盧 引,宋庭新
(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢 430068)
艦船系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜裝備系統(tǒng)。在艦船修理過(guò)程中,各種不確定性因素導(dǎo)致維修故障不盡相同,進(jìn)而帶來(lái)不同的損失程度。如果在艦船維修過(guò)程中沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到風(fēng)險(xiǎn)之間的差異,就可能使維修工作的重點(diǎn)不突出,導(dǎo)致維修效率低下和維修資源的浪費(fèi),造成項(xiàng)目進(jìn)度拖延。為了保持和恢復(fù)艦船的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平,找到一種對(duì)艦船修理進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和評(píng)估的方法十分重要。
國(guó)內(nèi)外對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法主要有網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)、離散事件系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等。Bates在考慮工序間邏輯和工序用時(shí)不確定的情況下,運(yùn)用計(jì)劃評(píng)審技術(shù)(PERT)對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[1]。Choudhry運(yùn)用蒙特卡洛對(duì)橋梁建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行仿真,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際相比較,驗(yàn)證了仿真模型的可靠性[2]。Alvanchi運(yùn)用離散事件仿真對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度計(jì)劃建立模型并進(jìn)行仿真模擬評(píng)估,得到最大優(yōu)化方案[3]。Luu等通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查法和專(zhuān)家訪談?wù){(diào)查得到16個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素,以此建立建設(shè)項(xiàng)目工期延誤的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,并根據(jù)現(xiàn)實(shí)案例進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了該模型的有效性[4]。柴國(guó)榮通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法從進(jìn)度的視角構(gòu)建地鐵項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)模型,并對(duì)影響進(jìn)度壓力的3個(gè)關(guān)鍵變量進(jìn)行重要性排序[5]。鐘登華等采用離散事件系統(tǒng)仿真工程項(xiàng)目進(jìn)度,從風(fēng)險(xiǎn)和完工概率出發(fā),較好模擬了工程項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃的不確定性[6]。然而,網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)只適用于工序關(guān)系明確的工程項(xiàng)目,且對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)估算比較粗略;離散事件系統(tǒng)仿真主要為具有多種隨機(jī)因素的工程項(xiàng)目進(jìn)度控制提供操作層面上的支持,但難以解決復(fù)雜工程項(xiàng)目中大量存在的多次返工問(wèn)題,不能充分體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各因素之間的交互影響;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過(guò)項(xiàng)目?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真尋求系統(tǒng)的較優(yōu)結(jié)構(gòu)和功能,但難以處理邏輯復(fù)雜的工序動(dòng)態(tài)調(diào)整問(wèn)題。艦船這種復(fù)雜裝備系統(tǒng),由于工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維修返工次數(shù)多,風(fēng)險(xiǎn)因素多,采用上述方法均無(wú)法達(dá)到良好的評(píng)估效果。而多智能體系統(tǒng)適用于復(fù)雜開(kāi)放的分布式系統(tǒng),且模型中的每個(gè)智能體易于擴(kuò)展,具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力。各個(gè)智能體通過(guò)合作、協(xié)調(diào)以及通訊共同完成任務(wù)[7]。本文依托各個(gè)智能體中的狀態(tài)變遷組件對(duì)艦船維修項(xiàng)目建模,使復(fù)雜問(wèn)題變成單一對(duì)象,運(yùn)用各智能體信息傳遞及靈活性建立了艦船維修項(xiàng)目進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)模型,通過(guò)仿真和靈敏性分析,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重要性排序,然后驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)模型的可靠性,為風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控策略提供了有益參考。
