制作。先把上一步建好的產品和資源模型插入進來，調整各模型位置關系搭建仿真開始前的場地布局，使用Simulation Activity Creation工具欄各項命令編輯模型動作，結合PERT圖、GANTT圖等功能按照實驗方案的設計內容進行流程建模，仿真制作完成后，Simulation工具欄提供的各操作能以多種方式運行仿真。
這一環節的工作內容是創建仿真模型中的過程/流程模型（DELMIA中的Process），與虛擬制造對產品和資源模型的要求一樣，流程建模最需關注的技術目標不是如何細膩、精良地再現實際吊裝過程，而是在反映實際過程本質的前提下，按不同層次、粒度盡可能簡化建模工作以縮短仿真完成時間，提高效率。圖3為仿真過程示意。
圖3 仿真過程示意
2.3 仿真結果輸出
幾何模型具有直觀的視覺效果，數據能精確揭示系統的本質規律，DELMIA軟件對生產進行驗證依賴于兩個關鍵能力：一是全三維可視化地仿真制造過程，二是能靈活定制仿真數據輸出，從直觀視覺和數值反饋兩方面提供研究制造過程的依據。DELMIA自帶的仿真分析工具能輸出時間和空間兩類指標，這些功能集中在“Simulation Analysis Tools”和“Analysis Tools”兩個工具欄中。可靈活定制工藝執行中空間和時間數據的監測統計和表達顯示，并將數據圖文并茂地以XML文檔輸出。
本次仿真實驗的目標是從計劃管理角度獲得系統的標準作業耗時、均衡性測算、資源負荷等時間相關的性能，不需要獲得表達裝配細節的空間數據，通過仿真獲得的數據如下：
1、分段總組標準作業時間。有兩種獲取方式，一種是在仿真運行時手動記錄由播放控制工具欄顯示的作業起、止時間，相減即得到這項作業的總耗時；另一種方式是仿真運行時記錄下“Simulated Activity”窗口顯示的作業起、止動作節點，在GANTT中找到兩動作節點的起、止時間，終止動作的結束時間減去開始動作的開始時間就得到作業總耗時。圖4為第一種時間獲取方式，圖5為第二種時間獲取方式。
圖4 第一種時間獲取方式
圖5 第二種時間獲取方式
作業結束時間減去開始時間157.4s-16.4s=141s，得到分段總組標準作業耗時141s。
2、平板運輸車將總段運往船塢邊時間。以相同方式得到該項時間為125s。
3、龍門吊完成分段吊裝的標準時間。以相同方式得到該項時間為73.5s。
4、龍門吊完成總段吊裝的標準時間。以相同方式得到該項時間為104s。
5、總組作業時兩臺門座式起重機運行與等待時間。點擊“Simulation Analysis Tools”工具欄的“Data Readout”按鈕，選擇一臺門座式起重機，彈出的窗口中顯示一系列時間統計項，依次是流程總時間、模型總運行時間、模型單次運動時間、模型閑置時間、模型在整個流程中的運行率。圖6是分段總組時兩臺門座式起重機負荷情況。從顯示的數據中可以看出，在分段總組141s的流程持續時間中，NO.1門座式起重機49.72%的時間在運行，NO.2門座式起重機50.49%的時間在運行。
圖6 分段總組時兩臺門座式起重機負荷情況
3 仿真結果分析
按精益造船中單件流水作業的觀點，把分段總組和船塢總段吊裝視為兩個前后相連的工位，通過仿真得到兩個工位標準作業時間、在制品轉運時間、兩工位間緩沖區容量等數據，分析這些數據來預測生產中的瓶頸，著重了解工位阻塞與開工不足的情況，對存在問題清晰后針對性地提出可行的優化措施，使生產系統以均衡精益的方式提高產量。
1、初始數據，即從仿真中輸出的原始數據，如表4。
表4 初始數據
2、處理數據：船塢搭載既要吊裝總段又要吊裝分段，取兩項吊裝標準作業時間的算術平均值作為船塢工位的標準作業時間，記為t1，由下式計算得出：
（T3＋T4）÷2＝t1 代入實驗值 t1＝（104s＋73.5s）÷2＝88.75s （3-1）
假設有足夠多的平板運輸車把總組完的總段第一時間運走，那么將總組和總段運輸時間合在一起作為這個工位的完工交付時間，這樣總組的標準作業時間由下式算得，記為t2。
T1＋T2＝t2代入實驗值 t2＝141s＋125s＝266s （3-2）
不需要總組的分段耗時T5從總組場地運往船塢邊，取T5和t2的算術平均值作為總組工位的標準作業時間,記為t3，由下式計算：
（T5＋t2）÷2＝t3 代入實驗值 t3＝（90s＋266s）÷2＝178s（3-3）
表5為處理后用于分析的數據。
表5 處理后用于分析的數據
3、數據分析與問題描述。數據顯示總組作業耗時約為船塢吊裝的兩倍，也就是儲備區每消耗兩個產品（分/總段）才會有一個產品補充進來，假設兩個工位同時開工同時停工，假設儲備區初始時容量滿額為6個，那么總組完成5次作業后儲備區只剩一個分/總段，龍門吊完成這個分/總段吊裝后船塢作業便陷入等待，開始出現等待的時間為t4：
（t3×5）＋t1＝t4代入實驗值 t4＝（178s×5）＋88.75s＝978.75s （3-4）
即經過t4，由于儲備區放空導致船塢工位出現開工不足的狀況，這便是系統瓶頸。
4、系統優化措施。考慮以下措施消除瓶頸：
（1）提高總組區域作業效率；
（2）適當增大工位間緩沖區容量；
（3）放慢船塢作業速度；
從仿真獲得的總組區域兩臺門座式起重機的負荷情況看，設備有效工作時間只占總流程時間50%左右，所以改進總組工藝提高作業效率的措施是應當首先考慮的；緩沖區容量相當于庫存，從精益造船角度出發庫存越小越好，所以不建議采用增加緩沖區容量的措施；適當放慢船塢作業速度可以減小龍門吊負荷，增加設備維護保障時間和精度控制時間，船廠在生產任務不太繁重的情況下可以考慮此項措施。
4 結論
（1）實驗表明，在其他制造行業得到驗證的成熟、通用的建模與仿真軟件可大大降低虛擬造船技術門檻，目前虛擬造船有待破解的難題更多的是一種理論與方法問題，而不是技術問題。本次實驗的方案策劃、實施與評價都是在虛擬制造和精益造船的理論與方法指導下完成的，初步達到通過虛擬仿真來提升造船精益性的預期效果，是對虛擬造船理論與方法的有益探索。
（2）驗證了DELMIA解決方案基于精益制造理念實現虛擬制造的能力，是實施虛擬造船策略的合適平臺。但DELMIA本身不具備自動優化功能，對問題的判斷與優化決策都由人來完成，仿真能做的只是準確呈現系統存在的問題方面，為分析與決策提供有效依據。
（3）實驗中流程模型的輸入數據不是來源于實際，所以實驗輸出以及得出的結論具有參考意義，在以后的研究中應當密切與船廠生產實際的結合，通過向仿真提供真實有效的輸入來進一步驗證仿真結論，使仿真技術真正具備服務造船生產的價值。
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本文標題：2013PLM征文：基于DELMIA的船廠船塢搭載過程仿真
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