艦船建造質量量化評價方法

付森宗，王鴻東，易宏

1海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海201206

2上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

3高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

艦船建造質量量化評價方法

付森宗1，王鴻東2，3，易宏2，3

1海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海201206

2上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

3高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

［目的］對艦船建造質量進行準確評價是裝備實現既定任務目標的保障。由于艦船建造樣本量小、加工類型多樣、工藝路線非標準化，長期以來，對于艦船建造質量的研究缺乏數據信息的支撐，通常以定性分析為主。為實現對艦船建造質量的量化評價和有效控制，［方法］針對建造工藝故障的隨機性和不確定性，在以功能為導向的質量控制（FOQC）方法提出的工藝—質量參數模型基礎上，基于模糊數學理論集成專家評分方法，將順序關聯、串聯、混聯工藝可靠度計算模型與模糊評分方法結合，提出艦船建造質量定量評價流程和工藝可靠度模糊計算方法。［結果］以某型號艦船軸系齒輪箱安裝建造為實例進行計算，驗證了方法的可用性和有效性。［結論］計算結果可為關鍵質量檢驗點設置及關鍵工藝控制優化提供參考。

艦船可靠性；艦船質量評估；量化評價；工藝可靠度；模糊計算

0 引 言

艦船建造質量的準確評價是艦船裝備實現既定任務目標的保障。艦船可靠性是艦船建造質量在時間維度上的體現。目前，國內外對在艦船產品設計過程中如何確保艦船可靠性的研究已經卓有成效。然而，產品的可靠性受到設計、部件質量和建造工藝的共同影響［1-2］，在設計中確定的艦船可靠性指標最終都需要通過建造過程來實現，所以，在建造過程中對建造質量進行量化評價是一個迫切需要解決的問題。

工藝可靠度定義為“在規定的條件下、時間內，工藝能達到規定質量的可能性［3］”。工藝可靠度是進行建造質量量化評價的主要依據。目前，對建造質量的研究主要是針對可批量化制造的機械產品的工藝可靠度分析，如Brall［4］采用可靠性框圖對機械制造加工過程進行建模；Jiang等［5］和Zhou［6］采用petri網進行建模；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。在模型分析的基礎上，基于大量數據統計，統計過程控制（Statistical Process Control，SPC）和工序能力指數評價（Process Capability，PCI）等質量控制方法在制造企業中被廣泛應用［9］。

然而，艦船建造是一個典型的小樣本、多源多工序制造過程（Multi-source Multi-stage Manufac?turing Process，MMMP），涉及人、機、料、法、測、環等多方面的作用因素。針對艦船建造質量評價問題，王曉亮等［10］提出要在建造過程中進行工藝可靠度分析并確定關鍵工序，但未給出定量計算方法。張志英等［11］利用偏差流理論建立狀態空間模型，對船體主板裝焊過程精度控制進行了研究。周宏等［12］基于質量損失函數，提出了艦船建造過程可靠性評價的指標體系及評價方法。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量進行了定性分析。杜振華等［14］針對某艦船型號的電氣裝配的工藝可靠度進行了實例論證和分析，給出了提高電裝質量的措施。

總體而言，現有艦船建造質量評價的研究以定性為主，由于加工對象涉及多種加工類型。樣本量小、工藝路線非標準化，導致難以建立定量化的模型分析建造質量。以功能為導向的艦船建造質 量 控 制（Function-Oriented Quality Control，FOQC）方法提出了工藝—質量參數模型［15］，本文將在此研究的基礎上，基于模糊數學理論改進原有專家評分方法，提出工藝可靠度的模糊計算方法，并實際應用于某型號艦船軸系齒輪箱安裝的質量分析，以探索建立艦船建造質量量化評價方法。

1 艦船建造質量量化評價模型

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

1.1 PFMEA分析

PFMEA技術的概念于上世紀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量的方法進行工程應用，隨后被廣泛應用于汽車制造業［16］。在艦船建造工藝質量評價中采用PFMEA方法，目的是對艦船建造各個工序可能發生的故障模式、原因及其對建造質量與可靠性造成的影響進行分析，以制定相應的改進措施。

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量參數的工序情況及其相互之間的邏輯關系，為工藝可靠度建模工作提供基礎。

1.2 工藝可靠度計算基本模型

在PFMEA分析的基礎上，依據工序之間的邏輯關系，基于以下3種基本形式的工藝可靠度計算模型對艦船建造工藝進行分析［15］。

1.2.1 順序關聯模型

假設某制造質量參數 xm由h個工序tj(j=1，2，...，h)加工完成，將影響 xm的工序按照先后加工順序，建立工藝對質量參數的順序關聯模型（圖2）。

每一個工序輸出的質量參數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，需要考慮的是，即使第 j個工序的輸出超出工藝規范，但是仍可能被后續工序修正，該修正概率表示為。

以2個順序關聯的工序為例，其輸出的質量參數xm滿足要求的概率，亦即這2個工序過程的工藝可靠度P(xm)可以表示為

對于h個順序關聯的加工工序，其輸出的質量參數xm滿足要求的概率可從式（1）中類推求得。

1.2.2 串聯模型

假設制造質量參數xm由h個工序加工完成，且僅當這h個工序均不發生故障時才能保證相應的xm滿足規范要求（圖3）。

假設串聯模型內h個工序都是獨立的，則輸出的工藝可靠度P(xm)可表示為

1.2.3 混聯模型

將工藝對制造質量參數的順序關聯模型與串聯模型融合到一起，成為混聯模型（圖4）。

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

式中，P(α)和P(β)為代表建造過程質量參數α和β滿足要求的概率，可由順序關聯模型求出。

2 模糊工藝可靠度計算方法

由于現階段建造工序故障缺乏大量統計數據，且有大量的故障是人為因素導致，因此一般采用專家評分法對建造工藝故障模式概率、修正概率進行評估。然而，在復雜的評估問題中，專家更傾向于通過語義信息表達自己的判斷，例如“發生概率非常高”、“可能性很低”等［17］。基于模糊數學理論，本文提出一種模糊計算方法，將專家語義詞匯定量化描述，對各工藝故障模式概率、修正概率進行評估，獲得定量數據。

