艦艇動(dòng)力裝置應(yīng)急維修作業(yè)復(fù)雜性量化研究

李世停 蔡 琦 朱 波

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院1） 武漢 430033） （上海交通大學(xué)核科學(xué)與系統(tǒng)工程系2） 上海 200240）

艦艇動(dòng)力裝置是艦艇的“心臟”.基于動(dòng)力裝置故障應(yīng)急搶修的特殊需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛開(kāi)展關(guān)于艦艇故障處置、應(yīng)急搶修預(yù)案的研究［1］.搶修預(yù)案的制定能為應(yīng)急維修技術(shù)準(zhǔn)備與維修決策提供依據(jù)，預(yù)案的有效執(zhí)行能在一定程度上提高搶修速度和質(zhì)量，使故障設(shè)備或系統(tǒng)功能快速恢復(fù).但搶修工作的成功程度顯然會(huì)受到維修作業(yè)復(fù)雜性的影響，為了制定合理有效的應(yīng)急維修預(yù)案，應(yīng)該在預(yù)案制定過(guò)程中對(duì)預(yù)期維修作業(yè)的復(fù)雜性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試；然而，由于事故類(lèi)型的多樣性、復(fù)雜性以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力，這一工作的完成存在困難.本文基于軟件工程中程序復(fù)雜性量化的熵值法，提出了應(yīng)急維修作業(yè)復(fù)雜性的量化方法（maintenance task complexity，MTC），利用MTC法能評(píng)估和量化維修過(guò)程的復(fù)雜性，為應(yīng)急維修預(yù)案的制定與維修決策提供參考信息，方法的建立也是維修保障信息化的需要.

1 應(yīng)急維修作業(yè)復(fù)雜性因素分析

應(yīng)急維修的目的是最大程度的抑制或緩解事故發(fā)展、避免事故進(jìn)一步惡化，盡量減輕事故后果、恢復(fù)或部分恢復(fù)裝備性能.以艦艇動(dòng)力裝置為例，為了達(dá)到這個(gè)目的，需要根據(jù)艦船當(dāng)前及下一步的使命任務(wù)對(duì)修復(fù)作業(yè)方法和修復(fù)程度進(jìn)行決策，而這個(gè)決策的過(guò)程涉及諸多因素.首先考慮故障對(duì)象的維修性，故障的大小和嚴(yán)重程度.如故障設(shè)備的結(jié)構(gòu)、位置、組成及大??；維修人員和維修工具的可達(dá)性，安裝和拆卸部件的簡(jiǎn)易性；故障檢測(cè)方法，故障隔離程度及對(duì)專(zhuān)用工具的要求；由于任務(wù)限制而允許的維修時(shí)間；還包括故障的部位、種類(lèi)、故障模式、零件數(shù)及損傷的嚴(yán)重程度.以管道出現(xiàn)破口為例，考慮破口可隔離時(shí)的堵漏應(yīng)急搶修，需要確定破口位置及大小，維修人員和工具是否可以到達(dá)事故地點(diǎn)進(jìn)行搶修；其次是維修作業(yè)環(huán)境.對(duì)于艦艇動(dòng)力裝置來(lái)說(shuō)，故障設(shè)備可能處在高溫、高壓和高腐蝕的環(huán)境中，僅在任務(wù)需要必須維修時(shí)，并且滿足維修條件時(shí)維修人員才能進(jìn)行維修作業(yè).維修人員進(jìn)入搶修環(huán)境需要了解大量的相關(guān)信息，對(duì)于有可能出現(xiàn)有害氣體的搶修地點(diǎn)需要檢測(cè)氣體濃度水平，并依據(jù)結(jié)果計(jì)算每人次的作業(yè)時(shí)間；需要焊接作業(yè)時(shí)，為了防止氫氣爆炸必須測(cè)量環(huán)境的氫氣質(zhì)量濃度；維修環(huán)境的溫度、壓力也要滿足人員工作條件.再次，維修資源的配備及使用情況.故障部件的備件隨船攜帶量，現(xiàn)存量以及未來(lái)故障時(shí)的使用情況；是否帶有指導(dǎo)維修故障設(shè)備的維修資料，是否需要專(zhuān)用修理工具（焊槍、管嵌、防護(hù)服等）；根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況，可投入作業(yè)的人員數(shù)量、技術(shù)工種類(lèi)型（焊工、鉗工和電工等），技能水平以及人員的體力和士氣.如破口搶修往往涉及多個(gè)技術(shù)工種和工具，各工種之間的協(xié)同維修能力也將影響維修效率，過(guò)多的維修動(dòng)作與工具切換必將增加維修作業(yè)的復(fù)雜性.最后，預(yù)案中各維修作業(yè)之間邏輯關(guān)系復(fù)雜性也將使維修過(guò)程變的復(fù)雜.綜合以上分析，影響維修過(guò)程作業(yè)復(fù)雜性的重要因素可以歸納為3種：執(zhí)行作業(yè)時(shí)需要的信息量、維修作業(yè)時(shí)復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)以及維修作業(yè)的操作規(guī)模.

