CN102880940A - 一种精益造船方法 - Google Patents

Abstract

一种精益造船方法，它包括整版材料和余料数据库的建立步骤；零件数据库的建立步骤；套料的步骤；切割的步骤；以及余料录入和结果输出的步骤。本发明的精益造船系统，智能化程度高，套料损耗低，在船舶制造过程中消除不必要的浪费，提高效率降低成本。精益生产把产品生产全过程分成有效时间和无效时间。在船舶制造中，传统模式下无效时间占的比重远远大于有效时间的比重。产品生产就是为了尽量的减少无效时间，才能缩短产品开发周期，提高生产效益。

Description

一种精益造船方法

技术领域

本发明涉及船舶制造领域，尤其是一种智能化造船方法，具体地说是一种包含六个子系统、实现了船体套料工作的集成信息化的的精益造船方法。

背景技术

目前，船舶建造系统是以船体平台为支撑，由很多子系统有机集成而成。每个子系统由数千的零件和配套设备构成。通过加工大量的零件，并进行复杂的逐级装配后，才可完成整个船舶系统的制造。近几年我国的船舶制造业虽然发展有所起色，在技术和产量上缩短了与国外造船强国差距，但是目前我国的船舶制造业在信息化水平方面还明显落后于国外。我国船舶制造业与国外造船强国的主要差距是智能化程度弱、物资统计的杂乱与信息不同步；致使在船舶制造中，传统模式下无效时间占的比重远远大于有效时间的比重。产品开发周期长，生产效益低下。

发明内容

本发明的目的是针对船舶制造中，传统模式下无效时间占的比重远远大于有效时间的比重。产品开发周期长，生产效益低下的问题，提出一种精益造船系统，主要针对船舶套料使用全过程中的信息进行计算，将套料结果进行高效的优化和整合，并能进行对套料的基本智能化管理操作。

本发明的技术方案是：

一种精益造船方法，它包括整版材料和余料数据库的建立步骤；零件数据库的建立步骤；套料的步骤；切割的步骤；以及余料录入和结果输出的步骤。

本发明的方法具体包括以下步骤：

（a）、整版材料和余料数据库的建立：购买材料，采用测量仪器对整版材料和余料的尺寸进行检测，并且记录相关材料的尺寸和数量，录入相应的数据库；

（b）、零件数据库的建立步骤：根据待建船只需要的零件建立零件数据库，记录所需零件的尺寸、数量以及各零件所处的分段位置、优先级；

（c）、套料的步骤：选择船只中优先级高的分段和分段中优先级高的零件，优先选择余料数据库中的余料进行套料；如果余料中不满足条件，则在整版材料数据库中进行套料；

（d）、切割的步骤：完成对整个船只的零件进行套料后，进行切割；

（e）、余料录入和结果输出的步骤：

本发明的套料的步骤包括：

在船只的优先级高的分段中选择优先级高的零件进行套料，依次查看零件化成矩形块后的槽形水平线、梯形水平线，如果余料库中的材料不满足匹配条件，则从整版材料库中进行选择。

本发明的套料的步骤具体包括：

已知n个零件化成的矩形件R1，R2，…，Rn，宽和高一定，设小矩形件Ri的宽为w_i，高为h_i，以w_i，h表示；i=1，2，…，n；余料或整版材料矩形件的宽为W，高为H，以W，H表示；

步骤1若当前待套料零件的最低槽形水平线的高hmin≥H，或所有零件化成的矩形块件均被排放完，则转步骤6；否则，转步骤2；

步骤2采用最优组合算法依次对待套料零件的槽形水平线进行位置配置，找到其最优组合；

设第i个槽形水平线的长度为Li，对应的最优矩形件组合为（w_i1，h_i1），（w_i2，h_i2），…，（w_in，h_in），设d_ij是第i个槽型水平线的长度，计算第i个槽形水平线的长度与组合矩形总宽度之差：d_ij=Li-Σw_ij；n表示的是最优矩形件组合中小矩形的个数；定义dmin表示槽形水平线的长度与组合矩形总宽度之差最小的值；,I表示满足dij=dmin的所有dij的集合；设|I|表示集合I含有元素的个数；

若dmin=0，即槽型水平线的长度与组合矩形的总宽度相等，则转到步骤3；否则，转到步骤4；

步骤3若|I|=1，即只有一条槽形水平线满足，则对所有矩形块按排放算法对其最优组合矩形块进行排放；否则选择最低的槽形水平线优先排放，并返回步骤1；若有多条最低槽型水平线，则选择组合高度数最小的矩形块优先排放，并返回步骤1；若有多条满足组合高度数最小，则优先排放最左边的槽型水平线；

