【工业4.0案例分析之五四】造船仿真工具库（STS）用于船舶生产规划

弗伦斯堡船厂进行计算机辅助仿真建模的基础是适用于复杂的装配流程和物流流程的造船仿真工具库（STS），该仿真工具库是由弗伦斯堡船厂研发的。

早在2003年，弗伦斯堡造船公司就在生产计划和生产控制中引入计算机辅助仿真。船厂运营的仿真模型会提供当前生产的或日后可能生产的船只的数据。这使得船厂可以全面分析和预测生产时间、成本、瓶颈和资源利用率。由此，有关生产计划和生产控制的决策会变得透明。

在造船的生产计划和生产控制中引入计算机辅助仿真需要解决以下挑战。一方面，要适应对复杂且个性化产品的生产。另一方面，需要将复杂产品的数据及其生产通过网络连接，并将其提供给仿真系统。计算机辅助仿真使得船厂可以全面分析预测生产时间、成本、瓶颈和资源利用率。这能使得决策更加有信服力，也能显著提高计划的安全性和灵活性。

弗伦斯堡船厂的仿真辅助生产规划（SAPP）

仿真有力地支持了产品和生产流程管理，尤其是造船业复杂且精密产品生产过程中。弗伦斯堡船厂借助自身开发的“造船仿真工具库”(STS)，使得弗伦斯堡仿真团队可以有效地建立和维护生产仿真模型。这个工具库现今在国际合作项目SimCoMar中得到进一步的开发和使用。在弗伦斯堡船厂，仿真是生产计划一个有机组成部分，借助仿真技术可以快速地衍生和评估备用计划，这能在根本上改进计划安排和所需的工作。干扰和变化的影响可以立即显现出来，也可因此做出最具成本效益的反应。最终通过仿真，执行计划的相关人员交流会更加轻松。弗伦斯堡船厂已在不同生产领域使用“造船仿真工具”建立了仿真模型。在不同规划阶段中，已经开发和实行不同的用户界面来使用这些模型。得到这些工具支持后，分析和验证这些计划或其变化变得更容易。仿真辅助生产规划（SAPP）工具并不是为仿真专家而生，规划人员和车间领班在日常业务都可以使用它。

弗伦斯堡造船厂的仿真是支持生产决策公认的主要工具。与系列生产的仿真应用不同像汽车行业，汽车行业的应用可能集中在工艺设计和规划投资，而在弗伦斯堡使用仿真的主要聚焦于连续生产规划。

生产规划中对仿真应用的基本需求，一方面是生产领域上需要使用仿真模型，另一方面是为了实现所需产品数据的可用性。与投资规划或过程工程的仿真研究不同，在生产计划中的仿真必须考虑到实际情况︰实际生产状况、设计和计划。因此必须开发对应船厂中不同信息技术系统的接口。

SAPP——仿真辅助生产规划

仿真辅助生产规划（SAPP）会将仿真技术集成规划流程的所有阶段。在策略规划阶段，一艘船的生产程序是基于早期设计来确定的。策略规划要求根据实际生产状况仔细计划并调整资源。在有效控制下，车间领班充分了解计划并应对可能发生的故障，像是材料损耗或机器故障。

仿真不是规划的一种替代，而应该作为规划过程的一个组成部分。基于设计和生产所得的实际数据，总是可以在所有规划阶段就大致地对计划进行评估。这不仅增加了质量和灵活性，还有计划的可靠性。

仿真辅助生产规划具有多种优势。将产品和生产之间所有的动态相互作用纳入考虑，可以完成对计划的评估。可以迅速生成和评估备选方案，可以由此确定最具成本效益的计划。另一个优点是改善沟通计划。使用仿真输出，规划者可以向领班或工人展示规划成果和对生产流程的影响。动画在这方面发挥了重要作用。因为在使用仿真模型之前，应由生产管理来验证和通过，仿真作为一种基于决策的客观工具发挥作用。这有助于避免非技术问题引发的讨论。仿真辅助生产规划大大地增加了规划的灵活性。仿真与实际的设计和生产情况相联系。因此计划能轻松地适应产品或生产中的变化情况，并迅速地评估这些变化的影响。

