陳 寧，徐慧澤，賴海清

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

船舶尾部的機(jī)艙舾裝區(qū)空間狹小，但卻是整個(gè)船舶管路舾裝件分布最為密集的區(qū)域，從舾裝的角度出發(fā)，這是一個(gè)難點(diǎn)集中區(qū)，在造船實(shí)踐中往往將其單獨(dú)劃分出來，形成了獨(dú)特的盆舾裝工藝［1］.盆舾裝是指在機(jī)艙雙層底分段、舷部分段、隔艙分段組成的盆型區(qū)域上進(jìn)行的正轉(zhuǎn)舾裝，其目的是使內(nèi)底板以上密集布置的設(shè)備、管子安裝完整［2］.盆舾裝大大提高了舾裝過程的預(yù)舾裝率.然而面對(duì)機(jī)艙區(qū)域管路舾裝件分布的高復(fù)雜性，在實(shí)際裝配階段，往往由于裝配的空間不足造成舾裝件之間發(fā)生干涉或裝配順序不合理等現(xiàn)象;且盆舾裝過程中各類工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相互制約，這便形成了總評(píng)價(jià)值與各工藝因素評(píng)價(jià)值之間的函數(shù)關(guān)系，這些實(shí)踐和理論基準(zhǔn)上的難點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)盆舾裝階段的返工率很高，嚴(yán)重影響到機(jī)艙區(qū)域的預(yù)舾裝率［3］.

虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)為解決盆舾裝階段的工藝設(shè)計(jì)難題提供了一個(gè)有效的仿真驗(yàn)證手段.作為虛擬制造的重要組成部分，虛擬裝配技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)舾裝單元裝配操作的可行性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配中的序列和路徑問題，對(duì)裝配計(jì)劃的執(zhí)行提供有效地分析和改進(jìn)指導(dǎo)，保證設(shè)計(jì)的零部件能夠在適當(dāng)?shù)墓に嚟h(huán)境中有序地進(jìn)行安裝操作.然而，仿真僅是對(duì)問題的直觀描述，仿真運(yùn)行只能提供一定條件下的可行方案，它并不能給出問題的最優(yōu)解，故需要將算法優(yōu)化技術(shù)嵌入到仿真過程，把虛擬裝配技術(shù)的干涉檢測(cè)優(yōu)勢(shì)同遺傳算法的全局最優(yōu)搜索能力結(jié)合起來［4］.文中針對(duì)某型油船尾部機(jī)艙分段(下文稱尾分段)中內(nèi)底板到三甲板間的平面盆舾裝過程，利用遺傳算法求得盆舾裝過程中各工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)組合優(yōu)化的最大值及該值對(duì)應(yīng)的舾裝單元吊裝序列;利用虛擬裝配技術(shù)分析并解決該序列下舾裝單元吊裝中出現(xiàn)的空間干涉問題，二者結(jié)合制定出最佳的盆舾裝工藝.

1 虛擬環(huán)境的創(chuàng)建

1.1 三維模型的創(chuàng)建

針對(duì)盆舾裝過程，一些大型的船廠普遍采用“區(qū)域單元吊裝法”，即在吊裝前的設(shè)計(jì)階段，依據(jù)預(yù)舾裝車間行車的最大吊裝載荷對(duì)管路單元密度的進(jìn)行劃分，確定管路單元的粒度大小，然后將管路單元的管件、閥件、構(gòu)架等在專用的組裝平臺(tái)上組裝成單元，再整體吊到尾分段上進(jìn)行安裝［5］.故在仿真之前第一步需對(duì)船體尾分段、舾裝單元等進(jìn)行三維建模.

仿真中使用的尾分段模型(圖1)與管系舾裝單元(圖2)均在CATIA中建立.分段建模采用CATIA的3個(gè)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊SFD、SDD、SR1進(jìn)行建模;管系舾裝單元的建模采用Piping Design和Tubing Design兩個(gè)模塊.盆舾裝過程中的裝配場(chǎng)地為預(yù)舾裝車間，以及吊裝、運(yùn)載等設(shè)備，鑒于此過程建模量巨大，因此在不影響仿真效果的前提下，省略了預(yù)舾裝車間、吊車與運(yùn)載車輛的建模，而是在仿真中通過記錄吊裝路徑和運(yùn)載時(shí)間來進(jìn)行間接分析.

