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虚拟船厂模型研究 |
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作者：陆蓓 张圣坤 程敬云 |
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1 引言
敏捷制造所涉及的范围可以是一个国家乃至全球，这是制造模式的一种突破。它将实现全球范围内企业和市场的集成，目标是将各行各业都用网络连通，形成一个与生产、制造、服务等密切相关的系统，实现面向网络的设计、制造、销售和服务。这种环境下的制造业，将不再拘泥于固定的形式、集中的工厂、固定的组织机构，而是以一种高度灵活的方式组织企业，这种企业就是虚拟企业，也有人称之为动态联盟。当出现某种机遇，则以若干个具有核心资格的组织者，迅速联合可能的参加者形成一个新型的企业，从中获取最大的利润。当市场消失后，能够迅速解散，参加新的重组，迎接新的机遇。
虚拟企业这一概念的提出有其必然性，主要是基于如下五种战略上的原因
1)虚拟企业各成员共享基础设施和研究开发的设备与方法，共担风险，分摊成本。
2)通过虚拟企业这一联系组织将各成员互补性核心能力联系起来。
3)通过共享，可以缩短从"观念-现金"的时间。
4)虚拟企业为其成员拓宽了市场渠道，共享市场，并提供了便利性。
5)从出售产品到出售方案。
2 船舶工业的发展现状及前景
随着信息技术、通讯技术的发展，各种先进制造技术层出不穷，为各国造船界带来了前所未有的契机。积极采用新技术的国家，其造船能力有了长足的提高。堪称世界一流造船模式典范的日本己实现了造船CIM。目前日本政府正在进行一项将造船业和船用设备业的信息集成GALS的可行性研究。日本造船协会正在建立虚拟造船企业，为全日本的船厂共用，向其提供设计、生产和物资采办。在一个公共信息交换数据库和网络上，紧密地联系船厂和供应商。韩国着重于船厂生产计划和调度方面的研究工作，结合人工智能，人工神经网络和多agent方法，开发出了许多船厂生产调度系统。欧盟正在进行G8-MARVEI.(MARitime Virtual Enterprise Linkage)项目研究，主要是针对船舶智能制造和运输研究。挪威船级杜(DNV)于1999年在波兰Gdank的Nautics建模中心(NMC)设立了世界上第一家虚拟船厂，其主要工作是在DNV数字平台NAUTICS的基础上，输人数千条船的信息，使船东和船厂更方便地获得相关船信息。他们拟开发3DGM(三维图形模型)来建立产品数据模型，使之涵盖船舶全生命周期的所有信息。美国于1995年起，起动了美国海军DARPA/MARITECH成本共享计划，通过发展海事技术来提高美国船厂的竞争力。Intergraph作为该计划的一部分，综合了来自军船和民船的教训和信息，其核心就是包含了船舶设计、建造和全生命周期管理信息的产品数据模型，以实现在集成系统环境下船舶设计、计划、调度和工程分析的异地实时操作和分析。另外，为实现虚拟造船，美国正在开发造船过程的仿真计算机系统，通过对建造过程模拟来确定建造成本和建造工时，从而迅，速编制和调整计划。通过开发IPPD(Integrated Product/ProcessDevelopment)系统，使分散在全国各地的企业即时协作。美国于90年代成立海事敏捷组织(Maritime Agility Group)，由来自大学、船厂、海军、船东、船级杜、供应商和设计部门的代表组成，从事有关造船的敏捷制造研究。最近通用公司下属的Boat Corp.采用Dassault System 和Electronic IBM 的CATWEB的方案，发展了造船生产专用软件，实现集成产品数据可视化，进行多学科和并行工程环境中的设计管理。
近年来，中国的船舶工业通过自身的体制改革及先进造船技术和管理方法的采用，取得了很大的进步，占据世界造船总吨位第三的位置，但是中国几百家大小船厂的总造船能力却比不上国外一个船厂，在设计、制造、管理、决策各方面与先进造船国家存在不小的差距。
根据对中国几大船厂的实地考查，我们认为差距主要体现在以下两个方面:
2.1 廉价劳动力优势丧失，造船成本提高，竞争力削弱
中国船厂工人的工资虽然只有韩国造船工人的1/15，但是造一条同样的船，成本却要比韩国高10%。一项调查表明，中国8家船厂人数为69 967人，人均产量为24吨，而日本8家船厂仅有职工9 940人，人均产量895吨，其间差距36倍。以1997年为例，中国造船业总支出235亿元，其中生产占了85%，管理10%，财税5%，其中生产成本完全可以通过优化生产过程来大幅度削减。
据统计 ，一些造船企业的工时费用增长很快，1991年工时单价为15-20元/小时，到1998年工时单价为55-65元/小时，7年内几乎番了两番，其变化曲线如图1(4)。
图1 工时费用变化曲线
2.2 生产效率低
以广船国际和日本大岛船厂为例，广船年生产能力9艘，作业人数2 500人，平均每艘船作业人数276人;大岛船厂年生产能力22艘，作业人数840人，平均每艘船作业人数78人，差距3. 5倍。造成这种现象的原因在于中国的造船模式和管理水平比较落后，先进造船大国已处于壳舾涂一体化的第四级水平，而我国仍处在二、三级水平之间，尚未完全实现造船成组技术。80年代和90年代的两次全国造船技术水平测评工作分别指出中国与国外一些先进船厂综合水平差距为n年和巧年，呈增大趋势。
