林加灶，才鵬飛，王嘉勵(lì)，彭子良

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200023；2.上海海事大學(xué)，上海 201306)

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船廠分段物流仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林加灶1，才鵬飛1，王嘉勵(lì)2，彭子良2

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200023；2.上海海事大學(xué)，上海 201306)

根據(jù)上海外高橋造船廠的生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了一種分段物流仿真控制系統(tǒng)來(lái)輔助造船生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)本系統(tǒng)的實(shí)施，上海外高橋造船廠實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)船體分段調(diào)度的優(yōu)化，有效地減少了船體調(diào)度指令的數(shù)量。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，船廠的堆場(chǎng)堆放率達(dá)到80%以上時(shí)，衍生指令可以降低到40%左右，從而提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)，可以不斷完善規(guī)則庫(kù)，使得該方法具有良好的可擴(kuò)展性。

物流仿真控制系統(tǒng)；船體分段調(diào)度；智能算法

0 引言

由于受到全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷的影響，目前航運(yùn)市場(chǎng)運(yùn)力過(guò)剩，船市處于低迷狀態(tài)。造船業(yè)作為航運(yùn)業(yè)的重要部分，同樣面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。造船過(guò)程中為了降低制造成本，必須要解決的一個(gè)問(wèn)題就是船體分段調(diào)度的問(wèn)題。由于船體分段的體積和重量不是一般制造業(yè)的半成品所能比擬的，再加上一些船體分段在建造和擺放時(shí)還有特殊的空間要求，所以必須有效解決船體分段調(diào)度的問(wèn)題。

上海外高橋造船分段物流仿真控制系統(tǒng)就是針對(duì)上海外高橋造船廠的生產(chǎn)需求所開發(fā)的用于船體分段廠內(nèi)物流作業(yè)的動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，屬于制造行業(yè)的自動(dòng)化和信息領(lǐng)域。其中涉及一種動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，通過(guò)規(guī)則的設(shè)計(jì)，使造船廠的物流部門在滿足船體分段移動(dòng)需求的同時(shí)，通過(guò)衍生指令的執(zhí)行，盤整相關(guān)場(chǎng)地，將分段擺放更加合理，從而減少船體分段在廠內(nèi)移動(dòng)的衍生指令數(shù)，提高船廠生產(chǎn)效率，降低運(yùn)作成本，在執(zhí)行船體分段移動(dòng)指令的過(guò)程中使得分段總搬運(yùn)次數(shù)最小。

船體分段堆場(chǎng)調(diào)度的研究主要集中在船舶建造應(yīng)用方面。Lee等[1]利用配置空間和啟發(fā)式規(guī)則，研究多工作平臺(tái)上分段的最有效布局規(guī)劃，并應(yīng)用到船舶生產(chǎn)實(shí)踐中，取得了較好的效果；Baek等[2]根據(jù)船舶建造網(wǎng)絡(luò)圖PERT得到最早開始時(shí)間，建立初始資源限制，應(yīng)用啟發(fā)式算法，通過(guò)一個(gè)給定的增量減低資源限制，得到新的調(diào)度方案；Park等[3]研究開發(fā)了滿足時(shí)間窗約束和空間約束的船舶分段裝配工藝調(diào)度算法； Koh[4]等考慮了平衡裝配生產(chǎn)車間以及裝配車間的負(fù)荷均衡問(wèn)題，研究開發(fā)出船體裝配車間的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)；張志英等[5]針對(duì)船體曲面分段生產(chǎn)調(diào)度復(fù)雜且具有時(shí)空耦合特性，提出船體曲面分段建造動(dòng)態(tài)空間調(diào)度方法；李川等[6]結(jié)合船舶生產(chǎn)模式的特點(diǎn)，提出了船舶曲面分段加工的虛擬流水線作業(yè)模式；郭美娜等[7]提出一種基于樹搜索的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，首先把調(diào)度時(shí)間分割成連續(xù)的時(shí)間段，在各時(shí)間段內(nèi)采用優(yōu)先樹搜索方法進(jìn)行基于一維空間的布置搜索。另外，有學(xué)者根據(jù)分段作業(yè)計(jì)劃提出物流調(diào)度的啟發(fā)式優(yōu)化算法，利用分段加工的時(shí)間窗動(dòng)態(tài)設(shè)置滾動(dòng)調(diào)度窗口和滾動(dòng)機(jī)制，將復(fù)雜的動(dòng)態(tài)空間調(diào)度問(wèn)題分解為若干短周期和單作業(yè)平臺(tái)上的調(diào)度子問(wèn)題。

