郭朝義，張馳，劉杰

(1.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321;2.武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢 430063)

船舶型材自動套料軟件開發(fā)

郭朝義1，張馳1，劉杰2

(1.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321;2.武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢 430063)

針對船舶設計建造中手工套料不但操作繁瑣，而且容易出錯的問題，基于提高套料的準確性和效率的考慮，在.NET平臺上設計開發(fā)用于船舶型材批量套料的應用軟件。實踐證明，使用該軟件能夠提高材料利用率，節(jié)約操作時間并降低庫存管理難度。

船舶;型材套料;軟件開發(fā)

降低原材料消耗是當今船舶企業(yè)在生產(chǎn)和經(jīng)營過程中一直追求的目標，也是企業(yè)轉型升級的重要措施之一。在日韓等先進的造船國家，數(shù)字化造船起步較早，已形成比較成熟的軟件或產(chǎn)品，包括設計系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等［1-2］。在船舶建造過程中，需用到大量的型材，在操作過程中會通過切割或焊接等手段獲得所需長度的型材。切割剩下的材料可以保存入庫，形成余料庫。如何充分利用余料是一個關鍵的問題，依靠人工來進行該項工作不但費時費力，而且容易出紕漏。因此，有必要研究開發(fā)型材套料軟件。

目前開發(fā)的型材套料軟件一般基于排列和組合算法，通過遍歷的方式搜索出滿足要求的套料方案［3］;采用的開發(fā)工具主要有Delphi、python等，但完全基于遍歷的算法搜索時間長，個別約束的調(diào)整不方便。為此采用VB.NET作為開發(fā)語言，基于若干預定義規(guī)則，實現(xiàn)源文件導入、批量套料、材料利用率統(tǒng)計、報表輸出、余料庫存管理等功能。

1 需求分析

對于手工套料，主要過程是針對目標型材，由相關人員在余料庫中尋找兩個或多個與目標型材材料、規(guī)格一致的余料進行焊接，或直接對一個余料或完整型材(或稱為標準型材)進行切割，最終得到所需的長度。套料前，工作人員需要對余料庫中的型材進行歸類、測量和計算，直到找到滿足要求的組合方案。使用這種方法，主要存在以下問題。

1)套料時需要重新對庫存進行分類匯總，并通過手工計算，找出滿足要求的套料方案，由于一般為批量套料，故將耗費大量的時間。

2)當余料庫中沒有符合要求的組合時，操作人員將會徒勞無功。

3)套料之后庫存信息需要及時更新并記錄在案，增加了額外的工作量。

為了克服手工方法存在的問題，借助計算機技術，開發(fā)型材自動套料軟件將能大大提高操作效率，并簡化庫存管理工作。

型材自動套料軟件應實現(xiàn)以下主要功能。

1)自動導入目標型材數(shù)據(jù)列表，數(shù)據(jù)來源可以為Excel、Word、Xml等主要文件格式。

2)庫存材料信息按不同船級社來分類，滿足不同入級材料的套料，用戶可以分類查詢。

3)對于每個型材，能夠自動計算搜索最優(yōu)的套料方案，并及時更新庫存信息。如果在所有設定的套料方法中沒有符合的方案，應提醒用戶補充庫存。

4)實現(xiàn)連續(xù)套料，滿足焊接次數(shù)最少，使用完整型材根數(shù)最少等多個優(yōu)化約束目標。

5)輸出列表中所有型材的套料方案，并以圖形化方式呈現(xiàn)。

6)統(tǒng)計余料使用量、產(chǎn)生的廢料量以及材料利用率。

2 軟件總體設計方案

軟件使用的目的在于充分利用庫存材料(包括標準型材和余料)，優(yōu)先考慮其中的余料，同時又要滿足焊接次數(shù)的約束限制，這樣有利于減少對標準型材的消耗，達到降低采購成本的目的。套料的效果可ηE可用式(1)來描述。

