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上海交通大学博士学位论文：船台吊装过程调度优化关键技术研究 船台吊装过程调度优化关键技术研究 摘要 大型船舶船体装配过程是船舶制造中的重要环节，它不同于作业车 间和流水车间的制造过程，具有设计制造并行、小批量、高度依赖船台 资源、制造过程受多种外界干扰等不同于传统制造系统的特殊性和复杂 性，并且船舶的生产完全是面向订单的生产模式而不同于面向库存的生 产模式。在这种形势下，大型船舶装配过程处于复杂而又具有变化的环 境中，其调度控制过程也变得复杂和特殊，建立在传统的生产运作管理 理论与运筹学基础上的生产调度与控制方法，已经不能满足其调度控制 要求。本文的研究针对这一问题，从建模、调度技术和仿真等方面对大 型船舶船体吊装过程的调度控制进行研究。 主要包括下述主要工作： ( 1 ) 为了实现对船台吊装过程的规范化描述、准确表示吊装过程， 提出了基于共享合成着色时间p e t r i 网( c o l o r e dt i m e dp e t r in e t ， c t p n ) 的船台吊装过程建模方法。在建立吊装过程典型操作组件模型的 基础上，根据共享合成原理构建出吊装过程的模型，所建c t p n 模型能够 包含吊装中的技术约束、资源约束和时间等信息，支持对船舶吊装过程 调度和控制策略的仿真分析。该建模方法给出了吊装过程的便于计算机 表示和操作的数学描述形式。 针对所建船舶吊装过程c t p n 模型，给出了一种利用极大加法代数 摘要 求解模型中分段吊装时间的算法。对所建模型的性能分析方法进行了说 明，讨论了结合简化规则和可达图方法的定性分析策略。 ( 2 ) 为了在既有的吊装设备、场地等资源条件约束下，寻找可能 的最短船台周期并且尽量提前某些重要时间节点，提出了种基于改进 遗传算法的调度算法。根据吊装过程调度问题的特点，对传统遗传算法 进行改进，给出了一种适合这类问题的交叉算子，通过避免不可行子个 。体的产生从而大大提高了搜索的效率和解的质量。某7 4 ，5 0 0 d w t 散货船 吊装过程调度优化实例说明这种遗传算法对于解决时间安排、设备使用 分配等吊装过程调度问题是有效的。为了探讨这类整数编码遗传算法的 机理，获得改进和分析此类遗传算法的理论基础，采用m a r k o v 链对基于 整数编码的遗传算法进行了收敛性分析。提出了一种整数编码遗传算法 种群多样性量化定义方法，求解出了特定“基因对 顺序变换概率的公 式表示，说明了遗传算法收敛性与遗传算法参数间的关系。 ( 3 ) 降低分段堆放成本是船舶企业的重要课题，从吊装过程调度 安排的角度出发提出了一种以分段堆放成本最小为目标的拉格朗日松弛 算法。将吊装过程调度问题归结为一种新的包含任务先序约束、机器能 力约束以及某些任务同时占用多台机器情况的平行机排序问题。采用拉 格朗日算法对船体装配过程中的先序约束、起重设备能力约束进行松弛， 然后采用次梯度法求解拉格朗日对偶问题，再通过一定的启发式规则获 得可行解。实际集装箱船例子和仿真数据的计算结果表明，这种方法能 够满足实际工程生产的求解速度需要和精度要求。 一i i 上海交通大学博士学位论文：船台吊装过程调度优化关键技术研究 ( 4 ) 吊装过程受多种因素影响，为了提高吊装生产效率和稳定性， 必须更加准确地确定吊装时间，根据干扰的影响及时进行有效的重调度。 在对分段大小、重量、船型、分段所在区域以及建造季节等吊装时间影 响因素分析的基础上，提出了利用模糊神经网络( f n n ) 确定吊装所需时 间的方法。提出了船舶吊装过程重调度策略选择评价指标，给出了基于 分支定界思想的重调度优化算法，并结合船舶吊装生产实例，对以上重 调度控制技术进行了验证。 ( 5 ) 在仿真和工程实例方面，提出了基于高层体系架构( h l a ) 的 协同仿真平台，对其逻辑结构、功能模块划分、数据以及时间管理等关 键技术进行了分析和定义；初步建立了协同仿真平台的各功能模块。建 立了大型船舶装配过程仿真模型和调度控制策略之间的桥梁，实现了仿 真环境下的调度策略性能分析。在吊装过程三维动态仿真模块中，提出 了一种能够增强虚拟吊装过程沉浸感的查看路径规划方法。根据样条小 波多分辨率表示曲线原理，并结合查看通道的宽度情况生成查看路径。 给出了路径规划的具体实现步骤并展示了在吊装过程三维虚拟场景中进 行查看的例子。 关键词：造船，吊装，建模，调度，着色时间p e t r i 网，遗传算法，模 糊神经网络，拉格朗日松弛算法 一i i i 上海交通大学博士学位论文：船台吊装过程调度优化关键技术研究 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo f e r e c t i o no p e r a t i o ns c h e d u l i n go nd o c k i nas h i p y a r d a b s t r a c t e r e c t i o n o p e r a t i o ns c h e d u l i n g o nd o c k ( e o s ) ，d i f f e r i n gf r o mb o t