然而，在企業(yè)實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，船體分段物流調(diào)度沒(méi)有可靠輔助手段，仍然依賴于工作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，尚無(wú)相關(guān)已公開的專利。本文首先分析分段系統(tǒng)的需求分析，指出分段的不合理規(guī)劃導(dǎo)致堆場(chǎng)物流效率低；其次為了切實(shí)完成系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)，將系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)細(xì)化為各個(gè)功能模塊；然后通過(guò)算法的設(shè)計(jì)，使造船廠的物流部門在滿足生產(chǎn)部門的船體分段移動(dòng)需求的同時(shí)，通過(guò)衍生指令的執(zhí)行，盤整相關(guān)場(chǎng)地，將分段擺放更加合理，使得在一段時(shí)間內(nèi)廠內(nèi)分段物流的衍生指令數(shù)最少。通過(guò)運(yùn)輸指令實(shí)現(xiàn)平板車的運(yùn)輸以及調(diào)度指令的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行效率評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)調(diào)度方案，從而提高作業(yè)效率。目前已經(jīng)對(duì)4片場(chǎng)地、11條模擬指令進(jìn)行了測(cè)試，下一步將根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地狀況，擴(kuò)大測(cè)試范圍。同時(shí)，通過(guò)完善規(guī)則，可以使該方法持續(xù)改進(jìn)。

1 船體分段調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求分析

改革開放后，我國(guó)的造船業(yè)不斷學(xué)習(xí)世界先進(jìn)造船技術(shù)，造船模式也逐漸由傳統(tǒng)造船模式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代造船模式?，F(xiàn)代造船模式并不是整體生產(chǎn)整個(gè)船只，而是分別在不同車間建造具有不同功能的船體分段，作為船體建造的中間產(chǎn)品，然后將船體分段集中到船塢進(jìn)行組裝制造。船體分段在進(jìn)行總裝之前需要在多個(gè)不用的堆場(chǎng)中進(jìn)行堆放以及加工。每個(gè)堆場(chǎng)容量有限并且功能相對(duì)單一，而每個(gè)分段所要求的工藝階段是不同的，這就要求各個(gè)分段在幾個(gè)堆場(chǎng)之間進(jìn)行不同而有序的單向流動(dòng)。每天業(yè)務(wù)部門都會(huì)向物流部門提出若干分段移動(dòng)的需求。由于目標(biāo)分段存放在各建造區(qū)域上，且各建造區(qū)域沒(méi)有預(yù)留平板車行駛的空間，要利用寬大的平板車移出目標(biāo)分段就需要先挪開路徑上的其他分段，即衍生指令，使得分段調(diào)度問(wèn)題復(fù)雜化。

分段建造的調(diào)度問(wèn)題與一般車間調(diào)度不同的是，船體分段的調(diào)度還需要考慮空間資源的分配需求問(wèn)題。由于船體分段相比于一般制造業(yè)的中間產(chǎn)品，其體積和質(zhì)量都較大，而且在船體分段的建造過(guò)程中，建造工藝一般不允許船體分段有重疊堆放的情況?，F(xiàn)實(shí)情況中由于堆場(chǎng)場(chǎng)地的堆放能力以及生產(chǎn)加工的效率限制，船舶分段會(huì)在場(chǎng)地內(nèi)密集堆放，且分段的堆放往往未能實(shí)現(xiàn)合理規(guī)劃，同時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃存在經(jīng)常性的變動(dòng)，導(dǎo)致堆場(chǎng)內(nèi)一個(gè)分段的移出需要產(chǎn)生大量的衍生指令，嚴(yán)重影響了場(chǎng)內(nèi)的物流效率。

2 功能設(shè)計(jì)

上海外高橋造船分段物流仿真控制系統(tǒng)不但要完成邏輯模型所規(guī)定的任務(wù)，更要切實(shí)落實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)任務(wù)，通過(guò)運(yùn)輸指令實(shí)現(xiàn)平板車的運(yùn)輸以及調(diào)度指令的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行效率評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)調(diào)度方案，從而提高作業(yè)效率。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，目前普遍采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。首先將系統(tǒng)看成一個(gè)大的模塊，然后逐層分解為各層模塊，第一模塊下面又分解為第二模塊，等等，各個(gè)最下層模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)小的模塊功能，每個(gè)小模塊只實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，向上逐層實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)功能，從而保證系統(tǒng)更好地應(yīng)對(duì)外界變化以及保持生命力。

2.1 總體功能模塊

該系統(tǒng)以指導(dǎo)平板車運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸指令和調(diào)度指令的評(píng)價(jià)系統(tǒng)為中心進(jìn)行考慮，根據(jù)系統(tǒng)需要，將該系統(tǒng)的功能模塊大致分為場(chǎng)地資源管理、分段信息管理、平板車管理、調(diào)度申請(qǐng)確認(rèn)、調(diào)度指令查詢調(diào)整、實(shí)時(shí)監(jiān)控看板、船塢平臺(tái)區(qū)域監(jiān)控看板等7個(gè)模塊，其功能樹狀圖如圖1所示。