圖1 機(jī)艙分段模型Fig.1 Engine room block model

圖2 管系單元模型Fig.2 A piping unit model

1.2 虛擬裝配環(huán)境的搭建

虛擬裝配環(huán)境是盆舾裝仿真的另一個(gè)基礎(chǔ).文中裝配環(huán)境的創(chuàng)建采用DELMIA_DPM中的APS(assembly process simulation)模塊.DELMIA_DPM是法國(guó)達(dá)索公司研制的一款分析工藝過程的三維軟件，該軟件對(duì)制造工藝的細(xì)化與驗(yàn)證有著較好的模擬仿真效果，其應(yīng)用領(lǐng)域已覆蓋汽車、船舶、飛機(jī)等幾乎所有機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化制造過程，而DELMIA_DPM中的APS模塊通常用于仿真過程中的路徑模擬及干涉檢驗(yàn).首先，將尾分段結(jié)構(gòu)模型與管系單元模型插入到DELMIA環(huán)境下，并利用羅盤定位舾裝單元在尾分段上的相對(duì)空間位置;其次，根據(jù)裝配工藝設(shè)計(jì)方案在Process Library文件中創(chuàng)建工藝節(jié)點(diǎn)，然后將工藝節(jié)點(diǎn)按照工藝執(zhí)行順序添加到PPR數(shù)據(jù)模型中的Process節(jié)點(diǎn)下，用樹狀層次結(jié)構(gòu)形式直觀形象地展現(xiàn)各工序之間的順序關(guān)系;再次，在工藝節(jié)點(diǎn)與其相關(guān)的分段結(jié)構(gòu)、舾裝單元之間添加關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建工藝和模型間的關(guān)系信息，從而及時(shí)獲取和管理舾裝單元的使用情況;最后，基于“可拆即可裝”的原理，將已布置好的管系單元按照吊車的吊裝軌跡從船體分段上拆卸下來，記錄拆卸路徑，再對(duì)拆卸過程求逆即可得到舾裝單元吊裝路徑［6］.尾分段上的管路系統(tǒng)由10個(gè)管路舾裝單元組成，分布情況見圖3.

2 遺傳算法在吊裝序列優(yōu)化中的應(yīng)用

對(duì)舾裝單元吊裝序列的優(yōu)化需在相互制約的各工藝因素中篩選出最優(yōu)的工藝方案，屬于典型的NP問題，單純依靠傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法得出的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)相比差距較大，無(wú)法為吊裝序列的優(yōu)化提供準(zhǔn)確的工時(shí)物量信息［7］.遺傳算法是模仿自然界生物進(jìn)化思想而得出的一種魯棒性極強(qiáng)的全局優(yōu)化方法，在針對(duì)最佳序列問題的分析中，具有很強(qiáng)的搜索尋優(yōu)能力［8］.文中采用Matlab遺傳算法工具包通過編程計(jì)算得到滿足該船廠工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)值的吊裝序列.

2.1 適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)

在遺傳算法中要對(duì)每代的吊裝序列給出其相應(yīng)的適應(yīng)度值，以表明該序列在所設(shè)環(huán)境中的適應(yīng)能力.筆者通過對(duì)所研究船廠盆舾裝工藝的調(diào)研，從3個(gè)方面評(píng)價(jià)吊裝序列的適應(yīng)度值.首先，船體尾分段上分布的管路隸屬于不同系統(tǒng)，不同系統(tǒng)的管路在裝配時(shí)由于各自裝配工藝要求的不同會(huì)使工人改變裝配方法，影響施工的連貫性，故應(yīng)盡量使同一系統(tǒng)的管路處在相鄰的工序上;其次，舾裝單元的吊裝工藝遵循“先里后外”的原則，若在現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí)先吊裝船體外側(cè)的單元會(huì)造成當(dāng)內(nèi)部單元吊裝時(shí)出現(xiàn)空間不足、對(duì)位困難等問題，增加吊裝成本;此外，在盆舾裝過程中，要盡量提高工人和吊車這兩類關(guān)鍵資源的利用率，而最有效的方法即為減少工人和吊車的閑置時(shí)間.故文中的適應(yīng)度函數(shù)將以工人裝配連貫性、吊裝難易程度、閑置時(shí)間長(zhǎng)短這3類工藝因素為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì).

