基于數(shù)據(jù)分析的核電大修里程碑窗口工期管理優(yōu)化1)

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電作為清潔能源，其發(fā)展可促進我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及環(huán)境污染的改善，已經(jīng)成為國家能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)。目前的核電市場是相對壟斷競爭的，也是開放的，對于追求經(jīng)濟效益的核電企業(yè)來講，參與競爭就必須要提高自身的競爭力[1]。大修作為核電站生產(chǎn)活動中的一個關(guān)鍵時期，其結(jié)果直接影響到電站機組運行的安全性及經(jīng)濟性，進而影響核電站的效益，而大修的工期是影響核電站機組的可用率和成本的重要因素。在保證核電機組換料大修安全和質(zhì)量的前提下，提高大修進度，縮短換料大修工期已成為核電企業(yè)提高運營業(yè)績及核心競爭力的重要舉措。目前核電站大修通過設(shè)置重要活動的起止控制點即里程碑，來加強大修管控及進度考核。

1 大修進度管理現(xiàn)狀

目前，世界范圍內(nèi)在運行的核電站400余座，因此在核電大修管理領(lǐng)域積累較為豐富的經(jīng)驗，經(jīng)過多年的實踐，已建立了相對成熟的大修工況及大修檢修窗口，為后續(xù)大修不斷優(yōu)化大修工期、提高大修進度質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

國內(nèi)外核電站大修主要采用項目管理形式進行大修的組織管理，運用關(guān)鍵路徑法、里程碑節(jié)點控制對工期進行優(yōu)化，但在計劃實際執(zhí)行過程中，由于人的因素、技術(shù)方法因素、環(huán)境因素及備品備件因素等原因，里程碑計劃的實際執(zhí)行與原定計劃有較大差異，造成人力物力的浪費，不能很好的控制工期與成本。

美國在核電大修進度管理優(yōu)化研究領(lǐng)域處在領(lǐng)先地位，法國在2002年開始了優(yōu)化工期的研究，取得了很大的成效。國內(nèi)核電大修工期優(yōu)化工作起步較晚，也取得了一定的成效。大亞灣核電站于2004年開始進行大修優(yōu)化工作探索，主要是從組織上進行嘗試，大亞灣核電站對大修優(yōu)化較為重視，已于2006年成立專門的大修優(yōu)化項目組，并建立了大修管理委員會，制定大修優(yōu)化行動及行動計劃，但是與國外工期水平相比還有一定的差距[2]。

圖1分別是法國的RINGHAL，美國的Exelon以及國內(nèi)核電標準里程碑的對比圖。

圖1 中外核電廠標準里程碑對比圖

2 大修里程碑管理方法

2.1 核電站大修的項目特點

核電站大修是機組運行的一個特殊階段，大修利用停堆換料的時間，對系統(tǒng)設(shè)備進行糾正性、預(yù)防性維修，在役檢查以及各種試驗等工作，以確保這些系統(tǒng)設(shè)備滿足機組下一個燃料周期安全穩(wěn)定運行的要求。核電站的換料大修是一項規(guī)模十分龐大、過程極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它具有安全質(zhì)量要求高、資源投入多、工期短任務(wù)重、系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁、接口及協(xié)調(diào)復(fù)雜等諸多特點。

所謂“項目”是指一個組織為實現(xiàn)即定的目標，在一定的時間、人員和資源約束條件下，所開展的一種具有一定獨特性的一次性工作。核電站的換料大修管理是在特定的期間內(nèi)，有限的資源條件下，完成特定的任務(wù)的活動，換料大修有明顯的項目特征。

2.2 核電站大修進度里程碑管理方法及其局限性

里程碑管理是項目管理中的重要手段，是項目進展的度量方法。大修里程碑是核電大修中重要活動的起止控制點，在換料大修的整個過程中，按一回路的狀態(tài)設(shè)置了相應(yīng)的里程碑。其目的一方面是加強對大修的控制，考核大修的近期目標；另一方面也是便于為歷次大修工期的比較建立一個標準[6]。