步骤4对所有的梯形水平线，判断是否存在最优梯形水平线，若存在这样的梯形水平线，若满足条件的梯形唯一，则优先排放，返回步骤1；否则优先排放面积大的矩形到对应的梯形，返回步骤1；若有多个满足排放面积最大的矩形，则优先排放最左边的梯形，返回步骤1；

步骤5若|I|=1，则由排放算法对其最优组合矩形块进行排放；否则在所有已排放的矩形块中选择最低的槽形水平线优先排放，转步骤1；若有多条槽型水平线满足，则在所有已排放的矩形块中选择组合高度数最小的优先排放，转步骤1；若有多个矩形块满足组合高度数最小，则优先排放最左边的槽形水平线；

步骤6终止；输出套料排样图。

本发明的套料的步骤中，最优组合算法是对已排放矩形构成的槽形水平线，从未排矩形中找其最优组合，使最优组合尽量排满该水平线，包括以下步骤：

步骤1对所有剩余未排小矩形，取出能排放到该槽形水平线上的矩形件，构成可排矩形件集合，记为S。

步骤2对集合S中的小矩形件，按照面积或者高度排序，利用贪婪算法，找到其最优组合。

本发明的套料的步骤中，排放算法包括以下步骤：

对已排放矩形构成的某槽形水平线，及其对应的最优组合矩形块，

步骤1在该槽形水平线的最优组块中，判断是否有排放后刚好与该水平线左、右相邻水平线等高的小矩形件；

若存在这种矩形件，则优先排放，

若排放后，与左相邻水平线等高，则紧贴左端排放；

若排放后，与右相邻水平线等高，则紧贴右端排放。

步骤2根据槽形水平线的左、右相邻水平线的高低，对剩余的最优组合块进行排放；具体做法是：若该水平线对应的组合矩形块只有一个，则沿水平线高端排放；否则，将其对应的小矩形件组合块按高到低排序，使新的组合块的高端紧挨该水平线的高端排放。

定义：

（1）槽形、梯形、凸形水平线

每一个排放状态，对应一条排放轮廓线，由已排放的最上面的小矩形件的边构成，该轮廓线使得所有已排放的小矩形件在其下方。在图1中，轮廓线由较粗的线段构成。

轮廓线中水平方向的线段，称为水平线。

若某条水平线的左、右相邻水平线均高于该水平线，称之为槽形水平线。

若某条水平线的左、右相邻水平线中，有一条高于该水平线而另一条低于该水平线，称之为梯形水平线。

若某条水平线的左、右相邻水平线均低于该水平线，称之为凸形水平线。

例如，在图2中，矩形1和4上方的水平线为槽形水平线；矩形2的为凸形水平线；矩形3与5上的为梯形水平线。初始排放状态下，大矩形件的底边为槽形水平线，其相邻的左右水平线，看成高为H的梯形水平线。

若槽形水平线的左相邻水平线低于右相邻水平线，称槽形水平线的左端为低端，而右端为高端。否则，称槽形水平线的左端为高端，而右端为低端。

（2）最优槽形水平线

对已排放矩形构成的某槽形水平线，从未排矩形件中找出一组小矩形件，使其尽量能填充满该槽形水平线。这样，每个槽形水平线都对应一个组合矩形块。用组合矩形块填充之后，剩余的槽形宽度越小，则该槽形水平线与其组合矩形块越匹配。若某个槽形水平线对应的矩形组合块，与该槽形水平线匹配得最好，称其为最优槽形水平线。

（3）最优梯形水平线

对某梯形水平线，若存在某未排矩形件排放于此，刚好能填充满该水平线，称该水平线为最优梯形水平线。

（4）组合高度数

对一组矩形件，将相同高度的矩形件合并成一个矩形件，形成新的矩形件的数量，称为该组矩形件的组合高度数。

（5）矩形件排样的优化问题，是将数量大的小矩形件尽可能多地、无重叠地排放到一个定宽、定长（或无限长）的矩形板材上，使其利用率达到最大。

本发明的有益效果：

本发明的精益造船系统，智能化程度高，套料损耗低，在船舶制造过程中消除不必要的浪费，提高效率降低成本。精益生产把产品生产全过程分成有效时间和无效时间。在船舶制造中，传统模式下无效时间占的比重远远大于有效时间的比重。产品生产就是为了尽量的减少无效时间，才能缩短产品开发周期，提高生产效益。

本发明的精益造船系统，通过集成零件、材料以及套料的方法，实现了船体套料工作的集成信息化，提高了工作效率，缩短了生产周期。本发明主要针对船舶套料使用全过程中的数据匹配，将套料结果进行优化和整合，降低无效时间，提高效率，并且能及时的发布和反馈套料的材料库存、分配状态，以及套料任务的进度，套料的结果，余料的使用状态等，并且最后加以分析统计，以调整管理策略，最终可提高企业的整体效益。

