船舶動力設備拆裝過程的與或網絡建模與分析

陳登智，江國和，孫久航，文家獻

(1.上海海事大學 商船學院，上海 201306；2.上海海事大學 物流研究中心，上海 201306)

0 引言

船舶柴油機具有裝置較大、結構復雜、元件配合精密及造價昂貴等特點，船舶動力設備拆裝是船舶航行和安全維護過程中的重要工作。船舶動力設備是指船舶上各種能量的產生、傳遞、消耗的全部機械、設備，是船舶的核心組成部分，主要由主動力裝置、輔助動力裝置、其他輔機和設備3 部分組成[1]。由于船舶在航行過程中的檢修維護工作必須由隨船船員完成，因此船舶動力設備拆裝也是海船船員培養的重要內容之一。然而，船舶動力設備拆裝涉及的零部件和拆裝任務眾多，無論是學習、訓練和實際操作過程都十分復雜。由于可能的拆裝順序很多，衡量拆裝過程的質量好壞和提高拆裝效率，無論對于組織學習和訓練還是實際作業都十分重要。

“動力設備拆裝”是《海船船員培訓大綱（2016 版）》規定的輪機專業評估的主要內容。為了衡量拆裝過程的質量，海事局等相關機構組織編寫了《輪機評估規范》作為船舶動力設備拆裝評估的指導性文件，確立了針對各種主要零部件拆裝的具體要求和計分規則。但是，在實際拆裝過程中，拆裝任務的管理與優化是衡量拆裝質量和效率的關鍵。目前，拆裝路徑的有效性主要依賴于經驗判定。對于一個船舶動力設備來說，可能的拆裝路徑太多，敏捷和智能的拆裝過程優化對于海員人才培養和實際拆裝操作都十分重要[2]。雖然基于虛擬現實技術建立柴油機虛擬拆裝環境能夠減少對實際設備操作的依賴，但是對心理素質和應急處置等方面的實訓效果難以衡量。船員操作評估更多依賴于評估員主觀經驗評判[3]，依靠人的主觀定性評估的考核方式，不利于培訓教學效率和質量的提升[4]?；诜抡婺M的方法在船舶駕駛和系統研究中得到廣泛應用[5]，并且業界開始研究船舶動力裝置“視情維修”和智能診斷系統[6]，但是在設備拆裝訓練和評估中尚未見報道。

考慮船舶動力設備拆裝的復雜性，通過拆裝任務描述針對特定零部件、采用特定動作和工具在特定場景下完成的原子工作，基于拆裝任務及其之間的與或網絡對拆裝過程進行建模；并在此基礎上提出拆裝過程的分析方法。其中，“與或網絡”是用于描述計算機系統和項目管理中任務或過程之間“與”和“或”這2 種關系的新工具。

1 設備拆裝問題與過程

船舶動力設備是大型復雜工程設施。例如，船用6135 柴油機主要用于內河中小型船舶的發電設備，其所包含的零部件數以萬計。對于遠洋大型船舶，由于動力、節能環保和安全等各方面的需要，設備更加復雜，零部件數量更多。雖然當前船舶動力設備趨于混合動力和電動設備，其零部件數量和耦合程度依然很高。船舶是浮動設施，船舶上動力設備的檢測維修對于船舶常規航行和安全保障的作用相比陸上設備而言要求更高。并且船上設備檢測維修主要依賴于隨船專業人員。因此，對這些專業人才培養的考核是海事教育中很重要的組成部分。船舶動力設備拆裝是船員培養的關鍵內容。

如圖1 所示，船舶動力設備拆裝通常是多名專業人員在船上、車間或實驗室等場地協作完成的復雜作業。在船舶動力設備實際維護過程中，通常是通過拆裝檢測、維修和更換特定零部件。船舶動力直接影響船舶航行與安全。依據《中華人民共和國海船船員適任考試和發證規則》，船舶動力設備拆裝技能訓練與考察，要求使用專業工具按照安全的作業步驟完成一系列的作業任務。在圖1 中，將一個拆裝作業任務定義為4 個屬性的耦合，即零部件、動作、工具和背景。其中，“零部件”是指該任務拆裝的零部件組或特定零部件；“動作”是指完成該拆裝任務需要執行的一些標準作業動作；針對特定的零部件和動作，要求使用合適的作業“工具”以確保質量和安全；“背景”是指執行該任務時所在的特定場景、背景、車間、環境。

