水下采油樹成熟度評估方法研究

安維崢，顧繼俊，馬 強，賈紀川

（1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國石油大學機械與儲運工程學院，北京 102249）

20世紀70年代中期，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）引入技術(shù)就緒水平（Technology Readiness Level，TRL）理念。此后，NASA產(chǎn)生了最早度量技術(shù)成熟度的標準——技術(shù)就緒水平（TRL）[1]。在我國經(jīng)過多位專家學者的不斷研究，成熟度評估方法漸趨成熟[2]。李敬東等[3]在廢物最小化評價中引入技術(shù)成熟度指數(shù)、技術(shù)成熟度值和技術(shù)成熟度指標值的概念。王波[4]指出技術(shù)成熟度問題是科技企業(yè)必須著重解決的問題之一。張玉杰[5]指出技術(shù)成熟度是企業(yè)技術(shù)預警的主要監(jiān)測指標之一。技術(shù)成熟度可以從技術(shù)就緒水平角度、項目目標滿足度、市場占有率等方面定義。

（1）從技術(shù)就緒水平角度定義。國內(nèi)朱毅麟等[6-8]認為“技術(shù)就緒水平（技術(shù)完備等級、技術(shù)準備度）”實際上就是“技術(shù)成熟度”，是指單項產(chǎn)品或單項技術(shù)在研發(fā)過程所達到的一般性可用程度（完善程度）。廣義的技術(shù)成熟度還包括該項技術(shù)對特定需求的滿足程度、技術(shù)跨度、技術(shù)難度（風險）、技術(shù)可獲得性和技術(shù)成本等多種因素。技術(shù)成熟度是衡量技術(shù)能力的一個要素。（2）從項目目標滿足度定義。美軍國防采辦指南中對技術(shù)成熟度的解釋是：關(guān)鍵技術(shù)滿足項目目標程度的一種度量，是項目風險的主要要素。（3）從市場占有率角度定義。張玉杰[5]從企業(yè)市場占有率的角度來定義企業(yè)技術(shù)成熟度，將企業(yè)運用某項技術(shù)生產(chǎn)出社會需要的產(chǎn)品在市場上占有率的變化情況定義為技術(shù)成熟度。

本文以水下采油樹的成熟度為例，通過對采油樹進行成熟度測試，確定技術(shù)成熟度等級，給出技術(shù)成熟度等級評定方案。同時通過分析采油樹各零部件之間的關(guān)聯(lián)程度，建立集成成熟度矩陣，代入相關(guān)數(shù)據(jù)即可得到集成成熟度等級。最后由技術(shù)成熟度和集成成熟度推導計算得到系統(tǒng)成熟度。

1 水下采油樹技術(shù)成熟度測試

成熟度測試主要是針對某一技術(shù)產(chǎn)品，參照相關(guān)行業(yè)標準，對其零部件和系統(tǒng)整體功能進行測試，根據(jù)測試結(jié)果，判斷其所處設計階段，在生產(chǎn)成本和設計進度方面給予設計研發(fā)人員或客戶以參考。

對于技術(shù)成熟度屬于0~2級的設備產(chǎn)品，主要以調(diào)研為主，調(diào)研內(nèi)容主要包括期刊論文、會議論文、相關(guān)專利等，初步確定設備在概念原理階段所研究出的相關(guān)成果，為后期自主化研制奠定理論基礎(chǔ)、明確研發(fā)方向[9]。

技術(shù)成熟度3：對試件模型樣機進行可靠性測試[10]。

技術(shù)成熟度4：在模擬環(huán)境中對試件進行測試[11]。

技術(shù)成熟度5：水下采油樹測試，將水下采油樹的各個模塊進行組裝，檢查各個接口是否符合要求。

技術(shù)成熟度6：測試內(nèi)容可參考技術(shù)成熟度5的各個接口及功能程序，將測試環(huán)境改為實際環(huán)境，為期至少3年，記錄各接口及功能程序運行情況。

技術(shù)成熟度7：測試內(nèi)容主要以水下采油樹整體為主，針對其實際運行情況進行測試記錄，驗證其可靠性。

2 水下采油樹技術(shù)成熟度等級評定方案

2.1 技術(shù)成熟度3~4級評定方案

由于驗收準則以是否能達到規(guī)定要求為主，因此可將驗收結(jié)果量化，分為6個檔位等級，見表1。

表1 技術(shù)成熟度3~4級量化表[9]