圖3 管系舾裝單元在機(jī)艙區(qū)域分段上的分布Fig.3 Layout of piping units on the block of engine room area

以模糊綜合評(píng)價(jià)法為理論體系，采用下式:F=

|(Tai-Tki-1)|(w1，w2，w3為權(quán)重參數(shù))作為算法的適應(yīng)度函數(shù).Xi為序號(hào)i的舾裝單元裝配工藝評(píng)價(jià)值，表1列舉了利用德爾菲法由專家組參照各類管路裝配工藝差異的大小得出的各類管路裝配工藝評(píng)價(jià)值，考慮到每個(gè)管系舾裝單元包含了不同系統(tǒng)的管路，故其裝配工藝評(píng)價(jià)值依照該單元所包含的各專業(yè)管路以求均值的方式得出(表2).|(Xi-Xi-1)|則表示了某一吊裝序列裝配工藝連貫性的評(píng)價(jià)值，其值越大，表明該序列裝配的連貫性越差.Yi表示序號(hào)為i的管系單元位置評(píng)價(jià)值，P為一向量，記錄了符合“先里后外”原則的吊裝序列所對(duì)應(yīng)的位置評(píng)價(jià)值(表2).(Yi-Pi)|則表示了某一吊裝序列同最佳吊裝序列在吊裝工藝方面的評(píng)價(jià)值之差，其值越大，表明該序列的吊裝工藝評(píng)價(jià)越差.Tai為序號(hào)為i的管系單元在吊裝之前的準(zhǔn)備及吊運(yùn)過程總共需要的時(shí)間;Tki為序號(hào)為i的管系單元在吊裝到尾分段之后，工人對(duì)其焊接及裝配所需時(shí)間(表2).考慮到所研究船廠的條件，被吊裝的單元只有在上一個(gè)單元裝配結(jié)束后，才能被吊運(yùn)到尾分段上，故|Tai-Tki-1|越大，則表明閑置時(shí)間越長(zhǎng)，關(guān)鍵資源的利用率越低.當(dāng)Ta值相對(duì)偏大時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為工人的等待時(shí)間變長(zhǎng)，當(dāng)Tk值相對(duì)偏大時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為吊車的等待時(shí)間變長(zhǎng)［9］.|(Tai-Tki-1)|則表示了某吊裝序列的總閑置時(shí)間.該適應(yīng)度函數(shù)針對(duì)盆舾裝過程幾個(gè)關(guān)鍵的工藝問題進(jìn)行了組合優(yōu)化，故當(dāng)F取最小值時(shí)其對(duì)應(yīng)的基因序列可看作是最優(yōu)的吊裝順序.

表1 各類管系裝配工藝評(píng)價(jià)值Table1 Evaluation of the assembly process of the various pipes

表2 各管路單元工藝目標(biāo)評(píng)價(jià)值及工時(shí)定額Table2 Process evaluation and hour norm of the various pipes

2.2 編碼方案

編碼采用實(shí)數(shù)序列編碼方法，染色體中的一個(gè)基因用以編碼一個(gè)待吊裝的舾裝單元，每個(gè)基因所在染色體的位置代表了對(duì)應(yīng)待吊裝舾裝單元在該吊裝順序中的位置.例如染色體5 1 3 2 4，該染色體首先吊裝的舾裝單元為5，其后，吊裝的舾裝單元為1，依此類推.

2.3 遺傳算子

交叉算子采用兩點(diǎn)交叉重組的方法.首先以概率Pc在種群中選擇2條染色體A，B.例如，A=3 1 4|2 6 5|9 8 7;B=3 4 6|7 9 2|1 5 8.隨機(jī)在染色體中選擇一個(gè)交叉區(qū)域.本例中交叉區(qū)域是第3位和第6位，則A′=3 1 4|7 9 2|9 8 7，B′=3 4 6|2 6 5|1 5 8.然后，將A接到A′后，B接到B′后，去掉A′，B′中的相同項(xiàng)，最終A=3 1 4 7 9 2 8 6 5，B=3 4 6 2 5 1 8 7 9［10］.

變異算子采用染色體左右基因互換的方式.即在每一代種群以概率Pm進(jìn)行變異，一旦變異操作發(fā)生，隨機(jī)挑選一條染色體進(jìn)行變異.例如A=3 1 4 2 6 5 9 8 7，變異操作之后原染色體將變?yōu)锳=7 8 9 5 6 2 4 1 3.