圖1 分段物流管理系統(tǒng)功能樹狀圖

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

功能模塊主要分為7個(gè)模塊，具體每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)又可以細(xì)分為各個(gè)具體的功能模塊。

(1) 場(chǎng)地資源管理模塊主要涉及資源生成、編輯和刪除功能。資源的生成、編輯和刪除分別指在地圖中建立和生成場(chǎng)地資源、地圖資源信息的編輯更新功能、地圖資源信息刪除功能。

綜合運(yùn)用各種定位導(dǎo)航設(shè)備、GIS系統(tǒng)等對(duì)地圖設(shè)施、道路等資源進(jìn)行定位，對(duì)廠區(qū)里的各種位置信息、資源信息做出準(zhǔn)確的標(biāo)記，對(duì)場(chǎng)地名稱給出相應(yīng)的代號(hào)表示并注明功能用途，方便查看的同時(shí)也有利于作業(yè)實(shí)施，最后精確描繪廠區(qū)地圖。

(2) 分段信息管理包括分段包絡(luò)圖導(dǎo)入以及分段信息的維護(hù)。

(3) 平板車管理包括平板車圖例的導(dǎo)入以及信息維護(hù)。

(4) 調(diào)度申請(qǐng)確認(rèn)主要包括調(diào)度指令的生成功能、調(diào)度指令模擬器功能和調(diào)度算法要求。其中，調(diào)度指令生成功能值對(duì)已確認(rèn)的調(diào)度申請(qǐng)，可調(diào)用地圖模塊，根據(jù)場(chǎng)地的查詢與定位圖生成分段調(diào)度指令，指導(dǎo)各項(xiàng)作業(yè)的執(zhí)行；調(diào)度指令模擬器功能是指對(duì)已生成的調(diào)度指令，可調(diào)用地圖模塊，生成指令執(zhí)行結(jié)果模擬展示圖；調(diào)度算法要求是指地圖軟件中須集成分段物流調(diào)度算法邏輯，當(dāng)調(diào)用地圖模塊進(jìn)行指令生成時(shí)進(jìn)行調(diào)用，要求集成算法須滿足甲方的業(yè)務(wù)邏輯，根據(jù)算法生成的調(diào)度指令必須產(chǎn)生最少衍生指令的業(yè)務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)分段移動(dòng)次數(shù)最少，分段移動(dòng)效率最高。

(5) 調(diào)度指令查詢調(diào)整和調(diào)度申請(qǐng)確認(rèn)一樣，主要包括調(diào)度指令生成、調(diào)度指令模擬器功能和調(diào)度算法要求。調(diào)度指令生成功能是指對(duì)新增調(diào)度申請(qǐng)可調(diào)用地圖模塊，生成分段調(diào)度指令；調(diào)度指令模擬器功能是對(duì)已生成的調(diào)度指令可調(diào)用地圖模塊，生成指令執(zhí)行結(jié)果模擬展示圖；調(diào)度算法要求同“調(diào)度申請(qǐng)確認(rèn)”界面。

(6) 實(shí)時(shí)監(jiān)控看板主要包括廠區(qū)地圖監(jiān)控看板、調(diào)度指令生成、調(diào)度指令模擬器、調(diào)度指令評(píng)分、地圖操作功能和調(diào)度算法要求。其中，廠區(qū)地圖監(jiān)控看板功能指實(shí)時(shí)顯示場(chǎng)地、道路、分段、平板車等對(duì)象在地圖中的狀態(tài)，并提供地圖信息交互功能，包括對(duì)象鎖定、軌跡回看等；調(diào)度指令生成功能指對(duì)新增調(diào)度申請(qǐng)可調(diào)用地圖模塊，生成分段調(diào)度指令；調(diào)度指令模擬器功能是對(duì)已生成的調(diào)度指令，可調(diào)用地圖模塊，生成指令執(zhí)行結(jié)果模擬展示圖；調(diào)度指令評(píng)分功能是對(duì)一批調(diào)度指令可調(diào)用地圖模塊，生成指令執(zhí)行效率評(píng)分；地圖操作是提供地圖交互功能，滿足用戶在地圖中便捷調(diào)整地圖顯示；調(diào)度算法要求同“調(diào)度申請(qǐng)確認(rèn)”界面。

(7) 船塢平臺(tái)區(qū)域監(jiān)控看板包括分段狀態(tài)看板和分段調(diào)整移動(dòng)功能。其中，分段狀態(tài)看板功能是指實(shí)時(shí)顯示場(chǎng)地、道路、分段等對(duì)象在區(qū)域地圖中的狀態(tài)；分段調(diào)整移動(dòng)功能是通過(guò)拖動(dòng)分段，實(shí)現(xiàn)分段地理狀態(tài)信息的自動(dòng)更新，包括位置移動(dòng)、分段移出地圖等。

