CN106951621A - 一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法 - Google Patents

一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法，首先根据遗传算法对分段生产计划进行重新排序，得到最省时的分段制造序列，接着重新制定船舶搭载网络图，然后结合Petri网理论建立了基于搭载网络图的船舶吊装Petri网模型，并将其映射到Plant Simulation软件中建立仿真模型，从仿真方向进一步验证Petri网模型的合理性，接着通过仿真模型的运行再进一步调整分段生产计划，以缩短船舶周期，提高搭载效率，并验证新搭载网络图的可行性。最后，利用仿真模型中提取的数据来规划总组区域场地的使用，制作出合理的总组场地的使用计划，通过仿真方法来规划场地资源，降低成本。本发明通过Petri网方法进行结构建模，Plant Simulation软件进行过程建模，结合遗传算法，构建新的生产计划和船舶网络搭载图，并验证了新搭载图的可行性，Petri网和仿真软件的结合，使结果更加可靠。

Description

一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法
技术领域
本发明涉及一种船舶搭载方法，具体涉及一种船舶搭载计划优化调整方法。
背景技术
在船舶搭载计划调整方面，通常局限于在交船期内综合考虑船坞/台资源、吊装设备、吊装网络等因素对其进行调整和优化，这对于安排吊装顺序和资源调配等起到了一定的积极作用。但由于未考虑相邻大节点是否能够准时搭接，如在吊装时分段或总段是否准时建造完工并运送到船坞/船台等，在实际分段生产过程中往往会受到许多不确定因素，如机器设备故障、运输、场地及人力短缺等影响，导致分段不能按照倒排的生产计划进行生产，使工期延误，分段搭载计划不能实现。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法，根据遗传算法对分段生产计划进行重新排序，得到省时的分段制造优化序列，然后重新修订船舶搭载网络图，建立基于搭载网络图的船舶吊装Petri网模型，并将其映射到Plant Simulation软件中建立仿真模型，通过仿真模型的运行再进一步调整分段生产计划，以缩短船舶周期，提高搭载效率，最后，依据仿真结果数据提取规划总组区域场地的使用，制订出合理的总组场地使用计划。
技术方案：一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法，包括以下步骤：
(1)以Plant Simulation软件建立分段生产模型，将原分段生产计划输入模型进行仿真，运用遗传算法以最小的分段完工时间为输出结果进行优化序列，修订分段生产计划并记录各个分段完工时间和总段完工时间；
(2)以修订版生产计划为基础，结合总段吊装约束关系搭建新的船舶搭载网络图；
(3)建立单元Petri网吊装模型，结合Petri网与Plant Simulation软件之间的对应关系建立单元吊装仿真模型；
(4)根据步骤(2)搭载网络图组合步骤(3)各个单元Petri网模型和仿真模型构建出完整Petri网与仿真的吊装模型；
(5)将原分段生产计划下的各个总段完工时间输入完整Petri网模型中，修订的分段生产计划下的总段完工时间输入完整仿真模型中，运行仿真模型，记录吊装开始和完工时间；
(6)减慢仿真模型的运行速度，使模型运行过程易于观察，通过运用仿真技术的可视化性，找出影响吊装效率的瓶颈总段，重新调整分段生产计划，消除瓶颈效应，提高吊装效率；
(7)建立总组场地使用计划仿真模型，将步骤(1)分段生产模型和步骤(5)仿真模型中记录的总组开工时间和吊装开工时间输入到总组场地使用计划仿真模型中，利用仿真软件中MU自动寻找空闲的SingleProc控件，模拟总段产出时安排场地的使用，使场地利用实现自动化排序，生成总组场地使用计划；
(8)结合仿真数据，统计分段生产、总组以及船舶搭载这三大连续的生产时间节点，对比分析调整搭载计划前后生产系统的变化。
进一步，步骤(3)单元Petri网吊装模型中集成的生产信息包括：库所A1与A2表示总段资源，变迁r1、r2表示运输变迁，变迁t1、t2为吊装变迁，库所p1、p2、p3、p4表示分段、总段对接面，即前一总段与后续总段的对接面。
进一步，完整的Petri网吊装模型由多个单元Petri网吊装模型构成，每个单元Petri网吊装模型的搭载过程包括：库所A1得到一个Token表示总段A1建造完毕，则进行运输变迁r1，p1是由A1和A2共同控制，因此只有满足A2也存在Token并吊装完成后，总段A1才能获得对接面p1，进而可以进行吊装变迁，吊装完成后形成两个对接面p3和p4。
有益效果：本发明将分段生产计划、场地资源及运输考虑在内，围绕分段生产、总组以及船舶搭载这三大连续的生产节点进行仿真模拟，通过Petri网方法进行结构建模，Plant Simulation软件进行过程建模，结合遗传算法，构建新的生产计划和船舶网络搭载图，并验证了新搭载图的可行性，Petri网和仿真软件的结合，使结果更加可靠。