2.4 實(shí)例驗(yàn)證

本例中初始種群的規(guī)模POP=20，交叉概率Pc和變異概率Pm分別設(shè)定為0.8和0.2，最大遺傳代數(shù)為 MAXGEN=50，代溝 GGAP=0.5，權(quán)重值w1，w2，w3分別為0.2，0.2，0.6.最終疊代計(jì)算出的適應(yīng)函數(shù)的最小值為2.6，對(duì)應(yīng)的最佳吊裝序列為:9-2-10-7-3-6-1-8-5-4.圖4中橫坐標(biāo)代表代數(shù)，縱坐標(biāo)代表每代種群中最優(yōu)序列對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值;該圖表明從8代起適應(yīng)度函數(shù)收斂到了最小值，相比較第一代適應(yīng)度值3.45降低了24.6%，從而證實(shí)了該算法在解決工程中吊裝序列優(yōu)化問題的有效性.圖5為實(shí)現(xiàn)該功能的部分程序代碼.

圖4 各代中的最優(yōu)適應(yīng)度值Fig.4 Optimizing fitness of each generation

圖5 遺傳算法部分程序Fig.5 Some programs of the genetic algorithm

3 裝配路徑仿真及干涉分析

在通過遺傳算法計(jì)算得到最佳吊裝序列之后，需要對(duì)該序列在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證.首先，在DELMIA_DPM虛擬環(huán)境中使用PERT圖依照算法得出的結(jié)果對(duì)吊裝順序進(jìn)行編排.圖6中PERT圖里的每一個(gè)圖標(biāo)框代表一個(gè)盆舾裝單元的吊運(yùn)過程，其中包含該單元的吊裝路徑、工時(shí)定額以及閑置時(shí)間.在圖標(biāo)框之間用箭頭連接起來用于表示動(dòng)作的次序信息，通過調(diào)整圖標(biāo)框的位置、連接箭頭的方向或關(guān)系來完成各類協(xié)同任務(wù).其次，需要在DELMIA_DPM虛擬環(huán)境中通過“可拆即可裝”的方法模擬出該序列下的吊裝路徑.針對(duì)吊裝過程中可能發(fā)生相互碰撞、接觸等干涉問題，DELMIA_DPM提供了碰撞自動(dòng)檢測(cè)工具，若管系舾裝單元在吊裝仿真過程中發(fā)生舾裝件之間的干涉，運(yùn)動(dòng)會(huì)自動(dòng)停止，并以紅線圈出干涉發(fā)生位置，以便于工程師對(duì)發(fā)生干涉的位置進(jìn)行分析，及時(shí)修改模型尺寸或裝配路徑［11］(圖7).圖8為最終制定出的吊裝路徑.為保證仿真結(jié)果的真實(shí)可行性，圖中一些關(guān)鍵的路徑尺寸與施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況基本保持一致，例如路徑的高度值等于現(xiàn)場(chǎng)行車的高度.最后，使用DELMIA－DPM中的GANTT圖顯示PERT圖中各個(gè)任務(wù)的工時(shí)長(zhǎng)度，以便工程師檢驗(yàn)工藝過程是否達(dá)到規(guī)定的時(shí)間要求，為編制現(xiàn)場(chǎng)吊裝計(jì)劃提供理論支持［12］.為便于仿真觀察，虛擬環(huán)境中的5秒代表實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的0.5天.從圖9中可以看出，在遺傳算法的優(yōu)化下，相鄰單元之間消除了閑置時(shí)間，即工人和吊車的利用率達(dá)到最高，從側(cè)面反映了算法的有效性.

管系單元的吊裝具有自身特點(diǎn).首先，由于管系單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)接點(diǎn)眾多、體積龐大、外部形狀不規(guī)則、作業(yè)空間狹窄，行車在單元吊裝時(shí)移動(dòng)受限，故吊裝過程中找到一條與周圍結(jié)構(gòu)完全不干涉的路徑會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)的吊裝難度變大，嚴(yán)重增加吊裝成本，甚至無(wú)法完成吊裝過程，而且現(xiàn)階段船廠的吊裝工藝普遍存在著誤差.鑒于上述吊裝難點(diǎn)，筆者將對(duì)發(fā)生干涉的構(gòu)件進(jìn)行取舍.本文將優(yōu)先實(shí)現(xiàn)單元之間大、中型管道的準(zhǔn)確對(duì)位，當(dāng)仿真模擬出的路徑確認(rèn)各單元間大、中管道在吊裝時(shí)無(wú)干涉后，對(duì)于此吊裝路徑下少量發(fā)生干涉的小管路在記錄其托盤號(hào)后可暫時(shí)從單元中將其拆除.待管系單元吊裝完畢后結(jié)合該廠的吊裝工藝誤差將之前拆除的管路依照生產(chǎn)圖紙重新裝配到各單元之間，從而最大限度的把虛擬裝配技術(shù)與現(xiàn)實(shí)中船廠的吊裝實(shí)際結(jié)合起來.圖7為7號(hào)單元在吊裝過程中與已吊裝完畢的5號(hào)單元中的蒸汽(淺色細(xì)管)、飲用水(深色細(xì)管)管路發(fā)生了干涉，但此路徑下兩單元的總海水管道(粗管)可實(shí)現(xiàn)無(wú)干涉對(duì)位，故可暫時(shí)把這兩條非重要管路從單元上拆除，保證吊裝工藝的順利實(shí)施，待單元吊裝完畢后再將這兩根管路安裝到單元之間.

