陶寧蓉，蔣祖華，劉建峰，楊 震

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306; 2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；3.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240; 4. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

考慮多平板車的船廠分段運(yùn)輸問(wèn)題仿真建模與分析

陶寧蓉1，蔣祖華2,3，劉建峰4，楊 震1

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306; 2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；3.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240; 4. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

為了提高大型船舶建造的效率、有效解決大型船舶建造過(guò)程中船體分段在廠區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)的物流擁堵問(wèn)題，綜合考慮了船體分段的規(guī)格、工藝物流流向，以及廠區(qū)內(nèi)分段堆場(chǎng)的布局和道路通行情況，通過(guò)船廠實(shí)際數(shù)據(jù)的收集和分析，考慮了多個(gè)平板車的任務(wù)干涉以及廠區(qū)內(nèi)道路的通行能力和道路干涉，基于eM-Plant仿真軟件建立了考慮多個(gè)平板車的船廠分段運(yùn)輸仿真模型。基于某船廠的實(shí)際數(shù)據(jù)，應(yīng)用考慮多個(gè)平板車的船廠分段運(yùn)輸仿真模型進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，找出該船廠分段運(yùn)輸問(wèn)題中的瓶頸，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化平板車的配置，提高平板車使用率和分段運(yùn)輸效率，為仿真分析技術(shù)在船舶建造管理上的應(yīng)用提供了有效的實(shí)例。

管理系統(tǒng)仿真；船舶建造物流；分段堆場(chǎng)；仿真；eM-Plant

中國(guó)造船業(yè)在改革開(kāi)放以來(lái)發(fā)展日新月異，但近年來(lái)的航運(yùn)市場(chǎng)低迷、新船訂單下降使得造船業(yè)的發(fā)展面臨著極大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代造船模式“以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，按區(qū)域組織生產(chǎn)，殼、舾、涂作業(yè)在空間上分道，時(shí)間上有序，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化，均衡，連續(xù)總裝造船”[1]。每艘船的船體由成百上千個(gè)分段構(gòu)成，每個(gè)分段在總組之前需要經(jīng)過(guò)多道工序，而分段在車間外的運(yùn)輸都是依靠運(yùn)輸工具——平板車來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這部分在船廠生產(chǎn)物流成本中占據(jù)極大比例。如何高效地分段運(yùn)輸是降低船廠生產(chǎn)物流成本、提高船舶建造效率的重要環(huán)節(jié)。然而目前分段在船廠內(nèi)的運(yùn)輸和存放幾乎完全依賴工作人員的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，因調(diào)度不當(dāng)造成分段提取困難或道路堵塞等現(xiàn)象常有發(fā)生。

目前針對(duì)船體分段運(yùn)輸問(wèn)題的研究較少。文獻(xiàn)[2—3]研究了針對(duì)分段臨時(shí)堆場(chǎng)的平板車調(diào)度和分段分配問(wèn)題，以最小化空載時(shí)的行駛距離為目標(biāo)的。文獻(xiàn)[4—5]研究了船廠內(nèi)分段臨時(shí)堆場(chǎng)的平板車調(diào)度和分段分配問(wèn)題，解決分段分配到多個(gè)堆場(chǎng)時(shí)，多個(gè)平板車的運(yùn)輸調(diào)度問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]以平板車空載距離和平板車干涉為優(yōu)化目標(biāo)研究了智能優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[6]將分段運(yùn)輸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為具有基于序列的準(zhǔn)備時(shí)間和優(yōu)先級(jí)約束的并行機(jī)調(diào)度問(wèn)題，從而在調(diào)度周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)各平板車的工作量平衡。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了考慮堆場(chǎng)信息、分段進(jìn)出場(chǎng)次序等因素的最短路模型并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[8]在此基礎(chǔ)上考慮了分段進(jìn)出堆場(chǎng)的任務(wù)順序?qū)φ{(diào)度方案的影響，運(yùn)用啟發(fā)式算法和禁忌搜索對(duì)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[9]以最小化臨時(shí)分段移動(dòng)量和平板車在堆場(chǎng)中的行駛距離為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型，并運(yùn)用分支定界法和啟發(fā)式規(guī)則來(lái)確定分段的移動(dòng)路徑和停放位置。