h jo b s h o pa n df l o w - s h o p ，i sak i n do fn e wt y p eo n e ，w h o s es p e c i a l a n d c o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d el a r g es c a l e ，e x i s t i n go c c u p y i n gm u l t i p l e m a c h i n e ss i m u l t a n e o u s l y , u n b a l a n c el o a do fm a c h i n e a n di t sp r o d u c t i o n m o d ei so r d e ro r i e n t e ds t y l e u n d e rt h ec o m p l e xa n dc h a n g ec h a o s c i r c u m s t a n c e ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fe o si s n o n l i n e a r t h ep r o d u c t i o n s c h e d u l i n ga n dc o n t r o lm e t h o d s ，b a s e do nt r a d i t i o n a lp r o d u c t i o no p e r a t i o n t h e o r y , c a n tm e e tt h en e e do ft h ec o n t r o lo fe o s i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，s u p p o r t e db yt h ek e y i t e mp r o g r a mo fs & t c o m m i t t e e ，s h a n g h a i c i t y , c h i n ap r o j e c t r e s e a r c ho nm a t e r i a lf l o wi ns h i p b u i l d i n ge n t e r p r i s e ( g r a n tn o 0 4 d z 110 0 4 ) ，t h et h e s i s t o p i ci sr e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n t c o o r d i n a t e ds c h e d u l i n gt e c h n o l o g i e so fe o sa n di t sk e yt e c h n o l o g i e s t h e p a p e rd i s c u s s e df r o md i f f e r e n tp o i n t s ，a n de x p e c t e dg a i nb r e a k t h r o u g hi n t h e o r y , m e t h o d ，s u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k si nt h i sp a p e r ： ( 1 ) b l o c ke r e c t i o ni ns h i p y a r di sac o m p l e xp r o c e s s am e t h o d b a s e do n i v a b s t r a c t s h a r i n gs y n t h e s i so ft i m e dc o l o r e dp e t r in e tf o rm o d e l i n go fb l o c ke r e c t i o n p r o c e s si ns h i p y a r di sp r o p o s e d am i n - m a xa l g e b r aa l g o r i t h mi s u s e dt o c a l c u l a t et h et i m e t h ei n f o r m a t i o no fe r e c t i o nc o n s t r a i n t s ，f a c i l i t i e s ，s p a c e a n dt i m ec o n s u m i n ga r ei n v o l v e da n de x p r e s s e dc l e a r l yi nt h i sm o d e l t h e a p p r o a c hc a nb ee m p l o y e dt om o d e lt h ee r e c t i o np r o c e s so fs i n g l ev e s s e lo r m u l t i v e s s e l f i n a l