余料數(shù)目減少是提高材料利用率比較直觀的一個方面，同時可以降低庫存的管理復雜度。一次套料使用多個余料有利于達到這個目的，但如果材料拼接過多，將會增加焊接次數(shù)和工作量，累積的變形也會影響使用效果。結合船廠的實際需求，設置每次套料的焊接次數(shù)不超過兩次，即目標型材最多可以由3段材料焊接而成。此外，由于套料一般難以與目標型材的長度完全一致，會有一定的剩余長度，故應對這些剩余材料作進一步處理。處理的方法為:如果剩余材料太短，利用價值不高，可以作為廢料處理，根據(jù)船廠的實際情況，將廢料的臨界長度設置為400 mm;超過這個值的材料則可以再次利用，稱之為二次余料。

為了精確評價套料的結果，應綜合考慮以下因素。

1)實際需要的材料長度，Luse。

2)使用的庫存余料總長，Lstock。

3)總裕量，Lmargin。

4)二次余料總長，Lnewstock。

5)產(chǎn)生的廢料總長，Lwaste。

這些參數(shù)具有以下關系。

材料利用率可通過使用的庫存余料總長度以及實際有用的余料長度ηC來表示:

程序設計流程見圖1。圖中類型說明如下。

類型1。無焊接和切割，余料庫中有與目標型材材料、規(guī)格和長度都相同的型材。

類型2。一次焊接(兩段與目標型材材料、規(guī)格和長度都相同的型材焊接而成)。

類型3。二次焊接(3段與目標型材材料、規(guī)格和長度都相同的型材焊接而成)。

類型4。余料切割(剩下的部分依長度決定是否可再次利用)。

類型5。完整型材切割(剩下的部分依長度決定是否可再次利用)。

3 關鍵問題研究及實現(xiàn)

3．1 優(yōu)化方法設計

關于優(yōu)化的一個問題:剩余長度是否只要小于廢料的臨界長度就是最優(yōu)方案。

如前文所述，長度小于400 mm的材料為廢料，如果剩余長度為小于200 mm甚至更小，則浪費較少;如果剩余長度較大，如200～400 mm，則浪費相對較多。因此這是一個辯證的問題，一方面，允許產(chǎn)生廢料，但要盡量避免廢料的長度接近臨界值;另一方面，剩余長度可以超過臨界值，但不應過長。

在軟件設計當中，套料及優(yōu)化采用組合窮舉的方式。一種實現(xiàn)方法是，在考慮焊接次數(shù)及最大裕量限制的情況下，窮舉所有的組合方案，并從中找出剩余長度最短的方案作為最終方案［3］。對于這種方案，剩余材料一般較短，因此幾乎每次都會產(chǎn)生廢料。對上述方案作進一步優(yōu)化:如果最終產(chǎn)生的廢料長度接近臨界值，則將裕量最低值設置為臨界值進行重新計算，用搜索到的第一個方案取代原方案并退出搜索過程。這樣可以將原來產(chǎn)生較長的廢料轉化為產(chǎn)生二次余料，從而進一步提高材料利用率。具體實現(xiàn)思路如下。

首先將套料方法進行分類，如上述程序設計流程圖中的說明，套料的優(yōu)先級為從類型1到類型5依次降低。對于其中每一種方案，同時考慮使用余料數(shù)較多，實際操作方便和產(chǎn)生的廢料最少3個因素。類型1無需額外的工作量，并且不會產(chǎn)生多余材料;對于類型2到類型5，通常會產(chǎn)生剩余材料，可能是廢料或者二次余料，所以是主要優(yōu)化的對象。但在實際操作過程中，優(yōu)先考慮類型2～類型4，最后考慮類型5。優(yōu)化設計的實現(xiàn)方法見圖2。

3．2 連續(xù)套料及材料使用情況統(tǒng)計

對于船舶設計建造，通常需要對某個分段或某個區(qū)域中的所有型材進行批量套料，數(shù)量多達幾十甚至上百個，人工套料的缺陷此時體現(xiàn)得更為明顯，利用軟件來實現(xiàn)則能很好地克服這個問題。

圖2 優(yōu)化設計流程

套料的一個前提是遵循余料型材和目標型材的材料、規(guī)格以及報檢船級社相一致的原則。首先在數(shù)據(jù)庫中建立材料庫表，包含的字段主要有:材質(zhì)、規(guī)格、長度、數(shù)量、船級社，材料類型，其中材料包括完整型材和余料兩大類。在將庫存信息從數(shù)據(jù)庫上載到用戶計算機的內(nèi)存中時，需要將其中數(shù)量大于1的材料展開為多個相同的材料，在實際套料時則作為不同的材料使用，即內(nèi)存中實際的材料數(shù)目為。

