船厂分段物流仿真控制系统设计

林加灶，才鹏飞，王嘉励，彭子良

(1.上海外高桥造船有限公司，上海 200023；2.上海海事大学，上海 201306)



船厂分段物流仿真控制系统设计

林加灶1，才鹏飞1，王嘉励2，彭子良2

(1.上海外高桥造船有限公司，上海 200023；2.上海海事大学，上海 201306)

根据上海外高桥造船厂的生产需求，设计了一种分段物流仿真控制系统来辅助造船生产过程。通过本系统的实施，上海外高桥造船厂实现了在生产过程中对船体分段调度的优化，有效地减少了船体调度指令的数量。经实践验证，船厂的堆场堆放率达到80%以上时，衍生指令可以降低到40%左右，从而提高了生产效率。同时，通过实际运营，可以不断完善规则库，使得该方法具有良好的可扩展性。

物流仿真控制系统；船体分段调度；智能算法

0 引言

由于受到全球经济持续低迷的影响，目前航运市场运力过剩，船市处于低迷状态。造船业作为航运业的重要部分，同样面临着严峻考验。造船过程中为了降低制造成本，必须要解决的一个问题就是船体分段调度的问题。由于船体分段的体积和重量不是一般制造业的半成品所能比拟的，再加上一些船体分段在建造和摆放时还有特殊的空间要求，所以必须有效解决船体分段调度的问题。

上海外高桥造船分段物流仿真控制系统就是针对上海外高桥造船厂的生产需求所开发的用于船体分段厂内物流作业的动态调度系统，属于制造行业的自动化和信息领域。其中涉及一种动态调度方法，通过规则的设计，使造船厂的物流部门在满足船体分段移动需求的同时，通过衍生指令的执行，盘整相关场地，将分段摆放更加合理，从而减少船体分段在厂内移动的衍生指令数，提高船厂生产效率，降低运作成本，在执行船体分段移动指令的过程中使得分段总搬运次数最小。

船体分段堆场调度的研究主要集中在船舶建造应用方面。Lee等[1]利用配置空间和启发式规则，研究多工作平台上分段的最有效布局规划，并应用到船舶生产实践中，取得了较好的效果；Baek等[2]根据船舶建造网络图PERT得到最早开始时间，建立初始资源限制，应用启发式算法，通过一个给定的增量减低资源限制，得到新的调度方案；Park等[3]研究开发了满足时间窗约束和空间约束的船舶分段装配工艺调度算法； Koh[4]等考虑了平衡装配生产车间以及装配车间的负荷均衡问题，研究开发出船体装配车间的生产调度系统；张志英等[5]针对船体曲面分段生产调度复杂且具有时空耦合特性，提出船体曲面分段建造动态空间调度方法；李川等[6]结合船舶生产模式的特点，提出了船舶曲面分段加工的虚拟流水线作业模式；郭美娜等[7]提出一种基于树搜索的动态调度方法，首先把调度时间分割成连续的时间段，在各时间段内采用优先树搜索方法进行基于一维空间的布置搜索。另外，有学者根据分段作业计划提出物流调度的启发式优化算法，利用分段加工的时间窗动态设置滚动调度窗口和滚动机制，将复杂的动态空间调度问题分解为若干短周期和单作业平台上的调度子问题。

然而，在企业实际运作过程中，船体分段物流调度没有可靠辅助手段，仍然依赖于工作人员的操作经验，尚无相关已公开的专利。本文首先分析分段系统的需求分析，指出分段的不合理规划导致堆场物流效率低；其次为了切实完成系统的各项任务，将系统总体功能设计细化为各个功能模块；然后通过算法的设计，使造船厂的物流部门在满足生产部门的船体分段移动需求的同时，通过衍生指令的执行，盘整相关场地，将分段摆放更加合理，使得在一段时间内厂内分段物流的衍生指令数最少。通过运输指令实现平板车的运输以及调度指令的评价系统对调度方案进行效率评价，得到最优调度方案，从而提高作业效率。目前已经对4片场地、11条模拟指令进行了测试，下一步将根据实际场地状况，扩大测试范围。同时，通过完善规则，可以使该方法持续改进。

