船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝過程的與或網(wǎng)絡(luò)建模與分析

陳登智，江國和，孫久航，文家獻(xiàn)

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.上海海事大學(xué) 物流研究中心，上海 201306)

0 引言

船舶柴油機(jī)具有裝置較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元件配合精密及造價(jià)昂貴等特點(diǎn)，船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝是船舶航行和安全維護(hù)過程中的重要工作。船舶動(dòng)力設(shè)備是指船舶上各種能量的產(chǎn)生、傳遞、消耗的全部機(jī)械、設(shè)備，是船舶的核心組成部分，主要由主動(dòng)力裝置、輔助動(dòng)力裝置、其他輔機(jī)和設(shè)備3 部分組成[1]。由于船舶在航行過程中的檢修維護(hù)工作必須由隨船船員完成，因此船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝也是海船船員培養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。然而，船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝涉及的零部件和拆裝任務(wù)眾多，無論是學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和實(shí)際操作過程都十分復(fù)雜。由于可能的拆裝順序很多，衡量拆裝過程的質(zhì)量好壞和提高拆裝效率，無論對(duì)于組織學(xué)習(xí)和訓(xùn)練還是實(shí)際作業(yè)都十分重要。

“動(dòng)力設(shè)備拆裝”是《海船船員培訓(xùn)大綱（2016 版）》規(guī)定的輪機(jī)專業(yè)評(píng)估的主要內(nèi)容。為了衡量拆裝過程的質(zhì)量，海事局等相關(guān)機(jī)構(gòu)組織編寫了《輪機(jī)評(píng)估規(guī)范》作為船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝評(píng)估的指導(dǎo)性文件，確立了針對(duì)各種主要零部件拆裝的具體要求和計(jì)分規(guī)則。但是，在實(shí)際拆裝過程中，拆裝任務(wù)的管理與優(yōu)化是衡量拆裝質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。目前，拆裝路徑的有效性主要依賴于經(jīng)驗(yàn)判定。對(duì)于一個(gè)船舶動(dòng)力設(shè)備來說，可能的拆裝路徑太多，敏捷和智能的拆裝過程優(yōu)化對(duì)于海員人才培養(yǎng)和實(shí)際拆裝操作都十分重要[2]。雖然基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立柴油機(jī)虛擬拆裝環(huán)境能夠減少對(duì)實(shí)際設(shè)備操作的依賴，但是對(duì)心理素質(zhì)和應(yīng)急處置等方面的實(shí)訓(xùn)效果難以衡量。船員操作評(píng)估更多依賴于評(píng)估員主觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)判[3]，依靠人的主觀定性評(píng)估的考核方式，不利于培訓(xùn)教學(xué)效率和質(zhì)量的提升[4]?；诜抡婺M的方法在船舶駕駛和系統(tǒng)研究中得到廣泛應(yīng)用[5]，并且業(yè)界開始研究船舶動(dòng)力裝置“視情維修”和智能診斷系統(tǒng)[6]，但是在設(shè)備拆裝訓(xùn)練和評(píng)估中尚未見報(bào)道。

考慮船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝的復(fù)雜性，通過拆裝任務(wù)描述針對(duì)特定零部件、采用特定動(dòng)作和工具在特定場景下完成的原子工作，基于拆裝任務(wù)及其之間的與或網(wǎng)絡(luò)對(duì)拆裝過程進(jìn)行建模；并在此基礎(chǔ)上提出拆裝過程的分析方法。其中，“與或網(wǎng)絡(luò)”是用于描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和項(xiàng)目管理中任務(wù)或過程之間“與”和“或”這2 種關(guān)系的新工具。

1 設(shè)備拆裝問題與過程

船舶動(dòng)力設(shè)備是大型復(fù)雜工程設(shè)施。例如，船用6135 柴油機(jī)主要用于內(nèi)河中小型船舶的發(fā)電設(shè)備，其所包含的零部件數(shù)以萬計(jì)。對(duì)于遠(yuǎn)洋大型船舶，由于動(dòng)力、節(jié)能環(huán)保和安全等各方面的需要，設(shè)備更加復(fù)雜，零部件數(shù)量更多。雖然當(dāng)前船舶動(dòng)力設(shè)備趨于混合動(dòng)力和電動(dòng)設(shè)備，其零部件數(shù)量和耦合程度依然很高。船舶是浮動(dòng)設(shè)施，船舶上動(dòng)力設(shè)備的檢測維修對(duì)于船舶常規(guī)航行和安全保障的作用相比陸上設(shè)備而言要求更高。并且船上設(shè)備檢測維修主要依賴于隨船專業(yè)人員。因此，對(duì)這些專業(yè)人才培養(yǎng)的考核是海事教育中很重要的組成部分。船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝是船員培養(yǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容。

