船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)

任 靜， 胡曉軒， 楊山林， 張怡敏， 張 亮

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032)

0 引 言

船舶裝備在研制過(guò)程中需要先進(jìn)技術(shù)、較長(zhǎng)周期、高額投資，同時(shí)承擔(dān)較高風(fēng)險(xiǎn)。制造技術(shù)成熟度不高會(huì)導(dǎo)致船舶裝備的研制費(fèi)用過(guò)高、研制時(shí)間拖延、故障頻發(fā)等問(wèn)題。例如，由于缺少制造技術(shù)成熟度評(píng)估，美國(guó)福特號(hào)航空母艦電磁彈射故障率比蒸汽彈射高10倍。2016年6月的一份報(bào)告顯示，福特號(hào)的電磁彈射平均400次出現(xiàn)1次嚴(yán)重故障，而標(biāo)準(zhǔn)是4 166次彈射才能出現(xiàn)1次嚴(yán)重故障[1]。

目前，我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展快速，從近十年中國(guó)船舶制造業(yè)占世界造船市場(chǎng)份額的變化可看出：中國(guó)已成為造船大國(guó)[2]。船舶產(chǎn)品質(zhì)量提高、生產(chǎn)成本降低、開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短是船舶裝備研制成功的重要因素及目標(biāo)[3]。過(guò)去，制造技術(shù)成熟度評(píng)估依靠人工計(jì)算，效率低、可靠性低。而船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)可對(duì)評(píng)估要素及指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估及設(shè)計(jì)，評(píng)估對(duì)象廣泛，包括船舶制造的材料、工藝、設(shè)計(jì)技術(shù)、資源能力等。在研發(fā)制造的同時(shí)，應(yīng)用船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)，可使研發(fā)人員從一開(kāi)始就可考慮產(chǎn)品壽命期內(nèi)的所有環(huán)節(jié)，即從項(xiàng)目規(guī)劃到產(chǎn)品交付的相關(guān)工藝和質(zhì)量的技術(shù)成熟度等[4-5]。

1 船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)

制造技術(shù)成熟度概念于20世紀(jì)60年代由美國(guó)軍方提出，其主要特點(diǎn)是以更好、更快、更廉的方式，在武器裝備建造過(guò)程中應(yīng)用優(yōu)秀的建造技術(shù)及建造資源，平衡建造周期、成本、質(zhì)量和性能等因素，達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的目的[6]。美國(guó)、英國(guó)、歐盟以技術(shù)成熟度等級(jí)(Technology Readiness Levels，TRL)研究為主；加拿大以技術(shù)成熟度體系(Technology Maturity Level System，TML System)研究為主[7]；中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院(CCID)于2018年5月17日發(fā)布《智能制造分級(jí)評(píng)價(jià)認(rèn)證體系》，中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116-2020)于2020年10月11日發(fā)布、2021年5月1日實(shí)施?；诖把邪l(fā)制造的生產(chǎn)過(guò)程及國(guó)內(nèi)外制造技術(shù)成熟度的評(píng)估方法及要素可知：制造技術(shù)成熟度評(píng)估工作貫穿產(chǎn)品整個(gè)生命周期。

船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)可分為一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)、三級(jí)指標(biāo)等，指標(biāo)可自行拓展。一級(jí)指標(biāo)覆蓋總體、船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、船體屬具與艙室設(shè)施、生產(chǎn)資源、生產(chǎn)設(shè)計(jì)資源、建造方法與工藝能力、生產(chǎn)管理資源、配套能力等評(píng)估要素，主要包括總體設(shè)計(jì)、建造工藝、船廠(chǎng)建造資源能力、船舶研制定型后等技術(shù)成熟度評(píng)估。二級(jí)指標(biāo)主要針對(duì)總體船體、輪機(jī)、電氣、舾裝、武備、涂裝、生產(chǎn)設(shè)計(jì)資源、建造方法與工藝能力進(jìn)行成熟度評(píng)估。三級(jí)指標(biāo)是對(duì)二級(jí)指標(biāo)的進(jìn)一步精細(xì)劃分，涉及材料、工藝、技術(shù)、結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成熟度評(píng)估。

2 船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估指標(biāo)

2.1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)技術(shù)成熟度評(píng)估在研究中涉及舾裝、武備、涂裝等3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，評(píng)估分?jǐn)?shù)A、B、C、D分別為100分、75分、50分、25分，如表1所示。

表1 總體設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)

2.2 建造工藝

建造工藝技術(shù)成熟度評(píng)估在研究中包括總體船體、輪機(jī)、電氣等3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，評(píng)估分?jǐn)?shù)A、B、C、D、E分別為100分、80分、60分、40分、20分，如表2所示。

表2 建造工藝評(píng)估指標(biāo)

2.3 船廠(chǎng)建造資源能力

船廠(chǎng)建造資源能力技術(shù)成熟度評(píng)估在研究中包括生產(chǎn)設(shè)計(jì)資源、建造方法與工藝能力、配套能力等3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，評(píng)估分?jǐn)?shù)A、B、C、D、E分別為100分、80分、60分、40分、20分，如表3所示。

表3 船廠(chǎng)建造資源能力評(píng)估指標(biāo)

