CN103020355B - 一种实现船舶曲面分段空间布局调度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，包括：步骤1、对整个场地的曲面分段的调度进行初步规划，并制定曲面分段的布置顺序；步骤2、获取曲面分段的几何图形和场地边界的几何图形，通过确定曲面分段是否在场地内与其他曲面分段及场地边界发生碰撞，以获取曲面分段在该场地内的可能的布置方案；步骤3、对所述可能的布置方案进行筛选以最终确定曲面分段在场地内的布置位置，生成曲面分段空间布局分配方案。该方法在满足船舶生产实际前提下，建立面向曲面分段生产的基于启发式规则空间布局调度方法，填补并完善曲面分段空间布局调度理论和方法。

Description

一种实现船舶曲面分段空间布局调度的方法

技术领域

本发明涉及制造技术领域，特别涉及一种实现船舶曲面分段空间布局调度的方法。

背景技术

船舶的建造是大量分段的焊接装配过程，其中分段如果按照几何形状进行分类，可以分为平直分段和曲面分段。曲面分段主要包括船舶艏部和艉部，其几何形状复杂，生产过程中需要受到场地面积、加工人员、制造设备等限制。现有技术中依靠调度人员凭借个人经验制定的计划调度方案无法满足大量分段的排产需要，造成生产效率无法得到提升，最终导致其成为船舶曲面分段生产过程中的瓶颈环节。由于曲面分段具有的复杂外形，因此曲面分段的场地空间分配调度过程使得调度人员无法精确的实现分段在场地中的位置分配。

由于曲面分段体积庞大，因此必须先将其移动到建造场地的胎架上进行固定，然后由工人围绕该曲面分段进行生产，因此曲面分段空间布局作为分段生产的首要任务直接制约着分段生产效率。

船舶曲面分段建造过程与普通车间生产不同，其具有如下特点：首先曲面分段体积庞大、结构形状不统一，因此必须采用固定位置的方式。其次，由于曲面分段位置固定，因此加工人员、制造设备和资源等必须围绕分段展开生产，通过流转于各个分段完成生产过程。再次由于船舶生产场地面积有限且曲面分段外形复杂，因此需要充分考虑分段的摆放位置和方向，从而通过曲面分段的图形的拼接最大限度的利用场地资源，从而最终提高曲面分段生产效率。

由此可知优化的空间分布调度方案对于船舶曲面分段的生产占据着举足轻重的位置。对于船舶空间布局调度问题，虽然已有大量的研究，但往往存在以下不足：

（1）布局算法与船舶生产实际结合较少：船舶曲面分段的制造过程具有其自身的特点，单纯的套料算法难于适用于船舶曲面分段场地布局分配过程。例如：曲面分段的排布顺序需要按照实际生产进程进行不断调整；场地具有的动态性特点使得其可用面积会随时变化；曲面分段在完成生产后必须调离场地，剩余面积仍然需要进行合理利用，无法进行一次性的布局分配必须进行多次调度。

（2）传统的曲面分段布局算法对生产实际约束进行了简化，从而造成布局结果无法实现效率的提升。例如多边形分段被抽象成矩形，使得曲面分段的布局变为矩形堆叠。将场地面积划分为不同的区域，使得分段的排布只能在固定的区域内进行，从而降低不规则图形的拼接难度或者直接忽略不规则图形的拼接。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，从而为调度人员进行曲面分段布局调度提供辅助。

该方法在满足船舶生产实际前提下，以提升曲面分段场地利用率为出发点，以曲面分段几何形状拼接为思路，以图形碰撞检测和布局优化分析规则的综合集成优化为技术手段，以提高船舶曲面分段生产效率为目标，最终建立面向曲面分段生产的基于启发式规则空间布局调度方法，填补并完善曲面分段空间布局调度理论和方法。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，包括：

步骤1、对整个场地的曲面分段的调度进行初步规划，并制定曲面分段的布置顺序；

步骤2、获取曲面分段的几何图形和场地边界的几何图形，通过确定曲面分段是否在场地内与其他曲面分段及场地边界发生碰撞，以获取曲面分段在该场地内的可能的布置方案；

步骤3、对所述可能的布置方案进行筛选以最终确定曲面分段在场地内的布置位置，生成曲面分段空间布局分配方案。

作为上述技术方案的优选，所述步骤1中的制定曲面分段的加工顺序具体包括：

通过以下公式进行曲面分段的布置顺序进行筛选：

$\min Z_i=\frac{w_{h1}\·(D_i-B_i)+w_{h2}\·\left(\mathrm{\ΣM}\right)/M_i}{w_{h3}\·S_i/(Q-\mathrm{\ΣS})}(\min Z_i>0)$