2 作業(yè)復(fù)雜性量化方法研究

2.1 維修作業(yè)復(fù)雜性量化方法的確定

復(fù)雜性量化在軟件工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛.復(fù)雜性量化的方法有很多種，一般來(lái)講，度量軟件復(fù)雜性的方法有兩類(lèi)：（1）基于源代碼量化的分析方法，如 Halstead’s E；（2）基于結(jié)構(gòu)和圖的分析方法，如 McCabe’s v（G）和熵值法［2］.文獻(xiàn)［3］中在比較了軟件復(fù)雜性與應(yīng)急操作規(guī)程復(fù)雜性的相似處之后，將熵值法應(yīng)用到電站的應(yīng)急操作規(guī)程復(fù)雜性的評(píng)估.這里將應(yīng)急維修與程序維護(hù)也進(jìn)行了對(duì)比，比較結(jié)果如表1，它們具有同樣的動(dòng)作執(zhí)行者、應(yīng)用對(duì)象和復(fù)雜性因素.根據(jù)以上原因，最終選擇熵值法來(lái)量化維修作業(yè)的復(fù)雜性.

表1 程序維護(hù)與應(yīng)急維修比較

2.2 圖熵模型

圖熵法是一種基于信息結(jié)構(gòu)圖模型和控制流程圖模型的復(fù)雜性量化方法，它通過(guò)建立圖熵模型表示抽象的過(guò)程信息.圖熵研究方法分為兩類(lèi)，一個(gè)是彩色信息內(nèi)容（或者叫一階熵）和另一個(gè)是結(jié)構(gòu)信息內(nèi)容（或者叫二階熵）.圖熵的計(jì)算公式為

建立如圖1程序控制圖模型，根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究結(jié)果，控制圖模型的一階熵計(jì)算可以量化維修作業(yè)邏輯復(fù)雜性，二階熵計(jì)算可以量化維修作業(yè)大小復(fù)雜性，為了計(jì)算一階熵，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在程序控制圖時(shí)，基于節(jié)點(diǎn)的輸入輸出程度把它們分類(lèi).如果有相同的輸入和輸出程度存在，那么就認(rèn)為節(jié)點(diǎn)有相同的等級(jí).對(duì)于模型G的二階熵的節(jié)點(diǎn)，如果在一個(gè)弧距離以內(nèi)相鄰節(jié)點(diǎn)有相同數(shù)量和類(lèi)型，那么它們被認(rèn)為是相等.基于以上的分類(lèi)規(guī)劃，模型G的明確等級(jí)如表2.以模型G的一階熵計(jì)算為例，其一階熵所有節(jié)點(diǎn)分為｛a｝，｛b，c，e，f｝｛d｝｛g｝等類(lèi).H 代表類(lèi)的數(shù)量，這里h＝4.此外，類(lèi)I，II，III，IV 的概率分別為1／7，4／7，1／7和1／7.由式（1）可得模型G的一階熵

圖1 程序控制圖模型G

表2 模型G的一、二階熵分類(lèi)及計(jì)算

對(duì)于圖熵模型，節(jié)點(diǎn)意味著信息單元，弧代表節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，而后續(xù)節(jié)點(diǎn)代表前面節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的不同信息字段，圖形的基本層次代表信息的數(shù)據(jù)類(lèi)型如字符型（C）、布爾型（B）、浮點(diǎn)型（F）、圖像（I）或者其他用戶定義的類(lèi)型.文獻(xiàn)［4］分析后認(rèn)為維修作業(yè)信息復(fù)雜性可以利用圖熵法對(duì)信息結(jié)構(gòu)圖模型的二階熵計(jì)算得到.至此，3種維修作業(yè)復(fù)雜性因素的量化方法已經(jīng)確定，為了給出維修作業(yè)復(fù)雜性的綜合度量值，下面提出了綜合3種復(fù)雜性因素的維修作業(yè)復(fù)雜性度量法.