如圖1 所示，船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝通常是多名專業(yè)人員在船上、車間或?qū)嶒?yàn)室等場地協(xié)作完成的復(fù)雜作業(yè)。在船舶動(dòng)力設(shè)備實(shí)際維護(hù)過程中，通常是通過拆裝檢測、維修和更換特定零部件。船舶動(dòng)力直接影響船舶航行與安全。依據(jù)《中華人民共和國海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》，船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝技能訓(xùn)練與考察，要求使用專業(yè)工具按照安全的作業(yè)步驟完成一系列的作業(yè)任務(wù)。在圖1 中，將一個(gè)拆裝作業(yè)任務(wù)定義為4 個(gè)屬性的耦合，即零部件、動(dòng)作、工具和背景。其中，“零部件”是指該任務(wù)拆裝的零部件組或特定零部件；“動(dòng)作”是指完成該拆裝任務(wù)需要執(zhí)行的一些標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)動(dòng)作；針對(duì)特定的零部件和動(dòng)作，要求使用合適的作業(yè)“工具”以確保質(zhì)量和安全；“背景”是指執(zhí)行該任務(wù)時(shí)所在的特定場景、背景、車間、環(huán)境。

圖1 拆裝任務(wù)及其環(huán)境

2 與或網(wǎng)絡(luò)建模

與或網(wǎng)絡(luò)是包含“與”和“或”節(jié)點(diǎn)的有向圖G=(V,E)。其中，V 是節(jié)點(diǎn)集合，對(duì)于v ∈V，T(v)E{AND，OR}表示節(jié)點(diǎn)是“與”節(jié)點(diǎn)(AND)或“或”節(jié)點(diǎn)(OR)；而E 是有向邊集合，對(duì)于e ∈E，記0(e)和D(e)是起點(diǎn)和終點(diǎn)，都是V中的元素。綜上所述，拓展有向圖，與或網(wǎng)絡(luò)定義為五元集，即G=(V，E，T，O，D)。

Belhe，Gillies和Mohring等人對(duì)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。然而，這些研究僅描述活動(dòng)的前繼任務(wù)，不能用于描述可選的任務(wù)。這解釋了為什么前人在研究項(xiàng)目調(diào)度時(shí)僅關(guān)注有限的時(shí)間而不關(guān)注有限的資源。Kellenbrink 和Helber[7]等人運(yùn)用柔性項(xiàng)目結(jié)構(gòu)研究資源限制項(xiàng)目調(diào)度問題。然而，文中使用的網(wǎng)絡(luò)并未闡明柔性項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型僅考慮項(xiàng)目的完成時(shí)間。項(xiàng)目調(diào)度涉及多種資源的使用，因此項(xiàng)目調(diào)度是一個(gè)多目標(biāo)問題。項(xiàng)目調(diào)度中最重要的是權(quán)衡時(shí)間和成本。因此，項(xiàng)目調(diào)度問題的模型中應(yīng)該使用2 個(gè)目標(biāo)函數(shù)。對(duì)2 個(gè)相互矛盾的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)衡的關(guān)鍵在于找到帕累托最優(yōu)值。Dridi[8]等人使用雙向混合蟻群算法求解分配和調(diào)度問題。Zhang 等人設(shè)計(jì)粒子群算法和差分進(jìn)化算法求解多模式資源約束項(xiàng)目調(diào)度問題。本文在項(xiàng)目調(diào)度問題中考慮可選的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)自適應(yīng)禁忌搜索算法和基于鄰近搜索規(guī)則的遺傳算法，優(yōu)化作業(yè)時(shí)間和資源。

與或網(wǎng)絡(luò)過于強(qiáng)調(diào)理論性，而不能應(yīng)用于實(shí)際中。Belhe和Kusiak[7]等人將項(xiàng)目調(diào)度網(wǎng)絡(luò)簡化成小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)圖求解。但Tao 和 Dong[9]等人提出與或網(wǎng)絡(luò)，在資源約束項(xiàng)目調(diào)度問題中考慮可選的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，有助于對(duì)資源約束項(xiàng)目調(diào)度問題進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)有效的算法。本文將對(duì)與或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

