艦艇動力裝置應急維修作業復雜性量化研究

李世停 蔡 琦 朱 波

（海軍工程大學船舶與動力學院1） 武漢 430033） （上海交通大學核科學與系統工程系2） 上海 200240）

艦艇動力裝置是艦艇的“心臟”.基于動力裝置故障應急搶修的特殊需求，國內外學者已經廣泛開展關于艦艇故障處置、應急搶修預案的研究［1］.搶修預案的制定能為應急維修技術準備與維修決策提供依據，預案的有效執行能在一定程度上提高搶修速度和質量，使故障設備或系統功能快速恢復.但搶修工作的成功程度顯然會受到維修作業復雜性的影響，為了制定合理有效的應急維修預案，應該在預案制定過程中對預期維修作業的復雜性進行實驗測試；然而，由于事故類型的多樣性、復雜性以及實驗測試需要花費大量的時間、人力和物力，這一工作的完成存在困難.本文基于軟件工程中程序復雜性量化的熵值法，提出了應急維修作業復雜性的量化方法（maintenance task complexity，MTC），利用MTC法能評估和量化維修過程的復雜性，為應急維修預案的制定與維修決策提供參考信息，方法的建立也是維修保障信息化的需要.

1 應急維修作業復雜性因素分析

應急維修的目的是最大程度的抑制或緩解事故發展、避免事故進一步惡化，盡量減輕事故后果、恢復或部分恢復裝備性能.以艦艇動力裝置為例，為了達到這個目的，需要根據艦船當前及下一步的使命任務對修復作業方法和修復程度進行決策，而這個決策的過程涉及諸多因素.首先考慮故障對象的維修性，故障的大小和嚴重程度.如故障設備的結構、位置、組成及大小；維修人員和維修工具的可達性，安裝和拆卸部件的簡易性；故障檢測方法，故障隔離程度及對專用工具的要求；由于任務限制而允許的維修時間；還包括故障的部位、種類、故障模式、零件數及損傷的嚴重程度.以管道出現破口為例，考慮破口可隔離時的堵漏應急搶修，需要確定破口位置及大小，維修人員和工具是否可以到達事故地點進行搶修；其次是維修作業環境.對于艦艇動力裝置來說，故障設備可能處在高溫、高壓和高腐蝕的環境中，僅在任務需要必須維修時，并且滿足維修條件時維修人員才能進行維修作業.維修人員進入搶修環境需要了解大量的相關信息，對于有可能出現有害氣體的搶修地點需要檢測氣體濃度水平，并依據結果計算每人次的作業時間；需要焊接作業時，為了防止氫氣爆炸必須測量環境的氫氣質量濃度；維修環境的溫度、壓力也要滿足人員工作條件.再次，維修資源的配備及使用情況.故障部件的備件隨船攜帶量，現存量以及未來故障時的使用情況；是否帶有指導維修故障設備的維修資料，是否需要專用修理工具（焊槍、管嵌、防護服等）；根據當時的情況，可投入作業的人員數量、技術工種類型（焊工、鉗工和電工等），技能水平以及人員的體力和士氣.如破口搶修往往涉及多個技術工種和工具，各工種之間的協同維修能力也將影響維修效率，過多的維修動作與工具切換必將增加維修作業的復雜性.最后，預案中各維修作業之間邏輯關系復雜性也將使維修過程變的復雜.綜合以上分析，影響維修過程作業復雜性的重要因素可以歸納為3種：執行作業時需要的信息量、維修作業時復雜的邏輯結構以及維修作業的操作規模.

2 作業復雜性量化方法研究

2.1 維修作業復雜性量化方法的確定

復雜性量化在軟件工程領域應用較廣泛.復雜性量化的方法有很多種，一般來講，度量軟件復雜性的方法有兩類：（1）基于源代碼量化的分析方法，如 Halstead’s E；（2）基于結構和圖的分析方法，如 McCabe’s v（G）和熵值法［2］.文獻［3］中在比較了軟件復雜性與應急操作規程復雜性的相似處之后，將熵值法應用到電站的應急操作規程復雜性的評估.這里將應急維修與程序維護也進行了對比，比較結果如表1，它們具有同樣的動作執行者、應用對象和復雜性因素.根據以上原因，最終選擇熵值法來量化維修作業的復雜性.

