大型复杂分段组立流程优化研究

于 洋，胡诚程，杨可明，原 磊

（江南造船（集团）有限责任公司，上海201913）

0 引 言

高质量、高效率、安全造船一直是造船厂追求的目标。在现代造船模式下，船体结构是分段建造的，随着车间制造能力的提升和船舶产品的升级换代，分段划分日益朝大型化方向发展，分段结构日益复杂化，大型复杂分段的制造难度越来越高，制造周期越来越长。因此，如何在生产资源投入基本不变的情况下有效提高大型复杂分段的制造效率，控制分段制造周期，是造船业需研究的课题。

大型复杂分段制造中主要包含装配和焊接两大工种[1]，其中：装配是将船体零件和部件组合成分段的过程；焊接是按工艺要求将装配好的结构连接在一起的过程。从整个分段的制造流程看，焊接渗透整个装配过程，但从单个部件的制造流程看，装配是焊接的前道作业，装配的顺序直接决定结构焊接施工的难易程度，装配作业的结束时间直接决定焊接作业的开始时间。大型复杂分段具有结构尺寸大、重量重、零部件多和布置密集等特征，这使得结构装配工序多，工艺复杂，操作难度大，整个分段的制造周期较长。但是，在以中间产品为导向的现代造船模式下，大型复杂分段的制造也存在并行交叉作业[2]，因此在分段制造管理中找到影响分段制造周期的关键任务[3-4]，并对其进行有效管理，通过采取合理的工艺分解和流程优化措施缩短关键任务耗时，能有效缩短分段制造周期[5-6]，达到高效生产的目的。

1 典型分段传统组立流程分析

1.1 分段结构分析

图1为某船底部双层底分段结构模型，其中：分段外部主要由底板、外板和甲板组成，底板与外板之间为曲形舭部外板结构；分段内部主要由纵舱壁、横舱壁、T型肋板、横梁、纵骨和加强肘板等部件交叉连接而成。按生产设计零件拆解，整个分段共包含970个零件，其中，主板零件202个，型材零件76个，肘板零件216个，补板零件167个，面板零件147个，加强筋162个。有些零件看似相同，实则不同，因不同零件的厚度、材质、形状、大小、坡口和收缩量等存在差异，使得零件具有唯一性，在装配时必须将特定的零件装配到特定的位置，不可互换使用。

图1 某船底部双层底分段结构模型

1.2 中间产品导向型任务分解

现代造船模式按区域/类型/阶段一体化组织生产[7]，船体分段作为船体结构建造中的重要中间产品，其建造过程也需进行较多的作业任务分解和装配组合。根据底部双层底分段结构的特点，采用成组技术，按空间上分道的原则，将分段建造过程的组立级别拆分为一级小组立、二级小组立、平面中组立、曲形中组立和大组立。根据制造车间作业分工，整个分段的具体组立流程见图2，小组立以分段为单位在部件作业区进行装配和焊接，完成之后配送到装焊作业区，开始进行相应的中大组立装焊作业。

图2 任务分解及作业流程

2 分段制造工期预估

2.1 分段制造标准工时预估

船体分段结构制造工时主要包括零部件的物流配送工时、装配工时、焊接工时、修补和检验工时，其中装配工时和焊接工时占分段制造工时的80%以上，通过计算这2种工时，并结合分段零部件数量和建造难易系数，即可估算出整个结构的制造标准工时。

焊接工时与焊接物量有关，可根据结构制造阶段、组立类型、焊接方法、焊接位置、焊缝长度和焊接零件厚度等关键属性要素进行计算，这些属性要素可在分段结构建模结束之后，从船舶设计软件中提取[8]。

在船体结构制造中，装配作业与焊接作业相互交叉、相互依存，因此装配工时能以焊接物量为基础进行估算，如对接焊缝需要对接装配，角接焊缝需要角接装配，单面焊双面成形焊的焊缝长度是装配长度的1倍，角接缝的焊缝长度是装配长度的2倍，不同焊接方法对装配的要求不同使得装配效率有所不同。由于曲形组立需要在胎架上装配，因此曲形组立的装配工时包含胎架制作工时。

工期是指完成每项制造任务实际花费的时间，以结构物量为基础，结合制造车间资源配置，通过工时转换得出双层底分段各项制造任务的工期（见表1）。

表1 任务排序和工期预估

2.2 分段制造关键路径分析

关键路径法是一种网络图分析方法，网络图节点表达见表2，其工作原理是为每个最小制造任务计算工期，并定义最早开始时间tES、最早结束时间tEF、最迟开始时间tLS和最迟结束时间tLF，按制造任务的紧前紧后关系形成网络逻辑图，所有作业时差为零的任务组成的路线即为完成整个制造任务所需要的最长路径，即关键路径。

表2 关键路径法网络图节点表达

在船体分段结构制造中，关键路径为从船体分段小组立制造开始至大组立制造完成过程中延时最长的一条任务路径，分段结构制造周期受分段制造关键路径的制约，与其他延时小的任务路径无关。以分段制造的每项制造任务的工期为基础，按制造任务之间的紧前紧后关系建立网络逻辑图（见图3），通过计算发现工序C、M2和G的时差为0，因此C→M2→G为传统组立流程下的关键路径，分段制造总工期为365h。

