（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船厂布局优化研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 船厂布局是从钢料、设备进厂到最终产品船舶下水试航这一整体过 程中，将物料，人员，设备等的空间位置按照生产模式的要求合理安排，使 生产过程和要素有效组合的关键基础性设计内容。船厂布局是否合理，不仅 会直接影响船厂能否实现现代化的造船模式，而且对其生产效率的提高，和 生产成本的降低有着重要作用。 本文阐述了现代化造船模式的概念，船舶制造企业的生产流程，以及几 种典型现代化船厂的布局实例。在此基础上应用运筹学、模糊数学中的最优 化评估方法，建立现代化造船模式下的典型船厂布局的多目标，多因素的数 学模型。并从物料流动的效率，厂内道路交叉的通达性以及能否与现代化造 船生产模式相契合的角度重点对此模型进行分析，得出主要评价指标和评价 因素在船厂布局合理性中所占的权重。从优化工业组织结构，整合已有工业 基础设施，提高生产效率，减少重复劳动以及资源合理利用等角度对船舶制 造企业的布局进行分析与探讨，分析影响生产效率的空间布局瓶颈既薄弱环 节，尝试性的做出相应的优化的船厂布局改进方案。 关键词：现代化造船：船厂；布局优化 a b s t r a c t ，n l es h i p y a r dl a y o u ti sd e f i n e da st h ep i v o t a lb a s a ld e s i g ni t e m ，t h ew h o l e p r o c e s so rp r o d u c tl i n ei s f r o mt h es t e e lm a t e r i a l s ，t h ef a c i l i t i e se n t e r i n gt h e f a c t o r yt ot h ef i n a lp r o d u c t i o n s h i p s l a u n c h e di n t ow a t e r , i n c l u d i n gm a t e r i a l s ， p e r s o n n e l ，t h ee q u i p m e n t ss p a c ep o s i t i o n se r e ，a c c o r d i n gt o t h er e q u e s to ft h e p r o d u c t i o nm o d e ，r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n tc o m b i n e sw i t hm a i nf a c t o re f f e c t i v e l y w h e t h e rt h es h i p y a r dl a y o u ti sr e a s o n a b l eo rn o t ，n o to n l yi n f l u e n c es h i p y a r da n d c a 】 1c a r r yo u tam o d e r n i z a t i o no fs h i p b u i l d i n gm o d ed i r e c t l y , b u ta l s oi n f l u e n c e i n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo f i t sp r o d u c e ，a n dr e d u c i n gt h ep r o d u c t i o nc o s t t k st l l e s i se l a b o r a t e dt h ec o n c e p to ft h em o d e ms h i p b u i l d i n gm o d e ，t h e p r o d u c t i o np r o c e s so ft h es h i p sm a n u f a c t u r i n gb u s i n e s se n t e r p r i s e , a n d at e w e x 锄p l e so ft y p i c a ll a y o u tm o d e l o ft h em o d e r n i z a t i o ns h i p y a r d w i t ht h eu n i q u e v a l u a t i o nm e t h o do ft h eo p e r a t i o n sr e s e a r c ha n dt h ef u z z ym a t h e m a t i c s ，t h i s t h e s i se s t a b l i s h i n gam u l t i 。