基于DEA方法的船舶建造項目多指標評價研究

李 楷， 劉 曼 婷， 張 楠， 趙 智 超

( 1.大連理工大學 船舶工程學院， 遼寧 大連 116024；2.上海惠生海洋工程有限公司， 上海 201210 )

0 引 言

船舶是復雜的水上工程建筑物，船舶建造流程也非常復雜并且周期較長．現代造船模式是一個完整的生產體系，執行以中間產品為導向的建造策略，主要由11項關鍵技術組成：質量控制循環，船舶建造標準化，建造合同技術約定，產品導向工程分解，船體分道建造技術，區域舾裝技術，區域涂裝技術，管件制造技術，殼舾涂一體化，造船管理系統，造船編碼技術．這些技術必須制度化、規范化地融入船舶建造的生產設計、組織與管理中，才能在最大程度上發揮各自的效益．船體分道建造技術是現代造船模式的重要組成部分，以成組技術(group technology)為理論基礎，根據相似性，以中間產品為導向，按照系統部件、模塊、分段和總段的建造過程，配置場地、設施和人員，組成多個生產單元，形成逐步推進的設計、生產和管理一體化的工藝流程．

中間產品是船體分道建造技術中的重要概念，通常包括4類：部件、模塊、分段和總段．分段是由1個以上的模塊和多個部件組成的，在分段劃分時一般先將船舶按照區域劃分為艏、艉、中部及上層建筑等，進而將各區域劃分為總段，再將總段劃分為分段，并逐步劃分為部件和模塊等．

為了保證新造船達到船東、船檢的要求，船東、船檢、船廠需要對船舶建造過程中各專業項目和工藝指標進行檢驗來控制船舶建造項目質量．隨著殼舾涂一體化的推進，船舶建造過程中的單個流程一般都涉及多個專業，影響船舶建造質量的因素越來越多，船舶質量檢驗的復雜程度也日益加劇．如目前在分段建造過程中分段的預舾裝率有了很大的提高，分段檢驗不再是單純的船體結構檢驗，還要包括機、電專業的檢驗項目．

影響船舶建造質量的因素還包括工期、成本、工藝質量等，為了保證質量，需要建立準確的評價模型輔助檢驗人員及時掌握、調控船舶建造過程，優化工藝流程，提高船舶建造質量，使船舶建造項目進入良性循環．船舶建造質量評價的復雜性在于：一是指標類型多樣，既包含數值型參數也包含非數值型參數；二是船舶建造體系復雜、龐大、周期長，船舶建造過程中產生的數據量巨大．數據包絡分析(data envelopment analysis，DEA)方法使用綜合指標評價決策單元的技術效率，適合描述全要素生產效率狀況，并且權重不受主觀因素影響，不會因權重估計不準確而影響評價結果．本文采用DEA方法建立船舶建造項目的多指標評價模型．

1 船舶建造過程的多指標評價方法

1.1 DEA方法簡介

DEA方法起源于1957年Farrell提出的包絡思想[1]．1978年，Charnes等在相對效率評價概念基礎上提出了DEA方法，建立了第1個DEA模型——C2R模型[2]．DEA方法模擬生產過程中從投入到產出的一系列決策活動，這些衡量績效的元素被稱作決策單元(decision making unit，DMU)．DEA方法以凸分析和線性規劃為工具，通過數學規劃模型計算各DMU的相對有效性，從而做出評價．