1 船体分段调度系统设计的需求分析

改革开放后，我国的造船业不断学习世界先进造船技术，造船模式也逐渐由传统造船模式转变为现代造船模式。现代造船模式并不是整体生产整个船只，而是分别在不同车间建造具有不同功能的船体分段，作为船体建造的中间产品，然后将船体分段集中到船坞进行组装制造。船体分段在进行总装之前需要在多个不用的堆场中进行堆放以及加工。每个堆场容量有限并且功能相对单一，而每个分段所要求的工艺阶段是不同的，这就要求各个分段在几个堆场之间进行不同而有序的单向流动。每天业务部门都会向物流部门提出若干分段移动的需求。由于目标分段存放在各建造区域上，且各建造区域没有预留平板车行驶的空间，要利用宽大的平板车移出目标分段就需要先挪开路径上的其他分段，即衍生指令，使得分段调度问题复杂化。

分段建造的调度问题与一般车间调度不同的是，船体分段的调度还需要考虑空间资源的分配需求问题。由于船体分段相比于一般制造业的中间产品，其体积和质量都较大，而且在船体分段的建造过程中，建造工艺一般不允许船体分段有重叠堆放的情况。现实情况中由于堆场场地的堆放能力以及生产加工的效率限制，船舶分段会在场地内密集堆放，且分段的堆放往往未能实现合理规划，同时生产计划存在经常性的变动，导致堆场内一个分段的移出需要产生大量的衍生指令，严重影响了场内的物流效率。

2 功能设计

上海外高桥造船分段物流仿真控制系统不但要完成逻辑模型所规定的任务，更要切实落实系统实现的各项任务，通过运输指令实现平板车的运输以及调度指令的评价系统对调度方案进行效率评价，得到最优调度方案，从而提高作业效率。

为了提高系统的稳定性，目前普遍采用模块化的结构设计方法。首先将系统看成一个大的模块，然后逐层分解为各层模块，第一模块下面又分解为第二模块，等等，各个最下层模块实现各个小的模块功能，每个小模块只实现一个功能，向上逐层实现更大的系统功能，从而保证系统更好地应对外界变化以及保持生命力。

2.1 总体功能模块

该系统以指导平板车运输的运输指令和调度指令的评价系统为中心进行考虑，根据系统需要，将该系统的功能模块大致分为场地资源管理、分段信息管理、平板车管理、调度申请确认、调度指令查询调整、实时监控看板、船坞平台区域监控看板等7个模块，其功能树状图如图1所示。

图1 分段物流管理系统功能树状图

2.2 功能模块设计

功能模块主要分为7个模块，具体每个模块的设计又可以细分为各个具体的功能模块。

(1) 场地资源管理模块主要涉及资源生成、编辑和删除功能。资源的生成、编辑和删除分别指在地图中建立和生成场地资源、地图资源信息的编辑更新功能、地图资源信息删除功能。

综合运用各种定位导航设备、GIS系统等对地图设施、道路等资源进行定位，对厂区里的各种位置信息、资源信息做出准确的标记，对场地名称给出相应的代号表示并注明功能用途，方便查看的同时也有利于作业实施，最后精确描绘厂区地图。

(2) 分段信息管理包括分段包络图导入以及分段信息的维护。

(3) 平板车管理包括平板车图例的导入以及信息维护。

(4) 调度申请确认主要包括调度指令的生成功能、调度指令模拟器功能和调度算法要求。其中，调度指令生成功能值对已确认的调度申请，可调用地图模块，根据场地的查询与定位图生成分段调度指令，指导各项作业的执行；调度指令模拟器功能是指对已生成的调度指令，可调用地图模块，生成指令执行结果模拟展示图；调度算法要求是指地图软件中须集成分段物流调度算法逻辑，当调用地图模块进行指令生成时进行调用，要求集成算法须满足甲方的业务逻辑，根据算法生成的调度指令必须产生最少衍生指令的业务要求，实现分段移动次数最少，分段移动效率最高。

(5) 调度指令查询调整和调度申请确认一样，主要包括调度指令生成、调度指令模拟器功能和调度算法要求。调度指令生成功能是指对新增调度申请可调用地图模块，生成分段调度指令；调度指令模拟器功能是对已生成的调度指令可调用地图模块，生成指令执行结果模拟展示图；调度算法要求同“调度申请确认”界面。