o b j e c t i v e sa n d m u l t i e l e m e n t sm a t h e m a t i cm o d e lo ft h e l a y o u to fas h i p y a r dw i t ht h em o d e r n i z e dm a n u f a c t u r e i n gm o d e c o n s i d e r i n g t h e e f ! f i c i e n c vo ft h em a t e r i a lf l o w , t h er a t i o n a l i t yo f t h ep a t hi n s i d et h ef a c t o r yc r o s s ， a n d 、v e t h e ri tc a n b ea c c o r d i n gw i t ht h em o d e r n i z a t i o nt h es h i p b u i l d i n gp r o d u c e m o d e t 1 1 i st h e s i sg o taa n a l y s i so fg e t t i n gt h em a i ne v a l u a t i o n i n d e xi nt h e s h i p y a r dt h el a y o u tt h er a t i o n a l i t y i no r d e rt oo p t i m a z i n gt 1 1 ei n d u s t r yo r g a n i z e s s t r u c t u r e ，i n t e g r a t i n gi n d u s t r i a li n f r a s t r u c t u r e s ，a n di n c r e a s i n gp r o d u c ee f f i c i e n c y , r e d u c i n gar e p e a t e dl a b o ra n dt om a k e u s eo fr e s o u r c e sr e a s o n a b l e ，t h i st h e s i st r y t of i n do u tm eb o t t l e n e c ki nt h el a y o u tp l a n ，a n da t t e m p tt od os o m e a m e l i o r a t i o n k e yw o r d s ：m o d e ms h i p b u i l d i n g ；s h i p y a r d s ；l a y o u to p t i m i z a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者。签字i 一 作者( 签字) ；& 堕! 多 日期：夕旷瞬弓月五日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 船厂布局是船舶制造生产过程组织的主要内容，也是现代化船舶工业企 业建设的一项最重要的基础性项目，当船厂的布局一旦形成之后，在相当长 的时间内会影响船舶产品的生产效率，单位劳动成本等等。只有当船舶制造 企业发展速度和生产条件以及技术条件发生较大变化时，才会进行适当的调 整。但是船厂布局一旦形成，进行调整并非轻而易举，拆旧建新对于船舶制 造这种重工业企业来说，意味着大量资本的投入，同时也会影响现有的生产 计划进度。因此船厂的总平面布局有着举足轻重的特点。 船舶生产企业的布局作为生产组织和生产管理的重要内容之一，与船舶 制造企业的生产方式和生产技术水平有着密切的联系，不同的生产方式要求 不同的平面工业布局，因此船厂的工业布局为了适应相应的生产方式而在一 个时期内具有相对的稳定性。但另一方面，由于船舶制造技术的进步，生产 管理水平的提升，船厂的工业布局有又要为适应船舶工业企业的发展而动态 的进行调整和变化。 厂区的合理布局应当能够使得企业根据生产目标和生产纲领，在确定的 空间内，按照从原材料的接收、零件、部件的制造、全船的整体装配、直到 船舶建成下水试航的全过程，将人员、设备、物料所需空间和在厂区内的流 通路径做适当、有效的分配与组合，以获得最大的生产经济效益。据统计， 在制造过程物料传输费用占据生产总成本的1 4 左右。优良的厂区布局使得传 输和等待的费用至少减少1 0 - - 3 0 。此外，优良的厂区布局还能加快物料 处理的效率，减少在制品的停留时间，提高企业的生产率；同时，间接降低 生产成本；也可减少缓冲区的容量、缩小制造系统所占用的空间、减少制造 系统建设费用。总之，厂区布局的好坏将直接影响到整个生产系统的总体性 哈尔滨工程大学硕十学位论文 能，如物流、信息流、生产能力、生产效率、生产成本、生产安全等。 因此，船舶制造企业，大中小型造船厂的总体工业布局是否合理，不仅 会直接影响该企业是否能够j i n g o 实现某种生产方式而影响其生产效率，同时 也体现了我们在进行船厂工业布局决策时是否考虑到船舶制造行业先进的生 产方式，以及以后的发展趋势等因素。 基于以上所述，为了节约社会生产成本，提升船舶制造行业的生产效率， 创造更大的经济效益，在新建船舶制造企业以及老牌船厂进行技术改造时， 船厂的平面工业布局的合理性将成为我们今后重要的研究方向之一。 1 2 国内外研究现状 对于制造型企业的厂区布局合理性的研究一直存在两个主要方向。其一 是以工业设计，城市规划专业的总图设计角度出发，考虑因素主要有三点： l 、船舶制造企业的特点大都滨江临海，地势较低，地址条件复杂，并且 涉及水文条件以及沿江、海的区域性小气候的影响。 2 、船厂内的车间设施等建设项目有陆路建筑物，还有在水域的结构物， 如船台，船坞等等。