船舶等級維修管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

魏明焓 宋庭新

摘? 要：船舶在營運(yùn)過程中會(huì)發(fā)生不同程度的磨損、腐蝕和損壞，需要根據(jù)損傷程度確定維修級別和保養(yǎng)方式?；谠搯栴}，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套船舶等級維修管理系統(tǒng)，可根據(jù)船舶設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，使用FMEA（失效模式與影響分析）分析和閾值分析法對船舶的維修等級與最佳維修時(shí)機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，生成維修需求報(bào)告。測試表明，該系統(tǒng)可快速確定船舶維修等級、維修時(shí)間和維修范圍，對節(jié)約修船成本、縮短維修周期具有重要作用。

關(guān)鍵詞：等級維修;失效模式與效果分析;船舶;信息系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Ships will experience various degrees of wear， corrosion and damage during operation， and the damage degree determines repair level and maintenance strategy. In view of these problems， this paper proposes a set of ship maintenance level management system. FMEA （Failure Mode and Effect Analysis） analysis and threshold analysis methods are used in the system to analyze and decide ship maintenance level and best maintenance timing based on technical status of ship equipment. Then， a maintenance demand report is generated. Tests show that the proposed system can quickly determine ship's repair level， repair time， and repair scope， which helps to reduce both ship repair costs and repair cycle.

Keywords： grade maintenance; failure mode and effect analysis; ship; information system

1? ?引言（Introduction）

船舶在運(yùn)營過程中，為了節(jié)約維修成本和減少磨損、腐蝕等，通常根據(jù)損傷程度確定維修等級，按等級進(jìn)行船舶的維修保養(yǎng)，船舶維修等級一般分為小修、中修和塢修[1]。小修是指對船體進(jìn)行檢查，對局部腐蝕嚴(yán)重的外板、甲板及上層建筑進(jìn)行修補(bǔ);中修是對船體進(jìn)行全面的檢修，修換已損壞或不符合標(biāo)準(zhǔn)的部件;塢修需要使用船塢，對影響船體大深度航行安全的船體、管路系統(tǒng)和各種裝置進(jìn)行檢修，消除故障隱患。船舶的維修周期和費(fèi)用會(huì)隨著維修級別的增高而變大。因此，確定船舶的維修等級、維修范圍和最佳維修時(shí)間，就成為船舶維修保養(yǎng)的一個(gè)重要問題。為保證船舶航行安全，控制維修成本，提高船舶運(yùn)營效率，需要評估船舶的修理等級、可靠性和經(jīng)濟(jì)性[2]。

目前，基于船舶技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)分析維修等級的方法主要有決策樹、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析等[3]。但是船舶維修等級的判斷不僅僅要考慮技術(shù)狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，還要考慮船塢周期和維修窗口時(shí)間等因素。在實(shí)際決策中發(fā)現(xiàn)采用上述三種方法均產(chǎn)生一定程度的偏差，影響維修效率。針對上述背景，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套船舶等級維修需求生成管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FMEA分析法和閾值分析法，分別從定性和定量的角度去分析船舶技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障現(xiàn)象，確定每個(gè)故障設(shè)備的維修等級，然后采用規(guī)則推理評估算法計(jì)算各個(gè)設(shè)備的最佳維修時(shí)間，進(jìn)而確定整艘船舶的維修等級、維修時(shí)間和維修范圍，為船舶的維修管理的管理人員提供了強(qiáng)有力的支持，更加精準(zhǔn)地提高了船舶的維修效益。

2? ?框架介紹（Framework introduction）

系統(tǒng)采用B/S模式，使用了SpringBoot框架。SpringBoot框架可以簡化應(yīng)用程序配置，同時(shí)SpringMVC提供模型-視圖-控制器框架，將業(yè)務(wù)處理從界面交互中獨(dú)立出來，封裝到模型和控制器中，使前后端之間互相解耦合分離，可以獨(dú)立擴(kuò)展。Mybatis作為持久層數(shù)據(jù)訪問框架，由于其支持自定義SQL語句、存儲過程以及高級映射，所以在使用時(shí)，只需使用簡單的XML注解和配置，就可將數(shù)據(jù)表映射到Java接口和實(shí)體類，簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)[4]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

3? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（System design）

3.1? ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶等級維修的業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了船舶管理，維修BOM管理、技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)管理、維修等級分析、維修需求生成和系統(tǒng)管理六個(gè)功能模塊。每個(gè)模塊之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制建立各個(gè)模塊之間的連接，不同職能的用戶根據(jù)分配的權(quán)限執(zhí)行工作任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)采用MVC設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)視圖層和業(yè)務(wù)層的分離，最大限度的減少客戶端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫之間的耦合性，有利于系統(tǒng)的升級與維護(hù)[5]。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2? ?系統(tǒng)主要功能模塊介紹

