零部件研發風險識別與分析

李春，關慶齡，喻修其，許瑩

（中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

隨著國內制造業的蓬勃發展，石油行業機械零部件自主研發數量急劇增加。在研發中應做好風險辨識與分析以保證研發效果。本文以船位儀為例闡述零部件研發的風險識別與分析過程。

船位儀應用在半潛式鉆井平臺，其功能是在平臺作業過程中，利用水聲技術監視平臺與井口的水平方向相對位移，為船長操船提供依據。船位儀系統功能多、技術復雜，涉及到多個技術領域，如深海低功耗應答器設計、寬帶超短基線目標定位技術、超短基線陣設計及防海洋生物設計技術、信號傳輸抗干擾技術、超短基線陣校準技術等。進行該項目的風險分析與評估是保證項目研制成功的必要條件之一，可為項目研制進程中的各種管理決策提供參考，又可通過預見風險從而實施風險規避，進而在制造、生產、維修保障等各個環節中，能有效地控制或消除風險，達到降低損失、控制成本的目的。

1 風險評估

1.1 風險辯識

零部件研制風險辨識采用分解分析法結合流程分析法完成。以船位儀為例，先將船位儀分解為零部件，再按研制應用流程對風險進行辨識和分析，并制定預防措施。分解分析法是指將一復雜的事物分解為多個比較簡單的事物，將大系統分解為具體的組成要素，從中分析可能存在的風險及潛在損失的威脅。船位儀系統按工程及模塊分解為深海應答部件、信號接收處理部件、超短基線陣部件、后置處理顯控部件等幾部分，如圖1所示。

圖1 主要零部件構成

流程分析法是指在研制投產過程中，從設計開發到成品產出，通過一定的設備按順序連續地進行加工的過程。該種方法強調根據不同的流程，對每一階段和環節逐個進行調查分析，找出風險存在的原因。船位儀系統總體分成設計階段、試制階段、實驗使用階段、維修保障階段等4個流程。項目的風險區或風險技術過程考慮如表1所示。根據其使用的條件、環境、性能指標要求進行分析，收集風險信息，總結出可能對系統或功能組件產生風險的事件或因素，并研究采取應對措施[1]。

表1 項目的風險區或風險技術過程

1.2 風險分析及糾正

1.2.1 設計階段風險分析

1）分析方法。完成分解及流程拆解后，在實際研發過程中，通過風險辯識，認為該系統有10個風險。采用專家技術定性評估法對上述風險進行分析評估[2]，同時制定糾正預防措施。

2）寬帶超短基線目標定位方法風險。風險描述：在進行超短基線目標定位時，如果方法選取不當，信號抗干擾能力差，在深海復雜條件下，信噪比不是太好時，難以保證信號檢測和相位估計的精度；同時為克服相位跨周期、產生相位估計模糊，必須通過增加水聽器基元才能解決，使基陣更加復雜。糾正措施：在超短基線定位中，采用寬帶信號進行定位是近年來發展的重要方向，其原理為利用基陣陣元間的時延差進行定位。寬帶信號抗干擾能力強，同時通過提高采樣率和相關峰時延內插技術，在一定的信噪比條件下可以實現兩路信號時延差的精確估計，精度優于采樣周期的一半，本系統擬采用寬帶超短基線目標定位技術[3]。

3）水下部件可靠性風險。風險描述：應答器和超短基線陣等設備置于水下長期使用，因此系統電子部件的可靠性和水密桶等機械部件的水密特性特別重要，一旦出現問題，將給整個系統造成影響。糾正措施：從每一級組部件、每一個質量環節嚴格抓起，充分認識到使用環境的惡劣性給系統帶來的影響。電子器件按可靠性要求進行老化篩選，開展系統的環境試驗，新研制的應答器電路和超短基線陣內電路要體積小巧、可靠性高，滿足海上長期顛簸環境下及深水條件下的使用。

4）信號抗干擾風險。風險描述：鉆井平臺上工作環境復雜，信號的干擾包括噪聲干擾和電磁干擾。糾正措施：a.工作頻率的確定。應充分考慮平臺的工作環境和海洋的聲學環境。由于低頻段受到鉆井機械等設備的強噪聲源的干擾，工作頻段的選取應避開該頻段，盡可能選高端頻率。而高頻段又對信號傳輸不利，特別在海水中，隨著頻率的升高，信號的衰減明顯加大，因此高端又受到信號傳輸的限制。綜合兩方面因素，選擇20 kHz左右的頻段作為工作頻段較為合適[4]。b.環境噪聲干擾。對平臺上的機械設備施工和周圍船只航行帶來的噪聲干擾，以及信號對海面及平臺的反射干擾，可通過聲學基陣接收指向性設計加以部分消除。c.平臺上的電磁干擾。由于平臺大型設備較多，工作環境惡劣，加之本船位儀濕端、干端之間的距離較遠，走線路徑不確定，因此信號在傳輸過程中很可能受到不明干擾源的干擾。為此，本系統的微弱信號通過放大后差分傳輸，數據由RS485或RS422口完成傳輸，保證了命令和控制信息的下傳不受干擾。通過采取上述設計技術，再加上對信號處理機箱的電磁兼容性設計，有效地解決系統的干擾問題。