l y , a c a s e s t u d y o ft h em o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o no f e r e c t i o np r o c e s so ft w o7 4 ，50 0d w tb u l kc a r r i e r si sg i v e na n dt h er e s u l t s h o w st h a tt h i sm o d e l i n gm e t h o di se f f e c t i v e ( 2 ) am e t h o db a s e do nm o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h mf o ro p t i m i z a t i o no f b l o c ke r e c t i o np r o c e s si s p r o p o s e d f i r s t l y , t h ec o n s t r a i n t s o fe r e c t i o n n e t w o r ka n dt h ep r o d u c t i o na b i l i t yo fb l o c ka r ea n a l y z e da n dt h eo b je c t i v e f u n c t i o nt om i n i m i z et h em a k e s p a no nd o c ki sg i v e n t h e n ，am o d i f i e d g e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h i sp r o b l e m ，a n dt h ec o d i n ga p p r o a c h a n dac r o s s o v e ro p e r a t o ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s f i n a l l y , ac a s es t u d yo ft h e o p t i m i z a t i o no fe r e c t i o np r o c e s so f a7 4 5 0 0d w tb u l kc a r r i e ri sg i v e na n d t h er e s u l ts h o w st h a tt h i so p t i m i z a t i o nm e t h o di se f f e c t i v e t h ec o n v e r g e n c e r a t eo f m o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h mw i t hi n t e g e rc o d i n gw a sa n a l y z e d f i r s t l y , ad i v e r s i t yo fp o p u l a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h mi sd e f i n e dw h i c hc a nf o r m a l l y e x p r e s st h ed e g r e eo fp r e m a t u r ef o rt h i sk i n do fg e n e t i ca l g o r i t h m t h e nt h e f o r m a l i z e de q u a t i o ni sg i v e na b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i v e r s i t ya n d c r o s s o v e rr a t e ，m u t a t i o nr a t ea n dp o p u l a t i o ns i z e f i n a l l y , as i m u l a t i o n v 一 上海交通大学博士学位论文：船台吊装过程调度优化关键技术研究 e x p e r i m e n ta b o u tb l o c ka s s e m b l ys e q u e n c es c h e d u l i n gi n as h i p y a r di s i n t r o d u c e dt ov e r i f yt h ea b o v eo p i n i o n s ( 3 ) an e wl a g r a n g i a nr e l a x a t i o na p p r o a c hi sd e v e l o p e d t os c h e d u l et h e e r e c t i o no p e r a t i o n st om i n i m i z et h ei n v e n t o r yc o