为了改变这种局面，增强抗风险能力，科学、合理、快速地对市场变化作出及时的反应调整，.占据市场竞争的主动局面，中国的船厂必须改变传统的造船模式，采用先进的制造技术。
3 虚拟船厂模型
虚拟船厂是当今船舶界研究的一个新热点，但就目前我们所能收集到的资料来看，各国在此方面的研究工作均处于起步阶段，尚无任何研究组织给出完整详细的虚拟船厂模型框图。由此，结合我国国情，我们提出虚拟船厂模型的初步设想。
3.1 网络级虚拟船厂
这一体系分为两个层面，最上一层我们称之为网络级虚拟船厂，它是一个功能型的虚拟船厂，不具备物理实体，每项功能都是一个agent，整个虚拟船厂是建立在Internet上分布式异地协同船舶建造组织，应用CORBA规范实现在分布式环境下的信息集成，因而网络级虚拟船厂各项功能由智能agent实现，其基础为Internet上CORBA规范支持的船舶数据库，知识库、STEP标准和网络通讯协议。网络级虚拟船厂采用此组织形式是基于这样的考虑:依功能分解的agent与各物理实体没有明确的对应关系，因而更易于系统的集成，相对比较稳定，且物理模型比较简单。网络级虚拟船厂如下图2所示：
该虚拟船厂由船东需求而引发成立，以其最终产品-船舶为目标导向。随任务的结束而解体。在整个过程中涉及到的物理实体包括船东、设计院、船厂、供应商、外协厂、船检等所有与船舶生命过程有关系的部门。其组织包括成员管理Agent(MMA),资源管理Agent(RMA) ，项目管理Agent(PMA)及安全控制Agent(SCA) ，它们各自的功能如下:
(1)成员管理Agent(MMA) :该Agent有以下几项功能:
①对客户(船东)需求(船舶)响应进行投标后中标的成员组织进行注册;
②任务完成后，对离去的成员进行注销;
③对成员间活动进行协调。
(2)资源管理Agent(RMA) :该Agent有以下几种功能:
①虚拟企业成立时，对各成员所拥有的资源(资源实体与可提供的服务)进行登记注册，在任务进行过程中对资源进行调配，在资源消耗殆尽时予以注销:
②确定各成员对资源的调用权限;
③异常情况的处理。如某结点因产生异常情况
引起资源损失，此时RMA实行注销功能。
(3)项目管理Agent(PMA) :根据船舶全生命周期进行任务分解，形成工作流程，有以下主要功能:
①计划与调度功能:制定工作流程，为每一工作点分配资源，在取得由PMA发来的资源后，执行生产运作;
②项目监控:随时查询项目的执行情况，采用移动Agent机制，PMA发出移动Agent到网络子agent结点对其生产运作进行调查，处理异常情况。常见异常情况经分析有三种:
·子agent因能力问题无法完成既定子项目，则通过成员管理再度协商，若盟员中没有可完成此子项目的子agent，则重新招标;
·资源分配错误，可能是所需资源已缺省，也可能是资源分配到错误结点，则由移动agent向RMA和PMA报告，再度调拨资源;
·子agent的子项目进人错误状态，则由移动agent对其进行纠正。
(4)安全控制Agent(SCA):保证虚拟企业的安全性，包括其开放程度及各部分的权限设置。
以上是网络级虚拟船厂组织，它们通过Agent执行各自的功能，CORBA规范实现在Internet上的信息基础，网络通讯协议和STEP标准、船舶数据库/知识库则保证了虚拟船厂的顺利运行。
3.2 物理层虚拟船厂
虚拟船厂模型的第二层为物理层。同样采用多agent的组织形式，这里每个agent对应一个关系明确的物理实体，如船厂、研究所、供应商、外协厂、船东，船检等部门。每个agent都有其独特的竞争优势，相互协同组成虚拟船厂，以合力的形式创造最大效益。各agent与网络级虚拟船厂agent都有通讯联系，其概念模型如图3所示。
根据中国的具体国情，船厂在船舶生产中占据十分重要的地位，是船舶生产的基础，其主导地位将会保持较长的一段时间，因而我们提出以船厂为主体的虚拟船厂具体形式来说明物理层的虚拟船厂形式。我们认为动态联盟下的虚拟企业成员其实是由企业实体和代表企业与其它结点交互、合作的agent这两部分组成。主体船厂的组成结构如图4所示。
基于agent的网络化制造模式是一种开放结构，该主体船厂就是联盟网络上的一个结点，船厂实体包含船厂所有信息结构和决策等内部活动，船厂agent是其外部特性的体现，负责与其它结点(设计部门，供应商，外协厂，船检部门)进行交互和合作，既是船厂实体的功能抽象，又代表船厂执行商务活动。
4 结论
敏捷制造是21世纪制造业的发展趋势。本文通过对虚拟企业出现的战略原因的分析及船舶工业的发展现状的调查，提出21世纪船舶工业要走敏捷化制造的道路，并根据虚拟企业的思想提出了虚拟船厂的模型。从两个层面:即网络层和物理层阐述了虚拟船厂的构建，各层均以agent技术作为其主导技术。(end)
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(10/4/2007) |
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