附图说明

图1是已排放零件构成的轮廓线图。

图2是已排放零件构成的水平线图。

图3是本发明的套料流程图之一。

图4是本发明的套料流程图之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图3、4所示，一种精益造船系统，其中套料任务管理子系统是本发明的重点；套料任务管理子系统将任务划分为五大阶段，分别为：准备、后置、配盘、现场和已完成，五大阶段形成一个套料的流程。

a)准备：此阶段任务为准备零件、材料数据的阶段，其中零件数据由零件模块中而来，材料数据由材料模块中而来，并且材料的加入是通过材料的预估功能加入，其中可以实时看到零件面积与材料面积的当前关系。

b)后置：后置阶段分为两部分，待套料和后置中。待套料任务为已准备好零件、材料数据，并且已经导出数据，等待第三方软件套料完成后导入套料结果的任务。此阶段的零件和材料数据为锁定状态，不可再改动；后置中任务为已将第三方软件的套料结果导入系统，在本系统中可以进行手动调整套料结果，增加、复制、删除零件，调整材料（包括互换材料，增加、删除套料板），优化套料，定义余料，定义零件顺序，定义启割点，生产图纸等操作。

c)配盘：此状态下任务已经生成图纸，将任务发布下去，仓管员在系统中参照材料所在的堆位堆层，将材料分配给任务。此状态任务只可配置材料，不可修改零件与材料数据。

d)现场：现场阶段即为任务的待确认阶段，此状态下任务数据解锁，但是只有部分功能开放给现场切割工人，工人在现场进行切割后，需在此确认切割套料板或者任务，使得切割结果写入数据库，反馈到零件与材料模块的数据和状态上。

e)已完成：已完成任务即为已切割完成的任务，其中的零件全部已变为实体的零件，材料已被切割，数据不可改变，任务进入此状态即为只读状态，不可有任何操作。

在本发明中，提供两种材料预估的方法，分别为自动预估和手动预估。手动预估方法由用户自行根据计算结果调整不同规格的材料选取，材料数据将保存在任务数据以及数据库中。自动预估的流程如图3所示，自动预估中，系统可自动计算需要的材料面积，材料的选取，可交给用户选择（面积大/小优先，长宽比大/小优先，余料优先，随机），也可由程序自动从任务所在船舶的材料数据库中选取材料进行预估；精细的预估可利用零件的矩形外框，和矩形排样算法，材料由用户选取，同时参照零件的利用率。采用矩形排样方法，可较快的找到较为优的结果，满足了在预估过程中需要快速计算并且相应的要求，其方法描述如下，方法流程如图4：

（1）所需基础方法：排放状态，以链表方式实现，链表表示一连串不同高度的水平线；水平线，建立水平线类，其特征由水平线所在的链表左右相邻水平线高度确定，若为最左水平线或最右水平线，则由水平线链表所在的大矩形高度确定特征；最优槽型水平线，建立判断方法，从未排样的零件矩形中，找到一组组合矩形块，与该槽型水平线匹配的最好（如下文（2）中描述）；最优梯形水平线，建立判断方法，若能从未排样的零件矩形中，找到一块矩形可正好填充该水平线（如下文（3）中描述）；组合高度数，建立计算方法（如下文（4）中描述）。

（2）查找最优槽形水平线的方法：通过循环大矩形内的水平线链表，查找槽型水平线，再依照最优槽型水平线的判断方法，得知此水平线是否为最右槽型水平线；查找最优梯形水平线，通过遍历大矩形内的水平线链表，查找梯形水平线，再依照最优梯形水平线的判断方法，得知此水平线是否为最优梯形水平线；排放槽型水平线的准则，若确定排放此槽型水平线，并且已找到最优组合，则按照从高到低并且靠高端排放。

（3）最优组合算法：利用贪婪算法，从可放入槽型水平线的零件矩形集合中，按照设定的优先级排序，寻找最优组合.