各堆場(chǎng)間的分段運(yùn)輸問(wèn)題可以看作運(yùn)籌領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題旅行商問(wèn)題，即如何調(diào)配這若干個(gè)平板車來(lái)完成分派任務(wù)[10-11]。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在物流配送研究中得到了廣泛應(yīng)用[12]。文獻(xiàn)[13]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。文獻(xiàn)[14]建立了從材料碼頭到分段裝焊的仿真模型，并給出了仿真結(jié)果。文獻(xiàn)[15]對(duì)船舶建造車間生產(chǎn)進(jìn)行了仿真分析。但是以上仿真沒(méi)有關(guān)注到車間之外的分段運(yùn)輸問(wèn)題。文獻(xiàn)[16-19]則就仿真技術(shù)在運(yùn)輸小車配置方面展開(kāi)了研究。本研究考慮了分段重量及不同型號(hào)平板車的載重能力、道路通行能力、分段運(yùn)輸任務(wù)先后約束等，應(yīng)用專業(yè)仿真軟件eM-Plant建立包括船廠堆場(chǎng)、道路等與分段運(yùn)輸相關(guān)的整個(gè)系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)在不同型號(hào)平板車配置下對(duì)模型的仿真模擬，進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析，從而為決策者提供決策支持。

1 船廠分段運(yùn)輸問(wèn)題描述

船廠分段運(yùn)輸問(wèn)題是指對(duì)一系列分段運(yùn)輸任務(wù)，在滿足一定約束條件的情況下，要求合理安排平板車及其運(yùn)輸路徑，把分段從任務(wù)起點(diǎn)運(yùn)輸?shù)竭\(yùn)輸終點(diǎn)，并達(dá)到一定目標(biāo)如運(yùn)輸距離最短、運(yùn)輸任務(wù)執(zhí)行效率最高、平板車使用率最高等。本研究通過(guò)分析船廠分段的運(yùn)輸需求，從綠色運(yùn)輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，研究多種型號(hào)平板車共同運(yùn)輸?shù)拇瑥S分段運(yùn)輸問(wèn)題。

平板車執(zhí)行一次分段運(yùn)輸任務(wù)的流程如下：

1)提取分段運(yùn)輸任務(wù)，包括分段當(dāng)前位置、目的地及分段基本信息等；

2)搜索平板車信息和實(shí)時(shí)位置，選擇平板車；

3)選擇當(dāng)前無(wú)堵塞且最短的道路行到達(dá)堆場(chǎng)；

4)進(jìn)行分段裝載；

5)選擇當(dāng)前無(wú)堵塞且最短的運(yùn)輸路徑；

6)運(yùn)輸分段，實(shí)時(shí)更新道路狀況，反饋堵塞信息；

7)進(jìn)行分段卸載，根據(jù)分段大小、重量，其卸載時(shí)間也不同；

8)完成任務(wù)，接收新的運(yùn)輸任務(wù)或回到停車區(qū)域進(jìn)行檢修并等待。

2 船廠分段運(yùn)輸仿真建模

2.1仿真數(shù)據(jù)

參考某船廠實(shí)際布局，根據(jù)以下對(duì)象來(lái)收集數(shù)據(jù)：船廠內(nèi)道路的寬度、長(zhǎng)度及通行能力；待運(yùn)輸?shù)姆侄渭捌湟?guī)格、重量、物流流向等；平板車的型號(hào)、載運(yùn)能力及數(shù)量。本模型考慮了用于臨時(shí)存放分段的堆場(chǎng)共8個(gè)物流節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置如圖1中框選區(qū)域所示。每個(gè)分段堆場(chǎng)包含多個(gè)堆位，每個(gè)堆位可存放一個(gè)分段，分段不可以堆疊。

船廠道路有主道和輔道之分，其中主道可以允許兩輛車通行，而輔道只允許一輛車通行，當(dāng)平板車進(jìn)入輔道時(shí)必須保證道路上沒(méi)有反向平板車。本研究模型中考慮了10輛不同型號(hào)的平板車，表1列出了10輛平板車的基本信息。

圖1 船廠仿真區(qū)域簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of simulation area in a shipyard

表1 平板車信息

船體分段有成千上百，按照質(zhì)量分為320～400 t，250～320 t，150～250 t，90～150 t和0～90 t等5個(gè)等級(jí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)的分段數(shù)量并不相等。另外分段重量等級(jí)不同，平板車裝卸時(shí)間也有差異。

2.2仿真模型

船廠分段運(yùn)輸調(diào)度過(guò)程中，涉及到的主要對(duì)象有：堆場(chǎng)區(qū)域、道路、平板車和分段等。其中靜態(tài)對(duì)象有：堆場(chǎng)區(qū)域和道路；動(dòng)態(tài)對(duì)象有：平板車和分段。據(jù)此仿真出圖2所示廠區(qū)平面圖，將每個(gè)對(duì)象的不同屬性輸入系統(tǒng)，構(gòu)建出分段運(yùn)輸?shù)奈锪髂Ｐ?。如圖1和圖2所示，仿真模型與某船廠實(shí)際分段堆場(chǎng)以及道路布局一一對(duì)應(yīng)。

圖2 船廠分段運(yùn)輸問(wèn)題仿真模型圖Fig.2 Simulation model of ship block transportation problem