根據(jù)設備實際情況，對各個模塊進行3~4級相關(guān)測試，基于測試結(jié)果給各項打分。打分標準為0~10分。計算公式如下。

式中，L34為技術(shù)成熟度等級；S34為每檔的得分總額；R34為對應的檔位等級。L34的值用于確定設備是處于技術(shù)成熟度等級第3級還是第4級。由于設備從生產(chǎn)出來到投產(chǎn)應用，將經(jīng)歷不同的階段，在每個階段，為評估設備所處的質(zhì)量水平，可對各個階段的設備進行技術(shù)成熟度等級測試。這里的“階段”即表1對應的檔位等級，共6個階段，對應6個檔位。

由于在設備的實際投產(chǎn)工作過程中，可能出現(xiàn)設備存在部分缺陷但不影響正常運行的情況，出于成本考慮，在這種情況下，僅以是否滿足測試標準來評定設備可用與否較為片面，因此在本次設計中選擇加入打分機制：評分標準為0~10分。分數(shù)區(qū)間位于[0，2）屬于尚無法滿足測試標準；分數(shù)區(qū)間位于[2，5）屬于僅能滿足部分測試標準；分數(shù)區(qū)間位于[5，8）之間屬于滿足大部分驗收標準，存在部分缺陷但不影響設備正常運行；分數(shù)區(qū)間位于[8，10]之間屬于滿足驗收標準，基本不存在技術(shù)成熟度3~4級所對應的模塊缺陷。完成打分后，對每個檔位分別進行得分累加計算，得到各個檔位的各自總得分，即公式（1）中的S34、R34為進行3~4級技術(shù)成熟度測試時設置的檔位等級，其取值為1~6，為方便從計算結(jié)果直接判斷是處于技術(shù)成熟度3級還是4級，本文選擇對計算結(jié)果進行“近似歸一化”處理，即令S34×R34，并除以一個倍數(shù)因子300，最后的結(jié)果將處于分數(shù)區(qū)間（0，4）之內(nèi)，根據(jù)實際情況定義，當計算結(jié)果位于[3.0，3.5）時，技術(shù)成熟度等級評定為3級，當計算結(jié)果位于[3.5，4.0]時，技術(shù)成熟度等級評定為4級，當計算結(jié)果低于3.0時，評定結(jié)果為不達標。

2.2 技術(shù)成熟度5級評定方案

技術(shù)成熟度5級：水下采油樹測試，組裝水下采油樹的各個模塊，檢查各個接口是否符合要求[12]。

同3~4級技術(shù)成熟度的評定方法一樣，將評定結(jié)果量化，分為6個檔位等級，同表1?？偟挠嬎愎饺缦?。

式中，L5為技術(shù)成熟度等級；S5為每檔的得分總額；R5為對應的檔位等級。

2.3 技術(shù)成熟度6~7級評定方案

在技術(shù)成熟度6級及以上等級，需要對整個系統(tǒng)進行成熟度評估，不再針對單個零部件。因此，設備各個模塊需要在實際或預期環(huán)境中正常運行三年以上。

由于技術(shù)成熟度6級的相關(guān)測試內(nèi)容是參照技術(shù)成熟度5級的各個接口及功能程序在實際環(huán)境中的測試，故設備能否達到技術(shù)成熟度6級，取決于水下采油樹各個模塊在實際環(huán)境中的運行情況。

技術(shù)成熟度7級的相關(guān)測試內(nèi)容主要以水下采油樹整體為主，針對其實際運行情況進行測試記錄，驗證其可靠性。

3 水下采油樹集成成熟度等級評定方案

3.1 確定水下采油樹組成部件

集成成熟度（Integration Readiness Level，IRL）針對的是部件間的關(guān)系，故需要明確水下采油樹所包含的關(guān)鍵部件及各部件之間是否存在關(guān)聯(lián)性。根據(jù)與其他部件的關(guān)聯(lián)程度，對核心技術(shù)部件進行編號，如表2所示。同時建立技術(shù)關(guān)聯(lián)圖，如圖1所示。