圖1 拆裝任務及其環境

2 與或網絡建模

與或網絡是包含“與”和“或”節點的有向圖G=(V,E)。其中，V 是節點集合，對于v ∈V，T(v)E{AND，OR}表示節點是“與”節點(AND)或“或”節點(OR)；而E 是有向邊集合，對于e ∈E，記0(e)和D(e)是起點和終點，都是V中的元素。綜上所述，拓展有向圖，與或網絡定義為五元集，即G=(V，E，T，O，D)。

Belhe，Gillies和Mohring等人對相關網絡進行研究。然而，這些研究僅描述活動的前繼任務，不能用于描述可選的任務。這解釋了為什么前人在研究項目調度時僅關注有限的時間而不關注有限的資源。Kellenbrink 和Helber[7]等人運用柔性項目結構研究資源限制項目調度問題。然而，文中使用的網絡并未闡明柔性項目結構，數學模型僅考慮項目的完成時間。項目調度涉及多種資源的使用，因此項目調度是一個多目標問題。項目調度中最重要的是權衡時間和成本。因此，項目調度問題的模型中應該使用2 個目標函數。對2 個相互矛盾的目標函數進行權衡的關鍵在于找到帕累托最優值。Dridi[8]等人使用雙向混合蟻群算法求解分配和調度問題。Zhang 等人設計粒子群算法和差分進化算法求解多模式資源約束項目調度問題。本文在項目調度問題中考慮可選的項目結構，設計自適應禁忌搜索算法和基于鄰近搜索規則的遺傳算法，優化作業時間和資源。

與或網絡過于強調理論性，而不能應用于實際中。Belhe和Kusiak[7]等人將項目調度網絡簡化成小規模的網絡圖求解。但Tao 和 Dong[9]等人提出與或網絡，在資源約束項目調度問題中考慮可選的項目結構，有助于對資源約束項目調度問題進行建模和設計有效的算法。本文將對與或網絡進行詳細的闡述。

圖2 為一個與或網絡的示例圖，其中深色節點是AND 節點，而淺色節點是OR 節點。與或網絡用于描述計算機網絡和項目網絡。在這類網絡中，節點通常表示任務、處理、動作等，節點之間的有向鏈接表示任務之間的先后關系與過程。在任務與或網絡圖2 中，a 是AND 節點，表示任務a 處理完之后，如果沿著有向邊往下走，那么必須處理b、c 和d，但是這3 個任務之間沒有執行的順序要求；任務b 是OR 節點，即在任務b 執行之后，可以執行e 或者f。在圖1 中，為了執行任務i，其前序任務有多種可能，例如abcdghi 和adcbehgi都是符合以上與或網絡定義的任務序列。

圖2 任務與或網格

在復雜船舶動力設備拆裝背景下，通過以下屬性定義任務v ∈V：通過執行該任務所拆裝的部件（Part） ；Pv該任務使用的工具（Tool）Tv；執行該任務的具體動作（Action）Av；執行該任務所在的特定場景、背景、車間、環境（Background）Bv。對于給定作業空間和動力設備的情況下，以上四類屬性的值域是4 個確定的集合，記為綜合以上屬性及其集合，船舶動力設備拆裝與或網絡包括網絡和屬性2 個維度，即：因此，G 和S 能夠對拆裝任務之間的關系、拆裝過程和拆裝質量評判進行基于網絡的形式化描述與建模。

3 船舶動力設備拆裝網絡建模

圖3 是以船用6135 柴油機為例研究基于與或網絡的拆裝網絡建模的過程。首先，依據船舶動力設備、拆裝專業與經驗，以及拆裝作業場所，識別四類拆裝屬性集合S。然后，通過收集歷史作業數據和實地拆裝獲得拆裝案例。據此完成任務集合識別，確定任務類型（AND 或者OR），并結合拆裝屬性集合確定每個任務的屬性，根據案例中所體現的任務作業序列確定任務之間的先后關系。即完成拆裝與或網絡建模。最后，組合屬性模型與與或網絡模型，通過實地拆裝進行校驗，確定拆裝網絡模型。

