制造流水线安全运行的信息物理融合系统

任海英 邱伯华 段懿洋

摘要

本文主要对制造流水线的总体布局设计、各工位功能设计、工艺设计、设备配置、配套场地设计等进行了详细叙述。然后进行了信息物理融合，可以模拟系统在不同作业计划的执行情况，可以选择合理高效的作业计划提高生产线的运行效率，减少库存，缩短生产周期。

【关键词】船舶工业 制造流水线 信息物理融合 安全运行

船舶工业具有劳动、资金、技术密集性的特点，也是现代大工业的缩影，是关系到国防安全及国民经济发展的战略性产业。随着成组技术和模块化技术的发展应用，当前船舶工业多采用流水线的生产模式，也就是以船舶区域、作业类型和生产阶段分类，以中间产品为导向的流水线模式成为主流模式，船厂成为组装厂，主要按中间产品的专业化生产组建生产车间，使用专用的加工设备，可显著提高生产效率。本文具体探讨了制造流水线安全运行的信息物理融合情况，现总结报道如下。

1 船舶船体结构的分段流水线制造概述

1.1 船体结构形式

船舶是大型复杂装备产品，其技术水平体现一个国家的经济和技术实力。传统的造船业是劳动力密集型产业，当前随着制造技术的发展，造船业逐渐走向技术密集型产业。船体结构主要是由各种型材、钢材组成的钢结构。船舶的外壳一般是流水线型的，只有船中附近线型趋于平坦。平面分段可分成单壳分段和双壳分段，双壳分段是由单壳分段加上带有纵骨的上面板组成;单壳分段是由底板加上纵骨、肋板和纵桁组成。

1.2 船体结构的分段流水线制造模式

随着每年造船总量的不断攀升，分段制作物量越来越高，提高组立速度及均衡性越来越关键。平面分段结构简单，不同船舶的平面分段在结构和工艺特性上都很相似，焊接长度易于采用自动焊，也易实现滚道传送，适宜于流水线生产。

2 船舶船体结构制造流水线的设计

2.1 制造流水线总体设计

现代造船模式是在汲取成组生产、精益生产和计算机集成制造等先进制造模式精华的基础上的集成创造。利用先进的网络和信息技术，推动船舶向数字化、网络化、智能化方向发展，可提高船舶生产的安全性和效率，帮助船舶工业降低成本、提升竞争力，获得发展的新动力。某某造船企业的智能系统可以从每个部件加工组收集制造中的船件尺寸、环境温度、空气湿度等数据，并由系统自己运算分析。一旦某个部件的尺寸数据发生偏差，立即预警。在某某造船企业的信息物理融合车间，以前的切割、焊接、涂装都是人工作业，现在则实现了自动化或智能化，现场仅有几个做辅助工作的工人。在焊接环节，用七轴的机器人替代了传统的人工电焊。不仅作业效果提高约40%，而且工人的劳动强度也大大降低了。

2.2 制造流水线具体设计

全面建立精益船舶制造体系，推广应用数字化造船技术，突破船舶智能制造工艺、智能装备及生产线、车间生产综合管控、车间智能制造平台、智能制造技术体系等船舶分段智能制造共性关键技术，建设船舶分段智能制造车间示范工程，骨干造船企业造船效率达到15工时每修整总吨，分段无余量制造率90%，搭载前预舾装率85%，造船效率和制造质量接近日韩水平。

2.2.1 作业班组模型

流水线生产系统下的作业班组构建问题可以描述为针对给定的具有多种加工工艺路线的制造任务集，在满足交货期、制造资源加工能力等约束条件下，以成本、作业班组生产率、设备利用率和作业负荷为目标函数，在可利用的制造资源内，选择合适的制造资源，确定相应的工艺加工路线，实现资源与加工任务的匹配，组成若干作业人员与作业设备相结合的作业班组。每当零件到达事件出现时，首先确定机床的状态，如果机床是空闲的，则改变到忙状态，并且到达时刻被记录到CHECKOUT中。零件离去事件是指在当前工序完成加工，将要离去，进入下一道工序所触发的系统状态的变化行为。每当零件离开时，检验缓冲库以观察是否有零件在等待加工，如没有（number=O），则机床状态被置零（m=0）而下一个离开时间被置为“无穷大”，以保证下一个为到达事件，然后控制返回到主程序。

2.2.2 生产调度系统模型

在作业班组构建完成后，合理的生产调度是保证流水线生产系统高效性的重要基础，本节将建立流水线生调度产系统的数学模型。每个工作组只能同时在一个分段完成一个工序的工作。同一个分段的两个工序不能同时完成，且工序一经开始不能停止。工作组在不同分段间流动的时间忽略不计。同艺工作组内有工人均可完成普通工艺任务，复杂工艺任务只有掌握复杂工艺的工人可以完成。当分段只有普通工艺任务时，小组内所有工人均参与完成任务;当分段内有普通工藝和复杂工艺时，分别由掌握相应工艺工人负责完成，复杂工艺工人完成复杂工艺任务后，若普通工艺任务还未完成，复杂工艺工人参与完成剩下普通工艺任务。合理的作业班组构建是流水线生产系统的重要基础，也为流水线生产调度系统提供了强力的支撑。通过数学建模更进一步的分析了作业班组构建和生产调度问题的实质，为搭建流水线生产系统提供理论支撑。汇总统计机床组的加工效率m_sjiagongef，机床平均响应时间rrl-savgpd、零件逗留4min以上的比例m_slingeffate，接着打印输入参数零件平均到达间隔m-farrival、零件平均加工时间m_tjiagongfime、加工时间标准差m_fbzh，最后打印统计数据。

3 制造流水线安全运行的信息物理融合系统建立

3.1 系统设计

为了方便船厂分段车间实施流水线下的生产融合，开发了相关的信息物理融合系统主要满足以下功能：能够方便、直观的显示融合结果;能够根据车间的生产任务和作业班组的情况进行生产融合;从功能上实现作业班组的构件，并方便维护;方便导入车间的生产任务;能够反映车间的生产能力状况。

3.2 功能模块设计

信息物理融合系统的主要功能模块有车间资源信息、车间任务信息、作业班组设置、车间生产融合、融合结果输出和融合性能分析等。车间资源信息主要包括车间内的人员、设备等资源情况，人员资源信息主要包括不同作业类型的人员数量、技术掌握种类以及工作能力等，设备资源信息主要包括设备的种类和能力等，船舶曲面分段主要用的设备有门吊、焊接设备、装配设备等。融合结果输出是将车间融合结果以作业班组任务和曲面分段班组安排两种形式输出，分别显示每个作业班组加工的任务、加工时间和每个分段各工序的工作班组、工作时间。融合性能分析可以输出融合结果的甘特图，还可以分析遗传算法的收敛性。融合方案界面显示系统计算出来的融合方案，分别可以按照作业班组安排显示和分段安排显示。

同时在进行制造流水线安全运行的信息物理融合系统建立过程中，融合设计、数据支撑等是智能制造装备充分发挥效率，实现能力的重要因素;整体规划、分布实施至关重要，同时要结合企业自身生产实际需求，自主完成生产线的基本设计，再造流程。

总之，制造流水线安全运行的信息物理融合具有较高的机械化、自动化设备，比如还必须要有现代化的管理，这样才能真正发挥流水线信息物理融合的价值。

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