標準年度大修里程碑設(shè)置情況見表1。

表1 標準年度大修里程碑

目前的核電站大修進度管理采取里程碑結(jié)合關(guān)鍵路徑管理，在每個大修里程碑窗口中設(shè)置關(guān)鍵路徑，關(guān)鍵路徑延誤會導(dǎo)致里程碑延誤及項目延期。一般而言，隨著大修經(jīng)驗的積累，大修里程碑窗口及其關(guān)鍵路徑上的工作內(nèi)容與耗時經(jīng)過多次大修后基本通過專業(yè)人士經(jīng)驗進行確定。最新標準年度大修里程碑目標工期見表2。

表2 標準年度大修里程碑

目前核電大修里程碑時間設(shè)定均是由經(jīng)驗進行判斷，主觀性較強，并且在以關(guān)鍵路徑里程碑手段進行大修實際管控時，由于工作效率、人為因素及外界環(huán)境等各種原因，尤其是項目工期時間是由下至上逐級匯總而成，在這個過程中，由于自我保護因素，項目人員會在原有基礎(chǔ)上增加安全時間，導(dǎo)致項目累計估計時間長于本來的時間，工期往往是不確定的，實際執(zhí)行與預(yù)定的計劃又有很大差別。該方法的局限性導(dǎo)致在實際大修管控中容易出現(xiàn)以下問題：計劃不準，不利于工期的控制，容易出現(xiàn)計劃超期[12]。

3 基于數(shù)據(jù)分析的大修里程碑窗口工期優(yōu)化模型

3.1 核電大修項目里程碑緩沖區(qū)

不確定性是項目的典型特征，也是項目的本質(zhì)，換料大修亦是如此。受不確定性影響，項目完工的概率分布可認為近似于正態(tài)分布(如圖2)。

圖2 項目完工的概率分布圖

每個工序的實施者為了應(yīng)對任務(wù)的不確定性，通常都要給自己留有足夠的安全時間，從而造成整個項目的工期過長。

雖然每個工序，尤其是關(guān)鍵工序都包含了安全時間，但是仍有很多項目不能按照計劃完成。英國學(xué)者帕金森指出：人們會盡量將安全時間消耗掉，早完工，他也不報告，即便早完工導(dǎo)致整個項目節(jié)約時間也是如此。另外一個原因就是學(xué)生綜合癥在起作用，等待和拖拉是人們對待項目的普遍現(xiàn)象，通常是不到最后關(guān)頭不動工。

帕金森定律指出，人們會將單個工序或活動中的安全時間消耗掉。其避免的方式是將安全時間不要放在具體的工序或活動上，而是從工序或活動中消減下來集中管理，根據(jù)風(fēng)險聚合原理，將風(fēng)險整合，整體風(fēng)險就會降低。我們將各個工序中消減下來的時間集中起來稱為緩沖時間，緩沖區(qū)的設(shè)置體現(xiàn)了全局性、系統(tǒng)性思想[5]。

在實際大修管控中，一般會設(shè)置計劃工期及目標工期，計劃工期：計劃工期=目標工期+緩沖時間。核電大修目前均采用目標工期及計劃工期雙工期進行計劃管控，成效顯著。

2017年該核電站一共實施了7次大修，其中6次按照計劃提前完成，計劃提前率達到85.7%，如圖3所示。

從近年來大修工期來看，設(shè)置目標工期對大修工期提前具有較為顯著的作用。

但目前項目緩沖時間的大小一般通過經(jīng)驗進行設(shè)置，具有很大的主觀性，而項目緩沖區(qū)尺寸的設(shè)置合理與否將直接影響到項目工期能否提前或按時完成。