因此要考虑水陆两种情况进行综合考量。 3 、由于船舶制造方法和模式的不同，船舶的上墩和下水设施也存在巨大 的差异，针对不同类型的此类设施需要根据具体情况酌情安排。但总的方向 是先布置上墩下水以及船坞等水域设施，然后进行制造车间的布置。 其二是从管理学和运筹学的角度出发，以生产效率、生产成本、物流合理性 等为研究的主要考量，对于制造型造企业的厂区布局合理性进行分析评估。 此类研究大都以运筹学、模糊数学为基础，应用其中的经典地最优化计算方 法，将某一考量指标抽象为量化数学模型，通过分析计算得出此指标的合理 性程度。 船厂布局的优化包括空间布局的优化和生产资源的合理配置问题，具有 综合特性。从数学角度讲，布局问题属于组合优化问题，是n p 完全问题。 合理的布局一般要求个体之间，个体与区域界线之间不发生干涉，并尽量考 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 虑提高空间的利用率，除此之外，还需考虑其效率约束，成本约束，以及与 生产方式相协调等因素等。因此属于复杂的布局问题。 1 2 1 传统优化算法晦1 传统的优化方法中的线性规划，0 1 整数规划、二次规划、动态规划等 都属于量化精确的布局优化算法。此类算法的根本问题是在复杂的实际问题 中，针对某一指标给出量化的优化目标函数，在从问题本身的相关约束条件 中，抽象出有限个的约束条件，然后遵循约束条件对于目标函数进行求解， 以解得相对的最优解和理想解。这类方法的优点是能够以量化的方式来解决 复杂的约束问题，只要目标函数建立正确，总能解得最优解。但是问题本身 的复杂性，约束条件的多少，以及非线性约束等限制了这类方法的应用。由 于约束条件的有限性，所以容易导致最优解容易产生片面性。此外约束条件 的数量也会大大影响求解的时间消耗。 例如b e t t i n g e r 等利用混合整数规划来求解有4 0 个管理单位( 目标函数 中变量的数量) 的园林景观规划的合理性的问题时，花费了一周的时间。由 此看出，随着问题规模的增大，计算时间也会级数倍的增加。因此，如果精 确算法不能在合理的时间内得到问题的最优解或者理想解，那么就需要我们 采用另外的研究方法来解决。 1 2 2 其他优化算法 除上述传统精确算法以外，针对布局合理性问题的算法主要包括启发式 算法、进化算法、模拟退火算法、遗传算法等。启发式算法可得到较好的理 想解，然而它只能解决一类限定的问题。进化算法是常用的全局优化算法， 适用于多种复杂布局问题的求解，但是，进化算法复杂的进化操作( 如选择、 复制、交替、变异等) 使其计算费用随问题的规模以及复杂程度呈级数倍增 长。而且由于其缺乏有效的局部区域搜索机制，进化算法后期容易出现收敛 停滞现象。进化算法的代表包括遗传算法和微粒群算法等。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 3 布局合理性研究的目的与意义 船厂的布置是船舶生产建造过程中空间组织的主要内容，也是船舶制造 企业工厂建设和改造中一项重要的基础性项目。整个船厂的布局形成后，在 相当长时期内会影响生产效率。所以船厂总平面的布局具有举足轻重的意义， 它作为生产组织和生产管理的重要内容之一，与生产方式和生产水平有密切 的联系，不同生产方式要求不同的总平面布置。因此，船厂总平面布置是否 合理，不仅会直接影响工厂能否顺利实现某种生产方式而影响其生产效率， 而且也体现出设计技术是否能符合船舶行业的先进生产方式。今天我国船舶 制造行业，特别是大型造船厂纷纷转换造船生产模式，从传统模式向船体、 舾装、涂装一体化建造的现代化造船模式转换过渡之际，大型船舶制造企业 的总平面布置会呈现何种特点和要求，怎样才能合理的适应现代化造船模式 的需要，是值得我们对船厂布局设计时需要认真思考和深入探讨的。 1 4 本论文的主要研究工作 本课题将研究目标着眼于船舶建造企业的工业布局，应用运筹学的优化 理论，对于不同布局带来的效率差异进行尝试性的量化分析，力求建立相应 的数学模型，从优化工业组织结构，整合已有工业基础设施，提高生产效率， 减少重复劳动以及资源合理利用等角度对船舶制造企业的布局的合理性进行 探讨。 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章船厂布局的发展 2 1 造船模式的发展与船厂布局的演变n 2 1 船厂布局的变革是伴随船舶建造模式的进步而不断发展变化的。但在一 段时间内，又是相对成熟和稳定的。其演变过程可以追溯到铆接造船的时代。 2 1 1 第一阶段：二战前布局特点 这一阶段的造船模式可以概括为：按功能系统组织生产的造船模式。这 也就是铆接造船时代的造船模式，其特点是： ( 1 ) 船体建造按结构功能系统，舾装按使用功能系统进行船舶设计和 组织生产； ( 2 ) 产品的作业任务分解与分解后的组合，按船舶设计功能系统，通 过放样，先船体，后舾装，由各工种按功能系统分别在船台和舾装码头进行 单件作业，直至形成船体、舾装个完整的功能系统。 在这一时期船厂布局的主要特点是围绕着加工车间和手工工艺进行组织 布局的。船厂大多只有用限的堆场和加工设备，并且其中能力基本上介于5 1 0 吨左右。绝大多数船厂都是围绕着船台进行布置，当船体被直立在船台 上以后，熟练的工匠便成为生产计划完成的关键因素。车间的生产设备都是 小型的，型材、管系等机械加工车间都要与船台和舾装墩临近。