模型有一個(gè)總輸入端體，再以隨機(jī)分配的原則產(chǎn)生分段運(yùn)輸任務(wù)，每條任務(wù)包涵分段的規(guī)格、物流流向等信息，如圖3為模型中多型號(hào)平板車的分段運(yùn)輸任務(wù)的輸入端。

圖3 模型輸入端Fig.3 Model input

設(shè)立平板車停放區(qū)，供每種型號(hào)的平板車停放。設(shè)立平板車等候區(qū)，在系統(tǒng)中沒(méi)有對(duì)應(yīng)分段運(yùn)輸請(qǐng)求時(shí)，平板車?？吭诘群騾^(qū)內(nèi)，等待對(duì)應(yīng)任務(wù)請(qǐng)求再進(jìn)行運(yùn)輸工作，其在本文模型中名稱為MA1，MB1，MC1，MD1及ME1，分別對(duì)應(yīng)5種型號(hào)的平板車，如圖4所示。

圖4 平板車等候區(qū)Fig.4 Waiting area for flat transporters

2.3仿真策略

模型中還包括了一系列對(duì)象控制程序以執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯。平板車路徑選擇采用動(dòng)態(tài)最短路徑選擇策略，即根據(jù)模型中定義的道路節(jié)點(diǎn)和道路通行能力，結(jié)合當(dāng)前道路阻塞情況，選擇最短路徑，道路通行則采用先行先過(guò)，在后出發(fā)的平板車根據(jù)路況，可以等待或更改自己的路徑，其流程見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)路徑規(guī)劃流程圖Fig.5 Path planning flowchart of the system

初始狀態(tài)下平板車?？吭诘群騾^(qū)內(nèi)，等待并判斷系統(tǒng)中產(chǎn)生符合自己載運(yùn)能力的分段運(yùn)輸任務(wù)，并且在裝卸此分段的堆位處于空閑狀態(tài)時(shí)才進(jìn)行發(fā)車。

2.4評(píng)價(jià)指標(biāo)

船廠分段運(yùn)輸效率可以從分段運(yùn)輸任務(wù)的響應(yīng)速度和平板車運(yùn)輸效率這兩個(gè)方面進(jìn)行衡量。分段運(yùn)輸任務(wù)的響應(yīng)速度越快、平板車運(yùn)輸效率越高，則認(rèn)為船廠分段運(yùn)輸效率越高。結(jié)合本文模型中的設(shè)置，分段運(yùn)輸任務(wù)的響應(yīng)速度可以用分段任務(wù)執(zhí)行的延遲率來(lái)表示，而平板車運(yùn)輸效率可以用平板車的空載率來(lái)表示。則本研究使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以表示為

V=α×VG+β×VR,

式中:VG為分段任務(wù)執(zhí)行的延遲率；VR為平板車的空載率，α+β=1。分段任務(wù)執(zhí)行延遲率越小、平板車空載率越小，則評(píng)價(jià)指標(biāo)越優(yōu)，對(duì)應(yīng)的配置方案也就越優(yōu)。參考船廠需求可以將權(quán)重因子設(shè)置為α=β=0.5。

3 仿真結(jié)果分析

針對(duì)本研究船廠分段運(yùn)輸仿真模型，在模型調(diào)試通過(guò)后進(jìn)行仿真模擬。圖6為部分分段堆位上分段任務(wù)處理的效率，上區(qū)域越大、下區(qū)域越小代表該堆位對(duì)應(yīng)的任務(wù)等待時(shí)間越長(zhǎng)、處理效率越低，圖中P31，P41及P81堆位的處理效率較低。

圖6 優(yōu)化前的仿真結(jié)果輸出Fig.6 Simulation output before optimization

分析輸出數(shù)據(jù)可知，A型平板車使用率為94.09%、空載率為5.91%，屬于比較嚴(yán)重的超載狀態(tài)，可知分段處理效率低下的幾個(gè)堆位相對(duì)應(yīng)的平板車也正是A型平板車。根據(jù)船廠專家意見(jiàn)，平板車的使用率保持在70%至90%是比較合適的，以免平板車狀態(tài)下滑或者使用率不高造成資源浪費(fèi)，在保證平板車高效的同時(shí)降低物流成本。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示部分型號(hào)的平板車運(yùn)輸負(fù)荷過(guò)重，其對(duì)應(yīng)符合負(fù)載需求的分段運(yùn)輸任務(wù)的執(zhí)行效率也明顯下降?？梢?jiàn)，通過(guò)仿真模型的模擬分析，可以較快地發(fā)現(xiàn)船廠分段運(yùn)輸問(wèn)題的瓶頸所在，并通過(guò)合理地調(diào)整平板車的配置或者改變分段運(yùn)輸任務(wù)，將能夠改善船廠內(nèi)分段運(yùn)輸?shù)恼w效率。本文通過(guò)改變不同型號(hào)平板車的數(shù)量配置，收集數(shù)據(jù)并分析分段任務(wù)執(zhí)行延遲百分?jǐn)?shù)和平板車空載率的變化，從而給出在本文所述案例下多型平板車資源的優(yōu)化配置方案。