s to fb l o c k s i tc o r r e s p o n d s t oa p a r a l l e lm a c h i n ep r o b l e mw i t ht h ep r e c e d e n c ec o n s t r a i n t so ft a s k s ，t h e c a p a c i t yc o n s t r a i n t so fm a c h i n e sa n dt h e s i t u a t i o nt h a ts o m et a s k sm u s t o c c u p ym u l t i p l em a c h i n e ss i m u l t a n e o u s l y t h eo b j e c t i v ei s t om i n i m i z et h e w e i g h t e dt o t a lc o m p l e t i o nt i m e am a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o no f t h ep r o b l e m i sp r e s e n t e df i r s t l y t h e nt h et a s kp r e c e d e n c ec o n s t r a i n t sr a t h e rt h a nc r a n e m a c h i n ec a p a c i t yc o n s t r a i n t sa r er e l a x e db yl a g r a n g i a nr e l a x a t i o nm e t h o d a n dt h es u b g r a d i e n tm e t h o di su s e dt os o l v et h el a g r a n g i a nd u a lp r o b l e m f i n a l l yt h er e s u l t s a r em o d i f i e db ys o m eh e u r i s t i co p e r a t i o n ap r a c t i c a l e x a m p l eo f c o n t a i n e rv e s s e lt h a ti n c l u d e s6 5b l o c k si ss o l v e db yt h ep r o p o s e d a p p r o a c h ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h el a g r a n g i a nr e l a x a t i o nm e t h o d i sa b l e t os o l v ei n d u s t r i a l d i m e n s i o n e d p r o b l e m s w i t h i nr e a s o n a b l et i m ea n d a c c u r a c y ( 4 ) t h ed i s t u r b a n c et y p e s o fe r e c t i o nt i m ew e r e a n a l y z e d a n da r e s c h e d u l i n gm e t h o dw a sp r o p o s e d an o v e lf u z z yn e u r a ln e t w o r kb a s e d a l g o r i t h mf o ra n a l y z i n gd i s t u r b a n c eo fe r e c t i o nt i m ew a sp r o p o s e d t h e l e a r n i n gs a m p l e sf o rf n n w e r es e t u pb ys i m u l a t i o ne v a l u a t i o n t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ei n p u tp a r a m e t e r so fb l o c ka n de r e c t i o nt i m ew a sb u i l tb yf n n 一v i a b s t r a c t t h eb r a n c ha n db o u n da l g o r i t h mi su s e dt or e s c h e d u l i n gt h ee r e c t i o n o p e r a t i o n s t h e c o n s t r u c t i o no ff e a s i b l et r e ea n dt h eb r a n c hf a t h o mr u l e s w e r eg i v e n t h en o d e s i n c l u d i n gr u l