船舶分段制造车间的模块空间调度模型及算法

论文摘要

船舶工业是为航运业、海洋开发及国防建设提供技术装备的综合性产业,对关联产业有较强的带动作用。近20年来,我国船舶工业获得了高速发展,综合实力稳步提升,已挤入世界造船业第一梯队,但仍处于由大到强的转变过程中。在关键造船指标上,如年人均造船吨位、人均年产值和造船周期与日韩等有巨大的差距。尤其随着我国经济的发展和市场需求的增加,传统的低劳动力成本优势逐渐消失,船舶制造业直面日韩造船业严峻的压力。改进现有的造船模式,缩短造船周期,建立以“中间产品为导向”的现代造船模式,是关系我国船舶制造业生死存亡与发展壮大的重要问题,是提高船舶制造企业参与国际市场竞争能力的战略举措。模块化造船应用模块化设计与制造的思想,改进传统船舶设计和制造流程,能够显著缩短造船周期,大大降低单船分摊的场地、设备和工装等费用,加快资金周转,提高市场竞争力。在这种模式下,船体进行模块划分、分阶段分区域加工和船坞大合拢,生产计划及其动态控制显得尤为关键。只有制订准确的生产计划、有效配置物料、设施和人工等资源,并对全生产过程进行动态控制,才能发挥模块化造船的优势。本文针对船舶制造关键路径上最耗时且占用船厂最宝贵资源的船舶分段制造车间的生产调度问题,以缩短模块制造最大完工时间为目标,在工序约束、空间约束和资源约束下寻求合理的模块空间布局和加工次序,建立模块空间调度模型并设计模块空间调度算法。本文主要解决如下几个问题:（1）分析模块和工作台特征、船舶制造全过程资源配置和设施使用状况,以及影响船舶制造周期的典型约束,建立模块、工作台和典型约束的数学描述,为构建模块空间调度数学模型建立数学基础;（2）在分析船舶模块的二维平面布局问题基础上,引入时间维度提出模块排序和空间布局的三维描述,构建以最小化最大完工时间为目标的船舶模块空间调度数学模型;（3）针对模块空间调度的NP-hard特性,按照flow-shop和job-shop两种生产类型提出分批和不分批调度算法。并且根据模块的形状特性、工艺特性和资源约束特性,设计一系列启发式模块空间调度策略,并基于这些策略开发启发式模块空间调度算法;（4）针对船舶模块空间调度问题复杂多样,如需要满足准时交货、最小化最大完工时间、最小化最大延误,以及提高设备设施使用效率等目标,本文还结合评价船舶制造企业竞争力的关键指标,以最小化最大完工时间和准时交货为目标,提出一种满足多目标的模块空间调度方法;（5）基于启发式模块空间调度算法构建了船舶模块空间调度系统,并应用船厂实际模块数据进行仿真验证。将文中提出的启发式算法与栅格算法、遗传算法、Cplex求解法和人工调度方法进行对比。结果表明,综合完工时间、空间利用率、系统计算时间及解决大规模模块调度问题等几个指标,提出的启发式模块空间调度算法有明显的优势。船舶是大型产品,属于订单式制造类型。船舶模块空间调度方法可拓展至其它大型单件装备制造企业,如火箭制造和飞机制造等,为有效提高这类装备制造企业的生产车间调度水平和效率提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 船舶制造业的发展及现状
• 1.1.2 船舶制造模式的演变及其特点
• 1.1.3 模块空间调度的重要性和难点
• 1.2 模块空间调度研究现状
• 1.2.1 生产调度理论的研究
• 1.2.2 生产调度问题的求解方法
• 1.2.3 模块空间调度的研究
• 1.2.4 当前模块空间调度研究的局限性
• 1.3 课题的研究意义和主要内容
• 1.3.1 课题的研究意义
• 1.3.2 论文的目的和主要内容
• 1.4 论文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 模块和约束条件的建模方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 船舶模块的数学模型
• 2.2.1 模块接触面的简化
• 2.2.2 模块的向量描述
• 2.2.3 模块的图形判别
• 2.2.4 模块旋转角度的设定
• 2.2.5 模块的三维模型
• 2.2.6 模块相似性的定义
• 2.3 约束条件的数学模型
• 2.3.1 模块相交的判别
• 2.3.2 模块相邻布置的判别
• 2.3.3 模块时序约束
• 2.3.4 工作台约束
• 2.4 模块空间调度的工作量平衡
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于最大完工时间的分批空间调度
• 3.1 引言
• 3.2 分批空间调度模型
• 3.2.1 分批空间调度假设
• 3.2.2 分批空间调度策略
• 3.2.3 启发式分批空间调度模型
• 3.3 分批空间调度算法
• 3.3.1 启发式分批空间调度算法
• 3.3.2 启发式分批空间调度算法优化
• 3.3.3 应用栅格算法解决分批空间调度
• 3.4 分批空间调度系统架构和实例验证
• 3.4.1 分批空间调度系统架构
• 3.4.2 分批空间调度实例验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于最大完工时间的不分批空间调度
• 4.1 引言
• 4.2 不分批空间调度模型
• 4.2.1 不分批空间调度策略
• 4.2.2 启发式不分批空间调度模型
• 4.3 不分批空间调度算法
• 4.3.1 启发式不分批空间调度算法
• 4.3.2 应用遗传算法求解不分批空间调度
• 4.4 不分批空间调度系统架构和实例验证
• 4.4.1 不分批空间调度系统架构
• 4.4.2 不分批空间调度实例验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 多目标空间调度模型及启发式算法
• 5.1 引言
• 5.2 多目标模块空间调度模型
• 5.3 多目标模块空间调度算法
• 5.3.1 多目标模块空间调度策略
• 5.3.2 布置时间与布置位置回溯
• 5.3.3 多目标模块空间调度算法
• 5.4 多目标空间调度系统架构和实例验证
• 5.4.1 多目标空间调度系统架构
• 5.4.2 多目标空间调度实例验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 符号与标记
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