圖7為A型平板車的數(shù)量變化對(duì)分段任務(wù)處理效率和平板車空載率的影響。如圖7所示，當(dāng)A型平板車增加至2輛時(shí)，對(duì)應(yīng)分段任務(wù)的延遲率已經(jīng)下降到40%左右，系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值V=0.5×0.27+0.5×0.084=17.7%；但是當(dāng)A型平板車增加至3輛時(shí)，平板車的空載率明顯上升。則綜合分段運(yùn)輸效率和平板車空載率的指標(biāo)，認(rèn)為2輛A型平板車為本案例的最優(yōu)配置。

圖7 A型平板車數(shù)量對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響Fig.7 Relationships of A-type flat transporters quantity and evaluation indicators

除了A型平板車負(fù)荷過(guò)重，其他型號(hào)平板車處于較低負(fù)荷狀態(tài)，因此在增加A型平板車的同時(shí)考慮減少其他平板車降低成本。最終確定為A型平板車為2輛、B型平板車5輛、C型平板車3輛、D型平板車1輛、E型平板車2輛，圖8為在該配置下的仿真輸出結(jié)果。通過(guò)結(jié)果分析，A—E 5種型號(hào)平板車執(zhí)行分段任務(wù)的平均延遲率分別為12%，0%，8%，24%和15%；而A—E 5種型號(hào)平板車的空載率分別為8.4%，23.9%，21.7%，14%和26.9%。所有類型的平板車，空載率都低于30%，即使用率高于70%，不僅符合平板車使用率要求，也保證了分段運(yùn)輸效率。

圖8 優(yōu)化后的仿真結(jié)果輸出Fig.8 Simulation output after optimization

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究基于eM-Plant仿真平臺(tái)，對(duì)船舶建造過(guò)程中的分段運(yùn)輸問(wèn)題進(jìn)行了分析，構(gòu)建了基于多型平板車的分段運(yùn)輸優(yōu)化問(wèn)題的仿真模型，在綜合考慮分段運(yùn)輸任務(wù)完成效率與平板車使用效率的情況下，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析優(yōu)化多型平板車的資源配置，展示了仿真技術(shù)在船廠分段運(yùn)輸優(yōu)化方面的優(yōu)越性。仿真分析技術(shù)是數(shù)字化造船的重要部分，后續(xù)將研究平板車的調(diào)度優(yōu)化算法與調(diào)度仿真技術(shù)的結(jié)合，這對(duì)進(jìn)一步提高我國(guó)船舶建造管理能力具有重要意義。

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Modeling and analysis of ship block transportation considering multi-type flat transportations

TAO Ningrong1, JIANG Zuhua2,3, LIU Jianfeng4, YANG Zhen1

(1.College of Engineering Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China; 4. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Company Limited, Shanghai 200137, China)

In order to improve the productivity of shipbuilding and effectively solve block logistics congestion in shipbuilding process, the ship block size, logistics flow and block stockyard layout, road passing condition are considered. Based on the shipbuilding actual data collection and analysis and the simulation software eM-Plant, a ship block transportation simulation model considering multi-type flat transporters is build. Through the analysis of simulation on the actual data, the bottleneck of transportation system is found, the set of transporters is optimized and the effectiveness is improved. The research gives an effective example which is provided for the application of simulation technology in shipbuilding management.

management system simulation; shipbuilding logistics; block stockyard; simulation; eM-Plant

1008-1534(2017)06-0389-06

TP391;U673

A

10.7535/hbgykj.2017yx06001

2017-06-16;

2017-10-21；責(zé)任編輯：張 軍

國(guó)家自然科學(xué)基金(71501125)；國(guó)家工業(yè)和信息化部項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2014]507號(hào))

陶寧蓉(1983—)，女，江蘇鹽城人，講師，博士，主要從事生產(chǎn)計(jì)劃、物流管理、調(diào)度優(yōu)化等方面的研究。

E-mail:nrtao@shou.edu.cn

陶寧蓉，蔣祖華，劉建峰，等.考慮多平板車的船廠分段運(yùn)輸問(wèn)題仿真建模與分析[J].河北工業(yè)科技,2017,34(6):389-394.

TAO Ningrong, JIANG Zuhua, LIU Jianfeng, et al.Modeling and analysis of ship block transportation considering multi-type flat transportations[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(6):389-394.