相较于现有技术具有以下优势：
1、结合Petri网、仿真软件和遗传算法对生产计划进行优化调整，在计划制定阶段为生产监控提供便利，计划体系的动态调整更强；2、不再单纯考虑时间成本，而是以Petri网为基础将搭载场地、分段运输影响等因素作为参数集成在计划体系中，相比原来只考虑交船期更为全面，使得模型更符合实际生产；3、在Petri网的结构化模型基础上运用仿真软件对系统进行抽象建模仿真，增强了结果的准确性，把Petri网建立的结构模型最终集成在Plant Simulation平台上，计划编制、执行过程和结果的集成性、可视性更强；4、将分段生产计划、场地资源及运输考虑在内，以分段生产、总组以及船舶搭载这三大连续的生产节点进行仿真模拟，保证了计划的连续性，与单纯考虑某一生产节点相比更加合理。
附图说明
图1为本发明单元Petri网吊装模型；
图2为本发明单元仿真吊装模型；
图3为分段建造仿真模型；其中，图3(b)为图3(a)的局部放大图；
图4为原网络搭载图；
图5为原分段部分生产计划；
图6为新分段部分生产计划；
图7为新搭载网络图；
图8为基于原搭载网络图的Petri网吊装模型和仿真吊装模型；其中(a)为Petri网吊装模型，(b)为仿真吊装模型，(c)为(a)中Petri网吊装模型(虚线部分)的局部放大图，(d)为(b)中仿真吊装模型(虚线部分)的局部放大图；
图9为基于修订搭载网络图的Petri网吊装模型和仿真吊装模型；其中(a)为Petri网吊装模型，(b)为仿真吊装模型，(c)为(a)中Petri网吊装模型(虚线部分)的局部放大图，(d)为(b)中仿真吊装模型(虚线部分)的局部放大图；
图10为总组场地使用计划仿真模型。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法：
步骤一：建立单元Petri网吊装模型，如图1所示，图中库所A1与A2代表着总段资源，变迁r1、r2表示运输变迁，变迁t1、t2为吊装变迁，库所p1、p2、p3、p4表示一种状态，在此称为分段/总段对接面，也就是前一总段提供给后续总段的对接面。
此单元Petri网模型集成了总段资源的生产、运输以及吊装约束，以图1为例说明搭载过程：库所A1得到一个Token(即总段A1建造完毕)，则进行运输变迁r1，图中p1是由A1和A2共同控制，因此只有满足A2也存在Token并吊装完成后，总段A1才能获得对接面p1，进而可以进行吊装变迁，吊装完成后形成两个对接面p3和p4。此图也表明了总段A1的吊装约束关系，即前道总段为A2，并且有两个后续吊装总段。表1为Petri网库所及变迁含义，在完整的Petri网模型中是由多个这种单元Petri网组成，因此其运行过程不再赘述。
表1Petri网库所及变迁的含义
结合Petri网与Plant Simulation软件之间的对应关系建立典型的吊装仿真模型，如图2所示。
Petri网中Token流动推动着整个Petri网系统的运行，在仿真软件中是以数据驱动着软件系统的运行，两者在一定程度上具有相似之处。Petri网中的库所的状态是通过变迁的触发来改变的，它表示系统运行过程中事件的发生，仿真软件中输入的数据是通过编写程序或控件来实现的，因此Petri网中的Token，库所和变迁均可以运用仿真软件中的编程或控件来实现，Petri网与仿真软件之间具有一定的相似关系，可以相互转化。结合图1所示的单元Petri网吊装模型中库所和变迁代表的含义，将其映射到仿真软件中。图2为与Petri网吊装模型相对应的仿真吊装模型，在仿真模型中各个控件对应Petri网中库所和变迁的说明如下：
①Source控件(图2中的A1、A2)对应总段的资源库所，总段合拢的完成时间作为触发产生Token的条件；
②SingleProc控件(图2中的r1、r2)对应运输变迁r，模拟运输过程；
③Assembly控件(图2中的p1、p2)对应吊装前的总段对接面p，Assembly控件只有在满足装配要求的条件下才开始工作，符合Petri网中的p库所的意义；
④DismantleStation控件(图2中的t1、t2)对应吊装变迁t，分解控件在完成分解后，会同时向后续工位传递MU，在Petri网模型中一个总段吊装变迁完成后，会有一条或多条后续总段进行吊装，因此运用分解控件模拟这一过程十分合适。
此步骤构建了Petri网与仿真软件之间的关系，为二者的组合使用提供了理论基础，同时不再单纯考虑时间成本，而是以Petri网为基础将搭载场地、分段运输影响等因素作为参数集成在计划体系中，相比原来只考虑交船期更为全面，这使得模型更符合实际生产。