(6) 实时监控看板主要包括厂区地图监控看板、调度指令生成、调度指令模拟器、调度指令评分、地图操作功能和调度算法要求。其中，厂区地图监控看板功能指实时显示场地、道路、分段、平板车等对象在地图中的状态，并提供地图信息交互功能，包括对象锁定、轨迹回看等；调度指令生成功能指对新增调度申请可调用地图模块，生成分段调度指令；调度指令模拟器功能是对已生成的调度指令，可调用地图模块，生成指令执行结果模拟展示图；调度指令评分功能是对一批调度指令可调用地图模块，生成指令执行效率评分；地图操作是提供地图交互功能，满足用户在地图中便捷调整地图显示；调度算法要求同“调度申请确认”界面。

(7) 船坞平台区域监控看板包括分段状态看板和分段调整移动功能。其中，分段状态看板功能是指实时显示场地、道路、分段等对象在区域地图中的状态；分段调整移动功能是通过拖动分段，实现分段地理状态信息的自动更新，包括位置移动、分段移出地图等。

3 算法设计

船舶分段作为船舶制造的中间产品，在组装成型之前，需要在厂内经过刷漆、舾装等程序。由于堆场的堆放能力以及生产加工的效率限制，船舶分段在场地内往往出现密集堆放的情况。在实际操作中，分段的堆放往往未能实现合理规划，同时生产计划存在经常性的变动，导致堆场内一个分段的移出移入需要产生大量的衍生指令，严重影响了场内的物流效率。

在学术文献领域，有学者根据分段作业计划提出物流调度的启发式优化算法，利用分段加工的时间窗动态设置滚动调度窗口和滚动机制；将复杂的动态空间调度问题分解为若干短周期和单作业平台上的调度子问题。然而，在企业实际运作过程中，船体分段物流调度没有可靠辅助手段，仍然依赖于工作人员的操作经验，操作十分不便。

通过算法的设计，使造船厂的物流部门在满足生产部门的船体分段移动需求的同时，通过衍生指令的执行，盘整相关场地，将分段摆放更加合理，使得在一段时间内厂内分段物流的衍生指令数最少。目前算法运用智能调度系统通过运输指令实现平板车的运输以及调度指令的评价系统对调度方案进行效率评价，根据结果判断调度方案是否可行以及效率评价，具体如图2和图3所示。

图2 平板车运输指令生成

图3 调度指令评价

算法流程基本确定，业务逻辑正在不断优化。目前已经对4片场地、11条模拟指令进行了测试。下一步将根据实际场地状况，扩大测试范围。同时，通过完善规则，可以使该方法持续改进。

具体的算法流程如下：

(1)移动指令排序。

(2)空闲场地计算。

(3)确定不能执行指令。

(4)计算场地进出阻力值(依据场地位置、场地等级、场地堆放分段的比较优先级)。

(5)指定移入场地。

(7)计算衍生指令(衍生指令分段的位置指定，场地盘整)。

(8)平板车指令分发。

4 结语

本系统属于制造行业的自动化和信息领域，具体涉及一种面向船厂的船体分段厂内物流作业的动态调度方法。本系统采用模块化的结构，具有灵活的控制手段。通过定位导航设备以及GIS设备等对厂区资源进行准确定位并做出相应的标注，方便查看的同时又为厂区的物流路线做出了合理的规划。与此同时，算法的设计调整提高了平板车的作业效率，减少了大量不必要的衍生指令，简化了作业路径，极大提高了厂区内的物流效率，最后通过厂区调度系统的指令评价得到最优调度方案。该系统的成功运行也为相关研究提供了借鉴与参考。

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[3] Park K, Lee K, Park S,et al. Development of bay schedulers for shipbuilding [J].IE Interfaces, 1995,8(2):95-103.

[4] Koh S G, Park J C, Choi Y S,et al. Development of a block assembly scheduling system for shipbuilding company [J].IE Interfaces,1999,12(4):586-594.

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[7] 郭美娜, 李波. 基于树搜索的一种动态空间调度方法[J]. 计算机工程与应用, 2007, 43(14):180-183.

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2016-11-24

林加灶(1983—)，男，工程师，从事船厂生产制造系统规划与设计；才鹏飞(1986—)，男，工程师，从事船厂生产制造系统开发；王嘉励(1993—) ，男，硕士研究生，从事自贸区与供应链管理研究；彭子良(1993—)，男，硕士研究生，从事运输管理研究。

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