其中：

Z_i为曲面分段制造顺序的优先级值；

w_h1为制造周期的权重值，w_h2为制造资源均衡的权重值，w_h3为场地剩余面积的权重值；

B_i为曲面分段i的可开始加工时间，D_i为曲面分段i交货期时间；

M分别为场地中已有的每个分段制造生产需要制造资源数量，M_i表示分段i在制造过程中需要的制造资源数量；

S为曲面分段几何图形面积，Q为曲面分段排入场地的面积，其中Q-∑S代表场地中除去已排布分段的面积。

作为上述技术方案的优选，所述步骤2中的所述获取曲面分段的几何图形和场地边界的几何图形具体为：

步骤21、以端点坐标集合的形式描述曲面分段的几何图形，并将集合中的坐标点顺序连接以形成曲面分段的外轮廓图形；

步骤22、从所述端点坐标集合中选取一个端点的坐标作为该曲面分段几何图形的定位基准点；

步骤23、选取待定的曲面分段对应的端点坐标集合，以及所述待定的曲面分段的定位基准点；

步骤24、以所述定位基准点沿X轴正方向做一条射线，并计算该射线与场地边界及已设置的曲面分段的交叉的次数N；如果

步骤25、判断所述以及已排布分段边界碰撞的次数N；如果N/2=0，则该定位基准点在其他图形外部，跳转到步骤24；如果N/2=0，则该定位基准点在其他图形内部，确认该曲面分段与其他曲面分段或场地边界发生了碰撞；

步骤26、判断所述端点坐标集合中是否还有未处理过的端点，如果有则从所述未处理过的端点中一个端点的坐标作为该曲面分段几何图形的定位基准点，并跳转到步骤23；如果否则确认该曲面分段未发生碰撞。

作为上述技术方案的优选，所述步骤25中，当确认该曲面分段与其他曲面分段或场地边界发生了碰撞后还包括：

步骤25a、建立场地边界坐标的集合C；

步骤25b、选取一对边界点C_d分别作为边界的起始点和结束点；

步骤25c、将定位基准点从该起始点沿着所述场地边界向结束点方向移动，以判断该定位基准点对应的曲面分段是否与其他分段发生了碰撞；如果与已有边界块发生碰撞后，则对碰撞点的位置通过以下公式进行判定：

${\mathrm{St}}_x=\frac{\left(C_d\right|E_x-C_d\left|S_x\right)\·(P_y-C_d|S_y)}{\left(C_d\right|E_y-C_d\left|S_y\right)+C_d|E_x}$

C_d|S_x代表边界点中的起始点的X坐标，C_d|E_x则代表边界点中的结束点的X坐标；

如果标志点St_x大于分段定位基准点P_y，说明分段点在边界左侧，根据分段移动方向应该为远离碰撞边界的原则，则继续向着分段的左侧进行移动，直到不发生碰撞；

然后调换碰撞坐标点然后调换X和Y轴的顺序，并使用上述公式在Y轴方向上进行判断；

步骤25d、当该曲面分段不与场地边界和其他曲面分段发生碰撞后，记录该位置。

作为上述技术方案的优选，所述步骤3具体为：

通过曲面分段的位置确定规则对曲面分段的可能位置中的点集合进行筛选，分别将曲面分段位置带入最大剩余矩形规则与最小包络面积规则中进行计算，得到在此优化规则下曲面分段位置的优化指标，并最终筛选出最优化的位置作为该曲面分段的位置。

作为上述技术方案的优选，其中所述最大剩余矩形规则具体为：

曲面分段放入场地后，场地剩余面积能够构建出的面积最大的矩形的位置为最优化位置。

作为上述技术方案的优选，所述最小包络面积规则具体为：

步骤A、以所有曲面分段位置中纵坐标不同且横坐标最大的点为包络点，建立包络点集合；

步骤B、将集合中的点首尾相接便构成了包络图形，并计算出包络面积；

步骤C、通过以下公式将每一可能位置对应的包络面积与包络范围内曲面分段的总面积进行对比，并选择比值最大的可能位置：

$\min Z_s=\frac{\underset{i=1,j=i+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[(P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right))*(P_j\left(x\right)+P_i\left(x\right))*{0.5|}_{P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right)\≠0}+(P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right))*P_j{\left(x\right)|}_{P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right)=0}]}{\underset{a}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_a}$

