復(fù)雜裝備維修項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制CPN 模型*

董 鵬，顏功達(dá)，余 鵬，盧 葦

（海軍工程大學(xué)管理工程與裝備經(jīng)濟(jì)系，武漢 430033）

0 引言

復(fù)雜裝備由于技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)多樣、構(gòu)成單元多，維修（尤其是規(guī)模較大的計(jì)劃性修理）時(shí)容易出現(xiàn)超支、延期甚至重大的質(zhì)量與安全性事故。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)航空、海上石油開(kāi)采設(shè)備以及核電站等易產(chǎn)生維修風(fēng)險(xiǎn)的領(lǐng)域開(kāi)展了一定研究，主要集中在兩個(gè)方面，一是維修風(fēng)險(xiǎn)事故的統(tǒng)計(jì)分析［1-2］；二是維修風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率和損失嚴(yán)重程度的計(jì)算與評(píng)估，如風(fēng)險(xiǎn)矩陣模型［3］、概率風(fēng)險(xiǎn)分析模型（PSA）［4］、關(guān)鍵鏈模型［5］、Bayes 網(wǎng)絡(luò)模型［6］以及聯(lián)系數(shù)模型［7］等。目前的研究只關(guān)注了維修工程中影響較大的風(fēng)險(xiǎn)事故，缺乏維修工程整體性風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)。

復(fù)雜裝備維修工程具有牽連與盲目工程多的特點(diǎn)，工程中存在著大量風(fēng)險(xiǎn)隱患。對(duì)此，必須認(rèn)真分析、提前預(yù)防、嚴(yán)格控制，既要關(guān)注維修過(guò)程可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事件，也要掌握工程整體風(fēng)險(xiǎn)狀況。本文通過(guò)定義維修單元任務(wù)，建立單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)仿真著色Petri 網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱CPN）模型，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)單元任務(wù)的邏輯關(guān)系，構(gòu)建維修工程整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制的CPN 仿真模型。

1 工程整體風(fēng)險(xiǎn)仿真評(píng)估與控制的理論分析

1.1 復(fù)雜裝備維修的整體性分析

維修工程整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是，動(dòng)態(tài)掌握維修工程進(jìn)行的當(dāng)前時(shí)刻到工程結(jié)束時(shí)，維修質(zhì)量、安全、進(jìn)度、費(fèi)用是否會(huì)超出目標(biāo)的可能性。維修工程整體過(guò)程是由時(shí)間上、邏輯上相互關(guān)聯(lián)的各個(gè)環(huán)節(jié)組成的，各環(huán)節(jié)在工作內(nèi)容、技術(shù)支撐、資源保障等方面都存在一定的不確定性，各環(huán)節(jié)不確定性經(jīng)維修全過(guò)程累積后，將對(duì)工程目標(biāo)的順利完成產(chǎn)生顯著影響。為便于分析和描述，用單元任務(wù)的概念定義維修工程中的基本環(huán)節(jié)，維修單元任務(wù)是指裝備維修過(guò)程中相互獨(dú)立、互不包含的任務(wù)單元。維修單元任務(wù)最大特點(diǎn)是獨(dú)立性和原子性，獨(dú)立性體現(xiàn)在各單元任務(wù)間除時(shí)間上存在邏輯關(guān)系外沒(méi)有其他相互影響，原子性體現(xiàn)在單元任務(wù)是最小必要的、不可再分割的單元。一個(gè)單元任務(wù)的目的明確，與別的單元任務(wù)不存在重復(fù)的工作內(nèi)容，如柴油機(jī)汽缸套的拆卸、汽缸蓋的裝配等。

復(fù)雜裝備維修工程是一個(gè)典型的離散事件過(guò)程，從風(fēng)險(xiǎn)角度看，其整體性表現(xiàn)有3 種可能：

1）各單元任務(wù)的質(zhì)量目標(biāo)、安全目標(biāo)、進(jìn)度目標(biāo)、費(fèi)用目標(biāo)都按預(yù)期順利完成，維修工程整體順利完成。

2）某個(gè)單元任務(wù)完成后存在質(zhì)量或安全隱患，維修進(jìn)行到某一特定階段，質(zhì)量或安全事件爆發(fā)，時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本大大增加甚至導(dǎo)致裝備重大損壞，維修工程失敗。