DEA方法的特點包括：

(1)適用于多輸出-多輸入的有效性綜合評價問題．

(2)不直接對數據進行綜合．各DMU的相對有效性與輸入、輸出指標的量綱選取無關，因此應用DEA方法建立模型前無須對數據進行量綱一化處理．

(3)無須任何權重假設，而以DMU輸入、輸出的實際數據求得最優權重，因此排除了主觀因素，具有很強的客觀性．

DEA方法應用的一般步驟如下：

(1)確定評價目的．分析問題的特點，梳理、歸納、提取各類特征參數．

(2)選擇DMU．通過物理背景或時間間隔來構造DMU，使DMU具有相同的環境、輸入和任務．

(3)建立輸入、輸出指標體系．要考慮能夠實現評價目的，還要避免指標之間有較強的線性關系．也可以通過若干次試算來逐步確定指標集．

(4)選擇DEA模型．要符合DMU的實際經濟背景和問題的評價目的，還要考慮某些特定要求．

(5)進行相對有效性評價．確定各DMU的相對有效性，了解各DMU的相對規模收益情況．

假設在一項生產活動中，共有n個DMU，第i個DMU對應的輸入、輸出向量分別為

xi=(x1ix2i…xmi)T；i=1，2，…，n

yi=(y1iy2i…yri)T；i=1，2，…，n

在評價DMU的實際應用中，一般采用具有非阿基米德無窮小的C2R模型．如檢驗第j個DMU的相對有效性，其規劃問題為

λi≥0；i=1，2，…，n

s+≥0

s-≥0

其中m為輸入的個數，r為輸出的個數，n為DMU的個數，θ、λi、s+、s-為待求解變量，θ代表第j個DMU的相對有效性．

1.2 多指標評價方法在造船業中的現狀

Park等使用DEA方法分析比對船舶建造過程中生產計劃與實際生產流程中的效率工藝區別，在此基礎上提出了船舶建造過程優化措施[3]．Jr. Pires等提出了基于DEA方法確定造船合同評價指標的決策支持方法[4]．?l?er等使用模糊多屬性決策方法對船舶早期設計階段進行可生產性評估，其中包括對成本、風險等的評估，以達到在船舶實際建造過程中規避風險和減少浪費的目的[5]．

田嚴波等針對船型技術經濟綜合評判問題，引入理想決策單元，利用灰色關聯度分析方法建立評價指標體系，提出了改進的DEA方法，并在三峽庫區貨船船型方案優選中進行了應用[6]．張浩等使用DEA方法，結合造船企業的投入和產出特點，建立了綜合考慮造船企業經營效率的投入產出指標體系和評價模型，基于造船企業的年投入和產出經營數據，評估了企業的綜合效率，給出了低效率企業的產出不足量和投入冗余量[7]．吳帥等采用模糊評判方法對船舶生產設計托盤的質量從多個指標進行綜合評價[8]．張浩等使用多目標粒子群算法對船舶分段建造的工期、成本、質量3個目標進行優化[9]．郭文杰等利用模糊評判和層次分析方法確定各影響因素對船舶建造質量風險的權重系數和風險估值，構建了船舶建造質量風險評估的數學模型[10]．

在船舶建造質量控制技術方面，由于質量檢驗必須在現場進行，各類專業檢驗人員的檢驗方法、技術手段、記錄方式、采集數據格式也不完全一致，目前還沒有成熟的應用軟件支持檢驗人員進行檢驗數據的記錄、存儲和分析，大部分船廠的質量檢驗記錄甚至還停留在紙筆的方式，導致在船舶建造過程中產生的海量數據難以準確、及時地保存下來．因此有必要開發相應的計算機應用程序，輔助檢驗人員方便地填報檢驗記錄，在掌握準確數據的基礎上展開數據分析，實施船舶建造質量評價．

2 基于DEA方法的船舶建造項目多指標評價模型

2.1 總體流程

針對船舶建造的特點，基于質量控制技術的發展現狀，本文提出基于DEA方法的船舶建造項目多指標評價模型，如圖1所示．該模型利用船舶建造過程中產生的檢驗記錄數據，使用DEA方法得到船舶建造質量的評價結果，從而為改善建造工藝流程提供決策依據．主要步驟如下：

(1)組織船舶檢驗專家進行評估，針對各類船舶建造工藝流程制定檢驗項目，設置檢驗指標集．

(2)根據檢驗項目和檢驗指標集，現場檢驗人員記錄檢驗結果，存入數據庫，形成船舶建造質量檢驗記錄集．

(3)使用DEA方法，評價各類工藝活動的技術效率．

圖1 船舶建造項目多指標評價流程

2.2 船舶建造項目典型評價指標

本文以如下4類典型工藝活動說明檢驗指標的設置．

(1)分段制作

分段制作是整個船舶建造過程中至關重要的一個步驟．分段制作的主要檢驗指標是從成本、計劃、建造質量3方面來考慮的，包含焊接質量(CM點)、分段密性、分段涂裝、分段完整性、到期完工率、物料利用率、報驗合格率．CM(construction monitoring)點即建造監控點，一般為高應力區，焊接形式為深熔焊或者全熔焊，焊后要做無損探傷檢驗．分段密性指船舶在分段制作完成后進行的密性試驗．CM點和分段密性是船舶檢驗過程中需要重點關注的．分段涂裝指分段制作階段的涂裝質量．在船舶建造質量管理中，是否拖期及報驗合格率是衡量船舶建造效率和質量的重要指標．到期完工率反映了船廠是否能根據建造計劃節點完成生產任務，即生產執行能力．物料利用率體現了船廠在原材料使用方面的成本控制能力．報驗合格率反映了船廠生產部門的工藝水平，其數值為報驗次數的倒數．