ea n dl o w e r - b o u n dr u l ew e r eu s e dt oc u t t h ei n v a l i db r a n c h e s ( 5 ) as i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nh l a w a sp r o p o s e d t h i sp l a t f o r m c a nh e l pu s e rt os i m u l a t i o nt h e i rs c h e d u l i n gr e s u l t sd y n a m i c a l l y t h e a r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o nm o d u l e so ft h i sp l a t f o r mw e r ea n a l y z e da n dd e f i n e d t h ed a t aa n dt i m em a n a g e m e n tm e t h o d sw e r ed i s c u s s e da n dt h ep r o t o t y p eo f t h i sp l a t f o r mw a sd e v e l o p e d i n3 ds i m u l a t i o nm o d u l e ，am e t h o da b o u t n a v i g a t i o np a t hm u l t i r e s o l u t i o np l a n n i n gb a s e do nw a v e l e t sw a sp r o p o s e d t o e l i m i n a t et h ev i s i o nd i t h e rp h e n o m e n o na n de n h a n c et h ei m m e r s ef e e l i n gi n v i r t u a le n v i r o n m e n to f s h i p b u i l d i n g t h et h e o r y a n dr e a l i z a t i o no f c o n s t r u c t i n gn a v i g a t i o np a t hw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l sa n da ne x a m p l ea b o u t b l o c ke r e c t i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：s h i p b u i l d i n g ，b l o c ke r e c t i o n ，h u l la s s e m b l y , m o d e l i n g ， s c h e d u l i n g ，t i m e dc o l o r e dp e t r in e t ，m o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，l a g r a n g i a n r e l a x a t i o n 一v i i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名：廛i 夏层 日期：1 。口分年7 月c 。日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者鲐建暖刻指导撕张镑 日期沱瞄年7 月i o 日 日期：圳年，7 月，州 上海交通大学博士学位论文；船体建造过程调度优化关键技术研究 第一章绪论 【摘要】 首先通过大型船舶船体建造过程的特点和当前存在问题的分析，展现了船体吊装过程调度的 研究背景。然后通过对船体吊装过程调度的体系结构、建模、调度技术的回顾，明确了本文的研 究点及其意义，即如何有效地调度大型船体吊装建造过程以提高该过程的整体效率。最后对本论 文研究的内容及其章节安排做了一个简要的介绍。 1 1 研究背景 大型船舶建造业是技术复杂，资金劳动密集，周期长的技术产业，正在成为我 国国民经济的支柱性产业之一。根据国家发改委、国防科工委2 0 0 6 年公布的船舶工 业中长期规划( 2 0 0 6 - 2 0 1 5 年) ，到2 0 1 0 年，我国自主开发、建造的主力船舶达到国 际先进水平，年造船能力达到2 3 0 0 万载重吨；到2 0 1 5 年，形成开发、建造高技术、 高附加值船舶的能力，年造船能力达到2 8 0 0 万载重吨。骨干造船企业的生产效率达 到1 5 工时修正总吨，3 万载重吨以上常规船舶平均建造周期达到9 个月，人均年 销售收入力争达到2 0 0 万元。中国国防科工委的数据显示，2 0 0 7 年中国民用船舶新 接订单逾七千万载重吨，新接订单超过韩国，晋身全球第一。随着市场需求的快速 变化和全球化经济竞争的加剧，采用性能优良的建造策略，已成为提升船舶建造系 统整体效率提高造船技术能力的根本途径。 