3）單元任務(wù)產(chǎn)生的質(zhì)量、安全問(wèn)題導(dǎo)致維修工作反復(fù)，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本增加。為不影響維修進(jìn)度，后期維修工作的維修人力、資源投入加大，工程過(guò)程和結(jié)果狀態(tài)產(chǎn)生較大變化。

1.2 基于CPN 仿真的復(fù)雜裝備維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型框架

著色Petri 網(wǎng)（CPN）通過(guò)引入多重集的概念，能夠描述維修工程中人員、技術(shù)、設(shè)備、資源等所有要素［8-11］；擴(kuò)展性好能夠?qū)︼L(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后維修要素的變化進(jìn)行及時(shí)更新；分析技術(shù)能力強(qiáng)可以對(duì)工程整體的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。因此，本文采用CPN 模型進(jìn)行復(fù)雜裝備維修工程整體風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與控制。

1.2.1 著色Petri 網(wǎng)的基本定義

定義1 CPN：一個(gè)CPN 是一個(gè)九元組CPN =（∑，P，T，A，N，C，G，E，I），其中：

1）∑表示一個(gè)非空的有限集合，也可稱為著色集；

2）P 表示位置的有限集合；

3）T 表示變遷的有限集合；

4）A 表示弧的有限集合，并且滿足：P∩T=P∩A=T∩A=Φ

5）N 表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)函數(shù)，N∶A→P×T∪T×P，節(jié)點(diǎn)函數(shù)將每一條弧映射到一個(gè)二元組；

6）C 表示一個(gè)著色函數(shù)，C∶P→∑，著色函數(shù)將每個(gè)位置映射到某一個(gè)類型C（p）；

7）G 表示一個(gè)guard 函數(shù)，它將變遷T 與表達(dá)式相關(guān)聯(lián)，并使得：?t∈T：［Type（G（t））=Bool∧Type（Var（G（t）））?∑］；

8）E 表示一個(gè)弧函數(shù)，它將弧A 與表達(dá)式相關(guān)聯(lián)，并使得：?a∈A：［Type（E（a））=C（p）MS∧Type（Var（E（a）））?∑］，p 是N（a）中的位置，即每個(gè)弧表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果為一個(gè)與相連位置p 類型相同的多重集合；

9）I 表示初始函數(shù)。它將位置P 與一個(gè)常量相關(guān)聯(lián)，并使得：?p∈P：［Type（I（p））=C（p）MS］

1.2.2 模型框架

根據(jù)以上分析，在維修工作單元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，利用CPN 模型進(jìn)行復(fù)雜裝備維修風(fēng)險(xiǎn)的整體評(píng)估與控制。其中，單元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制為整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制提供了基本輸入。

為實(shí)現(xiàn)維修工程整體維修風(fēng)險(xiǎn)仿真，首先，根據(jù)所確定的任務(wù)單元之間的邏輯關(guān)系，以各邏輯關(guān)系的CPN 模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建維修風(fēng)險(xiǎn)仿真的CPN模型。其次，以單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估值為輸入，以風(fēng)險(xiǎn)仿真CPN 模型為工具，進(jìn)行維修工程整體風(fēng)險(xiǎn)仿真評(píng)估與控制分析；最后，對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析?；贑PN 的維修工程整體風(fēng)險(xiǎn)仿真模型總體層級(jí)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

若工程整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值高于風(fēng)險(xiǎn)容忍度，則進(jìn)一步研究降低單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的措施，對(duì)單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)值重新評(píng)估后，利用CPN 模型進(jìn)行工程整體風(fēng)險(xiǎn)的再次仿真評(píng)估，直到工程整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值滿足風(fēng)險(xiǎn)容忍度。

圖1 維修整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型總體層級(jí)結(jié)構(gòu)圖

為滿足風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制的分析需求，該仿真模型應(yīng)具備以下功能：

1）能夠較為合理地模擬復(fù)雜裝備維修工程，如維修工作要素的描述，人員、技術(shù)以及設(shè)施、設(shè)備等資源保障，各單元任務(wù)的時(shí)序約束信息的表達(dá)等。

2）能夠?qū)S修單元任務(wù)的維修內(nèi)容增加事件、質(zhì)量事件、安全事件、時(shí)間和費(fèi)用成本增加事件進(jìn)行仿真模擬。

3）能夠?qū)|(zhì)量事件、安全事件產(chǎn)生后，時(shí)間成本和費(fèi)用成本增加的維修資源和進(jìn)程調(diào)整狀態(tài)進(jìn)行模擬。