2.3 維修作業(yè)復(fù)雜性（MTC）法

基于以上的分析，圖熵模型可以圖形化表示3個(gè)復(fù)雜性因素，而利用圖熵的兩種方法（一階熵和二階熵）可以計(jì)算得到3個(gè)復(fù)雜性因素的值.維修作業(yè)信息復(fù)雜性（maintenance task information complexity，MTIC）可以利用信息結(jié)構(gòu)圖的二階熵計(jì)算，維修作業(yè)邏輯復(fù)雜性（maintenance task logic complexity，MTLC）可以利用動(dòng)作控制圖的一階熵計(jì)算，而維修作業(yè)規(guī)模復(fù)雜性（maintenance task size complexity，MTSC）可以由動(dòng)作控制圖的二階熵計(jì)算得到.

在分別計(jì)算得到3個(gè)復(fù)雜性因素的量化值后，為了給出MTC的綜合量化值，利用歐幾里得定律將3個(gè)因素的量化值按照各自的權(quán)重綜合計(jì)算得到MTC值，即：第i步的復(fù)雜性量化值為

式中：α，β，γ為各因素權(quán)重.

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 管道破裂應(yīng)急堵漏維修作業(yè)復(fù)雜性量化

初始狀態(tài)描述：某艦艇在遠(yuǎn)海執(zhí)行任務(wù)，動(dòng)力裝置突發(fā)蒸汽減少事故，經(jīng)分析確定破口為給水系統(tǒng)與其相連接的支管發(fā)生穿透性裂紋，并且破損管路可以進(jìn)行隔離；任務(wù)要求：由于艦艇機(jī)動(dòng)性的要求，必須按照應(yīng)急維修預(yù)案進(jìn)行堵漏搶修恢復(fù)壓力邊界.要求計(jì)算在這種條件下?lián)屝薰艿懒鸭y的復(fù)雜性.

由于破損位置為支路管道且為穿透性裂紋，泄漏較緩慢，可以組織保障人員按照維修預(yù)案進(jìn)行搶修.為了滿足執(zhí)行任務(wù)時(shí)艦艇機(jī)動(dòng)性和時(shí)限的要求，可以采用對(duì)裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊的方法快速修復(fù)破損管路.搶修所需的人力資源有環(huán)境檢測(cè)人員、焊工、鉗工、電工和熟練掌握管路的修理檢查工藝的技術(shù)人員.工具和器材包括管鉗、焊槍、防護(hù)服、氧氣瓶、氬弧焊等.由于實(shí)施裂紋破損處補(bǔ)焊處理，這里的備品備件可以不用考慮.而搶修時(shí)機(jī)應(yīng)該安排在搶修艙室應(yīng)急排風(fēng)啟動(dòng)之后，由環(huán)境檢測(cè)人員首先進(jìn)入艙室對(duì)通往泄漏部位通路采點(diǎn)測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，根據(jù)得出測(cè)量值確定每人次的搶修時(shí)間.同時(shí)，要檢測(cè)補(bǔ)焊時(shí)氫氣的質(zhì)量濃度，在濃度的允許范圍內(nèi)才可以進(jìn)行焊接操作.具體的維修作業(yè)如表3.根據(jù)以上分析，分別建立補(bǔ)焊搶修的信息結(jié)構(gòu)圖模型和維修作業(yè)流程圖模型，如圖2，3所示.

圖2 破口搶修信息結(jié)構(gòu)圖模型

圖3 作業(yè)4.2的動(dòng)作控制圖模型

表3 管道破裂事故維修作業(yè)程序

按照2.2節(jié)圖熵的分類(lèi)方法，將4.2步的信息結(jié)構(gòu)圖模型和動(dòng)作控制圖模型分類(lèi)，由式（1）分別對(duì)3種復(fù)雜因素進(jìn)行量化.由2.3節(jié)可知維修作業(yè)信息復(fù)雜性MTIC（4.2）等于信息結(jié)構(gòu)圖模型的二階熵，作業(yè)邏輯復(fù)雜性MTLC（4.2）等于動(dòng)作控制圖模型的一階熵，作業(yè)規(guī)模復(fù)雜性MTSC（4.2）等于動(dòng)作控制圖模型的二階熵，所以可以分別計(jì)算得到