表1 程序維護與應急維修比較

2.2 圖熵模型

圖熵法是一種基于信息結構圖模型和控制流程圖模型的復雜性量化方法，它通過建立圖熵模型表示抽象的過程信息.圖熵研究方法分為兩類，一個是彩色信息內容（或者叫一階熵）和另一個是結構信息內容（或者叫二階熵）.圖熵的計算公式為

建立如圖1程序控制圖模型，根據文獻［4］的研究結果，控制圖模型的一階熵計算可以量化維修作業邏輯復雜性，二階熵計算可以量化維修作業大小復雜性，為了計算一階熵，當節點出現在程序控制圖時，基于節點的輸入輸出程度把它們分類.如果有相同的輸入和輸出程度存在，那么就認為節點有相同的等級.對于模型G的二階熵的節點，如果在一個弧距離以內相鄰節點有相同數量和類型，那么它們被認為是相等.基于以上的分類規劃，模型G的明確等級如表2.以模型G的一階熵計算為例，其一階熵所有節點分為｛a｝，｛b，c，e，f｝｛d｝｛g｝等類.H 代表類的數量，這里h＝4.此外，類I，II，III，IV 的概率分別為1／7，4／7，1／7和1／7.由式（1）可得模型G的一階熵

圖1 程序控制圖模型G

表2 模型G的一、二階熵分類及計算

對于圖熵模型，節點意味著信息單元，弧代表節點之間的關系，而后續節點代表前面節點內部的不同信息字段，圖形的基本層次代表信息的數據類型如字符型（C）、布爾型（B）、浮點型（F）、圖像（I）或者其他用戶定義的類型.文獻［4］分析后認為維修作業信息復雜性可以利用圖熵法對信息結構圖模型的二階熵計算得到.至此，3種維修作業復雜性因素的量化方法已經確定，為了給出維修作業復雜性的綜合度量值，下面提出了綜合3種復雜性因素的維修作業復雜性度量法.

2.3 維修作業復雜性（MTC）法

基于以上的分析，圖熵模型可以圖形化表示3個復雜性因素，而利用圖熵的兩種方法（一階熵和二階熵）可以計算得到3個復雜性因素的值.維修作業信息復雜性（maintenance task information complexity，MTIC）可以利用信息結構圖的二階熵計算，維修作業邏輯復雜性（maintenance task logic complexity，MTLC）可以利用動作控制圖的一階熵計算，而維修作業規模復雜性（maintenance task size complexity，MTSC）可以由動作控制圖的二階熵計算得到.

在分別計算得到3個復雜性因素的量化值后，為了給出MTC的綜合量化值，利用歐幾里得定律將3個因素的量化值按照各自的權重綜合計算得到MTC值，即：第i步的復雜性量化值為

式中：α，β，γ為各因素權重.

3 應用實例

3.1 管道破裂應急堵漏維修作業復雜性量化

初始狀態描述：某艦艇在遠海執行任務，動力裝置突發蒸汽減少事故，經分析確定破口為給水系統與其相連接的支管發生穿透性裂紋，并且破損管路可以進行隔離；任務要求：由于艦艇機動性的要求，必須按照應急維修預案進行堵漏搶修恢復壓力邊界.要求計算在這種條件下搶修管道裂紋的復雜性.

由于破損位置為支路管道且為穿透性裂紋，泄漏較緩慢，可以組織保障人員按照維修預案進行搶修.為了滿足執行任務時艦艇機動性和時限的要求，可以采用對裂紋進行補焊的方法快速修復破損管路.搶修所需的人力資源有環境檢測人員、焊工、鉗工、電工和熟練掌握管路的修理檢查工藝的技術人員.工具和器材包括管鉗、焊槍、防護服、氧氣瓶、氬弧焊等.由于實施裂紋破損處補焊處理，這里的備品備件可以不用考慮.而搶修時機應該安排在搶修艙室應急排風啟動之后，由環境檢測人員首先進入艙室對通往泄漏部位通路采點測量，然后經過簡單計算，根據得出測量值確定每人次的搶修時間.同時，要檢測補焊時氫氣的質量濃度，在濃度的允許范圍內才可以進行焊接操作.具體的維修作業如表3.根據以上分析，分別建立補焊搶修的信息結構圖模型和維修作業流程圖模型，如圖2，3所示.

