基于并行工程的客滚船设计工期优化研究

杜尊峰 樊 涛 赵 勇 文树吉

（1.天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室 天津 300354； 2.招商局邮轮研究院（上海）有限公司 上海 200137）

0 引 言

随着我国造船水平的不断发展，传统以二维图纸为主的串行设计模式在客滚船的设计中存在诸多缺陷,已无法适应目前客滚船的技术发展需求。此外，客滚船作为高附加值船型，设计工期的成功优化也将为建造豪华邮轮奠定基础。为优化工程项目的进度，国内外学者提出并研究了许多工期压缩技术，如分期建设、快速路径和并行工程等。其中，并行工程理论是指对产品的设计建造流程进行分析，提高各阶段的并行度，从全局角度优化产品的设计建造，从而实现工期优化等目标[1]。

并行工程目前已成功应用在航空、航天、汽车和装备制造等多个领域，理论的可行性得到了充分验证[2-5]。但在国内外船舶领域，对于并行工程的研究多数仍停留在理论阶段，仅有少数船舶在设计阶段实现了简单的并行工程应用。

应用并行工程理论能够起到缩短船舶研发周期、降低船舶设计与生产成本、提高船舶建造质量的目的。张光明等[6]提出促进造船第2次现代化管理的有效策略之一是推进造船并行工程。刘寅东等[7]分析并行协同设计特征，搭建船舶并行协同设计环境，推动并行工程理论在船舶行业的应用。王岳等[8]对船舶设计流程的仿真建模进行深入研究，指出并行工程环境下改进船舶设计流程的方法。迟振华等[9]研究了如何更好地在并行协同设计过程中，对产生的文档、图纸和模型等数据进行有效管理。TAN 等[10]指出并行工程理论是船企项目管理计划流程优化的策略之一，可通过对船舶及海工项目的全生命周期考虑，避免后期不必要的返 工。MONACA 等[11]通过分析现有船舶辅助设计软件，指出在船舶设计过程中实施并行工程理论，需要集成并更新现有船舶辅助设计软件，以便设计阶段的快速变更。HANSEN 等[12]通过跟踪实际造船案例，指出在船舶设计和施工阶段实施并行工程需要考虑的要素。

由于客滚船不同于一些常规船型，其具有结构复杂、零附件数量众多等特点，因此传统以二维图纸为主的串行设计模式无法支撑并行工程理论的开展。在应用并行工程理论以缩短客滚船设计开发周期时，对客滚船产品数字化提出了较高的要求，利用基于模型定义（model based definition, MBD）技术才能实现基本设计、详细设计和生产设计协同进行。MBD 技术是指在产品的三维模型上标注几何以及非几何信息，以3D 模型作为唯一数据源进行产品设计和制造，是支撑基于并行工程理论对客滚船设计工期进行优化的重要条件。MBD 技术在美国、日本、韩国等造船强国已取得广泛应用，实现各专业（船体、舾装、管系等）向三维模型转化[13]。方喜峰等[14]开发出基于MBD 技术的船用柴油机三维装配工艺可视化系统，实现装配工艺的可视化发布。

本文以MBD 技术为支撑，应用并行工程理论对客滚船设计过程进行分析、调整和重组，构建出客滚船新的设计模式；以设计结构矩阵为基本计算工具，通过某客滚船的实际设计对比其优化前后的设计工期，证明了并行工程在缩短客滚船设计研发周期以及优化整个项目进度上的可行性与有效性。

1 基于并行工程的设计优化

目前客滚船设计过程大多为典型的串行设计模式，可分为：基本设计阶段、详细设计阶段和生产设计阶段。基本设计阶段主要是将船东需求转化为概念性的设计，进行客滚船总体方案的设计；详细设计阶段是在基本设计的内容上进行深化，按照不同的区域和区段进行，对不同的工程进行设计计算，绘制图纸；生产设计阶段是船厂对客滚船的建造过程进行设计和规划，确定客滚船的建造工艺等，制作相应的加工图、安装图，以指导实际生产。传统客滚船设计过程，如下页图1 所示。结合船厂实际情况，国内客滚船设计项目存在以下问题。

图1 传统客滚船设计模式

（1）传统客滚船设计团队组织结构不完善。传统客滚船设计过程为典型的串行过程，下一阶段的设计工作必须等上一阶段设计工作完成后才能开始。比如，基本设计、详细设计以及生产设计的工作均是以上一阶段的结束为起点的。若某一阶段的工作有所拖延，便会直接影响后续所有设计工作的进展，进而大大延长整个设计周期。