圖6 吊裝過程的PERT圖Fig.6 PERT diagram of lifting process

圖7 管路單元間發(fā)生干涉Fig.7 Interference between piping units

圖9 管路單元吊裝過程的GANTT圖Fig.9 GANTT diagram of piping units in the lifting process

4 結(jié)論

依靠虛擬裝配技術(shù)和遺傳算法把三維建模、序列優(yōu)化、干涉檢測(cè)三者有機(jī)結(jié)合起來，建立了一種針對(duì)盆舾裝過程的裝配仿真方法，該方法充分利用了遺傳算法的數(shù)值計(jì)算搜索能力和虛擬裝配技術(shù)的幾何干涉檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，且在一定程度上避免了二者自身的局限性，可對(duì)吊裝序列進(jìn)行定量化的綜合分析，且過程簡(jiǎn)單、高效，可在多工藝目標(biāo)約束下的眾多吊裝序列中篩選出最優(yōu)序列及其對(duì)應(yīng)的吊裝路徑，這對(duì)于盆舾裝的現(xiàn)場(chǎng)施工將具有重要的指導(dǎo)意義.

(References)

［1］ 陳彬.造船成組技術(shù)［M］.黑龍江哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007:49－56.

［2］ 應(yīng)長(zhǎng)春.船舶工藝技術(shù)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2013:453 －454.

［3］ 黃政.基于SolidWorks的船舶柴油機(jī)虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真［J］.船海工程，2010，39(5):111－113.Huang Zheng.The virtual assembly and motion simulation of marine diesel engine based on SolidWorks.［J］.Ship and Ocean Engineering，2010，39(5):111 － 113.(in Chinese)

［4］ 姜禮玲.船臺(tái)總裝網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及其仿真研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008:67－69.

［5］ 徐兆康.船舶建造工藝學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2000:154－158.

［6］ 劉陽(yáng)，柳存根.基于DELMIA的分段裝配仿真研究［J］.船舶工程，2012，34(6):71 －74.Liu Yang，Liu Cungen.Simulation study of block assembly based on DELMIA.［J］.Ship Engineering，2012，34(6):71 －74.(in Chinese)

［7］ 程文霖.基于虛擬制造的船舶總裝建造吊裝仿真與優(yōu)化研究［D］.湖北武漢:華中科技大學(xué)，2009:34－39.

［8］ 陳寧，曹成勛，佘建國(guó).基于遺傳算法與臨境環(huán)境的機(jī)艙優(yōu)化仿真研究［J］.船舶工程，2008，30(4):77－80.Chen Ning，Cao Chengxun，She Jianguo.Simulation study of optimal layout for cabin based on genetic algorithm and authentic circumstance［J］.Ship Engineering，2008，30(4):77 －80.(in Chinese)

［9］ 劉煒，陳寧.造船工序計(jì)劃的制定及在DELMIA平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)與校核［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，25(1):8 －13.Liu Wei，Chen Ning.Shipbuilding schedule and its realization and pre-examination on DELMIA module［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2011，25(1):8 －13.(in Chinese)

［10］ 蔣超，吳波.基于遺傳算法的產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃研究［J］.機(jī)械與電子，2012(4):7－11.Jiang Chao，Wu Bo.Product assembly sequence planning based on genetic algorithm［J］.Machinery and E-lectronics，2012(4):7 －11.(in Chinese)

［11］ 佘建國(guó)，范曉衛(wèi).基于DELMIA的車用空調(diào)虛擬裝配過程仿真［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，26(3):249 －253.She Jianguo，F(xiàn)an Xiaowei.Assembly simulation of automotive air conditioner based on DELMIA［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2012，26(3):249 －253.(in Chinese)

［12］ 尹涼.基于虛擬裝配仿真的人機(jī)工效分析［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2012:18－22.