圖2 破口搶修信息結構圖模型

圖3 作業4.2的動作控制圖模型

表3 管道破裂事故維修作業程序

按照2.2節圖熵的分類方法，將4.2步的信息結構圖模型和動作控制圖模型分類，由式（1）分別對3種復雜因素進行量化.由2.3節可知維修作業信息復雜性MTIC（4.2）等于信息結構圖模型的二階熵，作業邏輯復雜性MTLC（4.2）等于動作控制圖模型的一階熵，作業規模復雜性MTSC（4.2）等于動作控制圖模型的二階熵，所以可以分別計算得到

根據3個子因素復雜性度量值，可由式2計算管道破裂事故搶修過程第4.2步的維修作業復雜性度量值.在計算之前對3個因素α，β，γ的權重取值進行討論.參考文獻［5］對3個因素的權重進行了研究，文中通過對電站操作員的調查和專家打分的方法，得出三個因素權重的估值α＝0.38，β＝0.32，γ＝0.3.據此可以計算得到

為了適應普遍情況，本文取3個權重因素值相等，即

計算分析可知，兩種取值計算結果誤差僅為2.81%，這主要是由于維修作業信息復雜性（MTIC）是3個因素中最重要的影響因素，它對權重值變化較敏感，而對于維修作業復雜性而言這種結果是可以接受.

3.2 結果分析及驗證

為了驗證維修作業復雜性測度法的有效性，按照上述方法分別計算了相同應急維修背景條件下10個維修作業復雜性的量化值，如表4所列，根據計算數值繪制圖4.依據維修人員的經驗數據和歷史維修記錄將表4中10個搶修作業按照維修時間的長短排序，并在圖4中用縱軸表示（縱軸的等距離間隔不表示具體時間），橫軸表示MTC值.從圖4中可以分析得出結論，MTC量化值的大小與維修作業復雜性成同向增減關系，即維修作業越復雜相應的MTC值就越大.因此MTC法在一定程度上可以反映應急搶修方案中維修作業的復雜程度和維修人員的工作量.

圖4 維修時間與MTC值對應關系

最后，假設維修人員可以掌握2項或2項以上的技術，如系統工程師可以兼職環境監測員和電工，焊工和鉗工也可以由一個技術人員擔任，基于這種假設本文對搶修作業的信息結構圖模型進行了優化.經過以上相同作業的復雜性量化計算得到 MTC（4.2）＝2.860.由此可以看出維修作業的復雜性降低了，再次驗證了本方法的正確性.

表4 部分應急維修作業復雜性計算

4 結 束 語

應急維修預案的有效執行可以抑制事故的惡化，而執行預案的過程就是完成維修作業的過程，因此，維修作業的復雜性直接影響預案能否有效執行.本文基于軟件工程復雜性量化的方法提出了適用于艦艇動力裝置應急維修作業復雜性的量化方法MTC法，利用MTC法將維修作業復雜性問題量化為具體的數值，并將它與維修時間進行比較，可以定量地評估搶修預案的工作量，分析維修人員在規定時間內完成任務的可能性，為應急搶修預案的制定提供指導.經過結果分析表明，該方法能夠真實地反映維修作業的復雜性，為艦艇動力裝置維修作業過程以及維修預案制定等研究工作提供了一條新的技術途徑.

［1］許以全，車濟堯，蘇 云，等.秦山一期核電站小破口冷卻劑喪失初因嚴重事故以及緩解措施的研究［J］.核動力工程，2004，25（6）：546－550.

［2］張海藩.軟件工程導論［M］.北京：清華大學出版社.2003.

［3］Park J，Jung W.A study on the development of a task complexity measure for emergency operating procedures of nuclear power plants［J］.Reliab Eng Syst Saf 2006，92：1102－1116.

［4］Park J，Jung W，Ha J，et al.The step complexity measure for emergency operating procedures：measure verification［J］.Reliab Eng Syst Saf，2002，76：45－59.

［5］Zahedi F.The analytic hierarchy process：a survey of the method and its application［J］.Interface，1986，16：96－108.