表2 水下采油樹核心技術(shù)部件編號表

由于在評估集成成熟度時需要考慮各個部件之間的關(guān)聯(lián)性，因此建立了如圖1所示的技術(shù)部件關(guān)聯(lián)圖，共8個核心技術(shù)部件，IRLij為技術(shù)i和技術(shù)j之間的集成成熟度，其值為0表示技術(shù)i和技術(shù)j無集成關(guān)系，其值為9表明技術(shù)i和技術(shù)j在整個系統(tǒng)里完全協(xié)調(diào)，不會產(chǎn)生相互影響，而且不需要后續(xù)的集成開發(fā)，技術(shù)與自身集成時IRL值為9。

圖1 水下采油樹技術(shù)關(guān)聯(lián)圖

3.2 建立水下采油樹IRL矩陣

基于前文所述水下采油樹核心技術(shù)部件個數(shù)及其關(guān)聯(lián)性，可建立IRL矩陣。構(gòu)成水下采油樹技術(shù)關(guān)聯(lián)圖的核心部件共8件，則建立的IRL矩陣為8×8矩陣。如式（3）所示。

水下采油樹的測試，在不同的測試階段，側(cè)重的部件有所不同，如在水下安裝、密封測試階段，重點測試部件為采油樹體、油管懸掛器、采油樹帽，功能測試階段則以控制系統(tǒng)、閥門等為主要測試部件。在設置權(quán)重系數(shù)時，應結(jié)合不同的測試階段，適當提高重點測試部件的權(quán)重，適當降低次要部件的權(quán)重。

式中，IRLij=IRLji。

根據(jù)部件之間的關(guān)聯(lián)性，在水下采油樹的IRL矩 陣 中，僅IRL12、IRL13、IRL14、IRL16、IRL17、IRL18、IRL23、IRL25、IRL35、IRL47大于0，其他均等于0，故矩陣可簡化如下。

由公式（4）中的矩陣可基本得出，由8大核心技術(shù)部件組成的水下采油樹所對應的集成成熟度水平。而對于集成成熟度自身等級的評估，則采用加權(quán)平均的理念的評估方法。

對于技術(shù)i和技術(shù)j的集成成熟度值IRLij，根據(jù)實際工程需求，可設定對應的權(quán)值αij，權(quán)值的大小依據(jù)設備核心技術(shù)部件的重要程度進行設置?？紤]數(shù)據(jù)歸一處理問題，應保證Σαij+Σαji=1，αij=αji，所以有αij的取值區(qū)間為（0，0.5），且滿足Σαij+Σαji=0.5。

對于設備的集成成熟度（設備各部件間的整體協(xié)調(diào)性），設定其成熟度等級值為IRLH，IRLH=Σαij·IRLij+Σαji·IRLji。如前文所述，αij=αji，則有IRLH=2Σαij·IRLij，其中αij為核心部件的集成成熟度權(quán)值。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得到IRLH的值，可基本判斷水下采油樹設備的集成成熟度等級，同時也可借此值輔助判別技術(shù)成熟度是否確實達到6級水準。

集成成熟度針對的是存在關(guān)聯(lián)的部件之間的協(xié)調(diào)性，相比技術(shù)成熟度，集成成熟度更側(cè)重對于組成設備的各個部件之間是否能夠協(xié)調(diào)運作進行評估，由于最終目標都是為了判斷設備個體能否正常投產(chǎn)運行，所以這里說“輔助判別技術(shù)成熟度”，當技術(shù)成熟度達到6級以后，理論上設備就可以在實際環(huán)境中運行，7級是對三年內(nèi)設備的運行情況進行測試，所以將技術(shù)成熟度6級設定為最終指標。

3.3 系統(tǒng)成熟度等級評定方案

系統(tǒng)成熟度（System Readiness Level，SRL）是將技術(shù)成熟度和系統(tǒng)成熟度集合成一個判斷標準，用來判斷由設備組成的系統(tǒng)的成熟度等級，同時也可用于描述系統(tǒng)開發(fā)過程的技術(shù)風險及其集成風險，為系統(tǒng)管理人員的工程決策提供科學依據(jù)。

出于設備生產(chǎn)和運營成本考慮，在考慮權(quán)重系數(shù)配置時，除依據(jù)不同測試階段的主要測試部件進行系數(shù)設置外，應同時根據(jù)實際工程需求，對設備運行過程中維護成本較高、疲勞壽命較長的部件，適當降低測試權(quán)重系數(shù)，在達到生產(chǎn)運行標準時予以判定通過。

系統(tǒng)成熟度為集成成熟度矩陣與技術(shù)成熟度向量的乘積[13]，對于水下采油樹，基于其8大核心技術(shù)部件，水下采油樹的系統(tǒng)成熟度為8維向量，如式（5）所示。

