船舶工业中仿真建模方法的构建与应用外文翻译资料

 2022-07-29 15:39:53

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船舶工业中仿真建模方法的构建与应用

摘要

本文介绍了一种用于在造船行业开发仿真模型的两级建模方法。 在车间层，一系列“低水平”模型模拟在车间制造和处理各个船体部件的行为。根据适当的制造顺序，将来自一个模型的输出用作下一个模型的输入。单个“高级”模型模拟整个造船过程，对主要组件在制造时的制造进行建模。这两个级别都是计划驱动的，以允许关于容量需求，库存，吞吐量等的建议调度的分析。此外，每个级别被动画化以图形描绘它们的行为。

高级模型与低级模型的并行开发工作提供了用于预测和规划的初始粗略分析工具以及用于将低级模型集成到用于详细宏观分析的单个实现中的框架。

本文包括英格尔斯制造环境的描述以及对驻地模拟团队开发中涉及的管理问题的讨论。

1引言

英格尔斯船厂始于1938年，一直是全国最现代和最具竞争力的造船厂之一。世界范围内争夺有限的新船订单，英戈尔斯造船厂已发展到了800亩的规模，现在拥有员工约16000人- 在仅在过去十年中实现了在其国内产业基地70％的跌幅业务[伯格斯顿,1991]。

建立具有规模和复杂性的小城市的产品成功的关键在于能够在很大程度上规划和执行近期工作的能力，同时还规划未来的工作水平，以满足运营规划的抽象要求。 典型的船可以需要三到五年的时间才能完成，需要数千人在建设过程中的努力。这个规划过程由于产品组合的不同性质而进一步激化。英格尔斯目前有四个不同的船级在建同一个造船厂。黄蜂级多用途两栖攻击舰的长度超过840英尺，重量超过4万吨。提康德罗加级的长度近567英尺，排水量近9500吨。 最后，阿利伯克和萨尔克尔维特级分别为504英尺，8300吨和281英尺，1200吨。

因为英格尔斯在其船舶建造中采用了称为反模块化技术的技术，所以在日常规划和新合同建议的制定过程中，必须精确地编制厂房，人力和物资搬运设备的配置和使用。为了协助这些规划过程，多年来，制造管理人员已经部署了多个库存控制和运营研究技术。现在，模拟将给英格尔斯另一个工具来管理比以往任何时候都更高的分辨率的设施。这种增加的能力将回答关于容量分配和调度到车间层面的问题，大大增加了英格尔斯的竞争态势。

本文描述了旨在完成这些目标的双级计算机仿真模型的开发。高级模型旨在模拟整个造船厂的生产计划和控制操作宏观层面。而高层次的模型是低清晰度表示整个船厂，底层模型是设计用来模拟各个工作中心的一个更重要的细节层次。 这些模型旨在分析具体的机器和人力行为的影响调度车间装载变更，设备故障等。

2项目管理

离散事件仿真是造船业相当新的一个概念。与任何新概念一样，资金和人力开支是否会产生理想的结果，一直是个问题。因为在英格尔斯的项目需要一个产品具有建模灵活性，动画能力，并利用该公司的数据库中的信息的能力，SIMAN/CINEMA被选定为首选语言。

虽然模拟语言的选择很重要，但是选择和开发驻地模拟团队也许更困难的管理选择。这个过程的第一步是确定项目技能要求。人员必须能够与管理和生产人员沟通，了解生产工程和业务规划流程，以及公司主机计算机系统及其主持的生产计划和调度系统。 他们还必须了解如何从车间收集数据，运行统计分析，并以可理解和可用的格式记录文档。最后，他们必须能够学习和实现一种模拟语言。

为了满足所有这些标准，选择了生产控制和工业工程的一组人员。团队规模最初限于六名成员，以尽可能提供尽可能多的凝聚力和团队动态。要求各位成员在工作过程中互相培训各方面，尽可能多地了解对方的专业知识。另外，在整个模型开发阶段每个人被要求让他人跟上他的进步。

为了以尽可能多的动力启动项目，决定采用系统建模咨询小组的服务。 在现场提供了一个为期两周的SIMAN仿真语言培训课程。这次培训以及下面讨论的额外的项目启动为英格尔斯开发一个技术卓越模拟中心提供了坚实的跳板。

在完成必要的模拟语言培训后，该小组的任务是开发功能规范，定义所提出的仿真模型将包含的具体设计结构和特征。本文件有三个目的。首先，它在项目开始时定量地界定了模型的管理目标。第二，它提供了将被建模的环境的综合功能描述。该描述包括支持定义机器处理时间，故障率，物料搬运行驶速度和距离，排队能力等的数据。第三，它规定了具体的设计结构和特征，数据输入和输出以及在构建中使用的假设模型。

本规范制定的第一步是获得管理层的项目目标。简单来说，模拟人员是开发一个模型或一系列模型，其中：（1）可以用于评估五个主要生产区域中每一个的拟议时间表的工作流程和能力利用效率，（2）可以用作新业务开发中的容量预测工具。

