0 前言

    数字化仿真技术在我国造船行业的应用相对于国内其它制造领域明显滞后，国外的研究实践表明，由于造船是一个复杂庞大的系统，应用仿真技术能对决定船厂核心制造竞争力的工艺技术和生产管理起到十分显著的促进作用，例如我们的主要竞争对手韩国，早在2001年就启动了国家级基金，专门支持由三星重工、首尔大学及多家研究机构联合攻关的数字化船厂项目，目前，韩国各主要船厂已实现不同类别的数字化仿真在船舶建造不同阶段、不同作业类型的覆盖，包括装配工艺仿真、船厂布局仿真、制造物流仿真、自动化机器人仿真等，在持续大量的实践中仿真技术得到充分验证，成为韩国造船业巩固扩大世界领先地位的关键。由于船舶制造存在制造系统复杂、订单式生产、多品种小批量和自动化程度低等特点，将仿真技术在其它行业的经验推广到船舶制造领域存在很多困难，而虚拟制造作为一种新的制造模式又没有相对成熟的理论体系可以遵循，因此，通过技术摸索探寻适用于船舶制造的数字化仿真方法论，是实现数字化船厂的一个必要条件。

    平面分段流水线是船厂重要的产能设施，因其设备自动化程度高、产品相对固定和标准化的工艺流程而具有较高生产效率，同时也使平面分段流水线具有离散制造系统的典型特征。国内外对离散制造系统的研究由来已久，方法较多，相比于Petri网、有限自动机、系统动力图等方法，离散事件系统（DES）更能反映复杂制造系统的动态性、随机性和逻辑性等特征，成为离散制造系统建模仿真的最主要方法，以DES理论为基础各种商业化的仿真建模工具被开发出来，如Arena、QUEST、Plant Simulation、Auto Mod等，其中QUEST和Plant Simulation不仅提供完善灵活的仿真功能，更能实现与制造企业其它应用的集成，因而比只专注于仿真的Arena和AutoMod更具应用前景。本文用Plant Simulation对船厂一条平面分段流水线进行建模，并以一个具体生产任务进行仿真实例研究。

1 离散制造系统建模

    在制造系统仿真领域，不同软件的建模过程都是相似的，一般都分三步：第一步是产品和资源建模，涉及制造系统的所有组成实体，以二维图形或三维数字样机表达模型的几何尺寸、重量、材质等物理特性；第二步是工艺流程建模和物料处理资源建模，这一部分建模工作是不同软件间差异最大的地方，工艺流程定义每个工位的制造过程，通过对准备时间、加工/装配时间、来料消耗方式、装配序列等的设定，建立产品和资源的动态联系，物料处理资源模型是针对某些需定义更多特性的资源，不能由一个单独的对象来实现，还要定义模型的运动空间、逻辑约束等特性，以反映运输路径、资源分配规则、运输途中车辆位置等信息；第三步是反映制造系统运行规则的逻辑建摸，包括控制规则、冲突协调策略、设备故障率、随机变量服从的分布等，对于大部分情况都能用软件提供的建模工具实现，特定情况建模则要用到软件所支持的嵌入式语言。

    QUEST是法国达索系统开发的离散制造系统仿真软件，基于3D、建模全过程的3D/2D图形化界面是QUEST的最大特点，但是QUEST对工艺流程建模只提供简单的实体生成和逻辑分配功能，相对更加抽象，而Arena和西门子公司的Plant Simulation能在工艺流程分开或合并等细节上使用明确的对象表示，并在一个集成界面对工艺流程建模。另外，由于物料处理空间资源建模要基于动态的空间信息，软件环境的差异将显现出来，基于3D的QUEST更能体现详细信息，但要花费更多建模时间，而基于2D的Arena和Plant Simulation建模时间相对较少，更专注于规则约束与逻辑关系的实现。

2 平面分段流水线分析

    平面分段流水线是现代化总装船厂的第一个制造级，将钢板、型材、舾装件等物料制造成不同批次、规格统一的平面分段，用于建造除上层建筑、艏艉部、机舱区域以外的所有船体部分，因而对产量和生产效率有较高要求，以满足后续制造阶段对平面分段的大量需求。平面分段流水线主要由串行布置的一系列工位组成，工位间靠起重机、运输平台或传送装置移动在制中间产品。平面分度流水线总共包含9个工位，表2.1为各工位介绍。

表2.1 平面分段流水线工位介绍

    出于实际需要，在车间中一般并行安排两条流水线——A线和B线，在横移运出工位之前两条生产线配置相同，横移运出工位后一条为轻型分段生产线、另一条为重型分段生产线，以适应多产品混合生产的生产任务安排。除了要了解生产线的物理构成，还要获得资源的相关属性信息，即工艺能力，包括标准作业时间、缓冲区容量、设备故障概率、工位最大负荷、工位所需人员数量等，仿真模型要同时表达资源的物理存在和工艺能力，考虑到生产变动和设备能力调整需要，模型的属性值都是可以方便更改的参数。