舾装主要是 要在船舶下水之前将船用发电机组，辅机等全部安装完毕。 铆接是这一时期船舶建造的关键工艺。主要在船体建造中，将钢板，以 及分段通过榫铆的方法连接起来。 这种第一代的船厂布局主要是呈现狭长的特点，在水道沿线进行布置。 我们称其为“i ”型布局。 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 2 1 2 第二阶段：四十年代中后期 这一阶段的造船模式可以归纳为：按区域系统组织生产的造船模式，这 是4 0 年代中后期建造全焊接船舶初期形成的造船模式。 焊接技术在造船中的应用开创了船体分段建造技术。二次世界大战期 间，由于战争对于船舶需求的加剧，导致全球造船数量的急剧增长，同时也 促进了全焊接钢制船体与分段建造技术的应用。 分段建造技术的应用，提供了船体建造按其结构特性划分为分段、部件； 形成以区域进行流水作业的可能性，同时还提供了在分段区域上进行预舾装 的可能性，这种造船模式具有如下特点： ( 1 ) 产品作业任务的分解和组合，对于船体建造，可按其结构区域划分； 对于舾装，则扩大预舾装，但仍按使用功能系统组织生产。 ( 2 ) 船舶设计虽然仍按照功能系统进行，但船体建造作业任务的分解 和组合，可通过放样采用船体生产设计加以规划和体现。 这一时期船舶制造的最主要特征是采用了在船台组装之前预先焊接部 件的方法，并且发展了更加精确的钢板以及型材的切割和焊接结束。与此同 时应运而生的是半成品的船舶建造组织方式。船体分段预先在组立车间加工 焊接完成，之后被转移到船台进行起吊立装。工作区的划分具有相对的弹性， 并且需要更为复杂的时间表和生产计划。伴随着加工车间采用了更加精确的 加工设备以及更加科学的组织，对于工人个人的工艺经验要求大幅度的降低。 这是由于战争效应，各国对于舰船的大量需求导致的船舶建造技术上大 跨步的飞跃，产生了类似于汽车工业企业部件加工，流水线总装的生产组织 形式。 这一时期最重要的改变是，由于大部分工作都是在船舶立装区域以外进 行的，所以导致船台数量的减少以及物料堆场和车间；a n - r - 设备的大量增加。 体积与重量更大的部件装配以及分段立装导致了起重机起重能力的大幅度提 升。原有的船台由建造区域转型为装配区域。更精准的气体切割与高能力的 6 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 焊接方法在这一时期。 2 1 3 第三阶段：二战后一上世纪7 0 年代 这一阶段的造船模式我们可以归纳为：按区域阶段类型组织生产的造 船模式。 这是上世纪5 0 年代末期开始形成的造船模式，促使这一模式形成的主 要因素，是组成技术在造船工业中的推广和应用，以及当时建造超大型船舶 的需求。该模式的特点如下： ( 1 ) 产品作业任务的分解和组合，采取按船舶产品的空间部位划分区域， 分阶段、按类型的原则和方式。 ( 2 ) 产品作业任务和分解的组合方式，通过船体、舾装的生产设计加以 规划和体现。 ( 3 ) 生产作业方式按区域进行船体分道和区域舾装，并将完工的各个作 业区域相互结合以形成完整的船舶产品。 本世纪5 0 7 0 年代，船舶建造受到特种船舶与大型化船舶的影响，并 且形成了系列化的产品结构。欧洲和美国的船舶制造企业纷纷改建已有的船 厂来适应这种以过程管理为目标的新的生产组织模式。船厂内的各部门分工 得到改进并更加明确，高科技被广泛的应用在钢料加工和物流运输当中。生 产计划表也更加灵活和复杂。在一些船厂分段组件，和零件形成了类似于流 水线生产的方式，伴随这种生产方式的是标准化和批量化的生产体系。 2 2 现代化造船模式与第四代船厂1 2 2 1 现代化造船模式概述 上面我们阐述了造船工业在历史上的前三个重要时期的建造模式和船 厂与这些模式相适应的布局特点。下面我们要讨论的是船舶工业发展的第四 个重要时期，这一时期从上实际7 0 年代一直延续到今天。 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 上世纪7 0 年代初形成了第四代的造船模式，我们定义为现代化的造船 模式：按区域阶段类型一体化组织生产的造船模式。 现代化造船生产模式的实质是应用相似原理建立柔性化的流水线生产 方式，其基本特征是，复合工种的生产组织、流通量控制的生产管理、中间 产品导向的分道生产流程、壳舾途一体化的作业方法。 船舶的生产过程实际上是在制造零件和部件，不论是用于单艘船舶还是 用于不同的船舶，这些零件和部件都是中间产品。组成技术专家研究表明， 这些零件或部件具有功能、形状、尺寸、精度和材质等方面的相似特征。这 些具有相似特征的零件和部件必有相似的工艺过程，按照相似原理将其分类 分组，按类按组分道制造这些中间产品，经过几个工艺过程( 制造级或制造 阶段) 这些中间产品逐渐变大，变复杂，最终形成一艘船舶，即最终产品。 从中间产品的角度来分解船舶的建造任务，就是中间产品导向型的工程分解。 采用中间产品导向型的工程分解，是现代造船模式的重要技术途径。传统造 船模式以最终产品( 船舶) 为主线，以船体建造为主，一切以船体为中心， 其次是机电、舾装、涂装。而现代造船确按区域组织生产、壳舾涂在空间分 道、时间上有序，所有工作包括设计、生产、组织、采购、人员培训都服从 中间产品导向的工程分解。 这种建立在组成技术和中间产品为导向基础上的壳舾涂一体化造船模 式，属于造船工业的第四代技术革新。 