步骤二：如图3所示，以Plant Simulation软件建立分段生产模型，图中，序号1为事件控制器：控制仿真的开始和结束；序号2为ShiftCalendar：用于模拟生产和休息的控件，下文实施例中的工作时间为周一至周天早上8：00至17：00，其中12：00至13：00为休息时间；序号3为MF：程序控件，用于控制序号11的FlowControl控件；序号4为GAwizard：软件自带的遗传算法控件；序号5为Ori：程序控件，用于排列序号8中的生产顺序；序号6为M：程序控件，用于控制序号7的TotalTime；序号7为TotalTime：用于统计完工时间的全局变量；序号8为TableFile：生产序列表，储存着需要生产的产品及顺序；序号9为Proc_T：加工时间表，各个产品在不同工位上的处理时间；序号10为A1-A11：模拟平面分段建造的各个工位，包括拼板定位焊、正面焊、反面焊、划线、纵骨安装、纵骨焊接、肋骨安装、肋骨焊接、分段舾装、分段焊接和分段涂装；B1-B13：模拟曲面分段建造的各个工位，包括形状检测、胎架制作、上胎架拼板、定位焊、拼板焊接、部件装配焊接、外板装焊、修补打磨、翻身焊接、完工报验、切割余料下胎、分段舾装和分段涂装；序号11为FlowControl：分流器，使平面分段与曲面分段分别流向各自的生产线。根据17.5万吨尾部区域搭载网络图(图4)建立原分段生产计划，如图5所示，将原分段生产计划输入图3所示模型进行仿真，运用遗传算法以最小的分段完工时间为输出结果进行优化序列，优化前后生产序列如表2所示，修订分段生产计划并记录各个分段完工时间和总段完工时间，表3所示，时间格式dd:hh:mm:ss。
表2优化前后分段生产序列
表3优化前后分段/总段的完工时间
此步骤运用软件中的遗传算法来优化分段生产，相比于人工预测具有快速性和准确性；同时，结合Petri网、仿真软件和遗传算法对生产计划进行优化调整，在计划制定阶段为生产监控提供便利，计划体系的动态调整更强。
步骤三：以如图6所示的修订版生产计划(即由优化后的生产序列制定的计划)为基础，结合总段吊装约束关系搭建新的船舶搭载网络图，如图7所示。
步骤四：根据搭载网络图组合单元的Petri网模型和仿真模型构建出完整Petri网与仿真的吊装模型，如图9(a)(b)所示，(c)(d)为(a)(b)的局部放大局，此外，图8为基于原搭载网络图的Petri网吊装模型和仿真吊装模型，(c)(d)为(a)(b)的局部放大局。图中序号12为BottleneckAnalyzer：瓶颈分析器，用于分析生产线中的瓶颈工位；序号13为A1-A22：表示总段资源；序号14为r1-r22：表示各个总段的运输过程；序号15为p1-p22：表示总段对接面；序号16为t1-t22：表示总段吊装过程。
此步骤在Petri网的结构化模型基础上运用仿真软件对系统进行抽象建模仿真，增强了结果的准确性。
步骤五：将原分段生产计划下的各个总段完工时间(表3所示，包含修订前后的各个总段完工时间)输入图8的仿真模型中，修订的分段生产计划下的总段完工时间(表3所示)输入图9的仿真模型中，运行仿真模型，记录吊装开始和完工时间。
步骤六：执行修订的分段计划的模型，减慢图9仿真模型的运行速度，使模型运行过程更易观察，通过运用仿真技术的可视化性，发现在37天到45天这一段时间中，搭载工作基本上处于等待状态，找出影响吊装效率的瓶颈总段(影响总段完工时间的是分段231和分段264)，重新调整分段生产计划(将这两个分段序列中移除，单独建造)，消除瓶颈效应，提高吊装效率。
此步骤将Petri网建立的结构模型最终集成在Plant Simulation平台上，通过集成性、可视性对执行过程进行分析，进而调整计划，提高生产效率。
步骤七：从图8和图9的仿真模型中记录的总组开工时间和吊装开工时间(表4所示)输入到图10总组场地使用计划仿真模型中，图中序号17为ProcTime：表示分段在总组区域的形成总组的时间，即总组场地的使用时间；序号18为TableFile：生产序列表，存储着各个分段生产序列和运往总组区域的时间；序号19为D：SingleProc控件，用于模拟总组过程；序号20为Drain：回收加工品控件，在此表示总段完工运出。利用仿真软件中MU自动寻找空闲的SingleProc控件，模拟总段产出时安排场地的使用，使场地利用实现自动化排序，生成总组场地使用计划(表5所示)。
表4总组和吊装开工时间
表5总组场地使用计划
此步骤为创建船厂总组区域场地分配计划提供了一个新的方法，该方法相比于人工制定分配计划来说更具快速性和准确性，避免了由人工计划的不合理性而导致场地资源的浪费。
步骤八：结合仿真数据，统计分段生产、总组以及船舶搭载这三大连续的生产时间节点，对比分析调整搭载计划前后生产系统的变化。表6为优化分段建造序列前和优化后以及再调整优化后的序列(即移除序列中的分段264和231)三种情况下的建造时间节点，以分段开始建造为零点进行计算。从表6所示的结果可以看出优化序列后的船舶分段建造与搭载所用的时间明显要比原始生产计划短，船台周期的缩短尤为明显；原分段制造序列下总组开工时间和搭载开始时间均比优化后的早，但是在完工时间上却不如优化后的制造序列，说明在原制造计划并不合理，浪费了船厂资源，生产和搭载的效率很低；在优化分段建造序列的基础上，再运用仿真模型进行模拟搭载，可以从仿真过程中发现影响搭载进度的问题并解决，进一步提高了搭载效率。
表6时间节点表
此步骤说明本发明的优化方案将分段生产计划、场地资源及运输考虑在内，以分段生产、总组以及船舶搭载这三大连续的生产节点进行仿真模拟，保证了计划的连续性，与单纯考虑某一生产节点相比更加合理。