仿真被用于规划过程的时间越早，就能获取到不确定性越大的产品数据。因此，两年前在弗伦斯堡船厂启动了一个被称为“DigiMeth”内部项目，在设计过程的任意时间里使用一切现有的部件信息，半自动地生成配件需求目录。要显示仿真输入、更改参数和显示仿真运行的结果，必须开发出特定应用程序的用户界面。

当然，仿真不并能完全防止故障。机器还是会发生故障、材料会损耗或工人会生病。但在仿真模型中，这些干扰可以被看作下次仿真运行的基础。所以仿真辅助生产规划可以更迅速、更彻底地评估这些干扰的产生的影响。

弗伦斯堡的仿真辅助生产规划应用

除了建模过程，弗伦斯堡船厂还开发出几个针对仿真辅助生产规划的应用程序，用于不同的生产领域。这些应用程序在称为仿真数据库的软件环境中被标准化和执行。单个应用程序被单独用于策略规划和作业规划，也可以组合起来用于策略分析或整体分析。规划者和车间领班会使用这些应用程序。因此，不仅是策划者，每个参与的领班都要接受关于基本仿真软件和“造船仿真工具库”（STS）的培训，以向他们提供有关仿真及其处理的基本知识。这种培训让规划办公室和车间能更好地接受仿真应用。

在零件制造方面，详细的设备规划是以仿真应用为基础的。在切割机上和手动工作场所中执行两个应用程序，一个用于型材加工，另一个用于制作金属板。主要目标是保证装配站的零件有足够的交货日期，且成本最低。仿真运行的结果显示了型材加工的交货可靠性。可以检测出关键缓冲区的大小以及超大缓冲区。为了避免关键缓冲区大小不足，会使用图表分析其利用率。如果有低工作量的时期，可以转移生产程序。通过分析利用率图表，还可以明确足够的资源分配。在规划者确定仿真结果令人满意后，通过仿真计算出的生产日期会被转至物料控制系统MARS。根据计算出来的生产日期，MARS系统会自动地为原料供应选择合适的拖车，并将此信息传递给供应商。

试制，特别是面板生产线和分段装配，是弗伦斯堡的第一个仿真辅助生产规划应用。自2002年2月以来，一直用仿真辅助这一领域的规划和控制。在早期的规划阶段，顺序和日期由各种仿真的运行结果来确定。考虑到生产的实际情况，每周都会对人员配备进行调整。在每个星期几次仿真运行结果出来后，将确定具有所需资格的工人数量。试制中的最新发展是组件生产的仿真。将建立和验证用于这些领域的模型。目前正在执行测试，以便将模型落实到规划进程上。目标与零件生产中的应用相似：保证部件和组件按时送达生产地点，如分段装配，同时使工作量最小。首次试验表明，通过调整生产日期可以使人员编制水平趋于稳定，从而减少人手。

在分段装配和分组装配作业中，仿真处于验证和实施阶段。这些领域的建模更具挑战性，因为不仅要考虑到空间分配，还要考虑各种不同的装配程序。关于模型装配过程，“装配控制仿真工具”正在开发并推行至“造船仿真工具”中，而且现在也被灵活地应用于造船厂所有的装配领域。它控制多个并联组装过程，同时考虑其个体策略和特性。

一个重要的仿真辅助生产规划应用程序就是“油漆车间规划工具”，因为弗伦斯堡船厂的两个油漆车间就是他们的生产瓶颈之一。在早期规划阶段，油漆车间的仿真要考虑：

• 可用的空间和块状几何体
• 每个块体的独立上漆条件
• 块体的装配日期
• 环境限制，如延缓喷丸处理以减少废气排放
• 季节性天气影响

仿真要考虑到实际生产情况，生产步骤的要求——主要船体安装——以及特殊预设定的规划者。在此基础上仿真模型自动确定未来的油漆车间分配。仿真数据库向油漆车间和每一个分配阶段的状况提供喷漆计划，该计划由每个油漆车间喷漆时间的表格和利用率图表组成。

船体安装的仿真模型包含在这一发展阶段所有的钢结构都在船台完成。原则上只要考虑与舾装过程之间的相互作用。目前正在验证模型，使之能在仿真辅助生产规划内使用。使用此应用程序的主要焦点将是工作人员利用率的权衡。

