艦船建造質(zhì)量量化評價(jià)方法

付森宗，王鴻東，易宏

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海201206

2上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

3高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

艦船建造質(zhì)量量化評價(jià)方法

付森宗1，王鴻東2，3，易宏2，3

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海201206

2上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

3高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

［目的］對艦船建造質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)是裝備實(shí)現(xiàn)既定任務(wù)目標(biāo)的保障。由于艦船建造樣本量小、加工類型多樣、工藝路線非標(biāo)準(zhǔn)化，長期以來，對于艦船建造質(zhì)量的研究缺乏數(shù)據(jù)信息的支撐，通常以定性分析為主。為實(shí)現(xiàn)對艦船建造質(zhì)量的量化評價(jià)和有效控制，［方法］針對建造工藝故障的隨機(jī)性和不確定性，在以功能為導(dǎo)向的質(zhì)量控制（FOQC）方法提出的工藝—質(zhì)量參數(shù)模型基礎(chǔ)上，基于模糊數(shù)學(xué)理論集成專家評分方法，將順序關(guān)聯(lián)、串聯(lián)、混聯(lián)工藝可靠度計(jì)算模型與模糊評分方法結(jié)合，提出艦船建造質(zhì)量定量評價(jià)流程和工藝可靠度模糊計(jì)算方法。［結(jié)果］以某型號艦船軸系齒輪箱安裝建造為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了方法的可用性和有效性。［結(jié)論］計(jì)算結(jié)果可為關(guān)鍵質(zhì)量檢驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置及關(guān)鍵工藝控制優(yōu)化提供參考。

艦船可靠性；艦船質(zhì)量評估；量化評價(jià)；工藝可靠度；模糊計(jì)算

0 引 言

艦船建造質(zhì)量的準(zhǔn)確評價(jià)是艦船裝備實(shí)現(xiàn)既定任務(wù)目標(biāo)的保障。艦船可靠性是艦船建造質(zhì)量在時(shí)間維度上的體現(xiàn)。目前，國內(nèi)外對在艦船產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中如何確保艦船可靠性的研究已經(jīng)卓有成效。然而，產(chǎn)品的可靠性受到設(shè)計(jì)、部件質(zhì)量和建造工藝的共同影響［1-2］，在設(shè)計(jì)中確定的艦船可靠性指標(biāo)最終都需要通過建造過程來實(shí)現(xiàn)，所以，在建造過程中對建造質(zhì)量進(jìn)行量化評價(jià)是一個(gè)迫切需要解決的問題。

工藝可靠度定義為“在規(guī)定的條件下、時(shí)間內(nèi)，工藝能達(dá)到規(guī)定質(zhì)量的可能性［3］”。工藝可靠度是進(jìn)行建造質(zhì)量量化評價(jià)的主要依據(jù)。目前，對建造質(zhì)量的研究主要是針對可批量化制造的機(jī)械產(chǎn)品的工藝可靠度分析，如Brall［4］采用可靠性框圖對機(jī)械制造加工過程進(jìn)行建模；Jiang等［5］和Zhou［6］采用petri網(wǎng)進(jìn)行建模；Liang等［7］用Markov鏈模型表示工藝故障的傳遞；Mocko等［8］則利用故障樹建立工藝故障分析模型。在模型分析的基礎(chǔ)上，基于大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)過程控制（Statistical Process Control，SPC）和工序能力指數(shù)評價(jià)（Process Capability，PCI）等質(zhì)量控制方法在制造企業(yè)中被廣泛應(yīng)用［9］。

