面向智能管控的船舶管舾双托盘关键技术

高霆，王炬成

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

面向智能管控的船舶管舾双托盘关键技术

高霆，王炬成

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

为提高生产效率，针对对当前船厂托盘管理的现状，分析船厂面向智能管控的内外场托盘的设计需求，提出管舾双托盘的设计思路，以tribon平台为依托，采用相应的数据交互方法，实现内外场托盘的焊接物量提取，提出外场托盘子托盘的划分思路，并通过二次开发在tribon中实现自动进行管舾装件装配。

智能管控；双托盘；tribon；自动装配

随着《中国制造2025》纲领的实施，我国造船业将向智能管控的方向发展，这就对目前船厂的生产管理提出了更高的要求。智能管控在船舶管舾装领域是要通过足够管理数据的输入对管舾的内场制作和外场安装进行合理的计划安排，以减少无效工时和非增值工时的消耗。目前我国船厂管舾装还处于内场是利用成组技术的管件族制造，外场是单件散装、调度管理依靠人工编制表格的状态，与智能管控还有较大差距。管舾装的智能管控在管理思想上可以借鉴机加行业模式，借助EM-PLANT或DELMIA平台进行合理的计划制订及负荷仿真，但所有软件平台的应用都需要前期物量数据的输入，这些数据来源于管舾内场和外场托盘。因此，需要对船厂管加车间和预舾装场地在新的发展形势下的实际需求进行分析，通过对tribon的二次开发实现管舾内外场托盘的改进。

1 船厂管舾托盘管理的现状

船厂管件舾装托盘分为面向加工制作的内场托盘和面向安装的外场托盘。图1所示为船厂管舾托盘的组织流程。

目前的生产设计是以区域设计为导向，以安装托盘为单位进行内外场托盘统计的，即内外场托盘的管件数量是一致的,一个内场托盘对应一个外场托盘，如201分段预装托盘、G101总段预装托盘等。管加车间在安排任务时先将多个安装托盘混合后按分道加工线拆分成多个制作托盘进行加工，然后结合外购的阀附件、紧固件等再次拆分成面向不同阶段和区域的安装托盘。

1.1 内场制作托盘管理现状

各船厂现行的管件加工内场托盘的主要信息有：

1)管材清册。将管材按规格分类汇总长度和重量信息。

2)附件清册。将管件内场所需附件(如弯头、法兰等)按规格分类汇总数量和重量信息。

3)管件清册。逐根表达管件的材料、长度、重量、表面处理和试验信息。

由于船厂管加车间已经按照成组技术的管件族加工的理念进行了大中小管件生产线的组织，因此，管加车间需要将托盘人工分解后才能进行物资准备进而组织生产。在实际生产时由于不同的托盘中管件的数量、管径、连接件、弯曲形状不一样，这就造成每根管件的加工工时是不同的，在按托盘分解后的每条生产线上的工作负荷就是不均匀的，现场经常会出现等待、工件积压的情况。此外，由于托盘中仅提供了材料信息，而管理物量没有体现，因此需人工凭经验预估每根管件的加工工时，但做不到对每道工序的工时控制，总工时的准确性不高，现场易产生人为因素导致的无效工时消耗[1]。

1.2 外场安装托盘管理现状

各船厂现行的外场托盘主要信息有：

1)管件清册。逐根表达管件的材料、长度、重量、表面处理信息，与内场一致。

2)阀件清册。将外场所需阀件按规格分类汇总数量和重量信息。

3)紧固件清册。将外场所需的法兰紧固件(螺栓、螺母)按规格分类汇总数量和重量信息。

4)支架清册。支架的名称列表。

外场托盘虽然是按照安装托盘汇总的信息，但是机舱一个托盘中的管件、阀件的数量近200件，现场施工时工人需要先根据安装图确定安装次序，然后从200根管件中找到所要的对象，在安装时需要花费大量的时间翻捡。此外，管件、阀件间的重量相差较大，需要吊车来协助安装，所以船厂需要设置调度员来及时协调各施工场地的吊车需求。由于托盘中不能提供足够的信息，使得人工协调的结果往往达不到最优化的效果，现场会出现等待的情况。