其中：

P_i，j为分段在场地构成图形的外围包络点，由图形分析算法取得，P_i(x,y)为P点的x，y坐标；

b_a为包络范围内曲面分段的面积；

m为包络面积外围包络点的总数，n为包络范围内所有分段的个数。

作为上述技术方案的优选，所述步骤3还包括：

当所述曲面分段的位置确定后，对场地边界进行重新分析以将新加入的曲面分段与原场地形状进行拟合，重新计算场地边界形状，从而简化分段碰撞检测步骤，直接检测分段与场地边界的碰撞即可完成分段位置的筛选。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该方法在满足船舶生产实际前提下，以提升曲面分段场地利用率为出发点，以曲面分段几何形状拼接为思路，以图形碰撞检测和布局优化分析规则的综合集成优化为技术手段，以提高船舶曲面分段生产效率为目标，最终建立面向曲面分段生产的基于启发式规则空间布局调度方法，填补并完善曲面分段空间布局调度理论和方法。

附图说明

图1为本发明实施例的实现船舶曲面分段空间布局调度的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的实施例提供一种实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，包括：

步骤1、对整个场地的曲面分段的调度进行初步规划，并制定曲面分段的布置顺序；

步骤2、获取曲面分段的几何图形和场地边界的几何图形，通过确定曲面分段是否在场地内与其他曲面分段及场地边界发生碰撞，以获取曲面分段在该场地内的可能的布置方案；

步骤3、对所述可能的布置方案进行筛选以最终确定曲面分段在场地内的布置位置，生成曲面分段空间布局分配方案。

在所述的步骤1中，对整个场地的曲面分段的调度进行初步规划时需要考虑车间已经下发的生产任务根据交货期、物料信息以及制造周期等信息，该为现有技术，在此不再赘述。

而其中的制定曲面分段的加工顺序具体包括：

通过以下公式进行曲面分段的布置顺序进行筛选：

$\min Z_i=\frac{w_{h1}\·(D_i-B_i)+w_{h2}\·\left(\mathrm{\ΣM}\right)/M_i}{w_{h3}\·S_i/(Q-\mathrm{\ΣS})}(\min Z_i>0)$

其中：

Z_i为曲面分段制造顺序的优先级值；

w_h1为制造周期的权重值，w_h2为制造资源均衡的权重值，w_h3为场地剩余面积的权重值；

B_i为曲面分段i的可开始加工时间，D_i为曲面分段i交货期时间；

M分别为场地中已有的每个分段制造生产需要制造资源数量，M_i表示分段i在制造过程中需要的制造资源数量；

S为曲面分段几何图形面积，Q为曲面分段排入场地的面积，其中Q-∑S代表场地中除去已排布分段的面积。

其中，步骤2中需要获取场地边界的位置信息，并获取每一曲面分段的相应的几何形状，以作为后续的基础。然后按照步骤1中确定的曲面分段的加工序列的顺序选取曲面分段进行分布，并碰撞监控机制对曲面分段是否与场地边界发生碰撞进行检测。具体为：

步骤21、以端点坐标集合的形式描述曲面分段的几何图形，并将集合中的坐标点顺序连接以形成曲面分段的外轮廓图形；

步骤22、从所述端点坐标集合中选取一个端点的坐标作为该曲面分段几何图形的定位基准点；

步骤23、选取待定的曲面分段对应的端点坐标集合，以及所述待定的曲面分段的定位基准点；

步骤24、以所述定位基准点沿X轴正方向做一条射线，并计算该射线与场地边界及已设置的曲面分段的交叉的次数N；如果

步骤25、判断所述以及已排布分段边界碰撞的次数N；如果N/2=0，则该定位基准点在其他图形外部，跳转到步骤24；如果N/2=0，则该定位基准点在其他图形内部，确认该曲面分段与其他曲面分段或场地边界发生了碰撞；

步骤26、判断所述端点坐标集合中是否还有未处理过的端点，如果有则从所述未处理过的端点中一个端点的坐标作为该曲面分段几何图形的定位基准点，并跳转到步骤23；如果否则确认该曲面分段未发生碰撞。

在本发明实施例中，在步骤25中还可以采用以下的碰撞解决机制来在确定了发生碰撞后进行相应处理。具体的，在步骤25的最后还包括以下步骤：

步骤25a、建立场地边界坐标的集合C；

步骤25b、选取一对边界点C_d分别作为边界的起始点和结束点；

步骤25c、将定位基准点从该起始点沿着所述场地边界向结束点方向移动，以判断该定位基准点对应的曲面分段是否与其他分段发生了碰撞；如果与已有边界块发生碰撞后，则对碰撞点的位置通过以下公式进行判定：

