近年來，我國船舶工業(yè)發(fā)展勢頭強勁，造船產(chǎn)量大幅提升。2011年1-8月全國造船完工量4217萬載重噸，占世界市場份額的40.9%。同時，原世界第一造船大國韓國今年造船完工量為3439萬載重噸，占全球造船份額的33.4%。但是，目前我國造船能力的擴充在很大程度上依賴于造船設施的新建或擴建，而制造技術和生產(chǎn)管理能力提升等方面則明顯不足。例如根據(jù)大節(jié)點計劃排定的各節(jié)點開工日期和生產(chǎn)周期并不精確，管理部門排到月計劃而各生產(chǎn)班組排到日計劃，而管理部門僅憑班組上報的日計劃對實際生產(chǎn)并不能精確掌控，導致無法在全局統(tǒng)籌各生產(chǎn)資源的調度，也不能精確控制交貨期，所以要取得突破，必須從加強生產(chǎn)過程的管理入手。
隨著數(shù)字化制造技術的迅速發(fā)展，制造仿真技術已經(jīng)廣泛應用于汽車和航空制造業(yè)，用于對產(chǎn)品全生命周期中設計、制造、檢驗等環(huán)節(jié)進行模擬仿真，在加強生產(chǎn)管理，節(jié)約生產(chǎn)成本方而取得了顯著效果。韓國三星重工利用DELMIA軟件建立了完整的數(shù)字化造船系統(tǒng)，建立了虛擬船廠，可在虛擬環(huán)境下模擬整個造船過程。這套系統(tǒng)預計每年為企業(yè)減少730萬美元的開支，大大提高韓國造船行業(yè)的困際競爭力。利用制造仿真技術，可以根據(jù)工廠的實際情況建立虛擬工廠，將待實行的多個生產(chǎn)計劃同時在虛擬工廠中進行“預演”。通過虛擬制造，可以及早發(fā)現(xiàn)設計中的問題，減少建造過程的中設計方案的更改，減少建造過程中的延期，合理的規(guī)劃建造過程，從而降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質量，并保證交貨期。
1 船廠生產(chǎn)運作仿真的內容
1.1 生產(chǎn)仿真的建模對象
生產(chǎn)仿真的建模對象包括兩個方面，一方面是生產(chǎn)過程中需要的原材料和產(chǎn)生的中間產(chǎn)品，包括鋼板、型材、零件，部件、分段，總段、整船和其他船裝件等。另一方面是全廠區(qū)的車間、工場、堆場等與生產(chǎn)緊密相關的生產(chǎn)過程的載體。包括其中的運輸、起重、加工設備以及其他工裝設備等生產(chǎn)資源，也應包括產(chǎn)品和設備運行的軌跡，包括道路、軌道、傳送帶等，對于這些對象，需要建立合理的三維模型，既要能表現(xiàn)出該特定對象的功能，并能在生產(chǎn)過程中運動用以表述生產(chǎn)過程；又需要進行一定的簡化，防止模型數(shù)量龐大而導致仿真運行緩慢。
另外，為了確立正確的數(shù)學建模標準，各船廠還需要對自身的生產(chǎn)基礎數(shù)據(jù)進行調研和評審，用以精確模擬實際生產(chǎn)。這些數(shù)據(jù)包括各工位的基本工時，輔助材料的消耗，全廠的生產(chǎn)設備和工裝的數(shù)量、分類、生產(chǎn)（輔助）能力等。以上數(shù)據(jù)是仿真能夠正確反映船廠產(chǎn)能的必要條件，也是生產(chǎn)仿真數(shù)學模型的重要基礎。
三維建模完成后，在仿真軟件中建立初步設定的生產(chǎn)計劃的數(shù)學模型，如采用準時制生產(chǎn)模式，生產(chǎn)計劃的數(shù)學模型就可以表示為生產(chǎn)過程中的各工位在什么時間需要何種資源（包括數(shù)量）。再建立的設備數(shù)學模型，即設備的運行速度或生產(chǎn)能力等。綜合這些三維模型和數(shù)學模型就可以對生產(chǎn)過程進行模擬。
1.2 船廠三維建摸
基于國內某船舶生產(chǎn)基地的現(xiàn)狀，在DELMIA中建立其鋼料堆場、預處理車間、理科車間、切割-部件聯(lián)合車間中各加工、運輸、輔助設備的三維模型。如預處理線、數(shù)控切割機、起重機、電動平板車、運輸輥道；以及車間支撐柱、車間外殼、地面基礎、鋼板平臺等，如圖1～圖4所示。