然而，艦船建造是一個(gè)典型的小樣本、多源多工序制造過程（Multi-source Multi-stage Manufac?turing Process，MMMP），涉及人、機(jī)、料、法、測、環(huán)等多方面的作用因素。針對艦船建造質(zhì)量評價(jià)問題，王曉亮等［10］提出要在建造過程中進(jìn)行工藝可靠度分析并確定關(guān)鍵工序，但未給出定量計(jì)算方法。張志英等［11］利用偏差流理論建立狀態(tài)空間模型，對船體主板裝焊過程精度控制進(jìn)行了研究。周宏等［12］基于質(zhì)量損失函數(shù)，提出了艦船建造過程可靠性評價(jià)的指標(biāo)體系及評價(jià)方法。黃一民［13］利用過程失效模式及后果分析（Process Failure Mode and Effects Analysis，PFMEA）方法對艦船建造過程及其建造質(zhì)量進(jìn)行了定性分析。杜振華等［14］針對某艦船型號的電氣裝配的工藝可靠度進(jìn)行了實(shí)例論證和分析，給出了提高電裝質(zhì)量的措施。

總體而言，現(xiàn)有艦船建造質(zhì)量評價(jià)的研究以定性為主，由于加工對象涉及多種加工類型。樣本量小、工藝路線非標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致難以建立定量化的模型分析建造質(zhì)量。以功能為導(dǎo)向的艦船建造質(zhì) 量 控 制（Function-Oriented Quality Control，F(xiàn)OQC）方法提出了工藝—質(zhì)量參數(shù)模型［15］，本文將在此研究的基礎(chǔ)上，基于模糊數(shù)學(xué)理論改進(jìn)原有專家評分方法，提出工藝可靠度的模糊計(jì)算方法，并實(shí)際應(yīng)用于某型號艦船軸系齒輪箱安裝的質(zhì)量分析，以探索建立艦船建造質(zhì)量量化評價(jià)方法。

1 艦船建造質(zhì)量量化評價(jià)模型

在現(xiàn)代造船模式下，艦船建造工藝對整體建造質(zhì)量的影響是通過影響各建造模塊的質(zhì)量參數(shù)來傳遞的。通過計(jì)算，針對某一質(zhì)量參數(shù)的工藝可靠度，可定量化地研究艦船建造質(zhì)量。

1.1 PFMEA分析

PFMEA技術(shù)的概念于上世紀(jì)20年代被首次提出，60年代，由美國國家航空航天局（NASA）作為提升航空器建造質(zhì)量的方法進(jìn)行工程應(yīng)用，隨后被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)［16］。在艦船建造工藝質(zhì)量評價(jià)中采用PFMEA方法，目的是對艦船建造各個(gè)工序可能發(fā)生的故障模式、原因及其對建造質(zhì)量與可靠性造成的影響進(jìn)行分析，以制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。

典型PFMEA流程如圖1所示。

通過PFMEA分析，可以獲得加工過程中影響某一質(zhì)量參數(shù)的工序情況及其相互之間的邏輯關(guān)系，為工藝可靠度建模工作提供基礎(chǔ)。

1.2 工藝可靠度計(jì)算基本模型

在PFMEA分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)工序之間的邏輯關(guān)系，基于以下3種基本形式的工藝可靠度計(jì)算模型對艦船建造工藝進(jìn)行分析［15］。

1.2.1 順序關(guān)聯(lián)模型

假設(shè)某制造質(zhì)量參數(shù) xm由h個(gè)工序tj(j=1，2，...，h)加工完成，將影響 xm的工序按照先后加工順序，建立工藝對質(zhì)量參數(shù)的順序關(guān)聯(lián)模型（圖2）。

每一個(gè)工序輸出的質(zhì)量參數(shù)xm滿足要求的概率可以表示為，j=1，2，...，h。基于工藝自修正性的特點(diǎn)，需要考慮的是，即使第 j個(gè)工序的輸出超出工藝規(guī)范，但是仍可能被后續(xù)工序修正，該修正概率表示為。

以2個(gè)順序關(guān)聯(lián)的工序?yàn)槔?，其輸出的質(zhì)量參數(shù)xm滿足要求的概率，亦即這2個(gè)工序過程的工藝可靠度P(xm)可以表示為

對于h個(gè)順序關(guān)聯(lián)的加工工序，其輸出的質(zhì)量參數(shù)xm滿足要求的概率可從式（1）中類推求得。

1.2.2 串聯(lián)模型

假設(shè)制造質(zhì)量參數(shù)xm由h個(gè)工序加工完成，且僅當(dāng)這h個(gè)工序均不發(fā)生故障時(shí)才能保證相應(yīng)的xm滿足規(guī)范要求（圖3）。