目前，造型团队的两个基本考量变得明显。首先，造船市场的竞争性立即需要一个预测工具。第二，如果可以比预期更早地证明和交付满足其需求的模型或模型，高级管理层的接受和继续支持模拟可以显着增强。然后，对于可以用于详细分析个人的模型，存在一个要求。

制造过程和宏观检查提出的生产计划表。这些要求以及在短时间内产生有意义的产品的愿望，导致了双级建模方法的考虑。详细的或“低级”的方法将提供一个模型或模型，以模拟每个工作中心在所需车间层面的行为。这种方法由于其更高的精度和更多的数据要求，将是更长期的性质。第二级或“高层次”方法将提供造船厂的即时总体模型，但最初至少在相当程度上简单的水平近似于造船厂的过程。该模型将用作初始预测工具。

然后，对于可以用于各个制造过程的详细分析和用于宏观检查所提出的生产计划的模型，存在一个要求。这些要求，以及期望生产有价值的产品在短时间内引起了双层建模的考虑。详细的或“低级”的方法将提供一个模型或模型，以模拟每个工作中心在所需车间层面的行为。 这种方法由于其更高的精度和更多的数据要求，将是更长期的性质。 第二级或“高层次”方法将提供造船厂的即时整体模型，但最初至少在近似于造船厂流程的相当简单的水平上。该模型将被用作初始预测工具。

英格尔斯管理层关注与追求单一低级模型方法相关的规模和风险，探讨了以较小和更易于管理的规模开发模型的可能性。 根据帕顿等[1990]，基本上有两种保持模拟模型“小”的方法。 第一种方式是通过“简化和减少”。 第二种方式是通过将建议的环境划分为更小的部分或模块。 虽然最初的高层次模式可以清楚地利用第一种方法，但似乎低层次模式的目标最好由第二种策略来满足，可能与第一种战略相结合。

鉴于英格尔斯的工作中心结构，组织线下的低级别模式的连续划分似乎是最合乎逻辑的选择。 每个工作中心都有明确的边界，管理层和模拟人员都理解。 从物料流在制造车间开始，这个工作中心被选为第一个低级模型。

3制造环境

传统上，造船厂围绕着滑道和方式进行设计。当一艘船在这些码头建成时，船厂将“敲击”龙骨，建立船体，然后从内部装配。尽管这种方法有效，但是它需要大量的管道，通风管道，照明装置等的装配在通常狭窄，通风不良和照明不良的架空位置中完成。建立小部分更为有意义，在倒装或倒装时预先将它们部分竖立，将部分建成模块，最后将模块组装到船上。这种制造方法被称为“反向模块化结构”，它是英格尔斯造船公司的技术选择。

英格尔斯造船厂建于20世纪60年代末，其造船设施分为五个初级生产区。这些是：（1）生产车间，（2）舾装区域，（3）安装区域，（4）总装区域，和（5）船坞（见图1）。下面讨论以下这些领域及其相互关系。

生产展示包括生产车间在内的七个主要工作中心是：（1）钢材加工车间，（2）铝加工车间，（3）钢面板车间，（4）钢制壳车间，（5）钢管车间，（6）钣金车间，及（二）电器车间。这些车间负责将原材料转化为组装件。

炼钢厂被认为是“起搏”店，因为它是造船开始工作的第一家，但它主要是面板和外壳的制造以及舾装区域。输出包括组件如机械基础，外板、甲板部分，舱壁，桅杆，等。

面板车间负责将对接的甲板和舱壁板焊接在一起形成更大的部件.然后形成T型材等支撑结构，完成组件部分运输，如有需要，也有船壳车间或舾装区域以组件总装。

船壳车间是依赖于面板车间和制造车间的材料输入。此车间负责舱壁的整合，甲板和壳板成组件。完成的组件运输到舾装区域-如果需要预先舾装-或模块集成的安装区域。

管道车间为船舶的冷却、蒸汽、淡水、燃料和废物系统制造管道组件。这些组件交付给舾装件或安装区域，以便装配到适当的船体中。

钣金车间生产船舶通风管道。这些组件还提供给舾装或安装区域到适当的船体装配。

电气车间是生产车间的最后一个车间。负责生产车间的电源板和小型电气设备的基础生产。此外，它还准备安装在船上的电气元件。完成所有电气元件被运送到舾装、安装或模块集成区域安装。

舾装区域——这个区域是负责预先附件尽可能多的在装配前移动到装配区域与其他组件的装配集成。预舾装是倒装组件，以提供更自然平焊位置。在这方面，位于成品船的管道，通风和电气项目将安装。这些预配置组件，然后向前移动到安装区域。

安装区域--组件运到这个地区在垂直或“井然有序”的定位，无论从舾装区域或船壳店。此区域负责将组件集成到模块中，通常为每艘船四到五个（托架1-5）。任何剩余的装备甲板的组件，也在此阶段完成。