圖2 為一個(gè)與或網(wǎng)絡(luò)的示例圖，其中深色節(jié)點(diǎn)是AND 節(jié)點(diǎn)，而淺色節(jié)點(diǎn)是OR 節(jié)點(diǎn)。與或網(wǎng)絡(luò)用于描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)。在這類網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常表示任務(wù)、處理、動(dòng)作等，節(jié)點(diǎn)之間的有向鏈接表示任務(wù)之間的先后關(guān)系與過程。在任務(wù)與或網(wǎng)絡(luò)圖2 中，a 是AND 節(jié)點(diǎn)，表示任務(wù)a 處理完之后，如果沿著有向邊往下走，那么必須處理b、c 和d，但是這3 個(gè)任務(wù)之間沒有執(zhí)行的順序要求；任務(wù)b 是OR 節(jié)點(diǎn)，即在任務(wù)b 執(zhí)行之后，可以執(zhí)行e 或者f。在圖1 中，為了執(zhí)行任務(wù)i，其前序任務(wù)有多種可能，例如abcdghi 和adcbehgi都是符合以上與或網(wǎng)絡(luò)定義的任務(wù)序列。

圖2 任務(wù)與或網(wǎng)格

在復(fù)雜船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝背景下，通過以下屬性定義任務(wù)v ∈V：通過執(zhí)行該任務(wù)所拆裝的部件（Part） ；Pv該任務(wù)使用的工具（Tool）Tv；執(zhí)行該任務(wù)的具體動(dòng)作（Action）Av；執(zhí)行該任務(wù)所在的特定場景、背景、車間、環(huán)境（Background）Bv。對(duì)于給定作業(yè)空間和動(dòng)力設(shè)備的情況下，以上四類屬性的值域是4 個(gè)確定的集合，記為綜合以上屬性及其集合，船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝與或網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)和屬性2 個(gè)維度，即：因此，G 和S 能夠?qū)Σ鹧b任務(wù)之間的關(guān)系、拆裝過程和拆裝質(zhì)量評(píng)判進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的形式化描述與建模。

3 船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝網(wǎng)絡(luò)建模

圖3 是以船用6135 柴油機(jī)為例研究基于與或網(wǎng)絡(luò)的拆裝網(wǎng)絡(luò)建模的過程。首先，依據(jù)船舶動(dòng)力設(shè)備、拆裝專業(yè)與經(jīng)驗(yàn)，以及拆裝作業(yè)場所，識(shí)別四類拆裝屬性集合S。然后，通過收集歷史作業(yè)數(shù)據(jù)和實(shí)地拆裝獲得拆裝案例。據(jù)此完成任務(wù)集合識(shí)別，確定任務(wù)類型（AND 或者OR），并結(jié)合拆裝屬性集合確定每個(gè)任務(wù)的屬性，根據(jù)案例中所體現(xiàn)的任務(wù)作業(yè)序列確定任務(wù)之間的先后關(guān)系。即完成拆裝與或網(wǎng)絡(luò)建模。最后，組合屬性模型與與或網(wǎng)絡(luò)模型，通過實(shí)地拆裝進(jìn)行校驗(yàn)，確定拆裝網(wǎng)絡(luò)模型。

圖3 拆裝過程模擬

根據(jù)圖3 所建立的過程模型，船用6135 柴油機(jī)包括：考慮250 組主要零部件；拉出、上環(huán)、修光、修刺、關(guān)閉等62個(gè)動(dòng)作；主機(jī)旁、作業(yè)區(qū)、供水管路區(qū)等18 個(gè)拆裝作業(yè)背景；上環(huán)器、拉缸器和專用測量工具等60 類拆裝工具；合計(jì)包括118 組拆裝任務(wù)集，其中，合計(jì)509 個(gè)任務(wù)，115 個(gè)OR 任務(wù)，14746 個(gè)任務(wù)之間的有向連接。因此，最后獲得一個(gè)包括14746 節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模與或網(wǎng)絡(luò)，如圖4 所示。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)置一個(gè)虛擬的開始任務(wù)和一個(gè)虛擬的結(jié)束任務(wù)，任意從開始到結(jié)束任務(wù)的任務(wù)路徑（序列）都是一種可行的拆裝方案，這樣的拆裝方案在這個(gè)與或拆裝網(wǎng)絡(luò)中存在無數(shù)種。