假設(shè)串聯(lián)模型內(nèi)h個(gè)工序都是獨(dú)立的，則輸出的工藝可靠度P(xm)可表示為

1.2.3 混聯(lián)模型

將工藝對制造質(zhì)量參數(shù)的順序關(guān)聯(lián)模型與串聯(lián)模型融合到一起，成為混聯(lián)模型（圖4）。

如圖4所示，制造質(zhì)量參數(shù)xm由建造過程質(zhì)量參數(shù)α和 β并在裝配工序h+1下完成，則相應(yīng)的工藝可靠度P(xm)可以表示為

式中，P(α)和P(β)為代表建造過程質(zhì)量參數(shù)α和β滿足要求的概率，可由順序關(guān)聯(lián)模型求出。

2 模糊工藝可靠度計(jì)算方法

由于現(xiàn)階段建造工序故障缺乏大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，且有大量的故障是人為因素導(dǎo)致，因此一般采用專家評分法對建造工藝故障模式概率、修正概率進(jìn)行評估。然而，在復(fù)雜的評估問題中，專家更傾向于通過語義信息表達(dá)自己的判斷，例如“發(fā)生概率非常高”、“可能性很低”等［17］。基于模糊數(shù)學(xué)理論，本文提出一種模糊計(jì)算方法，將專家語義詞匯定量化描述，對各工藝故障模式概率、修正概率進(jìn)行評估，獲得定量數(shù)據(jù)。

2.1 專家語義詞匯定量化描述

通過將定性信息定量化描述可以有效幫助人們分析和解釋影響的效果［18-19］。本文采用6個(gè)層次的語義詞來分別表達(dá)一組語義詞，語義值集合表示為｛很小，小，較小，中等，較大，很大｝，分別對應(yīng)｛L1，L2，L3，L4，L5，L6｝。在專家評分時(shí)，用此6個(gè)語義詞來評估工藝故障模式概率和修正概率。各評估對象對應(yīng)的語義表達(dá)如表1所示。

采用梯形模糊數(shù)（TFN）表示這些語義詞，TFN的隸屬函數(shù)由式（4）給出［20］，其中μ(x):U→[0，1]，x∈U為隸屬函數(shù)。

6個(gè)語義詞由對應(yīng)TFN的a，b，c，d表示，且需要由一組專家評定，通過加權(quán)平均確定。每一個(gè)語義詞對應(yīng)的模糊數(shù)如表2所示，如圖5所示為TFN對應(yīng)的隸屬函數(shù)。圖中每條折線代表對應(yīng)模糊集的隸屬度，如L1折線對應(yīng)于模糊集“很小（L1）”的模糊隸屬函數(shù)為 μ1(x)，由給定任何實(shí)數(shù)集上的點(diǎn)x∈U，都可以通過該隸屬函數(shù) μ1(x)來計(jì)算x對應(yīng)模糊集L1的隸屬度。

2.2 專家組評估意見集成

組織一組S名專家分別對某工藝故障模式的發(fā)生概率Fj(t)作出判斷，判斷結(jié)果用表1中對應(yīng)的TFN來表達(dá)。令模糊數(shù)=(ai，bi，ci，di)，i=1，2，...，S ，表示第i個(gè)專家對該影響因素的判斷。在組織專家進(jìn)行判斷時(shí)，一是考慮到專家各自的經(jīng)驗(yàn)及特長，因此需要賦予專家判斷不同的權(quán)重wi，i=(1，2，...，S)；二是要考慮專家意見的一致性。

1）專家權(quán)重wi確定。

專家評價(jià)是艦船裝備論證和設(shè)計(jì)過程的重要一環(huán)。選聘合適的專家，確定專家人數(shù)及各自權(quán)重都有重要的意義。本文采用白春杰等［21］介紹的專家權(quán)重分析方法，依據(jù)專家影響力、相關(guān)知識充裕度、專業(yè)經(jīng)驗(yàn)熟悉度和反應(yīng)力4個(gè)方面，應(yīng)用AHP方法確定。具體內(nèi)容這里不再贅述。