${\mathrm{St}}_x=\frac{\left(C_d\right|E_x-C_d\left|S_x\right)\·(P_y-C_d|S_y)}{\left(C_d\right|E_y-C_d\left|S_y\right)+C_d|E_x}$

C_d|S_x代表边界点中的起始点的X坐标，C_d|E_x则代表边界点中的结束点的X坐标；

如果标志点st_x大于分段定位基准点P_y，说明分段点在边界左侧，根据分段移动方向应该为远离碰撞边界的原则，则继续向着分段的左侧进行移动，直到不发生碰撞；

然后调换碰撞坐标点然后调换X和Y轴的顺序，并使用上述公式在Y轴方向上进行判断；

步骤25d、当该曲面分段不与场地边界和其他曲面分段发生碰撞后，记录该位置。

在上述步骤2的具体方案中，可以确定很多个不会发生碰撞的可能位置。而在这些可能位置中找到一个合适的位置是很难的。因此本发明实施例还提出了进一步进行筛选的机制。即前述的步骤3可以具体为：

通过曲面分段的位置确定规则对曲面分段的可能位置中的点集合进行筛选，分别将曲面分段位置带入最大剩余矩形规则与最小包络面积规则中进行计算，得到在此优化规则下曲面分段位置的优化指标，并最终筛选出最优化的位置作为该曲面分段的位置。

其中所述最大剩余矩形规则具体为：

曲面分段放入场地后，场地剩余面积能够构建出的面积最大的矩形的位置为最优化位置。

其中所述最小包络面积规则具体为：

步骤A、以所有曲面分段位置中纵坐标不同且横坐标最大的点为包络点，建立包络点集合；

步骤B、将集合中的点首尾相接便构成了包络图形，并计算出包络面积；

步骤C、通过以下公式将每一可能位置对应的包络面积与包络范围内曲面分段的总面积进行对比，并选择比值最大的可能位置：

$\min Z_s=\frac{\underset{i=1,j=i+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[(P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right))*(P_j\left(x\right)+P_i\left(x\right))*{0.5|}_{P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right)\≠0}+(P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right))*P_j{\left(x\right)|}_{P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right)=0}]}{\underset{a}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_a}$

其中：

P_i，j为分段在场地构成图形的外围包络点，由图形分析算法取得，P_i(x,y)为P点的x，y坐标；

b_a为包络范围内曲面分段的面积；

m为包络面积外围包络点的总数，n为包络范围内所有分段的个数。

为了降低计算量，本发明实施例中在确定了一个曲面分段的位置后，还包括：

当所述曲面分段的位置确定后，对场地边界进行重新分析以将新加入的曲面分段与原场地形状进行拟合，重新计算场地边界形状，从而简化分段碰撞检测步骤，直接检测分段与场地边界的碰撞即可完成分段位置的筛选。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，其特征在于，包括：

步骤1、对整个场地的曲面分段的调度进行初步规划，并制定曲面分段的布置顺序；

步骤2、获取曲面分段的几何图形和场地边界的几何图形，通过确定曲面分段是否在场地内与其他曲面分段及场地边界发生碰撞，以获取曲面分段在该场地内的可能的布置方案；

步骤3、对所述可能的布置方案进行筛选以最终确定曲面分段在场地内的布置位置，生成曲面分段空间布局分配方案；

其中，所述步骤2中的通过确定曲面分段是否在场地内与其他曲面分段及场地边界发生碰撞，以获取曲面分段在该场地内的可能的布置方案包括：

步骤21、以端点坐标集合的形式描述曲面分段的几何图形，并将集合中的坐标点顺序连接以形成曲面分段的外轮廓图形；

步骤22、从所述端点坐标集合中选取一个端点的坐标作为该曲面分段几何图形的定位基准点；

步骤23、选取待定的曲面分段对应的端点坐标集合，以及所述待定的曲面分段的定位基准点；

步骤24、以所述定位基准点沿X轴正方向做一条射线，并计算该射线与场地边界及已设置的曲面分段的交叉的次数N；

步骤25、判断所述次数N；如果N/2＝0，则该定位基准点在其他图形外部，跳转到步骤24；如果N/2≠0，则该定位基准点在其他图形内部，确认该曲面分段与其他曲面分段或场地边界发生了碰撞；

