船舶制造技術成熟度評估系統

任 靜， 胡曉軒， 楊山林， 張怡敏， 張 亮

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2.上海申博信息系統工程有限公司，上海 200032)

0 引 言

船舶裝備在研制過程中需要先進技術、較長周期、高額投資，同時承擔較高風險。制造技術成熟度不高會導致船舶裝備的研制費用過高、研制時間拖延、故障頻發等問題。例如，由于缺少制造技術成熟度評估，美國福特號航空母艦電磁彈射故障率比蒸汽彈射高10倍。2016年6月的一份報告顯示，福特號的電磁彈射平均400次出現1次嚴重故障，而標準是4 166次彈射才能出現1次嚴重故障[1]。

目前，我國船舶工業發展快速，從近十年中國船舶制造業占世界造船市場份額的變化可看出：中國已成為造船大國[2]。船舶產品質量提高、生產成本降低、開發時間縮短是船舶裝備研制成功的重要因素及目標[3]。過去，制造技術成熟度評估依靠人工計算，效率低、可靠性低。而船舶制造技術成熟度評估系統可對評估要素及指標進行動態評估及設計，評估對象廣泛，包括船舶制造的材料、工藝、設計技術、資源能力等。在研發制造的同時，應用船舶制造技術成熟度評估系統，可使研發人員從一開始就可考慮產品壽命期內的所有環節，即從項目規劃到產品交付的相關工藝和質量的技術成熟度等[4-5]。

1 船舶制造技術成熟度評估系統

制造技術成熟度概念于20世紀60年代由美國軍方提出，其主要特點是以更好、更快、更廉的方式，在武器裝備建造過程中應用優秀的建造技術及建造資源，平衡建造周期、成本、質量和性能等因素，達到規避風險的目的[6]。美國、英國、歐盟以技術成熟度等級(Technology Readiness Levels，TRL)研究為主；加拿大以技術成熟度體系(Technology Maturity Level System，TML System)研究為主[7]；中國電子信息產業發展研究院(CCID)于2018年5月17日發布《智能制造分級評價認證體系》，中國的國家標準《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116-2020)于2020年10月11日發布、2021年5月1日實施。基于船舶研發制造的生產過程及國內外制造技術成熟度的評估方法及要素可知：制造技術成熟度評估工作貫穿產品整個生命周期。

船舶制造技術成熟度評估系統可分為一級指標、二級指標、三級指標等，指標可自行拓展。一級指標覆蓋總體、船體結構、推進系統、電力系統、輔助系統、船體屬具與艙室設施、生產資源、生產設計資源、建造方法與工藝能力、生產管理資源、配套能力等評估要素，主要包括總體設計、建造工藝、船廠建造資源能力、船舶研制定型后等技術成熟度評估。二級指標主要針對總體船體、輪機、電氣、舾裝、武備、涂裝、生產設計資源、建造方法與工藝能力進行成熟度評估。三級指標是對二級指標的進一步精細劃分，涉及材料、工藝、技術、結構等方面的技術成熟度評估。

2 船舶制造技術成熟度評估指標

2.1 總體設計

總體設計技術成熟度評估在研究中涉及舾裝、武備、涂裝等3個二級指標，評估分數A、B、C、D分別為100分、75分、50分、25分，如表1所示。

表1 總體設計評估指標

2.2 建造工藝

建造工藝技術成熟度評估在研究中包括總體船體、輪機、電氣等3個二級指標，評估分數A、B、C、D、E分別為100分、80分、60分、40分、20分，如表2所示。

表2 建造工藝評估指標

2.3 船廠建造資源能力

船廠建造資源能力技術成熟度評估在研究中包括生產設計資源、建造方法與工藝能力、配套能力等3個二級指標，評估分數A、B、C、D、E分別為100分、80分、60分、40分、20分，如表3所示。

表3 船廠建造資源能力評估指標

2.4 船舶研制定型后

船舶研制定型后技術成熟度評估在研究中包括生產資源和生產管理資源2個二級指標，評估分數A、B、C、D、E分別為100分、80分、60分、40分、20分，如表4所示。

表4 船舶研制定型后評估指標

2.5 可拓展指標

可拓展指標技術成熟度評估可根據需求自定義評估要素。

3 船舶制造技術成熟度評估權重及等級劃分

3.1 權重劃分

(1)

式中：Wm為需要被評估的第k個技術成熟度維度權重。

根據專家權威性原則、熟悉性原則、決策一致性原則[7]確定專家權重，定義dij為專家決策wi與專家決策wj的差距。dij由式(2)得出，即

(2)

由式(2)可知：dij越小，wi與wj越接近。

(3)

由式(3)可知：每位評估專家Ei的決策權重γi越小，與其他專家的決策差異度越大。

通過式(1)～式(3)可得出船舶制造技術成熟度權重因數，如表5所示。

表5 船舶制造技術成熟度評估權重因數

3.2 等級劃分

基于每個三級指標的權重因數，依據每位專家對技術成熟度指標的評估分數確定最終的等級分數，即等級分數=評估分數×權重因數。根據分數將等級劃分為9級(TL1～TL9)，其中：小于TL7表示船舶制造技術成熟度尚未達到成熟階段，如表6所示。例如，選取船舶制造技術成熟度評估要素中的總體設計，針對三級指標居住艙室相似性/標準化/模塊化設計/便于批量建造，假定專家評估分數為A，則等級分數為50分，依次計算，選定對應的技術成熟度等級。

表6 船舶制造技術成熟度等級

4 船舶制造技術成熟度評估系統功能設計

船舶制造技術成熟度評估系統可在企業局域網上部署使用，采用瀏覽器-服務器結構(Browser-Server，B/S結構)模式開發，并可部署在本地單獨使用。通過基礎信息管理、評價分析、評估系統管理、評估要素管理等功能模塊，實現在產品設計過程中加入技術成熟度評估環節。系統功能架構如圖1所示。系統功能詳解如表7所示。

表7 船舶制造技術成熟度評估系統功能詳解

圖1 船舶制造技術成熟度評估系統功能架構

對某艘在建船的數據進行評估打分，在船舶制造技術成熟度評估系統中進行實際應用。總體設計、建造工藝、船廠建造資源能力、船舶研制定型后的技術成熟度評估等級分別為TL3、TL5、TL8和TL4，等級描述如圖2所示。

圖2 等級描述

以總體設計技術成熟度評估為例，其下設總體船體、輪機、電氣、舾裝、武備、涂裝等6個二級指標，且等級為TL3，如圖3所示。界面左側展示總體設計評估的要素指標及等級選項，淺色標記為等級較弱指標項。界面右側顯示等級描述和評價雷達圖，評價雷達圖展示各二級指標細項分數。

圖3 總體設計技術成熟度評估界面

5 結 語

根據國內外技術成熟度的評估辦法，建立船舶制造技術成熟度評估系統，選取評估方向為總體設計、建造工藝、船廠建造資源能力、船舶研制定型后等，研究11個二級評估指標和16個三級評估指標。根據專家確定的權重因數和評估分數，計算等級分數，選定評估等級。應用該系統對某艘在建船的數據進行評估打分，實現評估的靈活性、準確性和可靠性。船舶制造技術成熟度評估正處于起步階段，后續將根據船舶可制造性的發展，針對技術成熟度評估要素和方法進行不斷的完善和修正。