船舶等級維修管理系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)包括船舶技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)管理、等級維修分析、維修需求生成、維修BOM管理和船舶管理等任務(wù)。具體如下：

（1）技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)管理。主要包括設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)和健康指標(biāo)。技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)主要指各種檢測數(shù)據(jù)、故障現(xiàn)象和故障信息等，由維修人員和設(shè)備管理人員錄入。健康指標(biāo)指設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)范圍，不同的閾值對應(yīng)不同的健康狀態(tài)，也對應(yīng)不同的維修等級，由設(shè)備廠家在出廠時(shí)設(shè)定或者通過實(shí)驗(yàn)確定。

（2）維修等級分析。采用定性分析和定量分析相結(jié)合的方式來確定船舶的維修等級。失效模式和效果分析（FMEA）是一種定性分析方法，主要用于分析一些現(xiàn)象級的故障描述信息，這類故障描述信息一般由現(xiàn)場檢修人員通過觀察和測量獲得，包括設(shè)備的故障現(xiàn)象、失效模式、工作狀態(tài)和維修過程，具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性[6]。FMEA通常用于對各種故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評價(jià)，以便根據(jù)現(xiàn)有的故障現(xiàn)象評估設(shè)備的健康狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)等級。FMEA主要包括幾個(gè)步驟：（1）確定分析的設(shè)備對象。（2）獲取設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)信息，如船舶的檢修記錄、故障現(xiàn)象等。（3）組建一個(gè)有權(quán)威性和代表性的專家團(tuán)隊(duì)，根據(jù)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)和故障現(xiàn)象進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，并從風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度（Severity， S）、檢測度（Likelihood of Detection， D）和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生頻率（Frequency of Occurrence，O）三個(gè)方面進(jìn)行評估。（4）計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Risk Priority Number，RPN）。風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)由嚴(yán)重度S、檢測度D和發(fā)生率O三項(xiàng)分值相乘（RPN=S*D*O）得到。在FMEA分析中，最主要的就是計(jì)算失效模式的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)RPN。風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)RPN的優(yōu)先排序用以明確失效模式的優(yōu)先順序。在計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)RPN前，風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率O、檢測度D及嚴(yán)重度S需分別根據(jù)評價(jià)準(zhǔn)則賦值。閾值分析是一種定量分析方法，主要用于分析檢測數(shù)據(jù)。若船舶設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)信息中包含有明確的測量數(shù)據(jù)，則可以采用閾值分析方法。閾值分析法需要根據(jù)設(shè)備的技術(shù)測量數(shù)據(jù)和健康指標(biāo)閾值來確定設(shè)備的健康狀態(tài)和維修級別。閾值分析的前提是需要有實(shí)測數(shù)據(jù)和健康指標(biāo)，經(jīng)過兩者對比來確定設(shè)備的健康狀態(tài)。

（3）維修需求生成。該業(yè)務(wù)包含維修評估規(guī)則管理、維修范圍與時(shí)機(jī)確定、船舶維修需求報(bào)告生成。在維修評估規(guī)則管理中，會(huì)根據(jù)每個(gè)設(shè)備的維修等級、維修周期和使用壽命，采用規(guī)則推理的方式來確定修理時(shí)間。修理時(shí)間分三種情況：①有明確的修理時(shí)間和維修周期。這類設(shè)備主要包括船體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)等，間隔一段時(shí)間就需要維修。②有一些設(shè)備是沒有明確的維修時(shí)間的，但是會(huì)有使用壽命要求[6]。如船舶動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和船體腐蝕問題，甚至在修理期間還會(huì)發(fā)生腐蝕，如船體結(jié)構(gòu)、管路等。③在維修范圍與時(shí)機(jī)模塊，會(huì)根據(jù)FMEA分析和閾值分析的結(jié)果確定各個(gè)設(shè)備的維修等級與維修時(shí)機(jī)。然后采用IF-THEN-ELSE規(guī)則，對整艘船的維修級別、時(shí)間和范圍進(jìn)行邏輯推理，最后生成船舶維修需求報(bào)告。

（4）維修BOM管理。維修BOM不同于產(chǎn)品BOM，是基于船舶維修需求確定的船舶核心部件，具有一定的維修周期和使用壽命，易遭受破壞或損傷。不同的船型維修BOM不同，需在船舶管理中作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

3.3? ?數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)主要包括船舶的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)、健康指標(biāo)數(shù)據(jù)、FMEA數(shù)據(jù)、評估規(guī)則、維修BOM、維修清單及船舶基礎(chǔ)信息等。其中，技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)導(dǎo)入的，其他數(shù)據(jù)如船舶基礎(chǔ)信息、維修BOM、設(shè)備健康指標(biāo)等需要作為初始數(shù)據(jù)事先錄入。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所錄入的基本信息，通過FMEA計(jì)算和閾值分析，按照評估規(guī)則自動(dòng)計(jì)算船舶設(shè)備的維修等級與維修時(shí)間，最后生成維修需求報(bào)告。各模塊之間的數(shù)據(jù)流向和相互關(guān)系如圖3所示。