圖1 預處理車間
圖2 理料車間
圖3 切割-部件聯(lián)合車間
圖4 部件車間一角
并按照該生產(chǎn)基地的實際狀況，在DELMIA中AEC工廠模塊中建立全廠區(qū)空間分布模型，以上各車間整合到仿真空間中，具體布置如圖5所示。
圖5 材料碼頭到部件車間總覽
有了以上生產(chǎn)車間模型作為生產(chǎn)的載體，只需要在其中添加鋼板、焊材等材料，在制品、中間產(chǎn)品以及操作工人的模型，就可以進行生產(chǎn)的仿真了。
2 生產(chǎn)仿真的關鍵技術
生產(chǎn)仿真的關鍵技術分為兩個方面：一方面是建模技術，另一方面是驅動仿真運行的技術。
2.1 三維模型的建模技術
2.1.1 大批量模型的快速建模
對整個船廠模型的建模是一個工作量極大的任務，整個模型中的材料、設備和中間產(chǎn)品種類并不多，但是往往有局部的差別和變化。如果對每一個有差別的零件都重新建模將消耗相當多的時間。
而DELMIA中為研究者提供了便捷的零件庫建模方式（圖6）。對于有局部差別的零件，在建模時可以利用公式按鈕添加若干個參數(shù)控制零件的局部差別，再利用設計表按鈕創(chuàng)建零件庫，并將其關聯(lián)到一個Excel表格，在表格中可以任意添加參數(shù)值和新的參數(shù)變量，最后創(chuàng)建一個catalog文件將零件的名稱、各參數(shù)和剛創(chuàng)建的Excel表格聯(lián)系起來成為一個零件庫。若對Excel表格進行了修改，DELMIA在打開catalog時會自動進行更新，保持零件庫與Excel表格的一致性。
圖6 船用標準鋼板零件庫示例
2.1.2 仿真模型的簡化和輕量化
生產(chǎn)仿真的三維建模技術與常用的船舶裝配仿真的技術基本相同，但若要考慮到全廠范圍的生產(chǎn)過程仿真，由于模型多，數(shù)據(jù)量大，要在一定的硬件環(huán)境下使仿真能夠流暢運行，就需要對某些次要模型進行簡化處理，減少其中圓柱體、多截面體的數(shù)量；對某些相對位置固定的零件可將其建立到同一個part中，盡量減少零件樹的節(jié)點，降低冗余，優(yōu)化仿真操作。
對于簡化后的模型，還需要使其輕量化。在DELMIA中，有兩種方法：
第一種，先將設計零件生成的part文件通過裝配設計模塊組裝成為produa，再通過DELMIA提供的過濾產(chǎn)品數(shù)據(jù)功能模塊，將其轉化為實體(*FLT.*類文件)，可以減少零件幾何信息的數(shù)據(jù)量。
第二種，將設計零件生成的part文件另存為cgr格式，cgr格式是可視化文件的一種格式，只顯示零件或設備的外形以及零件之間的裝配信息，而不調入零件本身的幾何信息，大大減少了模型的數(shù)據(jù)量。然后在裝配設計中，將cgr格式的零件導入并組裝成為product（圖7）。
圖7 cgr格式的part組裝為produd示例
以上兩種輕量化方法的區(qū)別在于cgr格式的零件樹結構更為簡潔，在大量設備和產(chǎn)品的仿真中，零件樹的結構極大的影響仿真動作的編制和仿真控制的速度。不過用這種方法在大量建模的時候操作量較大，相對轉換實體法較浪費時間。所以對于零件較多并較復雜的模型最好使用轉換cgr格式方法，而批量建模時采用轉換實體方法。
這兩種簡化模型的方法都有相同的缺陷，那就是零件不具有線面等幾何信息，雖然在組裝成product時可以靠羅盤精確定位，但零件之間不能設定約束條件，會在仿真操作不慎時出現(xiàn)意外的零件分離現(xiàn)象。
并且經(jīng)過輕量化的模型無法編輯，若需要編輯零件的幾何信息，則必須修改輕量化之前的文件，重新過濾產(chǎn)品數(shù)據(jù)或者另存為cgr格式，覆蓋要修改的文件，并在仿真中使用更新命令獲取修改后的零件。
2.1.3 仿真模型的貼圖