圖4 船用6135 柴油機(jī)與或網(wǎng)絡(luò)

基于拆裝與或網(wǎng)絡(luò)的分析方法包括以下3 種：拆裝關(guān)鍵任務(wù)與部件識(shí)別；拆裝路徑或拆裝過程優(yōu)化；拆裝屬性配置與優(yōu)化。

拆裝關(guān)鍵任務(wù)與部件識(shí)別是以拆裝與或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為對(duì)象的分析方法。在拆裝與或網(wǎng)絡(luò)G 中，節(jié)點(diǎn)的拆入復(fù)雜性與拆出復(fù)雜性可以通過式（1）和（2）的入度和出度中心性表示。綜合（1）和（2）得到式（3）表示任務(wù)的連通復(fù)雜性。通過對(duì)（1）～（3）的計(jì)算對(duì)任務(wù)進(jìn)行排序，判定拆裝任務(wù)在整個(gè)拆裝網(wǎng)絡(luò)中的重要性。通過屬性算子將任務(wù)映射到拆裝屬性，從而能夠獲得對(duì)拆裝屬性重要性的排序。式（4）給出各種屬性的重要性，例如是部件p 的重要性，而則可以用于衡量動(dòng)作 a在該拆裝網(wǎng)絡(luò)中使用的頻繁程度。通過式（4）計(jì)算拆裝屬性在拆裝網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)頻度可以優(yōu)化拆裝屬性配置。

與或網(wǎng)絡(luò)是有向圖的拓展，但是有向圖中的算法不能直接用于與或網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算。拆裝路徑或拆裝過程是從虛擬任務(wù)到達(dá)特定部件所屬任務(wù)的最佳任務(wù)路徑，但不等于相應(yīng)有向圖中的兩點(diǎn)之間的最短路徑。拆裝任務(wù)遍歷算法（見表1）是與或網(wǎng)絡(luò)中路徑計(jì)算的基礎(chǔ)。

表1 拆裝任務(wù)遍歷算法

對(duì)圖4 所示的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行出度和入度的復(fù)雜性分析[10]可以得到如圖5 的分布圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)，入度為1 和入度為2的任務(wù)最常見，但是度為2 的任務(wù)數(shù)量很大，都超過25%。度為1 的這些任務(wù)的作業(yè)前后關(guān)系是確定的，而度值大于1的任務(wù)則可能存在多種作業(yè)的先后關(guān)系。

取10 個(gè)任務(wù)和20 個(gè)任務(wù)，使用算法1 進(jìn)行求解，結(jié)果如圖6 所示。圖中的點(diǎn)表示任務(wù)，其中，圓點(diǎn)表示與節(jié)點(diǎn)，菱形節(jié)點(diǎn)表示或節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)旁邊的數(shù)字表示任務(wù)序號(hào)，箭頭表示作業(yè)順序。粗線表示從起始任務(wù)到終止任務(wù)需要經(jīng)過的任務(wù)路徑，細(xì)線表示不經(jīng)過的路徑。

圖5 船用6135 柴油機(jī)與或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出度與入度分布

圖 6 基于與或網(wǎng)絡(luò)的拆機(jī)任務(wù)路徑示例

4 結(jié)語

船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝過程評(píng)估是海船船員培養(yǎng)和考試的主要內(nèi)容，然而特定拆裝過程質(zhì)量評(píng)價(jià)主要依賴于教員和考官的經(jīng)驗(yàn)。雖然相關(guān)規(guī)定確定了船舶動(dòng)力設(shè)備拆裝的基本過程、注意事項(xiàng)和評(píng)估要求，由于拆裝過程涉及大量零部件和可選任務(wù)，目前尚無自動(dòng)和智能的評(píng)估方法。將拆裝過程分解為依賴于零部件、動(dòng)作、工具和作業(yè)背景的拆裝任務(wù)，考慮特定拆裝任務(wù)的后續(xù)任務(wù)之間的“與”和“或”的關(guān)系，基于與或網(wǎng)絡(luò)建立拆裝任務(wù)網(wǎng)絡(luò)；以此為基礎(chǔ)提出拆裝過程優(yōu)化與分析的方法。以船用6135 柴油機(jī)為例，提出拆裝任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建模過程，建立了拆裝任務(wù)之間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析[10]。未來將在此基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，研究拆裝過程的智能評(píng)估、優(yōu)化與管理。