船台分段搭载序列优化系统的数学模型研究

杨晓宁

大连职业技术学院，辽宁 大连 116035

随着社会进步和经济的发展，造船模式也在发生变化。现代造船模式，是以统筹优化理论为指导，应用成组技术原理，以中间产品为导向，按区域组织生产，壳（船体和上层建筑）、舾（装）、涂（装）作业在空间上分道、时间上有序，实现设计、生产、管理一体化，均衡、连续地总装造船。

船台分段搭载过程复杂，影响因素繁杂，如何将其进行量化处理，从而降低搭载计划制定难度、提高搭载效率，是目前亟待解决的问题。船舶建造过程是一个漫长的周期，而在总的建造周期内，分段搭载占用的时间大多在45%以上，并且分段的搭载占用船台的时间较长，而船台是船厂最重要的大型工位，搭载过程作业类型繁多，辅助设备集中密集，各工种作业配合，容不得任何节点的失误[1]。要将人员、设备、场地、资源、作业等各种情况综合考量，才能制定出合理的搭载计划。在船厂，船台总装是船体建造的最终环节，而分段的搭载计划又是前期各道工序工作计划制定的依据[2]，因此，分段搭载计划的制定，直接影响整个造船周期，优化船台分段搭载序列，可以大幅提高建造效率，降低造船成本，提高船厂在行业中的竞争力[3]。

1 分段搭载快速性现状分析

分段搭载优化模型的建立方法各有不同，且求解方法也不尽相同。船台龙门吊是决定船厂能力的特殊起货设备，是影响分段搭载效率的最主要因素之一，目前的研究多是通过优化其路径提高搭载效率[4]。哈尔滨工程大学的杭立杰研究某油轮的主体分段搭载，对船台搭载顺序建立优化模型，采用粒子群算法进行求解；大连理工大学的衣朗，将船厂的船台资源、起重能力和工艺约束等条件综合考量，建立分段搭载的数据结构，并采用蚁群算法生成分段搭载网格图；徐莉着重研究快速搭载管理，采用层次分析法，评价影响搭载快速性的因素，并给出对应策略；房晓磊分别针对总段划分、设计龙门吊吊排、搭载中的精度控制等几个方面，研究提高搭载效率的可行性方案。

2 影响搭载快速性的因素

通过走进船厂实地调研，了解掌握目前船厂分段搭载过程中对工艺的要求，分析影响搭载效率的主要因素，归纳影响搭载效率的普遍规律。船舶搭载主要依靠船台龙门吊来实现。分段搭载的序列决定了分段起吊的顺序，其完全限制龙门吊的作业。经过调研，单个分段搭载流程如下：开始→判断是否更换索具（决定跑车是否跑至索具存放位置）→跑车至分段初始位置→落钩、挂钩→切支点→判断是否翻身（决定是否进行翻身作业）→跑车至分段目标位置→结束。

该流程中以龙门吊为起点，如果本次吊运的分段重量与上一次相差不大，则直接行车至要吊运的分段位置处，如果重量相差很大，则需要进行吊锁具的更换，首先需要跑车至吊索具位置，完成更换再跑车至分段位置；分段挂钩之后，将分段建造过程中的支点切割，将分段吊运到目标位置，如果该分段采用的反造法，需要对分段进行翻身，之后将分段吊运到指定的目标位置；在目标位置与相邻分段进行精确对接，将建造过程中的假造余量切割，完成合拢的焊接工作后，龙门吊可以脱钩，继续按此步骤完成下一分段吊运工作。

在此过程中，不难发现，分段搭载作业时间有两类：一类是作业必要时间，如吊索具的更换时间、分段对正焊接时间等，不受搭载顺序的影响，在本研究中为不可缩短时间；另一类时间主要受到搭载顺序影响，如吊索具的更换次数和吊车行进距离等，为可优化时间。因此，影响船舶分段搭载效率的主要因素如下：

2.1 吊车行走的路线

以吊运两个分段为例，方案a：先吊运分段1，再吊运分段2，吊车行走的路线中，1、3为吊车负载路线，2为吊车空载路线；方案b：将吊运顺序颠倒，即先吊运分段2，再吊运分段1，吊车行走的路线中，1、3为吊车负载路线，2为吊车空载路线。显然两种吊运方案中，吊车负载运行距离相等，方案a中吊车空载运行距离显著降低，从而减少龙门吊的无效运行时间，搭载效率较高。吊车吊运分段顺序示意图如图1所示。

图1 吊车吊运分段顺序示意图

2.2 吊索具的更换次数

以吊运三个分段为例，分段1和分段3为重量接近、吊耳规格相同的分段，而分段2重量和吊耳规格均与上述两分段有较大差别，按照吊车使用要求，当吊运重量变化较大、吊耳规格不同时，需要对吊车更换吊索具。由此可见，分段搭载顺序为1、2、3时需要更换两次吊索具，增加了吊车的无效行走距离，降低了搭载效率；而分段搭载顺序为1、3、2时只需更换一次吊索具，因此搭载效率更高。

3 构建船舶分段搭载模型

在分析船台分段搭载的过程以及搭载序列对搭载效率的影响后，将船台分段搭载细化到每一个分段的搭载过程所需要的时间，再将所有时间全部叠加在一起，使其最小化，即为该船的搭载最优方案。一台龙门吊搭载该分段的时间为五个阶段，每个阶段所用的时间计算方法如下：

1）吊车更换吊索具及其产生空载行走时间

式中：Ti1、Ti2、Ti3、Ti4、Ti5分别为每个阶段吊车吊运第i个分段所需要的时间；Lsxi、Lsyi为吊车由上一位置空载到吊索具所在位置横纵个方向的行走距离；Vkxi、Vkyi为吊车空载横向速度和纵向速度；Tch为更换单个锁具的时间；Nsji为吊车吊运第1个分段的吊索具数量；r1i为0时表示不需要更换锁具，为1时表示需要更换锁具。

2）吊车空载至吊运分段初始位置时间

式中：Lcxi、Lcyi为吊车由上一位置空载到要吊运分段所在位置横纵个方向的行走距离。

3）分段挂钩、翻身、起吊到合理高度时间

式中：Hc1i、Hc2i为吊起分段前后吊车吊钩距离胎架的高度；Vdl为吊车提升或下放分段的速度；Tcx为一个吊耳挂钩或卸钩需要时间；Ndei为吊耳的数目；Ttu为分段翻身的时间；r3i为0表示该分段不需要翻身，为1表示需要翻身。

4）吊车将分段吊运至目标位置负载时间

式中：Lmxi、Lmyi为吊车由上一位置负载到要吊运分段目标位置横纵个方向的行走距离；Vfxi、Vfyi为吊车空载横向速度和纵向速度。

5）分段到达目标位置，完成找正、切余量及焊接工作直到落钩时间

式中：Tp为分段找正所需时间；Lfhi为分段悍接的长度；Vfh为分段焊接的速度。

船舶建造是一个长时间的过程，而船台分段搭载工期所占比重接近甚至超过一半。若分段搭载计划制定有误，会直接导致船厂的工期延误。研究分段搭载的优化系统，帮助船厂制定合理的船台分段搭载计划，对于船厂缩短造船周期、提高核心竞争力等方面具有现实意义。