（2）以二维图纸为主的设计模式难以支持并行设计的开展。通过对客滚船的设计流程进行研究，发现客滚船的许多设计工作并不存在必然的递进关系，一些设计工作可以并行完成，只需其上一阶段的设计工作确定部分前置的技术信息就可开展。但由于客滚船设计图纸较复杂，并行设计的难度也相对提高，因此在传统客滚船设计流程中，存在诸多可以按照并行设计模式展开却仍然按照串行设计模式进行工作的情况。

（3）串行设计流程导致“抛墙式”问题。“抛墙式”问题是指上一阶段进行的工作并不考虑下一阶段可能会遇到的问题。在客滚船的设计项目中，最典型的“抛墙式”问题是客滚船的设计单位在设计阶段未与建造部门充分沟通，设计的图纸容易忽视生产阶段的实际情况，最后导致设计返工。通常情况下，设计单位只考虑设计出符合船东要求的图纸，而忽略生产阶段所面临的实际施工以及船厂工艺问题，从而导致上游设计阶段被忽视的问题直到生产中才能体现出来。

（4）在客滚船的设计过程中，若采用串行设计模式，会使结构专业与其他专业的设计步调不一致，而导致结构设计大量返工，造成工时浪费，周期延长。即当结构基本设计或者详细设计完成后，由于其他专业不同步，大量的专业协调工作将导致结构设计大范围修改。

可见，客滚船的传统设计模式已经不适应时代潮流。因此，为了解决传统设计模式存在的问题，可采用并行工程理论对其进行改进优化。优化后，设计流程具体如图2 所示，灰色部分为主要优化部分的设计流程。

图2 客滚船并行设计模式

以MBD 技术为支撑，应用并行工程理论后，设计模式转变为结构专业3D 一体化设计与舾装专业提前设计的并行设计模式。设计流程并行度增加，基本设计和详细设计、生产设计协同进行，整体呈现“宏观串行、微观并行”的形式。基本设计过程中，结构专业由原有的2D 图纸设计转变为3D 模型设计。在先进设计软件的支撑下，客滚船设计过程中结构专业只需设计1 个3D 模型，减少反复建模的工作量。各阶段设计工程师在该模型上进一步修改，实现结构3D 一体化设计。当基本设计的区域3D 模型搭建完成后，详细设计人员与生产设计人员可以提前介入工作，实现舾装专业提前设计。基本设计、详细设计和生产设计协同进行时，各设计阶段主要工作如表1 所示。

表1 设计协同进行时各设计阶段主要工作

2 基于设计结构矩阵的工期计算

传统项目进度工具（如网络计划图、时间Petri 网等）均能清晰展现各工序之间的关系，可合理安排各工序顺序，但是这些进度工具要求项目中不能存在交叠执行的工序。然而，在客滚船实际设计过程中，一些工序并不需要等其前置工序全部完成后再开展设计工作，例如基本设计中的舾装设计只需要船体设计部分完成后即可开展设计工作。当前客滚船设计流程中均存在部分交叠执行的工序，若按照传统项目进度工具安排设计工作，对于客滚船设计周期的控制有非常不利的影响，因此，这些工具难以适用于客滚船设计项目。

设计结构矩阵（design structure matrix, DSM）是用矩阵来反映各工序之间关系的方法，在舰船设计等复杂系统工程中具有突出优势。刘强等[15]采用DSM 分析船舶设计要素之间的关联性，降低多学科设计优化模型的耦合度。徐一帆等[16]利用DSM 分解和细化舰船设计的系统流程，对设计流程进度及费用进行评估。白思俊等[17]为解决传统项目周期计算方法中工序不能重叠执行的局限性，基于DSM 设计了1 种考虑时间因子的项目周期计算模型。

该模型强调各工序之间的信息流，通过分析紧前工序的时间因子能够很好地处理交叠执行的工 序[17-18]。以船体基本设计和舾装基本设计为例，船体基本设计为舾装基本设计的紧前工序，船体基本设计提供信息后，舾装基本设计才能开始执行。此时，紧前工序船体基本设计的时间因子为tA/dA，dA表示船体基本设计的执行时间；tA表示紧前工序船体基本设计提供信息时，船体基本设计的已执行时间，具体如图3 所示。

图3 工序A、B的信息流示意图

当tA/dA=1 时，表示船体基本设计完成时提供信息；当tA/dA＜1 时，表示船体基本设计完成部分后提供信息。若舾装基本设计存在多个紧前工序（如船舶主要参数、核心设备订货等），则需要所有紧前工序提供信息后，舾装基本设计才能开始执行。

