船舶設計中的管材套料問題分析與解決方案

周言高, 洪 楠

(揚州中遠海運重工有限公司, 江蘇 揚州 225211)

0 引 言

船舶設計和建造是一項復雜的系統工程,涉及到的舾裝物資數量龐大。就管路系統而言,一艘6萬噸級散貨船有50～80個管路系統原理圖,約有11 000根管段,其中包含的管材、法蘭和彎頭異徑等零件的數量更多。在材料匯總統計、采購、運輸、管理、領用和后期的材料加工處理方面,均需消耗大量人力、設備和場地等資源。

為優化和改進管理模式,降低管理強度,細化管理目標,國內船廠通常對管材加工生產管理系統與物資采購系統進行集成,利用這2個系統中的數據對管材進行現場套料,由此提升材料的利用率,加強對余料的管理。

然而,由于數據來源不止1個,常出現設計數據與物資到貨數據或生產套料數據存在偏差的情況,導致余料使用錯誤,余料管理不便,到貨物資與采購的物資規格不一致(如管材定尺長度與到貨實際長度不一致,導致管材套料數據不準確等)。

由此,管材套料系統需充分考慮實際出現的問題,靈活調整,采用綜合套料的方式進行套料管理,使管材套料后的數據更接近實際情況,提高加工效率,降低出錯概率,盡可能地減少余料的數量,降低材料管理難度,節約材料成本。

1 管材套料現狀

管路要進行綜合套料,需在模型設計完成、管材規格確定之后進行。很多船廠為簡化套料方式,一般采用固定規格型號和尺寸的管材作為母材,如采購定長為6 000 mm和12 000 mm的管材。受市場價格導向因素影響,這種定尺管材的采購方式和采購價格與采購量有關。為降低采購成本,部分船廠按實際到貨的管材尺寸進行套料,這種套料方式靈活方便,有很強的適用性,存在的問題是程序對管材規格和種類的處理相對復雜,施工部門對母材管理的工作量較大。

管材套料在對母材進行分類處理的同時,還需對切割的余料進行管理和再利用,1個套料批次管段的數量可根據管材加工部門的加工能力進行合理選擇,可對單個分段進行套料,也可同時對多個分段進行套料。多個分段混套的優點是有助于提升材料利用率,缺點是會增加管理難度,每批套料的材料要在一定的周期內加工完成,避免下料之后管段無法按時生產,造成材料堆放混亂,進而影響加工效率和導致管段施工制作出現差錯。

管材套料需要一套完整的解決方案,從前期材料預估和采購到生產設計完成之后的內場制作托盤表下發,再到管加工車間內場施工制作之后的余料管理等階段,都需要圖紙和軟件的支撐,靠人工完成這一系列工作的難度很大,出錯概率和成本投入很高。因此,需開發一套基于Tribon設計平臺的管材套料應用軟件,解決上述人工完成困難和成本投入高的問題。該軟件直接從Tribon數據庫中抽取模型數據,基于管段加工信息對管材進行套料處理,包含余料重復利用,余料和廢料的匯總、查詢等。在這種模式下,可做到管段數據實時更新,避免出現跨平臺帶來的數據更新滯后和數據導入導出繁瑣的問題。

2 管材套料解決方案

套料方案可根據實際需求,采用通用背包法或比較歸類法得到。

2.1 方案一

管材套料可采用背包算法實現[1],常見背包問題的數學模型及解法如下。

該問題的數學模型可表示為

(1)

式(1)中:xi取0或1;i=1,2,3,…,m;m和n均為正值。

通過構建上述數學模型,可設定母材的總長度為n,可放入需套料管材零件的最大總價值為f[i][j],表示在前i個零件中,能套料最大長度為j的母材中的最大價值,j=1,2,…,n。此時可很明顯地發現,在前i個管材零件中,有些管材零件可被套料,而有些管材零件不能被套料。由此可得到

f[i][0]=f[0][j]=0

(2)

f[i][j]=f[i-1][j],j

(3)

f[i][j]=max{f[i-1][j],f[i-1][j-w[i]]+v[I]},j>w[i]

(4)

在式(2)～式(4)中:

1) 式(2)表示將前面i個管材零件套入長度為0的母材中與將 0個管材零件套入長度為j的母材中的價值是相同的,都是0價值。

2) 式(3)表明,在套入第i個管材零件時,若第i個管材零件的長度大于母材的長度,則套入第i個管材零件的最大價值與套入第i-1個管材零件的最大價值是相同的,畢竟第i個管材零件無法被套入母材中。

3) 式(4)表明,當第i個管材零件的長度小于母材的長度時:若第i個管材零件被套入母材,則表明母材套料的最大價值等于將前i-1個管材零件套入長度為j-w[i]的母材所得價值與第i個管材零件的價值之和;若第i個管材零件沒有被套入母材,則母材中套料的價值等于將前面i-1個管材零件套入長度為j的母材中的最大價值;第i個管材零件套與不套的最大價值是不同的,只需比較這2個價值,取其中的最大價值作為將前面i個管材零件套入長度為j的母材所取得價值的最優解。

該算法可分為m個階段,其中:

1) 第1個階段,只套1個管材零件,計算在不同長度母材下取得的最大價值;

2) 第2個階段,套入前2個管材零件,計算在不同長度母材下取得的最大價值;

3) 第m個階段,套入前m個管材零件,計算在不同長度母材下取得的最大價值。在母材長度為n時取得的結果就是想要的結果。

為確定是哪個管材零件被套入母材,需從f[m][n]開始倒退,有關系式

f[i][j]=f[i-1][j],x[i]=0,

(5)

f[i][j]!=f[i-1][j],x[i]=1,n=n-w[i]

(6)