圖3 2017年某核電站大修項目完成情況

3.2 核電大修里程碑緩沖區(qū)設(shè)置模型

隨著核電換料大修標準的逐步提高，大修數(shù)據(jù)也逐漸成為備受關(guān)注的一環(huán)。在整個大修過程中產(chǎn)生了豐富的數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)不斷提高大修管理水平將會成為當前大修管理者的重要需求。本文通過收集國內(nèi)某核電站歷次大修里程碑數(shù)據(jù)，并采用合理方法進行數(shù)據(jù)分析，挖掘大修里程碑工期及里程碑緩沖區(qū)工期，技術(shù)路線見圖4。

圖4 核電大修里程碑緩沖區(qū)設(shè)置模型技術(shù)路線圖

數(shù)據(jù)分析可以從大量的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并提取信息、知識或模式[7]。數(shù)據(jù)分析的步驟由以下步驟的迭代序列組成。

1)數(shù)據(jù)清理：通過數(shù)據(jù)清理來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，進而提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的質(zhì)量;

2)數(shù)據(jù)選擇：從數(shù)據(jù)庫中提取與分析任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù);

3)數(shù)據(jù)分析：通過智能方法提取、分析數(shù)據(jù)模式;

4)知識表示：使用可視化和知識表示技術(shù)，向用戶提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

聚類是數(shù)據(jù)挖掘分析領(lǐng)域的重要組成部分。由于各里程碑窗口歷史時間呈正態(tài)分布，所以本文選用對符合正太分布的數(shù)據(jù)效果更佳的模糊C均值聚類[8]。

模糊C均值聚類(FCM)利用隸屬度函數(shù)和迭代算法將有限的數(shù)據(jù)集進行分別聚類。具體方法如下：

數(shù)據(jù)集合X={x1,x2,…xn}；k為類別數(shù)目；每個聚類的中心，mj(j=1,2…,k)；μj(xi)是第i個樣本對應(yīng)的第j類的隸屬度函數(shù)，則基于隸屬度函數(shù)的聚類損失函數(shù)可以寫為：

令Jf對mj和μj(xi)的偏導(dǎo)為0，求得上述公式極小值的的必要條件。

(1)

(2)

利用迭代方法求解上述兩式。直至滿足收斂得到最優(yōu)解，即完成了模糊聚類的劃分，聚類中心即為標準里程碑窗口目標參考工期，各里程碑目標參考工期與里程碑窗口歷史最佳工期的差值即為安全時間。

由于不同的里程碑窗口對大修工期影響的差異性，需要在歷次大修數(shù)據(jù)中獲取各里程碑窗口對工期影響程度的度量。本文采取主元分析法(PCA)對各里程碑窗口進行客觀賦權(quán)。

主元分析是(PCA)是典型的多元統(tǒng)計分析方法[10]，它能將數(shù)據(jù)中指標對樣本排序及方案影響程度即權(quán)重通過貢獻率的方式給出，屬于客觀賦權(quán)法的一種，其步驟如下：

對樣本的n個因素X={x1,x2,…xn}構(gòu)造n個新的特征變量T={y1,y2,…yn}，使：

1)每個新的變量是原有n個因素的線性組合：

T=XU

式中U為變換矩陣，U={u1,u2,…un};

2)各特征向量互不相關(guān)，兩兩正交：

r(Ti,Tj)=0, (i,j=1,2,…,n,i≠j)

3)使Ui和Tj的方差達到最大，定義貢獻率及權(quán)重為：

式中，λ為特征值。

則緩沖區(qū)的大小即為各里程碑窗口安全時間加權(quán)之和。

4 核電大修實踐

本文對國內(nèi)某核電站33次大修里程碑窗口數(shù)據(jù)進行整理，并對存在裝卸料機改造、低低水位核級閥門處理等偶發(fā)性且對大修工期有較大影響的因素的大修進行清理，最終保留17次大修數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)采用本文構(gòu)建的里程碑工期優(yōu)化模型計算標準年度大修里程碑緩沖區(qū)時間。