4? ?系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程（System business process）

系統(tǒng)的主要流程如下：

（1）收集并錄入船舶設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)和過往的故障維修信息。

（2）分析影響船舶等級修理的因素（包括風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度、檢測度、發(fā)生率等），制訂風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)準(zhǔn)則和健康指標(biāo)閾值。

（3）根據(jù)船舶裝備技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，分別采用FMEA分析法和閾值法確定每個(gè)設(shè)備的維修等級。

（4）根據(jù)每個(gè)設(shè)備的維修等級、維修周期和使用壽命，采用規(guī)則推理方法確定其修理時(shí)間。

（5）根據(jù)每個(gè)設(shè)備的維修等級和修理時(shí)間，確定整個(gè)船舶的修理等級、修理范圍和修理時(shí)機(jī)。

（6）生成船舶等級維修需求報(bào)告。

5? ?系統(tǒng)開發(fā)（System development）

如圖5所示，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)遵循簡約風(fēng)格，主體色彩簡約大方，突出功能性與實(shí)用性[7]。主頁面為系統(tǒng)首頁，由五個(gè)基本模塊組成。最上方顯示的是主操作標(biāo)題欄，右上方為個(gè)人信息，左邊為導(dǎo)航欄，右邊為內(nèi)容展示區(qū)，在左側(cè)一級導(dǎo)航欄下設(shè)置了對應(yīng)分類的二級導(dǎo)航欄，方便用戶快速查找操作頁面。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)是否有效，本文進(jìn)行了測試。首先錄入某型船舶的基礎(chǔ)信息，包括船名、型號、維修BOM，然后從BOM中選取船體結(jié)構(gòu)、船體防污涂層和減速齒輪箱三個(gè)部件為例，錄入或?qū)朐撛O(shè)備的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)錄入該設(shè)備的健康指標(biāo)和評估規(guī)則。在進(jìn)行維修等級分析時(shí)，優(yōu)先考慮閾值分析法，即根據(jù)技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)和健康指標(biāo)，判斷設(shè)備的維修等級。若技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)缺失，僅有故障現(xiàn)象描述，則采用FMEA分析法。在進(jìn)行FMEA分析之前，首先設(shè)置了風(fēng)險(xiǎn)等級的評價(jià)規(guī)則，然后計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值RPN，最后根據(jù)RPN數(shù)值的所示范圍確定設(shè)備的維修等級。若閾值分析的結(jié)論和FMEA分析的結(jié)論不一致，以閾值分析的結(jié)論為準(zhǔn)。這是因?yàn)槎ㄐ苑治龅木纫哂诙糠治?。?jīng)過測試，該系統(tǒng)在評估規(guī)則的邏輯推理下，最終生成了整艘船舶的維修需求報(bào)告清單，包括維修的等級和最佳的維修時(shí)間等，達(dá)到了預(yù)期的效果。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本文在船舶等級修理需求的基礎(chǔ)上，運(yùn)用失效模式與效果分析、閾值分析等理論方法，實(shí)現(xiàn)了船舶的維修等級判斷和維修需求決策。結(jié)合船舶維修特點(diǎn)，提出了一種新的等級維修管理流程，以此為基礎(chǔ)，開發(fā)了船舶等級維修需求生成系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于船舶技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過分析、評估和決策，實(shí)現(xiàn)了維修范圍、維修時(shí)間和維修等級的計(jì)算。相比于傳統(tǒng)的決策樹、層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)法，分析速度快，結(jié)果更加準(zhǔn)確和高效。同時(shí)，本系統(tǒng)采用自定義的邏輯推理規(guī)則，快速確定船舶設(shè)備及整艘船舶的最佳維修時(shí)間和維修等級，節(jié)省了大量不合理的維修成本，顯著地提高了船舶運(yùn)營效益。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 洪波.基于B/S模式的船舶維修保養(yǎng)管理信息系統(tǒng)的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2014.

[2] 劉冬，嚴(yán)衛(wèi)祥.船舶管理信息系統(tǒng)智能化發(fā)展探究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（11）：176-179.

[3] 史大.船舶維修策略研究及系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[4] 劉昊，李民.基于SSM框架的客戶管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2017，16（7）：87-89.

[5] 王丹，孫曉宇，楊路斌，等.基于SpringBoot的軟件統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件工程，2019，22（3）：40-42.

[6] 孫山林.基于FMEA的TPM設(shè)備故障改善在A公司的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2018.

[7] Alain Bensoussan， Vijay Mookerjee， Wei T. Yue. Managing Information System Security Under Continuous and Abrupt Deterioration[J]. Production and Operations Management， 2020，29（8）：190-197.