矩阵A是工期计算的设计结构矩阵，矩阵A的对角线元素Aii表示第i行对应工序的执行时间，对角线以外的元素Aij表示第j列对应的紧前工序传递给第i行对应工序的时间因子。若Aij为空，表示第j列对应的紧前工序不需要传递消息给第i行对应的工序。利用矩阵A存储信息流tA/dA，表示信息流的起始时刻。例如A21=0.3 表示第1 列对应的工序完成30%时，给第2 行对应的工序。

根据上述参数可以建立客滚船设计工期计算模型如下：

式中：n为工序数量；i为客滚船设计流程中的某道工序；j为工序i的紧前工序；P(i)为工序的紧前工序集合；TS*i为工序i的计算起始时刻，TSi为工序i的实际起始时刻（当TS*i≥0 时，TS*i＝TSi）；TFi为工序i的结束时刻。

3 实例验证

在未应用并行工程理论进行优化前，传统客滚船设计流程会导致客滚船产生大量专业协调问题。因此，本文结合某船厂所承建的某型号姊妹型客滚船的实际设计流程，验证应用并行工程优化设计流程的可行性。该型号客滚船的传统设计流程和应用并行工程理论进行设计工期优化后的各个工序完成时间可用1 个定制度量，具体数据如表2 和下页表3所示，其中表2 所述时间为该船厂提供的该姊妹客滚船型中第1 艘的实际设计时间。

表2 传统客滚船设计流程中各工序所需时间

优化前后，客滚船工期计算的设计结构矩阵分别如表4 和表5 所示[17]。

表4 优化前客滚船工期计算的设计结构矩阵

表5 优化后客滚船工期计算的设计结构矩阵

根据表中数据及上述计算公式，应用并行工程理论对客滚船设计流程进行优化之前，设计该型号客滚船各工序起始时刻和结束时刻如表6 所示。

表6 优化前客滚船各工序起始时刻和结束时刻

同时，考虑到工序间的冲突及协调问题所带来的时间损失，如果由于设计审核，发现存在问题则需要返工修改，同时各工序完成时间往往会由于不确定因素出现延时等情况。因此，本文充分调研专家意见，通过设置时间裕度系数来度量由于工序延时和工序间的协调、冲突造成的损失时间。时间裕度系数与工序数量有关，工序数越多、系数越大。本文设置串行设计模式下的时间裕度系数为1.1，并行设计模式下的时间裕度系数为1.05。

因此，优化前，该客滚船设计工期为26.4 个月。优化后，设计该型号客滚船各工序起始时刻和结束时刻如表7 所示。

表7 优化后客滚船各工序起始时刻和结束时刻

优化后，客滚船设计工期为21 个月。优化后的设计流程可比传统设计流程提前5.4 个月，优化率达25.7%。相比于传统设计流程，优化后的设计流程主要优势体现在以下几个方面：

（1）结构专业设计全流程，减少约1/9 生产设计工作量。 优化后的设计流程采用结构一体化设计，即整个设计过程中只建立1 个3D 模型，因此客滚船建模工作量约减少1/2，并且出图工作量约减少1/4，总计占生产设计工作量的1/9。

（2）实现舾装专业提前介入设计。传统设计流程中舾装专业的生产设计工作需要等基本设计和详细设计完成后才能进行。优化后的设计流程从基本设计起就转变为3D 模型设计，当各区域模型建立完成后，舾装详细设计和生产设计可提前介入设计。

（3）避免设计返工问题。传统串行设计流程中，设计工作会因为舾装专业与结构专业的不协调问题造成重新返工，易延误工期。优化后的设计流程各阶段设计工作可协同进行，不会造成结构设计工作的大规模返工；同时，优化后的工序数量减少，降低了由于不确定性而造成的工序延期风险。

4 结 语

依托于MBD 技术，应用并行工程理论后，客滚船设计模式转变为结构专业3D 一体化设计与舾装专业提前设计的并行设计模式，有效处理了各专业协调问题，使各设计阶段协同进行，提高各工序并行度从而缩短设计时间。应用设计结构矩阵进行工期计算，经实例验证，优化设计流程后的某型号客滚船设计时间整体缩短，优化率达25.7%。

随着数字化设计在船舶领域的进一步推广，并行设计模式能够更好地发挥作用。例如舾装专业可以依托设计软件转为3D 一体化设计，更进一步缩减设计过程中的工作量，实现各阶段工作协同进行，提升设计效率，缩短设计周期。