根據(jù)3個(gè)子因素復(fù)雜性度量值，可由式2計(jì)算管道破裂事故搶修過(guò)程第4.2步的維修作業(yè)復(fù)雜性度量值.在計(jì)算之前對(duì)3個(gè)因素α，β，γ的權(quán)重取值進(jìn)行討論.參考文獻(xiàn)［5］對(duì)3個(gè)因素的權(quán)重進(jìn)行了研究，文中通過(guò)對(duì)電站操作員的調(diào)查和專(zhuān)家打分的方法，得出三個(gè)因素權(quán)重的估值α＝0.38，β＝0.32，γ＝0.3.據(jù)此可以計(jì)算得到

為了適應(yīng)普遍情況，本文取3個(gè)權(quán)重因素值相等，即

計(jì)算分析可知，兩種取值計(jì)算結(jié)果誤差僅為2.81%，這主要是由于維修作業(yè)信息復(fù)雜性（MTIC）是3個(gè)因素中最重要的影響因素，它對(duì)權(quán)重值變化較敏感，而對(duì)于維修作業(yè)復(fù)雜性而言這種結(jié)果是可以接受.

3.2 結(jié)果分析及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證維修作業(yè)復(fù)雜性測(cè)度法的有效性，按照上述方法分別計(jì)算了相同應(yīng)急維修背景條件下10個(gè)維修作業(yè)復(fù)雜性的量化值，如表4所列，根據(jù)計(jì)算數(shù)值繪制圖4.依據(jù)維修人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史維修記錄將表4中10個(gè)搶修作業(yè)按照維修時(shí)間的長(zhǎng)短排序，并在圖4中用縱軸表示（縱軸的等距離間隔不表示具體時(shí)間），橫軸表示MTC值.從圖4中可以分析得出結(jié)論，MTC量化值的大小與維修作業(yè)復(fù)雜性成同向增減關(guān)系，即維修作業(yè)越復(fù)雜相應(yīng)的MTC值就越大.因此MTC法在一定程度上可以反映應(yīng)急搶修方案中維修作業(yè)的復(fù)雜程度和維修人員的工作量.

圖4 維修時(shí)間與MTC值對(duì)應(yīng)關(guān)系

最后，假設(shè)維修人員可以掌握2項(xiàng)或2項(xiàng)以上的技術(shù)，如系統(tǒng)工程師可以兼職環(huán)境監(jiān)測(cè)員和電工，焊工和鉗工也可以由一個(gè)技術(shù)人員擔(dān)任，基于這種假設(shè)本文對(duì)搶修作業(yè)的信息結(jié)構(gòu)圖模型進(jìn)行了優(yōu)化.經(jīng)過(guò)以上相同作業(yè)的復(fù)雜性量化計(jì)算得到 MTC（4.2）＝2.860.由此可以看出維修作業(yè)的復(fù)雜性降低了，再次驗(yàn)證了本方法的正確性.

表4 部分應(yīng)急維修作業(yè)復(fù)雜性計(jì)算

4 結(jié) 束 語(yǔ)

應(yīng)急維修預(yù)案的有效執(zhí)行可以抑制事故的惡化，而執(zhí)行預(yù)案的過(guò)程就是完成維修作業(yè)的過(guò)程，因此，維修作業(yè)的復(fù)雜性直接影響預(yù)案能否有效執(zhí)行.本文基于軟件工程復(fù)雜性量化的方法提出了適用于艦艇動(dòng)力裝置應(yīng)急維修作業(yè)復(fù)雜性的量化方法MTC法，利用MTC法將維修作業(yè)復(fù)雜性問(wèn)題量化為具體的數(shù)值，并將它與維修時(shí)間進(jìn)行比較，可以定量地評(píng)估搶修預(yù)案的工作量，分析維修人員在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)的可能性，為應(yīng)急搶修預(yù)案的制定提供指導(dǎo).經(jīng)過(guò)結(jié)果分析表明，該方法能夠真實(shí)地反映維修作業(yè)的復(fù)雜性，為艦艇動(dòng)力裝置維修作業(yè)過(guò)程以及維修預(yù)案制定等研究工作提供了一條新的技術(shù)途徑.

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