(2)合攏檢驗

合攏是船體建造的關鍵環節．從分段組合到總段，再從總段組合成一艘完整的船舶，這些工藝活動都屬于合攏．合攏檢驗的核心在于合攏焊縫，因此對于合攏檢驗，應該以焊縫為單元進行管理．在進行合攏檢驗管理時，首先應整理出所有的分段縫和總段縫，以便對應填報檢驗記錄．合攏檢驗的主要評價指標包括焊前檢查、焊后試驗、密性試驗、CM點、到期完工率、物料利用率、報驗合格率．

(3)艙室檢驗

船舶的艙室種類繁多，具備不同的功能．一般船舶中都設有機艙、貨艙、油艙、壓載水艙、生活艙室等．檢驗船舶艙室的目的也是為了檢驗船舶結構的強度及承載力，保證艙室的承載力與完整性，從而實現各個艙室的功能．艙室密性試驗的目的是保證船舶的穩性和結構完整性，同時為了防止腐蝕給船體結構帶來的危害，因此艙室密性和涂層質量也是重要的評價指標．艙室檢驗的主要評價指標包括艙室完整性、艙室密性、涂層質量、艙室完工質量、到期完工率、報驗合格率．

(4)管系檢驗

管系制作是船舶建造過程中的重要步驟，具有多品種、多規格、多批次、多數量的特點，制作與管理的工作量大，煩瑣且復雜．管系檢驗的主要評價指標包括管系制作用時、焊前檢驗、焊后檢驗、無損探傷、壓力試驗、酸洗、涂裝、到期完工率、物料利用率、報驗合格率．

3 船舶檢驗管理系統開發

3.1 系統架構

根據船舶建造項目評價模型的需求分析，基于VS.net平臺，采用面向對象編程思想，以Microsoft SQL Server為數據庫平臺，開發了船舶檢驗管理系統(ship inspection management system，SIMS)的原型程序．系統架構設計如圖2所示，包括展示層、功能層、軟件層和硬件層．展示層為不同角色的用戶提供統一的用戶界面填報檢驗記錄和訪問數據庫，功能層包括船舶檢驗、工作報表、查詢統計、系統管理和輔助功能，軟件層和硬件層為支撐層．

圖2 SIMS系統架構

該系統提供基于3D模型的瀏覽方式以支持用戶進行檢驗管理．如圖3所示，根據檢驗項目的特點，開發了兩種三維模型：分段模型和艙室模型．分段模型對分段、總段、分段合攏縫和總段合攏縫進行表達，艙室模型對全船各類艙室進行表達．

使用數據庫存儲方式，可以幫助用戶有效地同時管理多個船舶建造項目．一個用戶同一時間只能訪問一個項目的數據．用戶在登錄后，需要選擇某一建造項目才能進入主界面．全船檢驗項目通常可以分為5部分：船體、舾裝、輪機、管系和電氣．目前只針對分段和艙室相關的檢驗管理功能提供3D模型瀏覽支持．將其他檢驗項目合并為一個統一的模塊進行開發．系統的檢驗管理功能包括分段制作、分段合攏、艙室檢驗、一般檢驗、設備檢驗、管系檢驗．為支持更多類型的船廠具體生產設計情況，系統還提供預組段檢驗、分段定義和合攏定義3個功能．

(a) 分段模型

(b) 艙室模型

圖3 3D模型

Fig.3 3D models

為保證系統數據安全，具有一定權限的用戶(如項目經理)才能查看多專業的檢驗記錄和導出數據．在系統中記錄檢查結果、輸入檢查記錄、添加檢查照片后，根據用戶指定的時間周期，自動輸出工作報表．該系統可以在船舶建造期內收集詳細的船舶檢驗信息，實現對大數據的存儲與分析．