3 算法設(shè)計(jì)

船舶分段作為船舶制造的中間產(chǎn)品，在組裝成型之前，需要在廠內(nèi)經(jīng)過(guò)刷漆、舾裝等程序。由于堆場(chǎng)的堆放能力以及生產(chǎn)加工的效率限制，船舶分段在場(chǎng)地內(nèi)往往出現(xiàn)密集堆放的情況。在實(shí)際操作中，分段的堆放往往未能實(shí)現(xiàn)合理規(guī)劃，同時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃存在經(jīng)常性的變動(dòng)，導(dǎo)致堆場(chǎng)內(nèi)一個(gè)分段的移出移入需要產(chǎn)生大量的衍生指令，嚴(yán)重影響了場(chǎng)內(nèi)的物流效率。

在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)領(lǐng)域，有學(xué)者根據(jù)分段作業(yè)計(jì)劃提出物流調(diào)度的啟發(fā)式優(yōu)化算法，利用分段加工的時(shí)間窗動(dòng)態(tài)設(shè)置滾動(dòng)調(diào)度窗口和滾動(dòng)機(jī)制；將復(fù)雜的動(dòng)態(tài)空間調(diào)度問(wèn)題分解為若干短周期和單作業(yè)平臺(tái)上的調(diào)度子問(wèn)題。然而，在企業(yè)實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，船體分段物流調(diào)度沒(méi)有可靠輔助手段，仍然依賴于工作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，操作十分不便。

通過(guò)算法的設(shè)計(jì)，使造船廠的物流部門在滿足生產(chǎn)部門的船體分段移動(dòng)需求的同時(shí)，通過(guò)衍生指令的執(zhí)行，盤整相關(guān)場(chǎng)地，將分段擺放更加合理，使得在一段時(shí)間內(nèi)廠內(nèi)分段物流的衍生指令數(shù)最少。目前算法運(yùn)用智能調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)輸指令實(shí)現(xiàn)平板車的運(yùn)輸以及調(diào)度指令的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行效率評(píng)價(jià)，根據(jù)結(jié)果判斷調(diào)度方案是否可行以及效率評(píng)價(jià)，具體如圖2和圖3所示。

圖2 平板車運(yùn)輸指令生成

圖3 調(diào)度指令評(píng)價(jià)

算法流程基本確定，業(yè)務(wù)邏輯正在不斷優(yōu)化。目前已經(jīng)對(duì)4片場(chǎng)地、11條模擬指令進(jìn)行了測(cè)試。下一步將根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地狀況，擴(kuò)大測(cè)試范圍。同時(shí)，通過(guò)完善規(guī)則，可以使該方法持續(xù)改進(jìn)。

具體的算法流程如下：

(1)移動(dòng)指令排序。

(2)空閑場(chǎng)地計(jì)算。

(3)確定不能執(zhí)行指令。

(4)計(jì)算場(chǎng)地進(jìn)出阻力值(依據(jù)場(chǎng)地位置、場(chǎng)地等級(jí)、場(chǎng)地堆放分段的比較優(yōu)先級(jí))。

(5)指定移入場(chǎng)地。

(7)計(jì)算衍生指令(衍生指令分段的位置指定，場(chǎng)地盤整)。

(8)平板車指令分發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)屬于制造行業(yè)的自動(dòng)化和信息領(lǐng)域，具體涉及一種面向船廠的船體分段廠內(nèi)物流作業(yè)的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。本系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，具有靈活的控制手段。通過(guò)定位導(dǎo)航設(shè)備以及GIS設(shè)備等對(duì)廠區(qū)資源進(jìn)行準(zhǔn)確定位并做出相應(yīng)的標(biāo)注，方便查看的同時(shí)又為廠區(qū)的物流路線做出了合理的規(guī)劃。與此同時(shí)，算法的設(shè)計(jì)調(diào)整提高了平板車的作業(yè)效率，減少了大量不必要的衍生指令，簡(jiǎn)化了作業(yè)路徑，極大提高了廠區(qū)內(nèi)的物流效率，最后通過(guò)廠區(qū)調(diào)度系統(tǒng)的指令評(píng)價(jià)得到最優(yōu)調(diào)度方案。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行也為相關(guān)研究提供了借鑒與參考。

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2016-11-24

林加灶(1983—)，男，工程師，從事船廠生產(chǎn)制造系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)；才鵬飛(1986—)，男，工程師，從事船廠生產(chǎn)制造系統(tǒng)開發(fā)；王嘉勵(lì)(1993—) ，男，碩士研究生，從事自貿(mào)區(qū)與供應(yīng)鏈管理研究；彭子良(1993—)，男，碩士研究生，從事運(yùn)輸管理研究。

TP315

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