為了使仿真更加逼真，還可以對各零件進行貼圖和上色。DELMIA中對零件貼圖最常用的方法是對零件添加材質，DELMIA本身提供許多種材質，有相應的表面圖形和光學性質。若需自定義則可以在材質屬性的渲染效果中修改光學性質，還可以從本地圖庫中找到需要的圖片進行貼圖，并可以選擇不同表面的貼圖方向。此外，還可以用圖片工作室模塊中的添加標簽工具，它可以在一個用戶設定的范圍內對產(chǎn)品進行貼圖，使模型更加逼真。
2.2 仿真系統(tǒng)與仿真的驅動
2.2.1 DELMIA仿真系統(tǒng)簡介
DELMIA軟件系統(tǒng)是法國達索公司的PLM產(chǎn)品系統(tǒng)中的一個面向制造過程的“數(shù)字化制造”平臺子系統(tǒng)。它包括面向制造過程設計的DPE；面向工藝過程分析的DPM；面向物流過程分析的QUEST；這三個部分可以通過PPR（Product、Process、Resource）Hub連接，在DPE和DPM中均可定義生產(chǎn)計劃和工藝，再利用DPM進行三維仿真。
2.2.2 仿真的驅動
仿真的運行過程就是生產(chǎn)計劃的執(zhí)行過程，表現(xiàn)為仿真環(huán)境中各模型在某時間點執(zhí)行了某個工藝動作。DELMIA中的模型運動需要先創(chuàng)建Process，即一系列運動代表的工藝過程，可以根據(jù)不同船廠編制計劃的習慣自定義其名稱和類別。再在Process樹下編制整個計劃的全部工藝流程，打開流程圖會將已經(jīng)設定好的工藝過程顯示出來，可以簡便明了的設定工藝間的層級關系和先后順序，并對各工藝添加相關的產(chǎn)品和資源。
完成了工藝流程圖，就可以在各工藝中插入該工藝的生產(chǎn)動作，即模型的運動過程(move activity)利用，并用羅盤輔助模型定位完成運動軌跡，并設定每個運動的時間，通過記錄器記錄下來，最終就形成一個工藝步驟。操作時每個運動的軌跡都會顯示出來，便于修改。再通過GANTT圖，可以修改各動作的起始、消耗時間，便于計劃的修改和工藝周期的控制。
對于全廠范圍的生產(chǎn)仿真，由于模型數(shù)量較多，activity的數(shù)最在此基礎上更是巨大，為了快速完成activity的建模，DELMIA可以將process和activiCy進行分類，對相同模型的重復運動，在PPR樹結構中用簡單的復制粘貼手段就可以達到目的。這極大的方便了大型工藝過程的建模。
為達到良好的仿真效果，可在仿真中插入不同的攝像機位置，在仿真運行過程中軟件會平滑移動鏡頭，讓仿真的觀看者能夠從各角度了解生產(chǎn)的實際情況。
圖8、圖9是船廠鋼板經(jīng)過預處理進入理料車間分垛堆放的生產(chǎn)過程以及部件車間自動拼板和球扁鋼肋骨冷彎的加工過程仿真演示結果。
圖8 理料車間鋼板分垛堆放過程仿真
圖9 自動拼扳以及肋骨冷彎加工過程仿真結果
3 結論與展望
本文對船廠的部分車間進行了建模，研究了大型離散式生產(chǎn)仿真的快速、優(yōu)化建模技術，并對材料碼頭到部件車間的生產(chǎn)進行了模擬仿真。
雖然生產(chǎn)仿真的模型數(shù)量較多較雜，精確建模需要耗費相當?shù)臅r間，但是它對整個工廠的生產(chǎn)管理意義十分重大。在仿真運行過程中，可以直觀的表現(xiàn)全局或者局部視角下各車間各設備的運行狀態(tài)，并對其中設備運轉率、資源消耗率、場地占用率等要素輸出報告。直觀的三維演示和數(shù)據(jù)報表可以提供給管理者需要的大量信息，比一般的生產(chǎn)計劃表格更清晰，更便于管理的實施。若在仿真中有某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)擁堵等現(xiàn)象導致生產(chǎn)停滯，可以從全局著眼，調整所需資源的分配方式和分配數(shù)量，克服實際生產(chǎn)中局部資源重新調配的局限性，用更少的時間或其他資源使生產(chǎn)回到正軌，保證交貨期。隨著數(shù)字化制造技術在汽車、飛機航空工業(yè)的迅速發(fā)展，它在船舶制造方面的也將發(fā)揮更大的作用，結合數(shù)字化工作平臺等技術形成更高效的數(shù)字化船廠。
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