在弗伦斯堡船厂，仿真模型的内部物流是生产领域的连接。它还包含不同的存储区域，根据其具体用途，还有诸如起重机辅助的功能。
特别是在像弗伦斯堡这种空间紧凑的造船厂，用于存储船体的空间是一种有限的资源。大约在龙骨铺设日期临近，会生产出一大批船体，并放在船台上等待着装配。因此考虑必要舾装工作特殊的存储要求，仿真会被用于确定存储领域有足够的空间分配。

考虑到生产和存储领域的实际情况，物流仿真也会自动为重型结构提供运输计划。会根据运输的日期和时间以及每种运输方式、要转移的船体和装载地点来生成运输列表。尤其是不同运输方式的运输链，如起重机和重量级运输车，可以通过这种方式更容易确定下来。

仿真辅助生产规划的成果

弗伦斯堡造船厂因仿真辅助生产规划的实行在多个方面受益匪浅：规划可靠性明显提高；再没有任何因其他原因而检测不出或不被容忍的延误存在；仿真模型的持续有效性，确保生产方法的变化能及早被发现；使用仿真辅助生产规划还可以降低生产成本；在试生产中推行仿真辅助生产规划，面板线可以削减超过 30%的人手。

造船仿真工具库（STS）的理念

STS最初的目的是让用户以最有效率的方式在造船或类似的工业生产过程中建立仿真模型。通过提供可重复使用的、集成到专用仿真模型上的仿真工具，可以大幅减少建模的工作量。因此，STS提供一套管理工具，为构建和组织模型提供支持。

每一个仿真模型的适应性都是非常重要的。没有任何船厂在运行其生产流程中严格遵循一个标准的例行程序。因建造船型的特殊性、船厂的特别限制或操作人员的特殊习惯而产生特别的调整是很常见的。因此STS理念的一个重要方面是提供用户定义的规则和具体的设置界面。

STS理念的另一个方面是合作开发。在弗伦斯堡船厂的仿真团队即便自己拥有足够的能力，也无法建立、维护和开发这样的软件包。因此为了进一步开发这些工具及其应用，需要开展合作。需要针对不同行业的应用情况，协调和整合进一步开发的需求，提出了普遍适用的解决方案。

弗伦斯堡船厂第一次这样的合作是海事行业仿真合作项目SimCoMar（www.simcomar.com），该项目的合作方包括造船厂、大学和研究所。SimCoMar已经成为新的或现有的仿真工具合作开发海上论坛。为仿真技术的实现提供相互支持以及启动仿真领域的研究和开发。

SIMoFIT（造船舾装和土木工程仿真，www.simofit.com）项目在2006年成立，弗伦斯堡船厂、魏玛包豪斯大学、波鸿鲁尔大学和SimPlan股份公司在此项目中合作。舾装工艺在造船和建筑业有非常多的相似之处。同样的限制必须考虑，例如舾装任务之间的依赖关系、资源的可用性和所需的工作空间以及运输方式的变化。

STS理念的另一个方面是众多不同的生产方案的行之有效的造型方法的集成。尤其是，支持不太有经验的仿真用户在设计和建立仿真模型的工作。

利用造船仿真工具库（STS）建模

利用STS，可以选择两个不同的基本建模方法：

• 第一种方法是定义一个抽象的过程，详细列出制约条件和所需的资源。这种仿真方法可以帮助用户，建立用于舾装船舶或建筑物建设的柔性装配过程的仿真模型。
• 第二种方法，建模将受到将被建模的生产设施的限制。单一机器的工具，生产设施或运输方法是通过物流功能被插入和连接在物料运输流程中的。

在许多应用中这两种方法被结合在一起使用，因为灵活的过程定义和对明确的生产环境（如生产大厅）加以仔细考虑一样重要的。

当接入STS仿真工具库或建立一个模型时，有多种可能来实现用户定义的规则或过程。STS工具，例如提供给用户的可定义控件接口，可以在工厂仿真的自身编程语言SimTalk中被编译。特定的规则或制约条件，例如空间分配、资源选择或特定的运输方式等条件可以通过这种方式应用在模型中。