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個層次的語義詞來分別表達一組語義詞，語義值集合表示為｛很小，小，較小，中等，較大，很大｝，分別對應｛L1，L2，L3，L4，L5，L6｝。在專家評分時，用此6個語義詞來評估工藝故障模式概率和修正概率。各評估對象對應的語義表達如表1所示。

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

6個語義詞由對應TFN的a，b，c，d表示，且需要由一組專家評定，通過加權平均確定。每一個語義詞對應的模糊數如表2所示，如圖5所示為TFN對應的隸屬函數。圖中每條折線代表對應模糊集的隸屬度，如L1折線對應于模糊集“很小（L1）”的模糊隸屬函數為 μ1(x)，由給定任何實數集上的點x∈U，都可以通過該隸屬函數 μ1(x)來計算x對應模糊集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生概率Fj(t)作出判斷，判斷結果用表1中對應的TFN來表達。令模糊數=(ai，bi，ci，di)，i=1，2，...，S ，表示第i個專家對該影響因素的判斷。在組織專家進行判斷時，一是考慮到專家各自的經驗及特長，因此需要賦予專家判斷不同的權重wi，i=(1，2，...，S)；二是要考慮專家意見的一致性。

1）專家權重wi確定。

專家評價是艦船裝備論證和設計過程的重要一環。選聘合適的專家，確定專家人數及各自權重都有重要的意義。本文采用白春杰等［21］介紹的專家權重分析方法，依據專家影響力、相關知識充裕度、專業經驗熟悉度和反應力4個方面，應用AHP方法確定。具體內容這里不再贅述。

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，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。目前已有一些度量方式得到了實際應用［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］所提方法的基礎上，將重心垂直距離也考慮到計算中。記為TFN的重心，為TFN的周長，為TFN的面積，計算式如下：

式中,σ為二重積分過程的變量。

則2個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個專家的判斷的步驟如下：

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

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

2.3 模糊工藝可靠度計算

1）順序關聯模型。

根據式（1），通過專家評分并用TFN表示工序1和工序2發生故障的概率的模糊數為：

則2個工序的工藝過程加工完成后，工藝可靠度，即輸出的制造質量參數，符合工藝規范的概率模糊數可表示為

多個工序順序關聯的模型的P(xi)計算可類推得到。

2）串聯模型。

根據式（2），通過專家評分，并用模糊數表示工序tj(j=1，2，...，h)發生故障的概率的模糊數為

則h個工序的工藝過程加工完成后，工藝可靠度，即輸出的制造質量參數，符合工藝規范的概率模糊數可表示為

3）混聯模型。

在圖4的基礎上，以最簡單的混聯模型為例進行分析，質量參數①由相關工序1，2加工完成，質量參數②由相關工序3，4加工完成，然后進行裝配工序5，最后輸出裝配件的質量參數xi。

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

輸出的制造質量參數 xi符合工藝規范的概率的模糊數可表示為

多個工序的復雜混聯模型的P(xi)計算可由式（27）類推得到。

3 實例應用

選取某型號艦船軸系齒輪箱定位安裝為典型過程進行分析。齒輪箱安裝主要有2個質量參數：安裝牢固度，要求符合固定規范；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行建造質量量化評價。

齒輪箱定位安裝相關工序如下：

工序1：齒輪箱安裝基座裝焊；

工序2：軸系艏艉基準點的設定；

工序3：軸系拉線；

工序4：根據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：用鋼直尺讀數法復查齒輪箱的高度位置，估計墊片厚度；

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。其工序之間的關系為串聯關系（圖6）。

則齒輪箱安裝牢固度符合規范要求的概率模糊數根據式（21）進行計算，結果為

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量量化評價結果為0.914 0。

同時，由式（28）～式（30）可知，工序11焊接墊片焊接的工序故障模式發生概率一致，高于其他工序，需要在加工過程中進行重點檢驗與優化控制。結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行除毛刺、修光處理，施工后檢測焊縫質量，確保達到焊接設計要求。

4 結 語

本文提出的艦船建造質量量化評價方法是FOQC方法的延伸，旨在解決艦船建造質量難以定量化評價的問題。在工藝可靠度基本計算模型的基礎上，利用模糊計算能較好地集成專家評估意見，定量化表達建造工藝故障的隨機性和不確定性。本方法在實踐中證明了其有效性，為關鍵質量檢驗點設置及關鍵工藝控制優化提供了參考。

目前，艦船建造質量的定量評價主要依托專家評分法進行。考慮到艦船建造科技水平的發展以及測量技術、意識的提高，必然會有越來越多針對建造工藝的數據積累。如何科學合理地設置數據采樣類型及采集點，并應用于工藝可靠度的定量計算，從而更準確地評價建造質量，需要繼續深入研究。

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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.艦船建造質量量化評價方法［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"> 網絡出版時間：

時間：2017-3-13 15:53

付森宗，男，1966年生，碩士，高級工程師。研究方向：裝備質量監督與管理

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。

E-mail：whd302@sjtu.edu.cn

期刊網址：www.ship-research.com