首先對各里程碑窗口時間分布進行正太分布檢驗，均符合正態(tài)分布，而模糊均值的聚類方法對符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)具有較好的效果，因此本文采用模糊均值的聚類方法對歷次大修進行聚類分析，尋找到其聚類中心點作為標準年度大修的標準時間，并將其與歷史最佳時間的差值作為個里程碑窗口在整個大修項目中的安全時間。

表3 大修里程碑窗口時間聚類中心及安全時間(單位：h)

以聚類中心時間作為里程碑窗口標準時間，可以看出，聚類中心時間基本分布于工期統(tǒng)計正態(tài)分布中頻率最高時間附近，準確性較好。聚類中心所需大修工期為791 h，32.958 d。

對歷史數(shù)據(jù)各里程碑窗口時間進行分析如圖5。

某些大修里程碑時間的波動較大，對整個項目工期的影響較為顯著，而有些就較弱，為將不同里程碑窗口對項目工期的強弱進行差異化，本文采用主元分析法對各里程碑窗口進行客觀賦權(quán)結(jié)果見表4。

表4 大修里程碑窗口權(quán)重

將各里程碑窗口的安全時間與其權(quán)重乘積作為各里程碑時間緩沖，各里程碑時間緩沖之和作為整個項目緩沖時間，得到結(jié)果見表5。

圖5 大修里程碑窗口時間波動圖

表5 大修里程碑緩沖時間

基于數(shù)據(jù)挖掘的項目緩沖區(qū)計算方法得出的最終結(jié)果為：37.242 8 h，以歷史數(shù)據(jù)庫為基準，標準年度大修項目參考目標工期(聚類中心)為791 h，32.96 d，故標準年度大修參考計劃工期：791+37.242 8=828.24 h，為34.51 d。對歷次大修進行工期統(tǒng)計見圖6，結(jié)果基本符合正態(tài)分布，大修工期最為集中在30～35 d，論文分析結(jié)果參考目標工期32.96 d與計劃工期34.51 d正位于此區(qū)間內(nèi)，具有較強的參考性。

圖6 大修里程碑工期統(tǒng)計

5 結(jié)論

大修作為核電生產(chǎn)活動中的重要一環(huán)，其項目管理的精確化將會是增強核電競爭力的重要舉措。本文在傳統(tǒng)核電大修管理方法的基礎(chǔ)上，并通過學(xué)科交叉利用基于數(shù)據(jù)分析的方法對大修項目緩沖時間獲取方法進行了改進，對于現(xiàn)有核電大修項目管理方法是一種有效改進，具有重要的實際應(yīng)用價值。

本文研究可最終納入項目計劃管理決策支持系統(tǒng)，用于相關(guān)核電企業(yè)的管理提升，并且這樣的計劃管理決策支持系統(tǒng)不僅僅局限于核電大修項目管控，可抽象為一種技術(shù)路徑，應(yīng)用于各種流程工業(yè)項目管理中。

為了提高項目緩沖區(qū)尺寸計算的準確度，進而提高項目計劃的合理性，降低計劃偏差率，縮短大修工期，降低成本，作者認為進一步的研究工作可以從以下方面入手：

1)目前，單一核電站的M310機組核電標準年度大修時間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量依舊無法滿足海量數(shù)據(jù)分析的要求，造成了一定的數(shù)據(jù)分析失真?？山⑷珖踔寥蚝穗娬敬笮揄椖抗芾頂?shù)據(jù)庫，將更多的核電機組大修數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫中，豐富數(shù)據(jù)量。

2)下一步研究可進行細化，以標準年度大修關(guān)鍵路徑上的各項工作為研究對象，在制定大修計劃時可以更加有針對性。

核電大修項目管理應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代管理手段及新方法，與時俱進，持續(xù)改進，只有這樣才能為大修業(yè)績的不斷提升做出更多的貢獻。