式(5)表明,若f[i][j]=f[i-1][j],則表示第i個管材零件沒有被套入母材中;式(6)表明,若f[i][j]!=f[i-1][j],則表示第i個管材零件被套入母材中。根據該關系式,i從m到1遞推,直到確定第1個管材零件是否被套入母材中為止,此時就能確定被套入母材的具體物品。

上述方案能很好地提升材料的利用率,但當管材規格和余料較多時,該方案的程序運算時間較長,會給設計人員帶來不好的體驗。

2.2 方案二

采用比較歸類法,先對需套料的管材零件進行歸類,隨機取其中任意一種需套料的規格,再遍歷需套料零件,優先從余料庫中選取符合條件的套料材料,設置允許的廢料值,盡可能地先利用余料庫中的材料。若余料不能滿足套料零件的需求,則從標準母材庫中選取定尺母材,保證該規格的所有需套料的管材被套完。套料主要流程見圖1。

圖1 套料主要流程

程序套料規則是:選取需套料的某一規格管段,優先對其與余料庫中該規格中長度差值最小的余料(或相等)進行匹配套料,若套料后余料長度小于設定值,則將其作為廢料,不再放入余料庫中,否則對余料進行重新編碼,再將其放入余料庫中。已使用的余料從余料庫中移除,每根余料能被追溯出源于哪根余料或母材,已被套料的余料或母材記錄套料零件名稱,詳細套料過程見圖2,具體如下。

圖2 詳細套料過程

根據來貨管材規格,其長度通常是固定的,若不是固定的,則需預定義母材規格表,從TribonDB數據庫中獲取每根管段的長度,并考慮為滿足彎管機夾頭的要求而增加的余量,然后對1個或多個分段管材進行綜合套料,各根母材或余料的余料放入列表中供下次套料使用(小于設定值的除外,設定值通常是200 mm),充分保證余料能得到連續利用,某批次剩余的余料入庫管理,可采用多種方式對余料進行查詢。

最終的管材套料結果以套料表和套料圖的方式展示,在實際生產中,可在管路材料的配盤、切割和裝配過程中使用。通過使用套料表和套料圖,使材料的流向明確、標識合理,方便施工統計管理。

3 管材套料程序開發

該程序基于Python語言[2]開發,圖形用戶界面(Graphical User Interface,GUI)設計采用wxPython插件包,集成于設計平臺TribonM3系統中,與設計系統數據庫直接相連,套料相關數據存儲于第三方開源數據庫(sqlite)中,便于設計人員對相關數據進行設置和調整,以及對管材的套料數據、母材規格、余料數據和編碼等信息進行查詢。

主程序界面見圖3,該程序主要由4個基本部分組成,分別為設計模型數據抽取功能模塊、管材規格的定義功能模塊、套料功能模塊和報表圖紙生成功能模塊。

圖3 主程序界面

3.1 設計模型數據抽取功能模塊

程序調用TribonM3的kcs_dex、kcs_util、KcsPoint2D、KcsPolygon2D和kcs_ui等接口[3-5],按單托盤或多托盤的方式收取分離后的管路數據,將其存入sqlite數據庫中,為后續套料計算提供原始數據,見圖4。

圖4 設計模型數據抽取界面

3.2 管材規格的定義功能模塊

根據需求定義母材的規格,支持定尺和非定尺的方式,定義完成的母材規格應用于管材自動套料中,母材可從其他系統中導出并導入其中,也可通過程序批量創建定尺母材,見圖5。

圖5 管材規格定義界面

3.3 管材套料功能模塊

根據第2節中的算法原理對管段數據進行歸類(規格、材質和船級等),對套料零件和母材信息進行計算處理,選擇合適的母材或余料生成管路零件的套料數據,并將套料結果緩存于內存中,為報表和圖紙的生成提供數據支撐;同時,對余料數據進行數據庫回寫,自動生成余料代碼,圖6為套料后存儲數據預覽界面。

圖6 套料后存儲數據預覽界面

3.4 報表圖紙生成功能模塊

根據套料結果在TribonM3系統平臺上自動生成套料報表和套料草圖,支持套料余料的查詢和導出,見圖7。

4 管材套料應用案例

該軟件主要應用于技術部門或施工部門,圖紙和報表可由技術部單獨下發,或放置在管路內場托盤表中下發,施工部門根據圖紙和報表做好標識和管理工作。在158 000 載重噸油船上進行全船的管段套料,并將套料圖紙和清單下發給管加工車間,按套料清單進行管段下料,對余料進行管理,不僅將材料的利用率由之前的90%提高到了95%左右,而且解決了管材無法準確統計的問題。管材套料表和套料圖為管路制作部門工作的開展提供了便利,采用可視化的套料圖,能降低對工人素質的要求,從而降低施工出現差錯的概率。

在節約材料成本方面,如158 000載重噸散貨船全船的管材約有600 t,按單船可節約5%計算,每艘船可節約管材30 t,同時有助于技術部門在采購材料時做到有據可依,不會出現隨意增補管材定額的情況,造成后期倉儲物資積壓問題難以解決?，F每種管材規格的用量和用途都能查詢和追溯,可查詢該類型管材應用于哪些托盤中的哪些管段和剩余余料等。

圖8和圖9分別為自動生成的158 000載重噸散貨船實船套料草圖和套料報表。

圖8 158 000載重噸散貨船實船套料草圖

圖9 158 000載重噸散貨船實船套料報表

5 結 語

管材套料除了具有節約材料成本和提高加工精度等優勢以外,還能利用報表和套料圖上詳細記錄的每根母材的流向、管材的下料信息、每根管路的下料長度和余料信息,實現對車間生產的細化管理。研究成果可供船舶建造同行解決船舶設計過程中面臨的管材套料問題參考。