步骤26、判断所述端点坐标集合中是否还有未处理过的端点，如果有，则从所述未处理过的端点中选择一个端点的坐标作为该曲面分段几何图形的定位基准点，并跳转到步骤23；否则确认该曲面分段未发生碰撞；

所述步骤25中，当确认该曲面分段与其他曲面分段或场地边界发生了碰撞后还包括：

步骤25a、建立场地边界坐标的集合C；

步骤25b、选取一对边界点C_d分别作为边界的起始点和结束点；

步骤25c、将定位基准点从该起始点沿着所述场地边界向结束点方向移动，以判断该定位基准点对应的曲面分段是否与其他分段发生了碰撞；如果与已有边界块发生碰撞后，则对碰撞点的位置通过以下公式进行判定：

$S{t}_x=\frac{\left(C_d\right|E_x-C_d\left|S_x\right)\·(P_y-C_d|S_y)}{\left(C_d\right|E_y-C_d\left|S_y\right)+C_d|E_x}$

C_d|S_x代表边界点中的起始点的X坐标，C_d|E_x则代表边界点中的结束点的X坐标；

如果标志点St_x大于分段定位基准点P_y，说明分段点在边界左侧，根据分段移动方向应该为远离碰撞边界的原则，则继续向着分段的左侧进行移动，直到不发生碰撞；

调换碰撞坐标点的X和Y轴的顺序，并使用上述公式在Y轴方向上进行判断；

步骤25d、当该曲面分段不与场地边界和其他曲面分段发生碰撞后，记录该位置。

2.根据权利要求1所述的实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，其特征在于，所述步骤1中的制定曲面分段的布置顺序具体包括：

通过以下公式进行曲面分段的布置顺序的筛选：

$\min Z_i=\frac{w_{h1}\·(D_i-B_i)+w_{h2}\·\left(\mathrm{\ΣM}\right)/M_i}{w_{h3}\·S_i/(Q-\mathrm{\ΣS})}(\min Z_i>0)$

其中：

Z_i为曲面分段制造顺序的优先级值；

w_h1为制造周期的权重值，w_h2为制造资源均衡的权重值，w_h3为场地剩余面积的权重值；

B_i为曲面分段i的可开始加工时间，D_i为曲面分段i交货期时间；

M为场地中已有的每个分段制造生产所需的制造资源数量，M_i表示分段i在制造过程中需要的制造资源数量；

S为曲面分段几何图形面积，Q为曲面分段排入场地的面积，其中Q-∑S代表场地中除去已排布分段的面积。

3.根据权利要求1所述的实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

通过曲面分段的位置确定规则对曲面分段的可能位置中的点集合进行筛选，分别将曲面分段位置带入最大剩余矩形规则与最小包络面积规则中进行计算，得到在此优化规则下曲面分段位置的优化指标，并最终筛选出最优化的位置作为该曲面分段的位置。

4.根据权利要求3所述的实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，其特征在于，其中所述最大剩余矩形规则具体为：

曲面分段放入场地后，场地剩余面积能够构建出的面积最大的矩形的位置为最优化位置。

5.根据权利要求4所述的实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，其特征在于，所述最小包络面积规则具体为：

步骤A、以所有曲面分段位置中纵坐标不同且横坐标最大的点为包络点，建立包络点集合；

步骤B、将集合中的点首尾相接便构成了包络图形，并计算出包络面积；

步骤C、通过以下公式将每一可能位置对应的包络面积与包络范围内曲面分段的总面积进行对比，并选择比值最大的可能位置：

$\min Z_s=\frac{\underset{i=1,j=i+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[(P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right))*(P_j\left(x\right)+P_i\left(x\right))*0.5{|}_{P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right)\≠0}+(P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right))*P_j\left(x\right){|}_{P_j\left(y\right)-P_i\left(y\right)=0}]}{\underset{a}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_a}$

其中：

P_i,j为分段在场地构成图形的外围包络点，由图形分析算法取得，P_i(x,y)为P点的x，y坐标；

b_a为包络范围内曲面分段的面积；

m为包络面积外围包络点的总数，n为包络范围内所有分段的个数。

6.根据权利要求5所述的实现船舶曲面分段空间布局调度的方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

当所述曲面分段的位置确定后，对场地边界进行重新分析以将新加入的曲面分段与原场地形状进行拟合，重新计算场地边界形状，从而简化分段碰撞检测步骤，直接检测分段与场地边界的碰撞即可完成分段位置的筛选。