模块集成区域 - 该区域负责在区域中形成的模块的集成（焊接在一起）。 管道，电气和钣金工艺加入了模块间系统，而船体结构结合到一起。在这一点上，布日则和皮瑞完成了70％。然后由轨道车运送到干船坞，将船只下放到船坞。

船坞是建造船舶的最后一站。 在这方面，工艺品进行最终安装和系统检查。 完成后，该船开始海上试航。

4.数据分析

在任何时候，工作中心可能会在车间内处理数百个组装工单或“账单”。 这些由计算机每周生成并通过生产控制进行协调，描述了工作中心要生产的组装，何时开始生产，组装到期以及组装的生产方式。 此外，这些票据协调整个工作中心的组装路线。 在执行过程中，每个帐单都可以指示制造和组装数百个零件，每个零件都有自己的路线序列。 为了简化此环境的表示，应用了数据聚合和简化技术。

4.1数据汇总

为了减少在给定模型中明确表示的装配工单或票据的数量，开发了FORTRAN程序，将账单分为两类，称为“噪声”或“主要”。 该程序从英格尔斯数据库中提取在过去四年内通过指定的工作中心处理的装配工单的历史数据。

下面的数据提取，该程序分离成两组的基础上完成所需的工时和用户定义的“噪声”水平的包阈值。例如，一个900小时的阈值将数据分离成：（1）“主要”装配工作订单包需要超过900小时，以及（2）“噪音”装配工作包需要900小时或更少。使用这种方法为不同的阈值，FORTRAN程序计算的数量的法案，将属于每个类别。一个目标的400个“主要”法案被确立为理想的目标，因为它代表了最大数量的法案，可以合理地评估详细的开发团队。制造车间的分析表明，设置在300和500小时之间的阈值将达到这一目标。

为了确保不会出现过度聚集在高500工时的水平在小工时装配工作包的生产周期，第二个FORTRAN程序法。使用英格尔斯数据库所述，本程序计算的总数量的工时费由每个账单和过程跨越时间日历作业要求。除以工时除以工时，导致每周平均消耗工时，每个装配重复这一平均过程工作包，和一张桌子是由周工时为四年比尔消耗累计数的产生。

对“噪声”类别中确定的装配工单包装重复此过程，分配给“噪音”的人员和工作时间的比较图和分配给所有账单的工时（见图2a）。 由于较低的噪声阈值会使较少的票据放入噪声类别中，因此选择了300个工时的较低范围限制进行比较（见图2b）。

500小时的噪声阈值提供了一个可衡量的增加聚集的基础上的传播之间的“所有帐单”和“噪音”线。这是特别明显的生产力期间，集会安排与较小的工时要求（右手边的每一个情节）。可以看出，在这一点上的许多生产将包括在模型内的噪声作出明确表示困难。因此，对于制造车间，较低的阈值300将确保更明确的表示为一个给定的时间表比500水平，同时仍然接近400法案的目标。

4.2数据简化

为每个工单组装包分开的材料路线序列将需要大量的计算机数据存储空间来维护。 作为替代方案，考虑到使用标准化路线系列（如果存在）。对所选择的组装工单套件的分析表明，执行的许多制造操作依次相同。 在某些情况下，在进行额外分析时，它们首先在其路由中出现独特的包，实际上将其分解为两个或更多个先前识别的路由的百分比。

使用为自动化路由族识别过程而开发的FORTRAN程序，生成了路由序列方案 这个数据由工作中心组织，与其船体类型相关联，并作为“船体装配数据文件”下载到磁盘，以便随后包含在模拟模型中。

5 RTRAN密码

FOFORTRAN方案在两个领域得到利用。 为了与英格尔斯大型计算机接口，创建了用于生产计划和数据分析的程序（以前讨论过的）。为了与这些文件接口，开发了另外基于工作站的FORTRAN程序供SIMAN模型使用。

5.1 SIMAN计划产生

英格尔斯生成的船期表最初是从期望的交货日期向后移动，然后建立主要的事件完成日期。这些重大事件（落后）包括：海上试验，主机关灯，电子开关，干坞浮动，模块集成，房屋（上层建筑），主要装配架设，主要装配预装，主要装配的制造和制造开始。该过程产生称为主要事件进度的初始进度。 除了最初的时间表外，还开发了详细的组装安装计划，以支持主要活动安排中列出的生产日期。

从这两个最初的时间表，生产经理，使用PERT为基础的调度系统，开始向后调度装配工作秩序包裹或帐单。船舶图纸评估的规划者，每一个部分的船舶被分配到一个特定的法案，每一个条例草案生成的时间表完成日期的基础上其序列相对于主计划。条例草案的起始日期是根据其计划完成日期及预计完成所需的生产天数而制定的。完成后，定期票据由英格尔斯主机计算机维护主生产计划，作为生产计划数据库的一部分。

一旦船开始施工，每周的工作安排，产生的每个生产区基于各自的装配工单计划

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