科學(xué)的維修手段及維修管理是艦船能夠維持良好狀態(tài)性能,并保持戰(zhàn)斗力持續(xù)生成的前提。艦船修理級(jí)別一般分為塢修、小修和中修。其中,塢修為艦船的首次等級(jí)修理,主要是對(duì)船體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置進(jìn)行局部性拆卸檢查修理和其他故障設(shè)備進(jìn)行維護(hù)修理[8]。水面艦船塢修項(xiàng)目工程項(xiàng)目主要分為修前準(zhǔn)備、工程修理以及試驗(yàn)驗(yàn)收和技術(shù)服務(wù)等3個(gè)階段。本文通過(guò)對(duì)3個(gè)階段的細(xì)化得到15個(gè)工序,從而得到艦船塢修項(xiàng)目分解(圖1)。
圖1 項(xiàng)目工序分解
在艦船修理過(guò)程中,各種不確定性因素導(dǎo)致的維修故障不盡相同,帶來(lái)的損失嚴(yán)重程度一般也不同。水面艦船塢修項(xiàng)目進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)管理的前提是有效識(shí)別影響項(xiàng)目進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)因素。在風(fēng)險(xiǎn)管理理論的3個(gè)主要階段中,風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是進(jìn)行有效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制的前提。
風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別在有效風(fēng)險(xiǎn)管理中起主導(dǎo)作用。本文在項(xiàng)目工序分解的基礎(chǔ)上,全方位地識(shí)別進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)對(duì)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因素、風(fēng)險(xiǎn)后果和影響損失進(jìn)行綜合過(guò)濾與評(píng)級(jí),篩選出塢修項(xiàng)目各階段最主要的20個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素(表1)。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)故障模式與影響分析(FMEA)方法建立各維修進(jìn)程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別表。其中,R11~R16,R17~R27,R28~R30分別屬于修前準(zhǔn)備階段、工程修理階段、驗(yàn)收服務(wù)階段識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)。筆者選取了部分風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行說(shuō)明(表1)。
表1 維修進(jìn)程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別表(部分)
根據(jù)水面艦船塢修項(xiàng)目中串并聯(lián)的連接方式,將項(xiàng)目中最主要的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)與其相對(duì)應(yīng)的工序進(jìn)行對(duì)應(yīng),由“風(fēng)險(xiǎn)單元”智能體判斷出單個(gè)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的威脅隸屬度(輕微、一般、較重、嚴(yán)重),并反饋到項(xiàng)目的工序之中。在每個(gè)工序風(fēng)險(xiǎn)判斷完成后,根據(jù)每個(gè)工序風(fēng)險(xiǎn)所出現(xiàn)的威脅程度將結(jié)果反饋到主工序當(dāng)中,從而完成整個(gè)建模過(guò)程。進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建模思路如圖2所示。
圖2 進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建模思路
水面艦船塢修項(xiàng)目具有范圍寬、內(nèi)容多、周期長(zhǎng)、工序關(guān)聯(lián)強(qiáng)等特點(diǎn),傳統(tǒng)的建模方法很難反映各工序之間的關(guān)系,從而無(wú)法達(dá)到良好的評(píng)估效果。本文采用Anylogic軟件對(duì)水面艦船塢修進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行建模仿真,采用自底向上的建模方法,在對(duì)艦船系統(tǒng)中的個(gè)體行為和特征展開(kāi)研究后,按照艦船維修項(xiàng)目特點(diǎn)構(gòu)建“工序單元”和“風(fēng)險(xiǎn)單元”兩個(gè)智能體。通過(guò)兩個(gè)智能體之間互相獨(dú)立又交互的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)和功能,解決復(fù)雜的邏輯問(wèn)題。