上面已经阐述了目前的现代化造船模式的核心是以中间产品为导向的船 舶建造工程分解。从工业设计的角度来看，为适应这种造船模式，第四代造 船厂应具有一下几方面特点。 1 、按照任务性质将造船全过程分为船体建造、舾装、涂装三种基本作业 类型。每类基本作业又分为加工和装配两种作业，若干个制造级或阶段。如 船体建造划分为零件加工、零件装配、部件装配、小分段装配、大分段装配、 船体合拢七个制造级、舾装划分为舾装件加工制造、托盘集配、单元组装、 分段舾装、大分段舾装、船上舾装六个阶段。涂装划分为钢板预处理、分段 哈尔滨工程大学硕十学位论文 涂装、船台涂装、码头涂装、坞内涂装、舾装、涂装六个阶段。 2 、按成组技术相似原理将船体零件、部件、分段以及管子、舾装件等中 间产品分类成组，形成成组生产单元或者组成分道作业线。如船体建造的分 道作业线有t 型材和组合材生产线，内部构建生产线、平面分段生产线、曲 面分段生产线等。舾装的分道作业线有管子生产线、单元组装生产线、主机 组装生产线。涂装的分道作业线有钢材预处理线、分段涂装线等。 3 、与上述工程分解建立响应的工场或车间。如船体建造的典型工场或车 间有：钢材加工和小组立工场( 包括t 型材和组合材生产线、内部构件生产 线) ，平面分段流水线和平行舯体立体分段建造工场、曲面分段和艏艉分段建 造工场、上层建筑建造工场、总段综合建造工场、船坞总装工场等。涂装的 典型工场或车间有：钢材堆场和预处理工场、分段除锈涂装工场等。舾装的 典型工场或车间有：管子车间及管子集配场、单元组装工场、主机组装工场、 机电设备集配中心、舾装件集配场、分段及预舾装堆场等。 4 、在同一工场内按同类零件组织流水线，设置固定或基本固定工位。如 钢材加工工场按平板、弯曲、型钢组织划线、切割、加工、焊接工位和生产 线。在管子车间内按小于5 0 m m 管径、5 0 15 0 m m 管径，大于1 5 0 m m 管径设 置管子加工线，并按先焊后弯的工艺设立定长切割、焊法兰等工位。在平面 分段流水线按平板拼接和构架拼接组装，线上设置拼板、焊接、安装构架等 工位。 5 、在场地条件许可情况下，尽可能将工位人员、设备、工具、动力设备、 作业对象、质量标准、检验手段等固定下来。在场地条件不可能时，采用同 一工位上轮换建造方式，并用严密的计划和作业图来控制。 通过上述的中间产品导向的工程分解转换到控制生产过程所需的基本要 素上，从而使设计、生产、管理、采购、同一协调起来。了解了上述船体、 舾装、涂装一体化的建造方式特征，也就从总体上把握了现代化造船模式的 船厂车间组成，可以从宏观上对现代化大型造船厂的总平面布置给出方向性 指导。现代化造船模式的总体流程见图2 1 。 9 圈 0e0 圈 引2 1 先舾涂体化流桎 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 第四代造船厂 上面我们阐述的现代造船模式是目前全世界都在采用的最先进的造船模 式，那么与之相适应的便是现代化的大型造船厂。 船体建造是现代化造船模式中的三大基本作业类型之一，它又可以分为 船体加工和船体装配两种作业，并且可以划分为7 个制造级。船体建造区域 分的划分是艏艉、机舱、上层建筑、平行舯体。中间产品向导的工程分解又 形成分道作业线：钢材预处理线、t 型材和组合材生产线、内部构件线、平 面分段生产线、曲面分段生产线、分段总组、船坞( 船台) 合拢等作业线或 者作业区。 但是为了便于研究符合现代造船模式的船厂总平面布局，从工业设计角 度，将上述船体建造的这些生产线抽象归纳为四个阶段，也可以定义为船体 建造的四大类生产设施即：钢材堆场、船体加工、船体焊接、船坞( 船台) 。 以此四大类生产设施的组合型式为线索来考虑大型现代化船厂的总平面布局 是十分必要的。 2 3 影响现代化船厂布局的主要因素 2 3 1 陆域及水域条件 陆上车间虽然有各种布局型式，但究竟采用哪种型式，还是要取决于厂 址陆域和水域条件。按照厂址一边或两边、三边临靠水域，且大多数船厂钢 材由水路运输入厂的情况，大致可采用以下型式，见图2 2 u 型，l 型 海 海 图2 2 不同自然条件的布局 u 型，l 型，i 型 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ( 1 ) 当厂址一边临靠水域时，一般采用u 型布局； ( 2 ) 当厂址两边临靠水域时，可采用u 型、l 型布局； ( 3 ) 当厂址三边临靠水域时，可采用i 型、l 型、u 型、t 型布局； 船坞和船台的位置以及船厂轴线方向的确定对于船厂建设布局的合理 性影响很大。在船坞、船台和轴线位置的确定中，自然条件起到了决定性的 作用，不是一般人为可以改变的。这些自然条件包括水域，水文，地质，陆 域和陆域地区的地形，气象等等。另外在自然条件可能的情况下，船坞位置 和轴线方向要尽量符合总工艺流程要求。 2 3 2 四大生产设施的组合 前面我们已经提到将现代造船模式的各种生产线综合为四大造船设施 即：钢材堆场、船体加工、船体焊接、与船坞( 船台) 。那么以此四大类设施 的组合来考虑现代化大型船厂的总布置是十分必要的。原因如下： ( 1 ) 作为现代化大型船厂首先应该是一个总装厂，其主要特点是，它基 本上适合于加工、装配钢结构单元的装配厂。以钢材堆场、钢材加工、船体 分段装配、船台合拢下水形成的四个阶段是总装厂的主要工艺流程，同时这 四类生产设施对于大型船厂来说，又是以厂房建筑尺度、设备规格和投资为 最大。