船舶建造系统是不同于作业车间和流水车间的制造系统，具有小批量定制化、 设备负载不均衡、生产干扰因素多等不同于传统制造系统的特殊性和复杂性。同时 由于船舶建造周期长，存在设计、采购和建造同时进行的特点，因此大型船舶的建 造过程不同于其他面向库存的生产方式n 2 3 引。 在这种情况下，大型船舶船体建造过程处于复杂而又富有变化的生产环境中， 其调度优化是复杂的、关键性的课题。建立在传统的生产运作管理理论与运筹学基 础上的生产调度与控制等方法，在理论和实践上都面临着新的问题，因为这些理论 与方法都是假定系统的环境是相对稳定的，并且主要针对车间生产环境，已经不能 满足船舶建造这种复杂而具有变化的生产环境的调度需求。因此，需要提供新的理 论和支撑技术来对大型船舶船体建造过程进行有效的控制，这也是本文研究的出发 点。 第一章绪论 1 1 1 大型船舶船体建造的特点晦。1 列 船舶工业是劳动密集型、资金密集型和技术密集型的制造工业，决定了船舶制 造系统的特殊性。船舶制造系统按船舶组成的功能系统来分可分为船体、轮机、电 气、舾装，按工种可分为壳舾涂三种基本作业类型。船舶制造系统是一个复杂的大 系统，由各分散的，却又有物质流、信息流和资金流等联系的子系统组成。系统内 的各子系统组成了一个有机的整体，从而实现接受新船建造的订单，购进原材料和 其他配套件，受到各种外部条件的约束，在各种控制因素作用下将外部输入转化为 产品船舶。 从控制与调度的角度来看，大型船舶船体建造过程存在明显的区别于普通制造 行业的特征，其具体特点如下： ( 1 ) 设计、制造并行的定制化小规模生产 对于大多数的制造系统，由于定制现象仅在个别工序或在有限可选情形中出现， 不作为系统本质特征进行深入研究。而大型船舶建造业，大量的定制化是船舶建造 的本质特征。由于存在船舶的定制化生产，不同类型的船舶具有不同结构的吊装网 络图，这使得每一吊装设备上需要吊装的船舶类型不断变化，从而导致了吊装调度 问题的更大解空间，增加了调度与控制问题的复杂性。 大型船舶造价昂贵，一般订单是单件或者小规模批量，因此船舶不能像其他产 品那样大规模批量制造，对于每一艘船舶都要按照订单单独进行设计、采购和建造。 因此，在船舶建造系统中存在着多个订单，存在不同的产品种类，这些都造成了船 舶建造的小规模单件生产的特性。 不同类型的产品同时建造或者依次建造，存在着不同的船舶竞争同一船台的问 题。这主要有两个原因。一是大型船舶的复杂结构，每一艘都是以相似的方式生产， 只是装配的顺序不同或者所需设备能力有所变化，因此可以使用同一船台上不同能 力的设备吊装；二是由于吊装设备昂贵，吊装环境空间有限，于是造成了竞争船台 现象的出现。这就需要最大化设备、场地等资源的利用率。 ( 2 ) 建造活动高度依赖船台资源 大多数制造系统在设计与运作中都追求设备能力的均衡。而这在船舶建造行业 是很困难的。这是由于船舶吊装设备昂贵以及空间限制，因此系统的设计与实现是 带有可预见的瓶颈的，并且不能进行线性扩展。也就是说，不能平滑地增加能力， 并且能力增加引起的成本也不是线性增长。瓶颈的存在意味着对直接影响瓶颈的关 键设备的控制，决定了整个系统的性能。 船舶建造是劳动密集与技术密集并存的、综合性的大型的组装工业，涉及的工 种、专业繁多，生产过程复杂；并且，立体交叉的生产方式，导致物流、人流、信 息流的时空紧张，对船台场地、关键设备等资源高度依赖。文献 1 3 的研究表明， 上海交通大学博士学位论文：船体建造过程调度优化关键技术研究 对于船舶企业，与船台装配活动直接相关的生产约占总生产活动的4 5 。 ( 3 ) 建造过程受到多种外界干扰 由于配套企业多、配套产品复杂，船舶建造过程受到外界的干扰比较多。这些 干扰包括船东的要求变更、钢材等其他原材料的采购影响、建造时天气等自然因素 的影响以及其他的因素。由于以上诸多因素的影响使得船舶建造过程存在诸多不确 定性因素。 ( 4 ) 船舶企业前期投入大且投资回收期长、风险大 大型船舶造价昂贵，建造周期长且不确定，例如某船厂承建的l n g 船单艘价格 高达1 5 亿美元，建造周期2 到3 年，因而船舶建造企业更难以把握市场变化，使 得船舶建造生产活动的投资回收和盈利存在比较大的风险。 ( 5 ) 建造周期不确定性 由于不同类型船舶的结构工序和所需材料存在差异，某些船舶的建造与其他船 舶的建造可能会发生资源竞争，再加上某些设备的不可替代性、混合加工建造方式 等原因，导致了加工周期的不确定性，增加了周期控制的困难。 ， 船舶建造工业的特征可以归纳为以下几点：( 1 ) 设计、制造并行的定制化小批 量生产；( 2 ) 高度依赖船台资源；( 3 ) 制造过程受到多种外界干扰；( 4 ) 占用大量 的资金且投资回收期长、风险大；( 5 ) 建造周期相对较长且不固定，而船舶建造周 期是船厂竞争力的重要指标。 1 1 2 船体建造过程调度的需求 随着全球化经济时代的到来，包括船舶制造业在内的高技术制造业正处于一种 不断变化与难以预测的市场环境中。在这种高度复杂的动态环境中，船舶产品按特 定顾客的特殊需求进行面向订单的加工制造，船舶制造企业面临着不断减小船舶的 在制品库存( w i p ) ，缩短船舶产品交货期，提高船舶生产系统整体效率和竞争力的 要求。