综上所述，当前的船厂管舾内外场托盘的内容已不能满足船厂智能制造、绿色制造的要求，管舾的内场加工和外场安装要向高效、有序、节能的方向发展，对内外场托盘表达的信息也就会提出更高的要求。按此思路，管舾的托盘管理应是内场需考虑成组加工，提供充分的物资信息和管理信息，外场考虑安装次序的双托盘管理模式[2-3]。目前我国船厂的生产设计平台主要还是tribon，本文主要介绍基于tribon数据结构和typhon语言的托盘设计关键技术。

2 面向智能管控的内托盘设计

2.1 设计需求

现代造船模式指导下的管加车间采用的管件族加工技术，是根据管件加工的相似性组织生产线，每条生产线的加工工序相同，每道工序设有并联的多个设备。若需加工的管件数为M，工序数为N，每道工序上的设备数为P，由于每根管件仅需在相应工序的设备上加工1次，这就是典型的并行机调度生产模式。目前主流的思想是借助仿真软件采用遗传算法来求解最优生产计划[4]。

在进行优化计算时其种群中的染色体是一个M×N的矩阵，适应函数为完工期T。T既与染色体矩阵的排列相关，也与单根管件的加工工时定额ti相关。

式中，k为工作宽放系数，包括生理宽放、疲劳宽放和管理宽放，一般为一定值；tijo为管件i在j工序上消耗的正常作业时间；tijm为管件i在j工序上消耗的移动时间[5]。

由于每根管件的管径、形状及连接形式不同，因此要设计出合理的加工调度方案，就必须要得到较准确的单件工时tijo。也即生产设计提供的内场托盘应能体现每道工序的加工物量信息。图2所示为按先弯后焊模式下船厂管加车间工序组织和相应工序管理需要的管理物量。

可见，要满足智能管控对管加车间生产调度的需求，内场托盘一方面要按车间的分道生产线进行大中小管线及材质的分类汇总；另一方面托盘中要增加每根管件的管段数、弯头数、装配件数、焊缝数的统计信息。

因此改进后的内场托盘表应是图3所示的形式，其中管子清册中的工序物量是新增加的内容。

2.2 内场托盘设计的关键技术

在tribon数据库中1根管件被称为spool，spool由branch组成，当branch数大于2时就存在支管。每个branch又由n个part组成，每个管附件都是1个独立的part，管段的具体结构见图4。

其中特别要注意的是对于弯管(冷弯成形管)，如图4中的part2～part6，虽然原材料是1根直管，但在成形后tribon中的数据是5个part。

根据图2的工序，下面介绍3个关键数据的统计方法。

1)下料管段数量的统计。首先判断branch的数量，然后按branch依次读取管段的part信息，接着通过type code判断是否为管材，若为管材则比较是否与上段part的材料相同，若不同则视为是新的一段管材，其中关键字如下：

PIPE.PIPS(′管段名′).NBRA ′提取支管数

PIPE.PIPS(′管段名′).BRANCH(支管号).PART(零件号).COMP_T ′提取管材type code

DexStr="PIPE.PIPS(′管段名′).NBRA"

Extract.DoDataExtraction DexStr

value=Extract.GetValue

value值即为该管段的支管数。此外，通过判断一个管段中part的type code，也可以准确得出管段中附件的数量。

2)弯曲数量的统计。首先读取part信息，通过type code判断是否为管材，然后比较该part的2个连接面的矢量方向，若不同则视为一个弯角，其中关键字为：

PIPE.PIPS(′管段名′).BRANCH(支管号).PART(零件号).CON(1).VEC′提取1端面向量

3)焊缝数量的统计。内场焊缝数取决于支管数量和管件中附件的个数，如搭焊法兰是两道焊缝，对焊法兰是1道焊缝，连接套管是两道焊缝等，表1统计了部分常见附件的内场焊缝数量。