图3 传统组立流程网络逻辑图

3 基于关键路径的分段组立流程优化

关键路径是分段制造任务中耗时最长的路径，决定着分段制造的总工期，若要提高分段制造效率，需缩短关键路径上的关键制造任务所需时间，通过对关键路径上的组立流程进行优化，并对关键制造任务生产资源进行优先安排，达到缩短分段制造工期的目的。

3.1 分道建造小组立

分道建造是现代造船模式的重要组成部分[9]，在传统组立流程中，小组立C为DK1A甲板中组立的前道工序，需在小组立C整体装焊完成并配送到中大组立车间之后，DK1A中组立才能开始制造，而小组立C的制造工期达112h，占整个制造工期的30%。

从图2中可看出，小组立C由116个一级小组立和23个二级小组立组成，而在任务流向上，这139个小组立一部分归属于BS1A底板中组立，一部分归属于BS1B中组立，还有一部分归属于DK1A甲板中组立。因此，相对于关键制造任务DK1A甲板中组立制造开工所需的这部分小组立，关键制造任务小组立C多装焊了属于BS1A底板中组立和BS1B中组立的小组立，延长了小组立C的工期。

基于分道建造的理念，为确保关键制造任务DK1A甲板中组立制造提前开工，可将小组立C拆分成属于DK1A甲板中组立的小组立C2和不属于DK1A甲板中组立的小组立C1，二者分道建造和配送（见图4）。

图4 小组立分道建造的任务分解及作业流程

按照新的任务分解，建立小组立分道建造的组立流程网络逻辑图（见图5）。从图5中可看出，新的关键路径为C2→M2→G，总工期为336d，相对于传统作业流程，采用小组立分道建造和配送的优化措施，总工期可缩短8%。

需说明的是，因小组立C1为非关键制造任务，即使包含属于2个中组立的小组立，为减少理料和配送工作，可不对小组立C1做进一步的分道拆解。同时，为确保关键路径上的工期不受影响，在生产资源安排上优先保证小组立C2的制造需求。

图5 小组立分道建造的组立流程网络逻辑图

3.2 增加中组立数量

在新的关键路径C2→M2→G上，关键制造任务C2、M2和G之间为串联建造关系，各制造任务的工期都难以进一步压缩。但是，若采取增加中组立数量的措施，对关键路径上的制造任务做进一步拆解，会产生新的制造路径，出现并行建造关系[10]，同时减少原关键任务的工作量，使整体工期得到压缩。

图6为关键路径C2→M2→G上增加中组立数量的任务分解及作业流程。由于车间采用总分式布局，即1个小组立作业区满足多个中大组立作业区的小组立需求，使得小组立生产压力较大，前后道物量供需匹配不协调，若将一部分小组立移送到中大组立作业区制造，既能缓解小组立作业区的压力，又能平衡前后道物量。基于以上考虑，在对关键路径进行优化时，将小组立C2中尺寸和工作量较大的二级小组立移送中大组立车间制造，形成SS1A、FR55C、FR55E和LB37B甲板中组立，剩余的小组立定义为小组立C3，以进一步缩短小组立制造工期。同时，根据DK1A甲板中组立的结构特征和装配工艺特征，在建造DK1A甲板中组立之前，增加DK1C中组立，使得新的DK1A甲板中组立制造物量减少，装配和焊接难度降低。

按照增加中组立数量的任务分解，针对原关键路径上的制造任务部分建立组立流程网络逻辑图（见图7）。从图7中可看出，增加中组立数量之后，产生了新的关键路径C3→M3→M4→M2→G，总工期为292h，相对于传统作业流程，总工期减少了20%。

3.3 实船应用

综上所述，通过小组立做小、中组立做多和合理分道，可明显缩短分段制造工期。基于该研究成果对设计图纸和套料原则进行优化，从设计和工艺源头进行改进，通过图纸和下发数据的双重落地，带动制造端的变革，最终达到缩短分段制造工期的目的，并在两型新建产品上进行实船应用。

船体分段组立流程优化图是在制造现场分解生产任务和开展分段装配施工用到的重要指导图纸（见图8），基于小组立做小、中组立做多的思想，对船体分段组立流程图进行优化，相对于传统图纸，小组立物量减少32%，中组立物量增加29%。

图6 增加中组立数量的任务分解和作业流程

图7 增加中组立数量的分段组立流程网络逻辑图

图8 船体分段组立流程优化图

分段建造是以零件切割为起点的，因此套料数据是制造现场实现分道切割和建造的重要基础。为确保研究成果顺利落地，在原有中大组立混套原则的基础上建立新的中组立套料拆分原则，以船体分段组立流程为基础，将中大组立零件分开套料，确保中组立和配送至中组立的小组立能优先切割，有效保证关键路径上的关键任务顺利完成，确保整个分段制造工期不受影响。

4 结 语

本文基于关键路径法对大型复杂分段装配作业流程进行分析，找到分段装焊过程中的关键路径，并通过采用分道建造小组立和增加中组立数量的措施对关键路径上的关键制造任务进行重新分解和优化，达到缩短分段制造工期的目的，对提升企业工艺设计能力和生产管理能力具有重要的指导意义。研究发现，在生产计划安排上：对于关键制造任务，优先为其安排生产资源，以确保制造工期不受影响；对于非关键制造任务，可在资源调配允许的情况下，尽量在时差规定的时间内晚开工，以更好地解决后道物量需求与前道物量供应之间的矛盾，使生产更加顺畅。