2）專家意見一致性判定。

專家意見的一致性具體由模糊值的相似度來體現(xiàn)，而模糊值的相似度度量方法主要有3類：幾何模型、幾何定理方法和匹配函數(shù)。目前已有一些度量方式得到了實(shí)際應(yīng)用［22］，本文將幾何距離和重心距離等因素作為相似度度量的因素，在文成林等［23］所提方法的基礎(chǔ)上，將重心垂直距離也考慮到計(jì)算中。記為TFN的重心，為TFN的周長，為TFN的面積，計(jì)算式如下：

式中,σ為二重積分過程的變量。

則2個(gè)TFN的重心距離為

考慮重心距離和幾何距離的TFN相似度則為

集成S個(gè)專家的判斷的步驟如下：

式中，α(0≤α≤1)是一個(gè)代表了取專家權(quán)重作為主要判據(jù)還是專家意見一致性作為主要判據(jù)的常數(shù)，如果更依賴于專家意見的一致性，則α取較大的值，反之，若更依賴于專家權(quán)重，則取較小的值。

由此,可以得到某工藝故障模式發(fā)生概率Fj(t)的模糊集成判斷。假設(shè)Fj(t)的TFN計(jì)算結(jié)果如下式：

2.3 模糊工藝可靠度計(jì)算

1）順序關(guān)聯(lián)模型。

根據(jù)式（1），通過專家評分并用TFN表示工序1和工序2發(fā)生故障的概率的模糊數(shù)為：

則2個(gè)工序的工藝過程加工完成后，工藝可靠度，即輸出的制造質(zhì)量參數(shù)，符合工藝規(guī)范的概率模糊數(shù)可表示為

多個(gè)工序順序關(guān)聯(lián)的模型的P(xi)計(jì)算可類推得到。

2）串聯(lián)模型。

根據(jù)式（2），通過專家評分，并用模糊數(shù)表示工序tj(j=1，2，...，h)發(fā)生故障的概率的模糊數(shù)為

則h個(gè)工序的工藝過程加工完成后，工藝可靠度，即輸出的制造質(zhì)量參數(shù)，符合工藝規(guī)范的概率模糊數(shù)可表示為

3）混聯(lián)模型。

在圖4的基礎(chǔ)上，以最簡單的混聯(lián)模型為例進(jìn)行分析，質(zhì)量參數(shù)①由相關(guān)工序1，2加工完成，質(zhì)量參數(shù)②由相關(guān)工序3，4加工完成，然后進(jìn)行裝配工序5，最后輸出裝配件的質(zhì)量參數(shù)xi。

加工工序1，2，3，4，5發(fā)生故障。工序1發(fā)生故障但能被工序2修正，工序3發(fā)生故障但能被工序4修正，其概率模糊數(shù)由式（23）表示。

輸出的制造質(zhì)量參數(shù) xi符合工藝規(guī)范的概率的模糊數(shù)可表示為

多個(gè)工序的復(fù)雜混聯(lián)模型的P(xi)計(jì)算可由式（27）類推得到。

3 實(shí)例應(yīng)用

選取某型號艦船軸系齒輪箱定位安裝為典型過程進(jìn)行分析。齒輪箱安裝主要有2個(gè)質(zhì)量參數(shù)：安裝牢固度，要求符合固定規(guī)范；齒輪箱輸出軸中心偏差度，要求不大于0.05 mm。前期已開展過PFMEA和工藝建模分析。由于篇幅有限，僅以安裝牢固度為例進(jìn)行建造質(zhì)量量化評價(jià)。