系統(tǒng)綜合成熟度用式（6）計算。

式中，nn為包括自身在內(nèi)的集成數(shù)。

3.4 水下采油樹系統(tǒng)成熟度算例

現(xiàn)假設各部件技術(shù)成熟度數(shù)值范圍為5~7，如表3所示。

表3 技術(shù)成熟度取值

表中的取值選擇的是在技術(shù)成熟度和集成成熟度方面，成熟度水平相對較高的數(shù)值，取各部件技術(shù)成熟度數(shù)值范圍為5~7，各部件間集成成熟度數(shù)值范圍為6~9，如果算法合理，則最后得到的系統(tǒng)成熟度等級較高，數(shù)值應接近1，基于前文所述，技術(shù)成熟度5級是從部件和工廠測試到安裝準備和組件或者子系統(tǒng)集成試驗的主要轉(zhuǎn)折點，本算例預設值中，技術(shù)成熟度等級范圍在5~7，即對于水下采油樹單體部件，已基本滿足應用于設備系統(tǒng)整體的要求。

假設取各部件間集成成熟度數(shù)值范圍為6~9，如表4所示。

表4 集成成熟度取值

則有TRL和IRL矩陣如下。

則該水下采油樹設備的系統(tǒng)成熟度計算如下。

系統(tǒng)綜合值計算如下。

3.5 水下采油樹系統(tǒng)算例結(jié)果分析

前文已述，技術(shù)成熟度5級是從部件和工廠測試到安裝準備和組件或者子系統(tǒng)集成試驗的主要轉(zhuǎn)折點，本算例預設值中，技術(shù)成熟度等級范圍為5~7，即對于水下采油樹單體部件，已基本滿足應用于設備系統(tǒng)整體的要求。

對于集成成熟度而言，如表5所示，當集成成熟度等級達到6級時，對預期應用來說，集成應用能夠接受、轉(zhuǎn)化和構(gòu)成信息，說明達到此等級時，部件間的協(xié)調(diào)性水平已能夠基本滿足水下采油樹設備正常運行的相關(guān)需求。

表5 集成成熟度標準

基于以上兩點，可推測，在算法邏輯合理、架構(gòu)清晰、計算無較大偏差的前提條件下，經(jīng)過相關(guān)計算，計算結(jié)果應處于較高的系統(tǒng)成熟度等級范圍內(nèi)，以滿足設備的正常運行需求。本算例最終計算結(jié)果為0.86，屬于表6中0.80~0.89的等級范圍，即達到滿足任務需求的運行能力，與預期相符。

表6 系統(tǒng)成熟度定義

4 結(jié)束語

本文針對水下采油樹制定成熟度評估方案。首先制定水下采油樹技術(shù)成熟度測試內(nèi)容，并基于測試結(jié)果確定技術(shù)成熟度評分方案；然后借鑒航天領(lǐng)域集成成熟度和系統(tǒng)成熟度管理理念，對水下采油樹關(guān)鍵部件進行分解，確定集成成熟度評分方案；最后綜合技術(shù)成熟度和集成成熟度評分結(jié)果，進行水下采油樹系統(tǒng)成熟度的計算。

對于水下采油樹技術(shù)成熟度等級的評定，主要是基于相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求，將設備的驗收結(jié)果分為6個檔位等級，依據(jù)其所處工藝階段判斷其所處檔位等級；然后對設備各個模塊進行測試，基于測試結(jié)果對設備各模塊分別打分。綜合考慮設備所處檔位等級和模塊測試分數(shù)，得到水下采油樹的技術(shù)成熟度水平。對于集成成熟度等級的評定，核心是明確各關(guān)鍵部件之間的關(guān)聯(lián)程度，建立對應的技術(shù)關(guān)聯(lián)圖及集成成熟度矩陣，通過加權(quán)計算得到水下采油樹的集成成熟度等級。對于系統(tǒng)成熟度等級的評定，主要是結(jié)合技術(shù)成熟度和集成成熟度矩陣，確定系統(tǒng)成熟度矩陣，對構(gòu)成系統(tǒng)成熟度矩陣的各項元素進行累加及歸一化處理，得到水下采油樹系統(tǒng)的系統(tǒng)成熟度等級。最后通過算例驗證了本文所提出的水下采油樹成熟度等級評定方案的可行性與實用性。