2.4 船舶研制定型后

船舶研制定型后技術(shù)成熟度評(píng)估在研究中包括生產(chǎn)資源和生產(chǎn)管理資源2個(gè)二級(jí)指標(biāo)，評(píng)估分?jǐn)?shù)A、B、C、D、E分別為100分、80分、60分、40分、20分，如表4所示。

表4 船舶研制定型后評(píng)估指標(biāo)

2.5 可拓展指標(biāo)

可拓展指標(biāo)技術(shù)成熟度評(píng)估可根據(jù)需求自定義評(píng)估要素。

3 船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估權(quán)重及等級(jí)劃分

3.1 權(quán)重劃分

(1)

式中：Wm為需要被評(píng)估的第k個(gè)技術(shù)成熟度維度權(quán)重。

根據(jù)專(zhuān)家權(quán)威性原則、熟悉性原則、決策一致性原則[7]確定專(zhuān)家權(quán)重，定義dij為專(zhuān)家決策wi與專(zhuān)家決策wj的差距。dij由式(2)得出，即

(2)

由式(2)可知：dij越小，wi與wj越接近。

(3)

由式(3)可知：每位評(píng)估專(zhuān)家Ei的決策權(quán)重γi越小，與其他專(zhuān)家的決策差異度越大。

通過(guò)式(1)～式(3)可得出船舶制造技術(shù)成熟度權(quán)重因數(shù)，如表5所示。

表5 船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估權(quán)重因數(shù)

3.2 等級(jí)劃分

基于每個(gè)三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重因數(shù)，依據(jù)每位專(zhuān)家對(duì)技術(shù)成熟度指標(biāo)的評(píng)估分?jǐn)?shù)確定最終的等級(jí)分?jǐn)?shù)，即等級(jí)分?jǐn)?shù)=評(píng)估分?jǐn)?shù)×權(quán)重因數(shù)。根據(jù)分?jǐn)?shù)將等級(jí)劃分為9級(jí)(TL1～TL9)，其中：小于TL7表示船舶制造技術(shù)成熟度尚未達(dá)到成熟階段，如表6所示。例如，選取船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估要素中的總體設(shè)計(jì)，針對(duì)三級(jí)指標(biāo)居住艙室相似性/標(biāo)準(zhǔn)化/模塊化設(shè)計(jì)/便于批量建造，假定專(zhuān)家評(píng)估分?jǐn)?shù)為A，則等級(jí)分?jǐn)?shù)為50分，依次計(jì)算，選定對(duì)應(yīng)的技術(shù)成熟度等級(jí)。

表6 船舶制造技術(shù)成熟度等級(jí)

4 船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)可在企業(yè)局域網(wǎng)上部署使用，采用瀏覽器-服務(wù)器結(jié)構(gòu)(Browser-Server，B/S結(jié)構(gòu))模式開(kāi)發(fā)，并可部署在本地單獨(dú)使用。通過(guò)基礎(chǔ)信息管理、評(píng)價(jià)分析、評(píng)估系統(tǒng)管理、評(píng)估要素管理等功能模塊，實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中加入技術(shù)成熟度評(píng)估環(huán)節(jié)。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)功能詳解如表7所示。

表7 船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)功能詳解

圖1 船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)功能架構(gòu)

對(duì)某艘在建船的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估打分，在船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。總體設(shè)計(jì)、建造工藝、船廠(chǎng)建造資源能力、船舶研制定型后的技術(shù)成熟度評(píng)估等級(jí)分別為T(mén)L3、TL5、TL8和TL4，等級(jí)描述如圖2所示。

圖2 等級(jí)描述

以總體設(shè)計(jì)技術(shù)成熟度評(píng)估為例，其下設(shè)總體船體、輪機(jī)、電氣、舾裝、武備、涂裝等6個(gè)二級(jí)指標(biāo)，且等級(jí)為T(mén)L3，如圖3所示。界面左側(cè)展示總體設(shè)計(jì)評(píng)估的要素指標(biāo)及等級(jí)選項(xiàng)，淺色標(biāo)記為等級(jí)較弱指標(biāo)項(xiàng)。界面右側(cè)顯示等級(jí)描述和評(píng)價(jià)雷達(dá)圖，評(píng)價(jià)雷達(dá)圖展示各二級(jí)指標(biāo)細(xì)項(xiàng)分?jǐn)?shù)。

圖3 總體設(shè)計(jì)技術(shù)成熟度評(píng)估界面

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外技術(shù)成熟度的評(píng)估辦法，建立船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估系統(tǒng)，選取評(píng)估方向?yàn)榭傮w設(shè)計(jì)、建造工藝、船廠(chǎng)建造資源能力、船舶研制定型后等，研究11個(gè)二級(jí)評(píng)估指標(biāo)和16個(gè)三級(jí)評(píng)估指標(biāo)。根據(jù)專(zhuān)家確定的權(quán)重因數(shù)和評(píng)估分?jǐn)?shù)，計(jì)算等級(jí)分?jǐn)?shù)，選定評(píng)估等級(jí)。應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)某艘在建船的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估打分，實(shí)現(xiàn)評(píng)估的靈活性、準(zhǔn)確性和可靠性。船舶制造技術(shù)成熟度評(píng)估正處于起步階段，后續(xù)將根據(jù)船舶可制造性的發(fā)展，針對(duì)技術(shù)成熟度評(píng)估要素和方法進(jìn)行不斷的完善和修正。