Claims (3)

1.一种用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)以Plant Simulation软件建立分段生产模型，将原分段生产计划输入模型进行仿真，运用遗传算法以最小的分段完工时间为输出结果进行优化序列，修订分段生产计划并记录各个分段完工时间和总段完工时间；
(2)以修订版生产计划为基础，结合总段吊装约束关系搭建新的船舶搭载网络图；
(3)建立单元Petri网吊装模型，结合Petri网与Plant Simulation软件之间的对应关系建立单元吊装仿真模型；
(4)根据步骤(2)搭载网络图组合步骤(3)各个单元Petri网模型和仿真模型构建出完整Petri网与仿真的吊装模型；
(5)将原分段生产计划下的各个总段完工时间输入完整Petri网模型中，修订的分段生产计划下的总段完工时间输入完整仿真模型中，运行仿真模型，记录吊装开始和完工时间；
(6)减慢仿真模型的运行速度，使模型运行过程易于观察，通过运用仿真技术的可视化性，找出影响吊装效率的瓶颈总段，重新调整分段生产计划，消除瓶颈效应，提高吊装效率；
(7)建立总组场地使用计划仿真模型，将步骤(1)分段生产模型和步骤(5)仿真模型中记录的总组开工时间和吊装开工时间输入到总组场地使用计划仿真模型中，利用仿真软件中MU自动寻找空闲的SingleProc控件，模拟总段产出时安排场地的使用，使场地利用实现自动化排序，生成总组场地使用计划；
(8)结合仿真数据，统计分段生产、总组以及船舶搭载这三大连续的生产时间节点，对比分析调整搭载计划前后生产系统的变化。
2.根据权利要求1所述的用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法，其特征在于：步骤(3)单元Petri网吊装模型中集成的生产信息包括：库所A1与A2表示总段资源，变迁r1、r2表示运输变迁，变迁t1、t2为吊装变迁，库所p1、p2、p3、p4表示分段、总段对接面，即前一总段与后续总段的对接面。
3.根据权利要求2所述的用于船舶搭载计划调整的仿真优化方法，其特征在于：完整的Petri网吊装模型由多个单元Petri网吊装模型构成，每个单元Petri网吊装模型的搭载过程包括：库所A1得到一个Token表示总段A1建造完毕，则进行运输变迁r1，p1是由A1和A2共同控制，因此只有满足A2也存在Token并吊装完成后，总段A1才能获得对接面p1，进而可以进行吊装变迁，吊装完成后形成两个对接面p3和p4。
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Application publication date: 20170714

Assignee: JIANGSU MODERN SHIPBUILDING TECHNOLOGY Ltd.

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2020980007228

Denomination of invention: A simulation optimization method for ship carrying plan adjustment

Granted publication date: 20190531

License type: Common License

Record date: 20201029

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Assignee: JIANGSU MODERN SHIPBUILDING TECHNOLOGY Ltd.

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2020980007228

Date of cancellation: 20201223

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