因此只有将主体工艺流程布置合理，才能抓住船厂总布置的主要矛盾。 ( 2 ) 从物流合理性角度考虑，材料装卸和运输的总量应当为最小。由于 船体建造是主要物流的结点，因此在首先注重钢材堆场、钢材加工、船体装 配、船坞四个阶段之间实现直线、最短距离的运输，避免浪费时间和起重能 力的交叉运输和迂回运输的基础上，在协调舾装物流的合理化，以达到有利 于全局空间分道作业合理化的最佳状态。 ( 3 ) 现代化大型船厂同时也是实现单元化组装、预舾装和区域舾装的工 业单位。但舾装生产设施由于其厂房建筑相对较小，如管子车间、管子集配 场、单元组装工场、主机组装工场、机电设备集配中心、舾装件集配场等都 有条件可能因地制宜地利用主工艺流程的边缘地区和总平面的后方区域，与 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 船体建造主流程协调布置，以达到壳、舾、涂一体化在空间上分道的总体效 果。见图2 3 。 t 型 l 型 u 型 图2 3 典型生产设施布局 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 4 现代化大型船厂总平面布置图例口1 1 2 4 1 “i ”型总平面布置 现在以丹麦哥本哈根b & w 公司造船厂为例作一说明，并与日本三井的 千叶造船厂布置加以比较。歌本哈根b & w 公司造船厂的总平面布置，在比 较成功的保留老的造船区的情况下，扩展了新区，如图2 4 ，2 5 。 图2 4 丹麦哥本哈根b & w 公司造船厂总平面图【1 1 】 虬 电船坞3 l 1 ) 观夫墩f 】最 惹童帆 f l l 电膏搿n 蝴杌匣囹 l 塌撂下i 嘲鄂留车闷i 黛譬- s q 咐强f 1 髋置# 型 ： 1 、盘蔚秆悔船i 卑ll l l5 n tl f 9 一u t 焊接l 缚肄阜翻 车啡| 加工车扭 _ 璧姜稍杯罐蝇、 释葺兰 删驾u 0da 口口 图2 5 日本三井千叶船厂总平面图【1 1 】 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 其特点是： 1 利用了原有的船体加工车间； 2 新建两座装焊车间( 1 # 、2 # ) ，l # 装焊车间可制作1 2 0 t 的分段，2 # 装 焊车间可制作3 0 0 t 的分段； 3 两座装焊车间与造船坞之间有交大的露天装配场地，对应1 # 装焊跨的 外场有2 台起重能力1 2 0 t 的龙门起重机，对应2 4 装焊跨的外场有2 台起重 能力3 0 0 t 的龙门起重机，这四台龙门起重机可进入对应的装焊跨厂房内。 41 # 装焊车间外场可拼装重达2 4 0 t 的分段，并有移动装置，将2 4 0 t 分段横向运至2 # 装焊车间外场，与2 4 装焊车间运出的3 0 0 t 分段品装成6 0 0 t 的总段。 5 用大龙门起重机将6 0 0 t 的总段吊入造船坞( 2 4 0 3 8 m ) ，进行船体 总装。 哥本哈根b & w 公司造船厂的总平面布置具有“柔性”，而日本三井千叶 船厂的车间布置将钢材堆场、套料切割、部件加工、装焊车间紧密连接，虽 然节省空间但是显得较为“生硬”。 属于i 型布局的还有日本川崎、瑞典科克姆斯等船厂。 2 4 2 “t ”型总平面布置 现以瑞典阿伦达尔“哥塔维根”造船厂为例说明。见图2 6 。 图2 6 阿伦达尔“哥塔维根，造船厂总平面刚1 1 】 l 钢板堆场；2 型钢堆场；3 船体加工车间；4 型钢j j n t 车间；5 过渡堆场；6 部件及分段预装车间；7 过渡堆场；8 舾装车间；9 造船车间：1 0 船体车间：1 l 仓库 1 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 阿伦达尔“哥塔维根”造船厂位于歌德堡，属于北方寒冷气候，因此其 特点是： ( 1 ) 2 座长度各为3 3 4 m ，宽各为4 6 m 的相互平行的船坞，坞端3 0 m 伸入垂直于船坞的船体室内车间内，室内车间配置1 5 0 顿桥式起重机2 台， 这样船体建造作业可在室内进行，以适应寒冷天气； ( 2 ) 室内车间可制作3 0 0 t 的分段，建成的分段可用液压千斤顶沿着船 坞底板上的移动轨道移入船坞的露天部分，一个分段一个分段的推移； ( 3 ) 2 座船坞的露天部分各配置2 台1 0 0 吨龙门起重机，主要用于进 行船体内或上部结构的舾装，以及设备安装等。 属于t 型布局的船厂还有日本住友重工追滨船厂、日本钢管津修造船 厂和三菱香烧造船厂等。 2 4 3 “u ”型总平面布置 现以日立造船公司有明造船为例作一介绍。如图2 7 。有明船厂占地1 5 2 万i n 2 ，其中绿化面积1 0 万m 2 ，植树1 0 万棵，号称“森林中的工厂 。总平 面流程呈u 字形，该厂不设钢材预处理流水线，而是由关联企业协作。因此 船厂钢材堆场很小。钢材堆场、加工车间、部件装配车间三部分组合成一栋 厂房。平面分段与艏艉分段( 曲面分段) 分道作业分为两栋厂房。涂装厂房 设在厂区东北角，以减少除锈涂装时对厂区的影响。涂装厂房前设有交大面 积的分段堆场，一方面可进行分段预舾装，另一方面可起到中间缓冲作用。 管子车间和舾装中心两栋厂房设在厂区最北面的厂区边缘。而单元组装车间、 分段总装车间、上层建筑总装场地，设在两座船坞北面，与大船坞对中布置， 使得两台7 0 0 t 起重能力的大型龙门起重机能达到很大的控制面积，发挥更 大的作用。