5）深海應答器電路功耗風險。風險描述：作業工況要求應答器在一個作業周期內長期放置于水下，一般在90 d以上，功耗大導致應答器不能完成既定作業即失效。糾正措施：應答器電路組件包括了模擬、數字及控制電路，為保證應答器布放后能更長時間地工作，必須采用低功耗電路設計技術。經對數字電路DSP的運算量的計算，和應答器電路工作環境的分析，應答器的電路設計主要采用3.3 V的低壓電路芯片，此類芯片的功耗明顯低于5 V芯片，可滿足系統對功耗的要求，同時又可滿足運算速度的要求。

6）基陣校準風險。風險描述：超短基線基元的機械安裝會存在一定的誤差，由于水聽器加工的不均勻性，其聲學中心與幾何中心也存在差異，這些均給系統帶來了附加相移（時延），造成性能指標下降。糾正措施：在使用前通過測量進行修正。對聲學基陣的校準，可以采用聲學的方法進行[5]。實際使用前在湖上對基陣進行校準，采用GPS測量數據與水聲測量數據進行比對的方法，運用最小二乘原理，以GPS測量數據為基準，對基陣參數和安裝偏差進行測量和校準。

7）應答器電池供電能力不足風險。風險描述：電池供電能力不足而不能滿足為系統提供連續工作90 d以上的電能。糾正措施：優選能力密度比較高的鋰離子電池組，同時水下電池采用冗余設計，增加電池單元。在上位機軟件設計中增加了對應答器電池電壓的信息遙測功能，能方便、實時地了解電池狀況，以便及時充電。

8）水下設備海洋生物侵蝕風險。風險描述：系統水下設備長期置于水下，受海洋生物影響較大，換能器一旦被海洋生物所覆蓋，則系統無法正常工作。糾正措施：換能器生產過程中添加化學制劑，防止海洋生物寄生在換能器表面，保證系統正常工作。

1.2.2 試制階段風險分析

風險描述：根據對超短基線陣的性能要求和使用環境的分析，超短基線陣制造精度是該系統試制階段的風險。超短基線陣的精度低，導致產品測量不準確，難以滿足生產需求。糾正措施：超短基線陣要精確設計、制造，在完成加工后，進行水池測試，精確測量基陣孔徑、正交性、基元共面度等參數，在湖上系統校準試驗中對各項誤差進行綜合測量。

1.2.3 試驗使用階段風險分析

風險描述：試驗使用階段的風險主要是基陣安裝精度。由于基陣安裝誤差、基陣傾斜等因素對系統定位測量帶來影響，導致設備最終定位數據偏差較大。糾正措施：對基陣的安裝偏差進行校準，以保證系統的水平定位性能考核準確性。校準工作可在停泊于岸邊的工作母船上進行，由可編程信號源發射模擬應答信號，DGPS配合標校出基陣水平安裝偏角，基陣的姿態傾斜由安裝于超短基線陣中的高精度姿態傳感器測量得到[6]。

1.2.4 維修保障階段風險分析

風險描述：維修保障階段的風險主要是水下設備的診斷維修，整套設備工作在水面以下，出現問題不宜實時取出診斷。糾正措施：超短基線陣的姿態、深度、水溫等參數都可由上位機軟件實時獲取；應答器的信息可通過水聲遙測獲得。實現遠程診斷。故障定位準確的情況下通過更換零件或元器件解決問題，故障判斷不夠準確或緊急情況下通過更換相關部件解決問題。

2 結論

設備、工具及零部件研制過程中的風險是客觀存在的，對風險的分析和評價是主觀、客觀結論相結合的過程，且在研發過程中各風險因素之間存在相互關聯，對某些過程中潛在風險因素的評估也很難用定量數字來描述，本文對明確認識到的風險或某些潛在的風險因素進行了定性分析，并提出了相應的規避辦法。實際研制過程中采用了專家評估法對本項目風險作了定性分析，在研制過程中強化風險意識，以便在零部件及設備系統研制過程中做出正確的決策，防患于未然，為保證零部件及設備系統研制成功提供了更大的保障。