齒輪箱定位安裝相關(guān)工序如下：

工序1：齒輪箱安裝基座裝焊；

工序2：軸系艏艉基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)定；

工序3：軸系拉線；

工序4：根據(jù)投影線在齒輪箱基座上畫軸系中心線，作為齒輪箱焊接墊片定位基準(zhǔn)線；

工序5：確定主齒輪箱中心線和焊接墊片位置；

工序8：軸系第一次照光；

工序9：用鋼直尺讀數(shù)法復(fù)查齒輪箱的高度位置，估計(jì)墊片厚度；

工序11：焊接墊片焊接；

工序15：確定齒輪箱中心，齒輪箱輸出軸前、后光靶定位中心與照光儀中心R偏差不大于0.05 mm；

工序16：定位安裝齒輪箱。

導(dǎo)致齒輪箱定位安裝不牢固的工序主要有工序1，11和16。其工序之間的關(guān)系為串聯(lián)關(guān)系（圖6）。

則齒輪箱安裝牢固度符合規(guī)范要求的概率模糊數(shù)根據(jù)式（21）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為

齒輪箱安裝牢固度的工藝可靠度為

該齒輪箱安裝牢固度的建造質(zhì)量量化評價(jià)結(jié)果為0.914 0。

同時(shí)，由式（28）～式（30）可知，工序11焊接墊片焊接的工序故障模式發(fā)生概率一致，高于其他工序，需要在加工過程中進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)與優(yōu)化控制。結(jié)合該型號艦船總裝廠施工條件，建議在工序11施工前對焊接墊片和基座均進(jìn)行除毛刺、修光處理，施工后檢測焊縫質(zhì)量，確保達(dá)到焊接設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文提出的艦船建造質(zhì)量量化評價(jià)方法是FOQC方法的延伸，旨在解決艦船建造質(zhì)量難以定量化評價(jià)的問題。在工藝可靠度基本計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，利用模糊計(jì)算能較好地集成專家評估意見，定量化表達(dá)建造工藝故障的隨機(jī)性和不確定性。本方法在實(shí)踐中證明了其有效性，為關(guān)鍵質(zhì)量檢驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置及關(guān)鍵工藝控制優(yōu)化提供了參考。

目前，艦船建造質(zhì)量的定量評價(jià)主要依托專家評分法進(jìn)行。考慮到艦船建造科技水平的發(fā)展以及測量技術(shù)、意識的提高，必然會有越來越多針對建造工藝的數(shù)據(jù)積累。如何科學(xué)合理地設(shè)置數(shù)據(jù)采樣類型及采集點(diǎn)，并應(yīng)用于工藝可靠度的定量計(jì)算，從而更準(zhǔn)確地評價(jià)建造質(zhì)量，需要繼續(xù)深入研究。

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Quantitative analysis method for ship construction quality

FU Senzong1，WANG Hongdong2，3，YI Hong2，3
1 Shanghai Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Shanghai 201206，China
2 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
3 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China

The excellent performance of a ship is assured by the accurate evaluation of its construction quality.For a long time,research into the construction quality of ships has mainly focused on qualitative analysis due to a shortage of process data,which results from limited samples,varied process types and non-standardized processes.Aiming at predicting and controlling the influence of the construction process on the construction quality of ships,this article proposes a reliability quantitative analysis flow path for the ship construction process and fuzzy calculation method.Based on the process-quality factor model proposed by the Function-Oriented Quality Control(FOQC)method,we combine fuzzy mathematics with the expert grading method to deduce formulations calculating the fuzzy process reliability of the ordinal connection model,series connection model and mixed connection model.The quantitative analysis method is applied in analyzing the process reliability of a ship's shaft gear box installation,which proves the applicability and effectiveness of the method.The analysis results can be a useful reference for setting key quality inspection points and optimizing key processes.

ship reliability；ship quality assessment；quantitative evaluation；process reliability；fuzzy cal?culation

U671.97

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.019

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1553.004.html

付森宗，王鴻東，易宏.艦船建造質(zhì)量量化評價(jià)方法［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：143-150.

FU S Z，WANG H D，YI H.Quantitative analysis method for ship construction quality［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：143-150.

2016-08-22 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-3-13 15:53

付森宗，男，1966年生，碩士，高級工程師。研究方向：裝備質(zhì)量監(jiān)督與管理

王鴻東（通信作者），男，1989年生，博士生。研究方向：艦船可靠性，水動力學(xué)。

E-mail：whd302@sjtu.edu.cn

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com