4）能夠?qū)こ陶w目標(biāo)（質(zhì)量、安全、費(fèi)用、進(jìn)度）實(shí)現(xiàn)的可能狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。

2 工程整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制模型

2.1 模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)

工程整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制模型由單元任務(wù)CPN 模型、單元任務(wù)工程邏輯關(guān)系和維修工程整體模型3 個(gè)部分組成。

2.1.1 單元任務(wù)CPN 模型

單元任務(wù)維修CPN 仿真模型主要是用于模擬維修單元任務(wù)進(jìn)行時(shí)的質(zhì)量狀態(tài)、進(jìn)度狀態(tài)、費(fèi)用狀態(tài)以及安全狀態(tài)。建立單元任務(wù)維修風(fēng)險(xiǎn)CPN 仿真模型如圖2 所示。

圖2 單元維修任務(wù)維修風(fēng)險(xiǎn)仿真的CPN 模型

圖3 3 種邏輯關(guān)系的CPN 模型

上述著色Petri 網(wǎng)模型中庫(kù)所和變遷的含義分別如下頁(yè)表1 和表2 所示。

表1 庫(kù)所代表含義

表2 變遷代表含義

圖4 柴油機(jī)中修的CPN 模型

2.1.2 單元任務(wù)工程邏輯關(guān)系

根據(jù)所確定的任務(wù)單元之間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建維修工程整體CPN 模型。各典型邏輯關(guān)系模式CPN模型分別如圖3 所示。

2.1.3 維修工程整體模型

在各單元任務(wù)CPN 模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)各單元任務(wù)的邏輯關(guān)系構(gòu)建整個(gè)維修工程的CPN 仿真模型，如圖4 所示。

2.2 模型的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

1）通過(guò)變遷S_Judge 判斷單元維修任務(wù)是否發(fā)生安全事故，如果發(fā)生安全事故，則中止整個(gè)維修任務(wù)，否則繼續(xù)執(zhí)行單元維修任務(wù)。通過(guò)變遷CheckQ 判斷是否產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，如果產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，則通過(guò)CheckQT 具體判別哪一類型質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，并給出相應(yīng)的進(jìn)度、費(fèi)用變化情況；如果沒(méi)有質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，直接判斷是否有進(jìn)度、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)的進(jìn)度、費(fèi)用變化情況。

2）質(zhì)量問(wèn)題是否能夠被檢測(cè)出來(lái)，如果不能被檢測(cè)出來(lái)，則產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)被記錄下來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)度和費(fèi)用也存入單元維修任務(wù)狀態(tài)；但質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)被檢測(cè)出來(lái)雖然不會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量后果，但將使進(jìn)度、費(fèi)用增加，相應(yīng)的進(jìn)度與費(fèi)用通過(guò)變遷CheckQT 處理。

3）以工程整體維修仿真CPN 模型為工具，進(jìn)行整體風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)仿真模擬。仿真的輸入包括單元維修任務(wù)之間的邏輯關(guān)系模型、各個(gè)任務(wù)的安全風(fēng)險(xiǎn)概率、安全風(fēng)險(xiǎn)事件、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)概率、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)模式及其概率以及各種模式下進(jìn)度和費(fèi)用情況。仿真過(guò)程中，如果某個(gè)單元維修任務(wù)發(fā)生安全事故，則整個(gè)維修任務(wù)失敗，返回安全事故類型及發(fā)生事故的單元維修任務(wù)編號(hào)；否則將完成所有單元任務(wù)，并記錄各個(gè)單元任務(wù)的進(jìn)度、費(fèi)用以及統(tǒng)計(jì)整個(gè)復(fù)雜裝備維修任務(wù)的總時(shí)間和總費(fèi)用。

4）具體統(tǒng)計(jì)任務(wù)完成概率、平均任務(wù)完成時(shí)間和平均費(fèi)用等指標(biāo)，計(jì)算工程整體風(fēng)險(xiǎn)值。

5）根據(jù)整體風(fēng)險(xiǎn)值的情況，判斷是否需要進(jìn)一步制定風(fēng)險(xiǎn)管控措施，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)估，直到風(fēng)險(xiǎn)值在可接受范圍內(nèi)。