式中:n——數(shù)據(jù)庫中材料的記錄數(shù)(針對制定的入級船級社);

N——內(nèi)存中材料的數(shù)目;

Ni——每條記錄中“數(shù)量”字段值。

內(nèi)存中的庫存信息是存儲在DataTable對象中的一個列表，可以看作是整個套料過程的一個中間表。當庫存信息從數(shù)據(jù)庫中讀取之后，立即釋放數(shù)據(jù)庫資源，連續(xù)套料過程中的數(shù)據(jù)處理則交由中間表處理，避免每一個套料都消耗數(shù)據(jù)庫資源。套料結束后，再一次性對數(shù)據(jù)庫信息進行更新，減輕數(shù)據(jù)庫的壓力，同時可提高連續(xù)套料的效率。

為準確統(tǒng)計套料結果，需要用到套料前和套料后的全局參數(shù)，如目標型材的數(shù)量和總長度、使用型材的數(shù)量和總長度、產(chǎn)生的廢料總長等，這些數(shù)據(jù)是對源表中所有型材數(shù)據(jù)和套料結果數(shù)據(jù)的匯總。為詳細記錄每次套料的詳細信息，將目標型材數(shù)據(jù)和套料結果數(shù)據(jù)分別封裝到一個結構體中，具體參數(shù)見表1。

表1 套料數(shù)據(jù)結構體成員

對表1中的數(shù)據(jù)進行匯總分析計算(參考式(2)～式(4))，可以獲取套料前后的總體數(shù)據(jù)和材料使用率。

4 工程應用分析

以某27 000 DWT多用途船為例，獲得某分段Excel格式的目標型材源表后，直接導入到軟件中，并選定材料需要報檢的船級社，見圖3。然后可以執(zhí)行套料過程，完成之后可以顯示套料所用的時間，見圖4。

圖3 需要套料的型材列表

圖4 套料結果及花費時間

此外，模擬前所述優(yōu)化之前的套料過程，并將套料結果與改進后的方法進行對比，結果見圖5。

圖5 優(yōu)化前后材料利用率對比

通過對比可以看出，在優(yōu)化之后，雖然套料時間有所增加，但總的時間仍然較少，而材料利用率提高了2個以上的百分點。優(yōu)化后的方法在減少廢料長度的同時也減少了廢料的數(shù)量，因此可以進一步提高材料利用率。

5 結束語

用型材自動套料軟件取代原始的手工套料，大大縮短了操作時間，并能獲得較高的材料利用率，庫存管理也得到了簡化。對目前使用的一種套料軟件采用的方法進行優(yōu)化，使材料綜合利用率得到了進一步提高。設計的軟件已經(jīng)在船舶企業(yè)成功應用，取得了良好的應用效果。

［1］劉杰.基于OLE技術的造船廠信息一體化研究［J］.船海工程，2007，36(4):86-88.

［2］姚玉南.船舶信息管理系統(tǒng)開發(fā)研究［J］.船海工程，2006，30(4):110-113.

［3］錢善波，孫志偉.型材自動套料管理系統(tǒng)的研發(fā)和應用［J］.造船技術，2008(3):8-10.

Development of the Automatic Nesting Software of Section Bar in Shipbuilding

GUO Chao-yi1，ZHANG Chi1，LIU
Jie2 (1.Taizhou Kouan Shipbuilding Co.，Ltd，Taizhou Jiangsu 225321，China; 2.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)

Since manual nesting in shipbuilding is operating-complicated and subjected to default easily，a software is developed on the.NET development platform to realize automatic nesting of the section bar in shipbuilding.The practical use show that the software can improve the accuracy，efficiency and material utilization，reduce the operation time and difficulty of stock management.

ship;nesting of section bar;software development

U671

A

1671-7953(2015)02-0015-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.004

2014-10-15

修回日期:2014-10-27

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2013107)

郭朝義(1964-)，男，碩士，高級工程師

研究方向:船型研發(fā)、船舶企業(yè)信息化應用

E-mail:guocy@cnkasc.com