表1 内场附件焊缝数量表

通过读取管段中part的type code，然后根据表1即可统计出相应附件的内场焊缝物量。

3 面向智能管控的外托盘设计

3.1 设计需求

管舾的外场管理需求主要为解决外场焊接物量和提高管件在外场安装时的效率，由于同一时期内会出现多个分段同时进行外场舾装的情况，调度员需要收集同一时期内需要汽车吊协助安装的管路，此类管路和相应的支架应单独成为一个子托盘。其他管件、支架应按照一定的规则分成多个子托盘以便提高管件翻检效率。外场托盘表的形式不需太大改进，只需按子托盘统计物量，并在管子清册中增加焊接物量即可。图5为改进的子托盘管子清册。

3.2 外场托盘设计的关键技术

3.2.1 焊接物量

管舾外场焊缝数量主要来源于支架和管路焊接，支架焊缝可以从垫板或角钢的数量上统计出，管路的焊缝数量统计也是基于对管路附件的类型判别，表2是部分附件的外场焊缝统计表。

表2 外场附件焊缝数量表

实际上，由于分段边界处会设置合拢管，如图6所示，此时，套管的两端连接管属于不同的module，因此需将外场焊缝数量减少1个。用PIPE.PIPM(′管路名′).CON(′连接面号′).REF.CONN_N可以得到相邻管段的名称，据此可以对焊缝数量进行修正。

3.2.2 子托盘划分

考虑到汽车吊的合理使用，外场预装时需将重量超过75 kg的管路集中装配以提高翻捡效率，对有连接关系的大管路应先进行平地预组然后整体吊装。单管重量小于75 kg的管路由人工搬运安装，为提高翻捡效率，子托盘在设计时可以遵循按板架、区域相对集中的原则[6]。

子托盘的划分可以采用Tribon的assembly planing模块，其结构形式如图7。

外场托盘的子托盘是以二级装配为单位的，三级装配是面向安装图纸的表达，主要考虑管件预组和各板架上管路的安装次序。

目前大多数船厂在利用tribon进行管系生产设计时不采用assembly planing模块的原因，主要是装配是以spool为单位进行的，当一个module里管件数量较多时，人工收集耗时较大且易遗漏。为提高设计效率，本文设计了自动收集管件装配的方法，通过先遍历船体结构的装配树，筛选出作为子托盘参照的板架，然后判断支架和板架、支架和关联管段的相对位置，进而对支架和管段赋予装配信息[7]，其主要思路见图8。

这个思路可以实现将管路和支架按支架所焊接的大板架分别进行装配，剩余的管路一般是独立的通舱件，可以通过管路和板架的空间干涉来判断通舱件属于哪个板架。程序中与tribon数据库进行信息传递的关键有以下3点。

1)判断支架在板架上。先通过提取支架垫板的方向向量与板架的方向向量进行比较，然后提取垫板的坐标与板架的边界形状进行比较，再计算垫板到板架的距离，满足以上条件的即可判定支架是焊在板架上了。其关键语句如下。

STR.ITE(′支架名′).GRO(1)PART(3).COG

′提取垫板坐标

STR.ITE(′支架名′).GRO(1).PART(3).ROU

′提取垫板方向向量

HULL.PANEL(′板架名′).TRANSFORMATION_MATRIX ′板架位置描述4X4矩阵

HULL.PLATE(′板名′).OUT.NSEG

′板材零件的轮廓边数量

HULL.PLATE(′板名′).OUT.SEG(1).END_POINT

′板材零件每条轮廓边的起点

HULL.PLATE(′板名′).OUT.SEG(1).START_POINT ′板材零件每条轮廓边的终点

2)判断支架关联的管子。支架主要通过管夹来和管路形成关联，首先判断管夹方向向量与管线方向是否一致，接着判断管夹中心是否在管线范围之内，最后计算管夹中心到管线的距离，据此可以准确地找出与支架关联的管路。其关键语句如下。