3.2 功能實現

以分段制作為例說明具有3D模型瀏覽支持功能的船舶檢驗記錄填報、編輯與查詢等管理功能．如圖4所示，用戶界面由4部分構成，分別為船舶分段結構樹、分段檢驗記錄列表、3D模型展示和分段檢驗明細．在左側分段結構樹可根據區域對分段進行選擇．在分段檢驗記錄列表中顯示各分段的綜合檢驗記錄，包括所屬區域、總段號、分段號、檢驗狀態、文字備注、檢驗日期、填報人．考慮到并非每個分段都能一次通過檢驗，存在復檢的情況，因此在這個列表中顯示的是每個分段各指標的最終檢驗狀態．如要查看歷次檢驗記錄，需要選中該分段號后，在下方分段檢驗明細區域點擊歷史記錄按鈕進行查看．左下部分是全船分段的3D模型，在分段檢驗記錄列表中點擊任一分段號，會在模型中高亮顯示．右下部分為分段檢驗明細區域，在這里可以對各項檢驗項目進行填報、查看和修改．選擇某一檢驗項，可以查看該檢驗項對應的3D模型云圖，輔助用戶直觀地查看船舶建造進度以及建造質量的總體水平．

如圖5所示，與分段制作相似，艙室檢驗由4個部分構成，分別是全船艙室結構樹、艙室檢驗記錄列表、3D模型展示和艙室檢驗明細．主要的填報檢驗指標包括完整性檢查、密性試驗、涂層完工檢驗、封艙前清潔檢驗和水壓試驗等．

圖4 分段制作檢驗記錄管理

圖5 艙室檢驗記錄管理

在船舶建造期內的若干節點，根據需要，用戶可選擇需要輸出的檢驗項目，系統以各檢驗人員填報的數據為基礎，自動生成檢驗工作報告：總體進度圖和分項進度圖、包含附件照片的分專業各項檢驗記錄、各檢驗項對應的3D模型云圖．

4 實例驗證

現以分段制作檢驗評價說明本文提出的船舶建造項目多指標評價模型．輸入指標包括生產工人數量(Nw)、專業復雜程度(Ns)、工時(Wh)．輸出指標包括綜合檢驗指標(CSI)、到期完工率(DCR)、物料利用率(MUR)和報驗合格率(QR)．從船廠CIMS系統和船舶檢驗管理系統中分段制作檢驗記錄中提取14個分段的生產和檢驗數據，不失一般性，將前12個分段的數據建立評價模型進行評價，最后兩個分段的數據作為對照樣本．利用對照樣本進行對比分析，能夠直觀地說明DEA分析結果的意義．采用具有非阿基米德無窮小的C2R模型進行評價，其輸入、輸出指標的數據以及相對有效性見表1．

從表1可見，分段7和9的相對有效性較低，它們的各項輸出指標尤其是物料利用率、報驗合格率也處于較低的水平．用對照樣本分段13和14替換分段7和9，重新進行評價，結果見表2．

表1 分段制作活動評價

表2 使用對照樣本進行分段制作活動評價

可見，分段13的相對有效性為1.000，分段14的相對有效性為0.946．將分段7和9與分段13和14的數據進行對比，可以發現，適當的Nw和Wh是使DMU成為DEA有效的關鍵．即要提高分段制作質量，應根據分段的建造復雜程度適當配置生產工人數量，制訂合適的生產計劃，合理安排工時．如原生產計劃制訂的工期太緊張，導致工人一味趕工，有可能出現報驗不合格，反而引起返工、復檢等一系列流程，從而拖延工期．

5 結 語

船舶建造項目多指標評價是船舶建造過程中保證質量的重要環節，其實現需要兩個關鍵要素，一是使用船舶檢驗管理系統軟件記錄建造過程中的各類工藝數據，二是選用合適的評價數學模型．本文通過船舶檢驗管理系統軟件的開發和使用將原有的檢驗流程信息化、電子化，使得船舶建造過程中產生的海量數據得以收集與存儲，在此基礎上使用DEA方法對各類建造項目進行分析，將數據轉化為直觀的評價結果展示出來，從而有效地利用大數據，為船舶建造過程的改進提供支持．