艦船維修項(xiàng)目由一個(gè)個(gè)工序所構(gòu)成,每個(gè)工序之間存在著復(fù)雜的邏輯關(guān)系?!肮ば騿卧敝悄荏w通過(guò)端口port進(jìn)行通訊,各端口是由消息連接起來(lái)的,從而保證各“工序單元”智能體間的消息傳遞。
2.2.1內(nèi)部參數(shù)設(shè)置設(shè)置工序流程時(shí)長(zhǎng)參數(shù)和計(jì)劃工期參數(shù)。工序流程時(shí)長(zhǎng)參數(shù)指的是艦船塢修項(xiàng)目工序中每一個(gè)工序計(jì)劃的平均流程時(shí)長(zhǎng);計(jì)劃工期參數(shù)指的是艦船塢修項(xiàng)目工程計(jì)劃完成塢修的時(shí)間。
2.2.2變量設(shè)置設(shè)定前置工序個(gè)數(shù)、前置工序完成度、風(fēng)險(xiǎn)個(gè)數(shù)、時(shí)間流逝速度、開(kāi)始時(shí)間、完成時(shí)間變量。
2.2.3狀態(tài)變遷工序單元模塊包含待命、工序進(jìn)行中、等待信號(hào)、完成等狀態(tài)。設(shè)計(jì) “工序單元”智能體的狀態(tài)圖(圖3)。
圖3 “工序單元”智能體的狀態(tài)圖
圖3中,工序單元初始位置在“待命”狀態(tài),在前置工序完成度與前置工序個(gè)數(shù)相等時(shí),工序狀態(tài)圖變遷到“工序進(jìn)行中”狀態(tài),這確保了工序前序的工作全部完成后才能進(jìn)入下一工序。在剩余時(shí)長(zhǎng)小于0時(shí),“工序進(jìn)行中”狀態(tài)會(huì)變遷到“等待信號(hào)”狀態(tài)。工序單元中存在一個(gè)“風(fēng)險(xiǎn)判斷”分支,用來(lái)判斷某一維修工序中的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)是否發(fā)生。當(dāng)剩余時(shí)長(zhǎng)>0時(shí),被認(rèn)為該工序單元中的風(fēng)險(xiǎn)觸發(fā),需要進(jìn)行“返工”,工序狀態(tài)繼續(xù)變遷到“工序進(jìn)行中”狀態(tài),等待進(jìn)一步的“風(fēng)險(xiǎn)判斷”,直到工序無(wú)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)才能變遷到“完成”狀態(tài)?!巴瓿伞睜顟B(tài)到“待命”狀態(tài)的消息變遷,其觸發(fā)的消息為main層中最后一個(gè)工序發(fā)出的“重置”信號(hào),用于模擬所有工序完成后對(duì)所有工序單元的重置操作。
每個(gè)維修工序單元存在著不同的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí),會(huì)對(duì)工序單元造成不同程度的“返工”?!帮L(fēng)險(xiǎn)單元”智能體通過(guò)端口與“工序單元”智能體相連接,從而實(shí)現(xiàn)信息相互傳遞。風(fēng)險(xiǎn)單元內(nèi)部需要考慮不同程度的返工時(shí)長(zhǎng)分布、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性,以及風(fēng)險(xiǎn)隸屬度的判斷等多重情況,使項(xiàng)目進(jìn)度更加符合現(xiàn)實(shí)。
2.3.1內(nèi)部參數(shù)設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生率、風(fēng)險(xiǎn)后果發(fā)生率、風(fēng)險(xiǎn)隸屬度概率、返工時(shí)長(zhǎng)數(shù)組分布。風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)后果發(fā)生率是指風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性大小以及風(fēng)險(xiǎn)造成延期的可能性大??;風(fēng)險(xiǎn)隸屬度概率是工序發(fā)生“輕微威脅”“一般威脅”“較重威脅”和“嚴(yán)重威脅”的概率,分別為P1、P2、P3、P4。
2.3.2變量設(shè)置設(shè)定反饋時(shí)長(zhǎng)、不同威脅發(fā)生次數(shù)、隨機(jī)因子發(fā)生概率、返工時(shí)長(zhǎng)數(shù)組分布。反饋時(shí)長(zhǎng)指的是不同風(fēng)險(xiǎn)因素造成工序返工所需時(shí)長(zhǎng);隨機(jī)因子發(fā)生概率指的是系統(tǒng)隨機(jī)生成0-1因子發(fā)生的概率;返工時(shí)長(zhǎng)數(shù)組分布對(duì)應(yīng)發(fā)生不同類(lèi)型威脅時(shí)所造成的返工時(shí)長(zhǎng)。
2.3.3狀態(tài)變遷通過(guò)“風(fēng)險(xiǎn)單元”各狀態(tài)的邏輯關(guān)系,設(shè)計(jì) “風(fēng)險(xiǎn)單元”智能體的狀態(tài)圖(圖4)。
圖4 “風(fēng)險(xiǎn)單元”智能體的狀態(tài)圖