两座船坞一长一短，当初的设计思想是采用两坞五阶段的建造方 式。厂部办公楼设在厂区中央。日立有明船厂的总平面布置具有一定特色， 属于成功的实例。有明船厂对现代化造船厂的布局观念值得我们借鉴和思考， 他们认为，现代化造船厂是高技术、高效率、高柔性，并且注重环保的现代 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化企业。采用独立分散的工厂设置，专业化的分道生产线，系统化的管理， 以达到作业的高效率与无污染。 图2 7 日本日立有明造船厂总平面图【1 1 】 属于u 型布局的还有韩国现代蔚山船厂、日本的大岛船厂。其中蔚山船 厂的选择是利用两个天然港湾的自然环境，很有特色。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 综上所述，现代化大型造船厂在应用组成技术的同时，必然遵循以船舶 中间产品为导向的建造策略，因此，它必然采用分道作业线。分道作业是以 组成技术对船舶作中间产品导向工程分解的结果，工程分解形成了加工设备 的成组布置，它与传统的对应工种导向机制布置完全不同。 因此，现代化造船厂的总平面布置相应要以分道作业为依据，确立工厂 的组成；根据厂区地形、地质水文即岸线条件，慎重的确定船坞的位置和轴 线；同时应尽可能符合总工艺流程的要求，形成柔性流水生产线，从而找到 船坞、码头、路上车间以此完成优化的能满足造船成组生产系统的总平面布 局。 2 5 本章小结 本章首先回顾了历史上各个时期的造船模式以及与其相适应的船厂布局 特点，重点介绍了当下的第四代造船模式即现代化造船模式，以及以此模式 为主要流程的现代化大型造船厂在布局上应考虑的因素及特点。重点针对现 代化造船模式下的各个生产设施在总布置当中的作用及地位分析了现代化造 船厂在总体布局上应注重的问题。 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第3 章船厂布局设计分析 3 1 系统工程在布局设计中的应用乜1 3 上世纪七十年代，由于系统工程技术的应用，对于船厂的布局设计带来 了新的理论与方法，突破了原有的基于经验，习惯，和固有程式的老套设计 思维。 系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科 学方法。其特点如下： 1 、整体性( 系统性) 整体性是系统工程最基本的特点，系统工程把所研究的对象看成一个整 体系统，这个整体系统又是由若干部分( 要素与子系统) 有机结合而成的。 2 、关联性( 协调性) 用系统工程方法去分析和处理问题时，不仅要考虑部分与部分之间、部 分与整体之间的相互关系，而且，还要认真地协调它们的关系。 3 、综合性( 交叉性) 系统工程必须综合研究各种因素，综合运用，各门学科和技术领域的成 就，从整体目标出发使各门学科、各种技术有机地配合，综合运用，以达到 整体最优化的目的。 4 、满意性( 最优化) 系统工程是实现系统最优化的组织管理技术，因此，系统整体性能的最 优化是系统工程所追求并要达到的目的。 1 9 7 3 年，理查德穆瑟( r i c h a r dm u t h e r ) 第一次提出了应用井式流程图 来决策布局组织合理性的方法。这种方法对于避免布局设计决策在长时期才 能显现的重大失误有非常大的帮助作用。 应用理查德穆瑟的理论，决策之初的原始考量数据十分重要，必须要可 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 靠，被精准的定义，并且正确的估计。这些基本的数据在决策流程中被分为 五类，包括生产p ( p r o d u c t ) ，数量q ( q u a n t i t y ) ，处理流程r ( r o u t i n g ) ，支 持服务s ( s u p p o r t i n gs e r v i c e s ) ，时间t ( t i m e ) 。决策流程图见图3 1 。 方案y 图3 1 布局设计决策流程【3 9 】 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 在布局设计的早期阶段，工业流程被分解为最基础的行为和任务。分析 每个单位的操作行动，以便适应后续的所需设备。在这一阶段，一些非常基 础的考量因素被确定：包括哪部分部件在本地生产，那部分部件在外地组装 或者够买，那些服务被重新定位，并且在哪里发生等等。 优化方法以基本的图表关系学为基础。另一方面，精益求精的量化分析 也是非常有效的，但是它需要非常严谨和精确可靠的数据。但是这些数据在 初始的布局设计阶段是靠不住的。因此，必须指出的是，一个涵盖大部分考 量因素的关系图表有时候对于一个布局设计更有实用价值。与此同时，一些 运筹学和概率方法可以更恰当的解决在随机需求下多参数的布局问题。 3 1 1 影响布局好坏的主要指标 设施布局是指企业根据经营目标和生产纲领，在确定的空间内，按照从 原材料的接收、零件和产品的制造直到成品的包装、发运的全过程，将人员、 设备、物料所需空间做适当、有效的分配与组合，以获得最大的生产经济效 益。据统计，在制造过程中将近2 0 - - 5 0 的费用是物料传输费用。优良的 设施布局使得传输和等待的费用至少减少1 0 - - 3 0 。