现代化船舶企业广泛采用“壳舾涂一体化建造方法，船体建造工作是造船 过程中的重要环节，因此船体建造过程直接影响交船时间以及重要资源的使用，是 此类建造方法中举足轻重的生产环节n 3 1 钆1 6 3 。从而导致对船体建造生产环节的调度 存在以下需求：， 在控制调度理论与方法方面，缺乏系统的适应复杂而又具有变化的非平稳环境 下的大型船舶船体建造过程控制调度理论与方法。传统的柔性制造系统的递阶控制 调度方法适合于调度控制环境是相对平稳的情形。虽然自适应控制的方法已被用于 处理系统的随机性问题，即根据系统的输入输出对系统的状态进行辨识，然后根据 辩识的结果设计控制策略，但控制的效果要受到随机噪声特性和系统识别精度的约 第一章绪论 束。因而自适应控制也不能完全满足大型船舶船体建造过程的调度要求。 并且，大型船舶船体建造过程作为不同于传统作业车间( j o b s h o p ) 与流水车间 ( f l o w s h o p ) 的一种生产方式，很难直接借鉴其他生产方式中较好的控制与调度成 果，因此，需要研究新的大型船舶船体建造过程的控制调度理论与方法。 在大型船舶吊装的动态调度与控制方面，缺乏适用于这类包含多种干扰因素的 生产环境的重调度机制。大型船舶船体建造的生产控制系统通过任务分解、组织管 理和资源配置优化，完成制造系统的资源管理、生产调度和控制功能。由于生产过 程中存在各种不确定性因素( 如订单的不确定性，设备故障的随机性，工艺设计的 主观性，操作人员误操作的偶然性等) ，以及大量不精确信息( 如物料到达某工位的 时间，零件加工时间，设备准备时间等) 和不完备信息( 如在制品的质量状况，原 材料质量状况等) ，大型船舶船体建造系统需要对这些因素进行正确和快速的反应， 使整个系统的生产动态有序地进行。实现大型船舶船体建造的控制实际上就是从时 间和空间上协调相互关联又相互冲突的子系统( 产品、资源和环境等) ，以达到系统 整体动态有序的过程。因此，需要研究新的调度机制，当系统的结构和控制信息发 生变化时，保持其运行状态稳定性的能力，进而指导实际控制系统的开发。 在船体建造过程的建模和仿真方面，目前仍然缺乏一种形式化的有效建模方法 以及异构环境下的协同仿真平台，以支持具有交互特性的大型船舶船体建造控制系 统的仿真分析与评价。对于异构环境下的仿真，大型船舶吊装的调度控制系统与仿 真工具需要透明地访问数据资源，同时它们之间需要进行交互操作。但是，调度控 制系统与仿真系统由于采用不同的开发方法和工具，使得调度控制系统与仿真系统 运行环境异构以及数据模式异构。所以，有必要研究大型船舶吊装的仿真平台的系 统集成技术和软件框架技术、支持异构环境下的具有交互特性的大型船舶船体建造 过程的仿真技术。 1 1 3 课题背景 在上海市科委重大专项基金资助项目“船舶建造企业物流管理系统研究 ( n o 0 4 d z l1 0 0 4 ) ”的资助下，结合大型船舶建造企业工程应用背景，本论文着重研 究大型船舶船体建造过程的协同调度理论，以支持处于复杂而又具有变化的非平稳 环境的船体建造过程调度控制系统分析，指导实际调度控制系统的开发，为大型船 舶船体建造过程调度优化相关策略的制定提供有效的理论支持，对提高船舶制造企 业的生产效率、响应速度、自组织能力以及对环境的自适应能力具有重要的意义。 上海交通大学博士学位论文：船体建造过程调度优化关键技术研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大型船舶吊装过程建模与仿真技术 对大型船舶吊装过程建立模型是实现动态调度优化的基础。随着船舶吊装过程 自动化、规范化、集成化程度的逐步提高，建立恰当的模型成为实现良好控制调度的 一个重要前提因素。到目前为止，大型船舶吊装过程模型主要有含约束有向图 ( c o n s t r a i n td i r e c t e dg r a p hs e a r c h ，c s d g ) 模型、统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ，u m l ) 模型、面向对象( o b j e c to r i e n t e d ，0 0 ) 船舶建造过程模型及p e t r i 网模型等。 美国标准技术委员会( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ， n i s t ) 、韩国首尔国立大学( s e o u ln a t i o n a lu n i v e r s i t y ) 以及美国海军研究办公室 ( o f f i c eo fn a v yr e s e a r c h ，o n r ) 所进行的研究项目采用面向对象的思想对船舶建 造过程中的各种实体属性和行为进行定义，采用统一建模语言u m l 对建造过程建模 鹏1 。但是该种模型描述船舶吊装过程具有局限性。 美国密歇根大学( u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ，d m ) 的t h o m a sl a m b 等学者利用面 向对象方法建立了造船过程的模型，其中包括吊装过程的模型n 引。 