（4）排放算法：在槽型水平线的最优组合中，若有正好与相邻水平线同高度的零件矩形块，则优先排放此矩形块，剩余的矩形块依照高低排练，靠着高端进行排放。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种精益造船方法，其特征是它包括整版材料和余料数据库的建立步骤；零件数据库的建立步骤；套料的步骤；切割的步骤；以及余料录入和结果输出的步骤。

2.根据权利要求1所述的精益造船方法，其特征是所述的方法具体包括以下步骤：

（a）、整版材料和余料数据库的建立：购买材料，采用测量仪器对整版材料和余料的尺寸进行检测，并且记录相关材料的尺寸和数量，录入相应的数据库；

（b）、零件数据库的建立步骤：根据待建船只需要的零件建立零件数据库，记录所需零件的尺寸、数量以及各零件所处的分段位置、优先级；

（c）、套料的步骤：选择船只中优先级高的分段和分段中优先级高的零件，优先选择余料数据库中的余料进行套料；如果余料中不满足条件，则在整版材料数据库中进行套料；

（d）、切割的步骤：完成对整个船只的零件进行套料后，进行切割；

（e）、余料录入和结果输出的步骤：

3.根据权利要求1所述的精益造船方法，其特征是所述的套料的步骤包括：

在船只的优先级高的分段中选择优先级高的零件进行套料，依次查看零件化成矩形块后的槽形水平线、梯形水平线，如果余料库中的材料不满足匹配条件，则从整版材料库中进行选择。

4.根据权利要求3所述的精益造船方法，其特征是所述的套料的步骤具体包括：

已知n个零件化成的矩形件R₁，R₂，…，R_n，宽和高一定，设小矩形件Ri的宽为w_i，高为h_i，以w_i，h表示；i=1，2，…，n；余料或整版材料矩形件的宽为W，高为H，以W，H表示；

步骤1若当前待套料零件的最低槽形水平线的高h_min≥H，或所有零件化成的矩形块件均被排放完，则转步骤6；否则，转步骤2；

步骤2采用最优组合算法依次对待套料零件的槽形水平线进行位置配置，找到其最优组合；

设第i个槽形水平线的长度为L_i，对应的最优矩形件组合为（w_i1，h_i1），（w_i2，h_i2），…，（w_in，h_in），设d_ij是第i个槽型水平线的长度，计算第i个槽形水平线的长度与组合矩形总宽度之差：d_ij=L_i-Σw_ij；n表示的是最优矩形件组合中小矩形的个数；定义d_min表示槽形水平线的长度与组合矩形总宽度之差最小的值；,I表示满足d_ij=d_min的所有d_ij的集合；设|I|表示集合I含有元素的个数；

若d_min=0，即槽型水平线的长度与组合矩形的总宽度相等，则转到步骤3；否则，转到步骤4；

步骤3若|I|=1，即只有一条槽形水平线满足，则对所有矩形块按排放算法对其最优组合矩形块进行排放；否则选择最低的槽形水平线优先排放，并返回步骤1；若有多条最低槽型水平线，则选择组合高度数最小的矩形块优先排放，并返回步骤1；若有多条满足组合高度数最小，则优先排放最左边的槽型水平线；

步骤4对所有的梯形水平线，判断是否存在最优梯形水平线，若存在这样的梯形水平线，若满足条件的梯形唯一，则优先排放，返回步骤1；否则优先排放面积大的矩形到对应的梯形，返回步骤1；若有多个满足排放面积最大的矩形，则优先排放最左边的梯形，返回步骤1；

步骤5若|I|=1，则由排放算法对其最优组合矩形块进行排放；否则在所有已排放的矩形块中选择最低的槽形水平线优先排放，转步骤1；若有多条槽型水平线满足，则在所有已排放的矩形块中选择组合高度数最小的优先排放，转步骤1；若有多个矩形块满足组合高度数最小，则优先排放最左边的槽形水平线；

步骤6终止；输出套料排样图。

5.根据权利要求4所述的精益造船方法，其特征是所述的套料的步骤中，最优组合算法是对已排放矩形构成的槽形水平线，从未排矩形中找其最优组合，使最优组合尽量排满该水平线，包括以下步骤：

步骤1对所有剩余未排小矩形，取出能排放到该槽形水平线上的矩形件，构成可排矩形件集合，记为S。

步骤2对集合S中的小矩形件，按照面积或者高度排序，利用贪婪算法，找到其最优组合。

6.根据权利要求4所述的精益造船方法，其特征是所述的套料的步骤中，排放算法包括以下步骤：

对已排放矩形构成的某槽形水平线，及其对应的最优组合矩形块，

步骤1在该槽形水平线的最优组块中，判断是否有排放后刚好与该水平线左、右相邻水平线等高的小矩形件；

若存在这种矩形件，则优先排放，

若排放后，与左相邻水平线等高，则紧贴左端排放；

若排放后，与右相邻水平线等高，则紧贴右端排放。

步骤2根据槽形水平线的左、右相邻水平线的高低，对剩余的最优组合块进行排放；具体做法是：若该水平线对应的组合矩形块只有一个，则沿水平线高端排放；否则，将其对应的小矩形件组合块按高到低排序，使新的组合块的高端紧挨该水平线的高端排放。

Images