STR.ITE(′支架名′).GRO(1)PART(1).COG

′提取管夹坐标

STR.ITE(′支架名′).GRO(1).PART(3).ROU

′提取管夹方向向量

PIPE.PIPM(′管路名′).PART(1).NOD(1).POI

′提取管线1个端点坐标

PIPE.PIPM(′管路名′).PART(1).SPOOL_NAME

′提取对应的管段spool名

3)添加装配信息。确定管段和支架后通过tribon自带的API接口就可实现舾装对象的装配信息的自动赋予[8]。其主要语句如下。

KCS_ASSEMBLY. ASSEMBLY_NEW(父级装配名，新装配名) ′新建装配

KCS_ASSEMBLY. ASSEMBLY_ACTIVATE(装配名)

′激活装配

KCS_ASSEMBLY. MODEL_COLLECT(管段名/支架名) ′在装配下收集模型

KCS_ASSEMBLY. ASSEMBLY_SAVE()

′保存装配

图9所示为通过程序自动收集管段和支架的结果。

4 结论

1)通过二次开发向DELMIA等管理平台传递的内外场托盘的管理物量和焊接物量，其数据提取方法可行、数据可靠，具有较强的通用性。

2)本文介绍的相关技术解决了船厂管舾生产部门迫切需求的管理物量缺失问题，为现场派工和制定合理的生产计划提供了数据支撑。

3)目前大连理工大学、哈尔滨工业大学的研究主要是面向智能控制的管加车间生产体系框架的搭建，本文解决的是管理信息从生产设计平台向管理平台的传递，是实现智能管控的必要补充。

4)在自动装配方面，对于垂直于板架的支架判断较准确，但在处理倾斜且没有垫板的支架时会发生误判，需要人工干预，还有进一步优化的空间。

5)本文对自动装配的研究主要是面向管舾装件，但是其思路可以指导铁舾、电气、通风等专业，通过深入的研究最终可以在tribon中实现多专业的自动装配。

[1] 李琳.基于生产流程的船舶管加工车间信息模型的研究[J].新技术新工艺，2012(9)：34-37.

[2] 李险峰.DELMIA让数字化工厂成为现实[J].CAD/CAM与制造业信息化，2008(15)：45-49.

[3] 邓硕.面向船舶制造的托盘集配技术及系统实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

[4] 解彦琦.船厂管加工车间生产计划仿真[D].镇江：江苏科技大学，2011.

[5] 史青涛.基于遗传算法的单工序并行机分批调度研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[6] 谢国术.提高散货船上甲板管路先行舾装率的方法[J].船海工程，2014，43(6):165-167.

[7] 孙良，郑灿平.TRIBON M3装配计划模块的焊接计算二次开发与应用[C].长三角地区船舶工业发展论坛,2014.

[8] 王淑梅,王新奇.Tribon M3焊接计划应用与开发[J].船舶工程,2008,30(5):76-78.

The Key Technology of Ship Pipe Double Pallets with Face to Intelligent Management

GAO Ting, WANG Ju-cheng

(College of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

In order to improve production efficiency, in regard to the current situation of shipyards’ pallets management, the design requirements of manufacturing and installation pallets with face to intelligent management in shipyards were analyzed, and a design idea of double pallets was proposed. Based on tribon platform, the cross-data method was employed to realize welding material quantity extraction. The division idea of sub-pallets for installation pallets was put forward for automatic assembly of pipes and outfitting in tribon with the help of secondary development.

intelligent management; double pallet; tribon; automatically assembly

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.017

2016-09-14

国家自然科学基金(51509114)

高霆(1979—)，男，硕士，讲师

U671.4

A

1671-7953(2017)02-0073-06

修回日期：2016-09-28

研究方向:船舶与海洋工程