此外，优良的设施布 局还能加快物料处理的效率，减少在制品的停留时间，提高企业的生产率； 同时，间接降低生产成本；也可减少缓冲区的容量、缩小制造系统所占用的 空间、减少制造系统建设费用。总之，设施布局的好坏将直接影响到整个生 产系统的总体性能，如物流、信息流、生产能力、生产效率、生产成本、生 产安全等。 设施布局是由产品及其加工路径、设备和一定的空间位置组成。因此， 产品的种类和数量、加工路径和车间位置是制造系统布局设计研究的主要内 容。它们所对应的实体和活动影响着布局分布。这些实体和活动之间的不同 排列构成了不同的布局形式。根据产品加工要求和生产现场情况可有多种布 局形式可供选择。传统的设施布局形式包括：产品布局、工艺布局和定位布 局。除此之外，设施布局存在各种不同的分类及其标准 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总之，好的布局就是本着为了达到最大效率和最小成本消耗的操作目标， 对于生产，服务，辅助设备以及设施进行有序合理的排列布置。一个糟糕的 布局可能导致对于工业企业生产和利润率的损害。总的来说，一个糟糕的布 局方案的特征可以归纳如下： 木冗长多余的物流路径 ，t c 资源装载的瓶颈效应 木对于材料过多的装卸操作 母糟糕的信息网络 水低效率的通信系统 母设备和劳动力的低效利用 导致这些不足的深层次因素可以归于下几点： 木基础设施建设的不足 事多个生产模块在空间排列的效率低下 ，一c 陈旧的加工设备 半不恰当的制造流程和技术 木低效的组织管理系统 因此，原始规划设施布局比根据当时的情况而任由其随着需求而发展来 说更有必要。作为一个设计流程，我们将整体考虑到企业的一切生产过程中， 从材料采购，到根据实际的通行环境而进行布局。这种做法将带来一些无可 争议的好处： 木可使空间和设备得到优化利用 半更加有效的物料流 宰改进生产流程 掌更好的生产计划系统 木弹性的生产组织体系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 2 冉合舟白韦0 造流程 在我们研究船厂布局的细节问题之前，了解整体以及各个阶段的船舶生 产过程是十分必要的，在概念上，船舶制造的流程图如图3 2 。 板材， 预舾 预舾 零件甲基掣) 板材，零件加工 装屯p 一做架 装平一板架拼装成部件 装平一部件装配成分段 装章一分段立装合拢 舾装亟 图3 2 船舶制造流程示意图 3 2 船厂生产物流系统 从战略的角度来看，物流系统就是以系统的理论和方法研究从原材料供 应到最终需求终端的整个供应链的整体，即研究一体化的物流系统。物流系 统的功能是指物流系统所具有的基本能力，这些基本能力有效地组合、联结 在一起，便构成了物流系统的总功能，便能合理、有效地实现物流系统的总 目标。 哈尔滨工程大学硕十学何论文 我们来看一下船舶制造企业的总的物料流，如图3 3 ： 图3 3 船厂物料流径图 煞霉i舻磁错獬 嚣臻旗撕绑瑚蹙隅 酝铭 端啦靖勉慈帮韶霸缴辫隧 甜辩翟i圣转h瞎嚣戮糍，镌雄静 薹i 荭 磁盘随嗽 锻肄瓣蝣硼 ，：嚣凑辆碜弦错癣 瓣稽鞴髂 h瞪斟滋鍪誊搿秘黟澎磐慵嚣绺 哈尔滨工程大学硕十学位论文 在物流系统的设计建设中应重视管理科学和运筹学方法的应用，尤其 是运筹学，其中的一些理论，方法本身就是针对解决物流问题而发展起来 的它是提高物流系统建设与管理效率的有效工具之一。系统的观点与思想 着眼于从总体上把握物流系统建设的方向和目标，而运筹学的方法主要是在 微观层面上发挥对物流建设的作用寻求以较少的人力和资源投入，获得最 佳经济效益的途径。 3 2 1 生产物流系统设计的原则m 1 8 1 一、最小移动距离 要尽量缩短物料及各种零部件的移动距离，使各类活动能够紧密衔接， 降低物流量，减少成本。在满足生产需要和工艺要求的前提下，合理的进行 工厂的物流线路，工厂的建筑物的相对位置决定了物流的路线系统，因此厂 区布局应采用多方案对比，使得物流移动路线最短，尽量避免物流线路的迂 回和交叉。 二、综合性 站在全局立场考虑工业企业的长远发展，全面分析和处理各种影响因素， 不仅要考虑物流系统各功能之间的协调发展，同时要服务于生产关系、规模、 能力、管理等的需要，使物流系统成为整个生产链条中的纽带和桥梁，生产 关系更加和谐，全面提高生产效率，降低成本，增加效益。 三、集装单元化 为了提高工作效率，减轻工人的劳动强度，保证质量，在物流系统运作 中应采用集装单元化的方式，即将同类物料集中起来作为一个集装单元然后 以集装单元的方式进行物流的各种功能，展开装卸、搬运、保管、运输等活 动。 四、适应性 工业企业的物流系统要具有一定的柔性，适应性要强。即能适应单个企 业又能应用于多个战略伙伴单位，在优化资源配置提高经济效益上发挥作用。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 五、经济性 经济性是物流系统构建的重要标准之一，具体表现为物流总成本，需要 对各种方案进行经济分析，包括投资、回收期、折旧、效益比较等。既要满 足生产的要求为生产服务，又要尽量节省投入。 3 2 2jit 物流系统的布置设计n 8 1 j i t 物流系统也叫做精益物流系统，j i t ( j u s ti nt i m e ) 即要求物流系统 在时间结点准确性。在此种物流系统下，整个企业的布局要求采用联合大厂 房，各个车间平行布置、紧密排列且距离很近，门门相对，节省生产占地， 缩短物流路径且使得物流顺畅。 一般来说，采用j i