圖4中,“風(fēng)險(xiǎn)單元”智能體初始狀態(tài)為“進(jìn)度無(wú)風(fēng)險(xiǎn)”,當(dāng)收到由“工序單元”智能體傳遞的特定消息時(shí),開(kāi)始進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷。分支到“進(jìn)度有風(fēng)險(xiǎn)”狀態(tài)的條件為隨機(jī)因子發(fā)生的概率小于風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率與風(fēng)險(xiǎn)后果發(fā)生概率的乘積,當(dāng)智能體判斷出進(jìn)度有風(fēng)險(xiǎn)時(shí),會(huì)對(duì)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行下一步的隸屬度判斷。風(fēng)險(xiǎn)隸屬度分別是“輕微威脅”“一般威脅”“較重威脅”“嚴(yán)重威脅”4種狀態(tài),由系統(tǒng)設(shè)定隨機(jī)數(shù)0-1的風(fēng)險(xiǎn)因子,從而判定風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度情況。在風(fēng)險(xiǎn)隸屬度判定完成后,系統(tǒng)會(huì)記錄各種威脅發(fā)生的次數(shù),并且對(duì)不同威脅造成的時(shí)長(zhǎng)返工反饋給對(duì)應(yīng)的“工序單元”智能體,從而完成風(fēng)險(xiǎn)判斷過(guò)程。
從項(xiàng)目進(jìn)度出發(fā),通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)特性(即發(fā)生概率和影響程度兩個(gè)維度)的分析,判斷風(fēng)險(xiǎn)的重要程度。建立風(fēng)險(xiǎn)隸屬度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),將工程實(shí)際進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)控制要點(diǎn)納入風(fēng)險(xiǎn)隸屬度評(píng)分體系,通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)隸屬度評(píng)判風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生輕微、一般、較重、嚴(yán)重影響的概率,用隸屬度R= {輕微,一般,較重,嚴(yán)重} 作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定集,設(shè)定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)總分為100分,60分(c)為合格標(biāo)準(zhǔn),75分(b)為良好標(biāo)準(zhǔn),90分(a)為優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)條款包括得分項(xiàng)與扣分項(xiàng)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)過(guò)程管理不合規(guī)或系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí),對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分進(jìn)行扣分,以更客觀地反映工程不同階段各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)大小,并采用正態(tài)分布法計(jì)算隸屬度概率。
由此得出各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)隸屬度R={r1,r2,r3,r4}。r1、r2、r3、r4分別為第i項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)項(xiàng)目造成輕微影響、較輕影響、較重影響、嚴(yán)重影響的概率。
基于表1的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別列表,分別對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性以及風(fēng)險(xiǎn)可能造成的后果因素進(jìn)行定量評(píng)估,得到進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生率和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)后果發(fā)生率,用其乘積確定進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因素?fù)p失率,最終得到初始數(shù)據(jù)[9](表2)。
表2 控制前后參數(shù)變化
根據(jù)水面艦船塢修項(xiàng)目特點(diǎn),將最主要的風(fēng)險(xiǎn)與工序相對(duì)應(yīng),使用計(jì)算機(jī)建立水面艦船塢修進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)仿真模型。將表2的初始參數(shù)輸入模型中進(jìn)行仿真,仿真運(yùn)行界面如圖5所示。圖5中已完成的工序用藍(lán)色圓圈表示,正在進(jìn)行的工序用綠色圓圈表示,未完成的工序由白色圓圈表示。矩形小方塊表示風(fēng)險(xiǎn)單元,分別用4種不同顏色表示出現(xiàn)輕微威脅、一般威脅、較重威脅和嚴(yán)重威脅,綠色表示沒(méi)有發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)威脅。
圖5 艦船塢修進(jìn)度仿真界面