圖3 拆裝過程模擬

根據圖3 所建立的過程模型，船用6135 柴油機包括：考慮250 組主要零部件；拉出、上環、修光、修刺、關閉等62個動作；主機旁、作業區、供水管路區等18 個拆裝作業背景；上環器、拉缸器和專用測量工具等60 類拆裝工具；合計包括118 組拆裝任務集，其中，合計509 個任務，115 個OR 任務，14746 個任務之間的有向連接。因此，最后獲得一個包括14746 節點的大規模與或網絡，如圖4 所示。該網絡設置一個虛擬的開始任務和一個虛擬的結束任務，任意從開始到結束任務的任務路徑（序列）都是一種可行的拆裝方案，這樣的拆裝方案在這個與或拆裝網絡中存在無數種。

圖4 船用6135 柴油機與或網絡

基于拆裝與或網絡的分析方法包括以下3 種：拆裝關鍵任務與部件識別；拆裝路徑或拆裝過程優化；拆裝屬性配置與優化。

拆裝關鍵任務與部件識別是以拆裝與或網絡節點為對象的分析方法。在拆裝與或網絡G 中，節點的拆入復雜性與拆出復雜性可以通過式（1）和（2）的入度和出度中心性表示。綜合（1）和（2）得到式（3）表示任務的連通復雜性。通過對（1）～（3）的計算對任務進行排序，判定拆裝任務在整個拆裝網絡中的重要性。通過屬性算子將任務映射到拆裝屬性，從而能夠獲得對拆裝屬性重要性的排序。式（4）給出各種屬性的重要性，例如是部件p 的重要性，而則可以用于衡量動作 a在該拆裝網絡中使用的頻繁程度。通過式（4）計算拆裝屬性在拆裝網絡中出現頻度可以優化拆裝屬性配置。

與或網絡是有向圖的拓展，但是有向圖中的算法不能直接用于與或網絡的計算。拆裝路徑或拆裝過程是從虛擬任務到達特定部件所屬任務的最佳任務路徑，但不等于相應有向圖中的兩點之間的最短路徑。拆裝任務遍歷算法（見表1）是與或網絡中路徑計算的基礎。

表1 拆裝任務遍歷算法

對圖4 所示的網絡進行出度和入度的復雜性分析[10]可以得到如圖5 的分布圖。由圖可以發現，入度為1 和入度為2的任務最常見，但是度為2 的任務數量很大，都超過25%。度為1 的這些任務的作業前后關系是確定的，而度值大于1的任務則可能存在多種作業的先后關系。

取10 個任務和20 個任務，使用算法1 進行求解，結果如圖6 所示。圖中的點表示任務，其中，圓點表示與節點，菱形節點表示或節點，點旁邊的數字表示任務序號，箭頭表示作業順序。粗線表示從起始任務到終止任務需要經過的任務路徑，細線表示不經過的路徑。

圖5 船用6135 柴油機與或網絡節點出度與入度分布

圖 6 基于與或網絡的拆機任務路徑示例

4 結語

船舶動力設備拆裝過程評估是海船船員培養和考試的主要內容，然而特定拆裝過程質量評價主要依賴于教員和考官的經驗。雖然相關規定確定了船舶動力設備拆裝的基本過程、注意事項和評估要求，由于拆裝過程涉及大量零部件和可選任務，目前尚無自動和智能的評估方法。將拆裝過程分解為依賴于零部件、動作、工具和作業背景的拆裝任務，考慮特定拆裝任務的后續任務之間的“與”和“或”的關系，基于與或網絡建立拆裝任務網絡；以此為基礎提出拆裝過程優化與分析的方法。以船用6135 柴油機為例，提出拆裝任務網絡的建模過程，建立了拆裝任務之間的復雜網絡并進行網絡分析[10]。未來將在此基礎上，結合圖像識別、機器學習和人工智能，研究拆裝過程的智能評估、優化與管理。