韩国科学技术研究院( k o r e aa d v a n c e di n s t i t u t eo fs c i e n c et e c h n o l o g y 。 k a i s t ) 的j k l e e 等学者采用含约束有向图方法对船台吊装过程建立了模型随一1 。 j o n gg y es h i n 对船厂中的子装配线生产过程进行了建模并仿真了运作过程n 羽。 a o y a m a 基于船舶生产信息与船厂模型的关系提出了船舶生产的计划模型，包括任务 包和运作信息n 引。 由于p e t r i 网在处理动态离散事件和复杂系统的特性时，具有图形表示和数学描 述的双重功能，成为研究大型复杂离散过程的强有力工具，可用于系统建模、离散事 件仿真、性能分析及调度，尤其对并行和并发行为的系统建模更为有效舱0 | 。把机器资 源和工具作为令牌表示，可以在网络结构的图中流动以反映实际的资源和设备占用 情况。用p e t r i 网可以分析系统是否存在死锁，并对可达性及其他性能进行估计。目 前存在基于q p n 、c t p n 、g s c t p n 等模型的生产过程建模理论与方法乜h2 2 2 引，但这些 p n 不具备可重用性，不支持对调度过程动态协同的描述。 在仿真技术方面，h o n g t a ek i m 对船舶建造系统进行了仿真，并且通过仿真对系 统的性能进行了评估h 1 。p a r kk 对船台的空间使用情况进行了建模和仿真n 引。c h u n g h 等人动态模拟了船体建造过程乜们。a l f e l dl e 等利用船舶建造过程仿真模型建立 了虚拟船厂，开发了相应的软件系统来模拟复杂的船舶建造过程乜酊。美国标准技术 委员会( n i s t ) 制造工程实验室2 0 0 1 年开展了制造仿真与可视化项目，建立了分布式 一5 一 第一章绪论 仿真接口与组件库，以降低模型开发、仿真软件集成所花费的时间和费用。 美国国防建模与仿真办公室( d e f e n s em o d e l i n g s i m u l a t i o no f f i c e ，d m s o ) 在1 9 9 5 年制定的建模与仿真主计划( m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm a s t e rp l a n ，m s m p ) 中，提出了未来建模仿真的共同技术框架，其中，高层体系结构( h i g hl e v e lo f a r c h i t e c t u r e ，h l a ) 用于解决仿真系统的集成问题，为构造大规模仿真应用提供了一 种应用集成平台，即运行时支持结构( r u n t i m ei n f r a s t r u c t u r e ，r t i ) 嘶3 。美国标准 技术委员会( n i s t ) 的c h a r l e sm c l e a n 等学者对船舶建造操作活动进行了仿真，其所 进行的仿真研究采用了d o d 高层体系结构( h l a ) 和运行时支持结构( r t i ) 等技术 和方法，通过仿真实现了对感兴趣操作活动期望结果的查看，以及对操作成本的预 估引。 清华大学苟凌怡等提出了支持虚拟样机的协同仿真平台，以实现虚拟样机开发 环境中不同领域、分布、异构的仿真系统间的信息共享和交互操作，并在产品虚拟 开发中进行了初步的应用实践瞳7 。 在大型船舶吊装的建模与仿真方面，以上所采用的o o 和u m l 建模方法都是面向 船舶建造过程仿真的，并没有建立起面向优化的数学模型。c s g d 模型虽然是面向优 化的数学模型，但是对应的是网络的长期行为，因此常被用于研究系统的静态特性， 比如，根据给定的约束网络求吊装过程的某些性质。 高层p e t r i 网模型没有建模上的限制，既可用于离散事件仿真，又可用于性能分 析，因此该模型较其它模型应用范围更广，但采用面向对象的p e t r i 网( o b j e c t o r i e n t e dp e t r in e t ，o o p n ) 模型在一定程度上可以解决p e t r i 网模型的复杂性、 可重用性问题，但依然存在以下不足：o o p n 不直接支持协议通信的描述；o o p n 不直 接支持通信模型的异步消息传递和决策；并且o o p n 只支持直接的预定义的控制流 2 8 。2 9 ，3 0 】 o 船舶建造过程一般包含数十个甚至数百个分段，涉及多种资源要素，对于这样 复杂的系统，对其进行建模必然会遇到很多困难。以上这些研究对于合理安排吊装顺 序和资源调度起到了积极的作用，但是这些研究没有把吊装网络、时间和所需要的 资源约束等因素结合起来考虑，缺少任何一个因素，优化结果在实际船舶生产中的 应用都会受到影响。并且，对于多船同时建造的情况，这些方法就很难描述。因此， 需要一个满足多种因素和多船的建模方法来描述这个过程。到目前为止，仍没有一个 通用的模型可以较好地解决该领域的所有问题，仍旧没有较好的实现异构环境下交 互式性能分析的有效仿真平台及其技术框架。因此，这一领域的许多问题仍然需要进 一步的研究。 上海交通大学博士学位论文：船体建造过程调