3.3.1風(fēng)險(xiǎn)敏感性因素根據(jù)獲取的數(shù)據(jù),對(duì)水面艦船塢修進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行了10000次仿真,得到未對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制的總工期均值為102.47 d,延期工期均值為7.41 d,水面艦船塢修項(xiàng)目進(jìn)度延期概率為17%。通過(guò)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行敏感性因素分析,進(jìn)而分析各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)維修總工期的影響程度,以便采取不同程度的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方法進(jìn)行監(jiān)控。將各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素缺陷率逐一下降40%,控制其他風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)保持不變,通過(guò)仿真計(jì)算各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素缺陷率下降40%后,對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度的影響以及相對(duì)變化量。仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。其中,敏感度由每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的工期變化量與總工期變化量之和的比值計(jì)算得出。從表2可以看出,R18、R23、R27風(fēng)險(xiǎn)敏感度最高,缺陷率的下降導(dǎo)致總工期的減少也較高,敏感度均在10%以上。因此,在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制時(shí),應(yīng)最先考慮這3個(gè)因素。另外R11、R13、R17、R24風(fēng)險(xiǎn)敏感度較高,風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)容主要為人員管理和機(jī)具老化等問(wèn)題,也應(yīng)該優(yōu)先考慮對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。
3.3.2風(fēng)險(xiǎn)控制前后仿真結(jié)果在充分考慮減少成本的條件下,采用風(fēng)險(xiǎn)控制等手段,按照風(fēng)險(xiǎn)重要性排序?qū)ζ溥M(jìn)行差異化控制,將R18,R23,R27損失率減少50%,將R11,R13,R17,R24損失率減少30%,其余的風(fēng)險(xiǎn)因素?fù)p失率減少10%。將控制后的數(shù)據(jù)輸入多智能體模型中仿真10 000次以上后,與控制前的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
從圖6可以看出,在沒(méi)有采取風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控手段前,總工期頻率平均值為102.47 d??刂坪螅偣て陬l率平均值為98.94 d,降低了3.53 d,與控制前相比降幅顯著。按時(shí)完工次數(shù)占總次數(shù)之比,由控制前的83%提高到91%,按時(shí)完工率上升明顯。仿真實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)證了此風(fēng)險(xiǎn)控制方法和仿真模型的可行性和有效性,對(duì)水面艦船塢修進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)管理具有很好的指導(dǎo)意義。
圖6 風(fēng)險(xiǎn)控制前后仿真結(jié)果對(duì)比
在艦船塢修項(xiàng)目管理中,合理對(duì)維修進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。本文在艦船塢修項(xiàng)目分解的基礎(chǔ)上,通過(guò)故障模式與影響分析(FMEA)方法建立了維修進(jìn)程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別表,共識(shí)別出20種影響進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的因素。通過(guò)對(duì)工序與風(fēng)險(xiǎn)之間邏輯關(guān)系的研究,運(yùn)用Anylogic軟件建立了艦船塢修進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。仿真結(jié)果得出了不同風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)項(xiàng)目總工期變化的影響,從而得到了風(fēng)險(xiǎn)因素重要性大小,據(jù)此提出一種差異化的風(fēng)險(xiǎn)控制策略。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可靠性。本文建立的仿真模型具有一定的擴(kuò)展性和普遍性,對(duì)其他相似的工程項(xiàng)目進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)控制和管理具有一定的參考價(jià)值。