3 案例分析

對(duì)某柴油機(jī)中修工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)仿真評(píng)估與控制分析。經(jīng)評(píng)估，在這次的柴油機(jī)中修中，存在風(fēng)險(xiǎn)的維修單元任務(wù)分別有柴油機(jī)拆卸、氣缸蓋拆修、活塞連桿拆修、冷卻泵拆修、空氣分配器拆修等，各單元任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值如表3 所示。

表3 柴油機(jī)中修中單元任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值

將以上維修單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值轉(zhuǎn)換為維修單元CPN 模型輸入庫(kù)所T_List 的初始托肯參數(shù)為：

1`（10，1，［（0，0）］，［（0，0）］，［（0，0）］）++

1`（1，0，［（Q1，10），（Q2，20）］，［（0，0），（5，10），（10，20）］，［（0，0），（1，10），（3，20）］）++

1`（2，0，［（Q3，8），（Q2，10）］，［（10，15），（5，8），（5，10）］，［（1，15），（1，10），（3，20）］）++

1`（3，0，［（0，0）］，［（10，15）］，［（1，15）］）++

1`（4，0，［（Q2，10）］，［（0，0），（10，10）］，［（0，0），（3，20）］）++

1` （5，0，［（Q1，20）］，［（20，20），（10，20）］，［（0，0），（3，30）］）

其中Q1，Q2，Q3 分別表示影響使用、功能喪失和性能下降3 種質(zhì)量危害模式。由于CPN TOOLS中不能表示小數(shù)，因此，所有概率均乘以100，進(jìn)度延期都乘以10。

在模型中，首先根據(jù)任務(wù)邏輯關(guān)系確定當(dāng)前執(zhí)行的維修單元，每個(gè)維修單元再由維修單元CPN 模型判別是否產(chǎn)生安全事故、質(zhì)量問(wèn)題、進(jìn)度延遲和費(fèi)用增加情況，并匯總仿真結(jié)果。

其次，在各單元任務(wù)CPN 模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)各單元任務(wù)的邏輯關(guān)系構(gòu)建的整個(gè)維修工程的CPN 仿真模型如圖4 所示。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得到安全、質(zhì)量、進(jìn)度、費(fèi)用的仿真計(jì)算結(jié)果。本案例進(jìn)行仿真次數(shù)1 000 次。仿真結(jié)果除火災(zāi)發(fā)生1 次外，其余各項(xiàng)結(jié)果如表4、表5和下頁(yè)表6 所示。

表4 質(zhì)量仿真結(jié)果

表5 進(jìn)度仿真結(jié)果

表6 費(fèi)用仿真結(jié)果

根據(jù)以上仿真結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）經(jīng)過(guò)維修單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析后，該型柴油機(jī)中修的安全風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)在可承受范圍之內(nèi)。

2）進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)中超期2 個(gè)工作日以上的概率達(dá)到15%，超過(guò)了可承受范圍，考慮采取進(jìn)一步的控制措施。

針對(duì)工程整體進(jìn)度控制風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，考慮加強(qiáng)冷卻泵拆修、空氣分配器拆修、擺式減振器拆修、擺式減振器拆修的人力資源準(zhǔn)備，從而將其滯后時(shí)間減少到一定程度，達(dá)到降低工程整體進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)目的，采取人力資源準(zhǔn)備的措施后，對(duì)各相關(guān)單元任務(wù)重現(xiàn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果如表7 所示。

表7 采取措施后的各相關(guān)單元任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值

根據(jù)新的單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值，應(yīng)用CPN 仿真模型，對(duì)柴油機(jī)中修的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重新評(píng)估，結(jié)果如表8 所示。

表8 采取措施后的工程整體進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可知，采取措施后超期2 個(gè)工作日以上概率約4%，工程整體進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)降至可承受范圍，達(dá)到了風(fēng)險(xiǎn)整體控制的目的。

4 結(jié)論

風(fēng)險(xiǎn)管理是裝備維修工程管理中的重要內(nèi)容之一。本文在維修單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，以單元任務(wù)的安全、質(zhì)量、進(jìn)度、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)值為基本輸入，通過(guò)CPN 模型實(shí)現(xiàn)了工程整體風(fēng)險(xiǎn)的仿真評(píng)估與控制分析，柴油機(jī)中修風(fēng)險(xiǎn)分析案例驗(yàn)證了方法的科學(xué)性和實(shí)用性。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步探討單元任務(wù)的多粒度劃分問(wèn)題，以及如何考慮單元任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)性影響的工程整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題。