水下采油樹成熟度評估方法研究

安維崢，顧繼俊，馬 強，賈紀川

（1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國石油大學機械與儲運工程學院，北京 102249）

20世紀70年代中期，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）引入技術就緒水平（Technology Readiness Level，TRL）理念。此后，NASA產生了最早度量技術成熟度的標準——技術就緒水平（TRL）[1]。在我國經過多位專家學者的不斷研究，成熟度評估方法漸趨成熟[2]。李敬東等[3]在廢物最小化評價中引入技術成熟度指數、技術成熟度值和技術成熟度指標值的概念。王波[4]指出技術成熟度問題是科技企業必須著重解決的問題之一。張玉杰[5]指出技術成熟度是企業技術預警的主要監測指標之一。技術成熟度可以從技術就緒水平角度、項目目標滿足度、市場占有率等方面定義。

（1）從技術就緒水平角度定義。國內朱毅麟等[6-8]認為“技術就緒水平（技術完備等級、技術準備度）”實際上就是“技術成熟度”，是指單項產品或單項技術在研發過程所達到的一般性可用程度（完善程度）。廣義的技術成熟度還包括該項技術對特定需求的滿足程度、技術跨度、技術難度（風險）、技術可獲得性和技術成本等多種因素。技術成熟度是衡量技術能力的一個要素。（2）從項目目標滿足度定義。美軍國防采辦指南中對技術成熟度的解釋是：關鍵技術滿足項目目標程度的一種度量，是項目風險的主要要素。（3）從市場占有率角度定義。張玉杰[5]從企業市場占有率的角度來定義企業技術成熟度，將企業運用某項技術生產出社會需要的產品在市場上占有率的變化情況定義為技術成熟度。

本文以水下采油樹的成熟度為例，通過對采油樹進行成熟度測試，確定技術成熟度等級，給出技術成熟度等級評定方案。同時通過分析采油樹各零部件之間的關聯程度，建立集成成熟度矩陣，代入相關數據即可得到集成成熟度等級。最后由技術成熟度和集成成熟度推導計算得到系統成熟度。

1 水下采油樹技術成熟度測試

成熟度測試主要是針對某一技術產品，參照相關行業標準，對其零部件和系統整體功能進行測試，根據測試結果，判斷其所處設計階段，在生產成本和設計進度方面給予設計研發人員或客戶以參考。

對于技術成熟度屬于0~2級的設備產品，主要以調研為主，調研內容主要包括期刊論文、會議論文、相關專利等，初步確定設備在概念原理階段所研究出的相關成果，為后期自主化研制奠定理論基礎、明確研發方向[9]。

技術成熟度3：對試件模型樣機進行可靠性測試[10]。

技術成熟度4：在模擬環境中對試件進行測試[11]。

技術成熟度5：水下采油樹測試，將水下采油樹的各個模塊進行組裝，檢查各個接口是否符合要求。

技術成熟度6：測試內容可參考技術成熟度5的各個接口及功能程序，將測試環境改為實際環境，為期至少3年，記錄各接口及功能程序運行情況。

技術成熟度7：測試內容主要以水下采油樹整體為主，針對其實際運行情況進行測試記錄，驗證其可靠性。

2 水下采油樹技術成熟度等級評定方案

2.1 技術成熟度3~4級評定方案

由于驗收準則以是否能達到規定要求為主，因此可將驗收結果量化，分為6個檔位等級，見表1。

表1 技術成熟度3~4級量化表[9]

根據設備實際情況，對各個模塊進行3~4級相關測試，基于測試結果給各項打分。打分標準為0~10分。計算公式如下。

式中，L34為技術成熟度等級；S34為每檔的得分總額；R34為對應的檔位等級。L34的值用于確定設備是處于技術成熟度等級第3級還是第4級。由于設備從生產出來到投產應用，將經歷不同的階段，在每個階段，為評估設備所處的質量水平，可對各個階段的設備進行技術成熟度等級測試。這里的“階段”即表1對應的檔位等級，共6個階段，對應6個檔位。

由于在設備的實際投產工作過程中，可能出現設備存在部分缺陷但不影響正常運行的情況，出于成本考慮，在這種情況下，僅以是否滿足測試標準來評定設備可用與否較為片面，因此在本次設計中選擇加入打分機制：評分標準為0~10分。分數區間位于[0，2）屬于尚無法滿足測試標準；分數區間位于[2，5）屬于僅能滿足部分測試標準；分數區間位于[5，8）之間屬于滿足大部分驗收標準，存在部分缺陷但不影響設備正常運行；分數區間位于[8，10]之間屬于滿足驗收標準，基本不存在技術成熟度3~4級所對應的模塊缺陷。完成打分后，對每個檔位分別進行得分累加計算，得到各個檔位的各自總得分，即公式（1）中的S34、R34為進行3~4級技術成熟度測試時設置的檔位等級，其取值為1~6，為方便從計算結果直接判斷是處于技術成熟度3級還是4級，本文選擇對計算結果進行“近似歸一化”處理，即令S34×R34，并除以一個倍數因子300，最后的結果將處于分數區間（0，4）之內，根據實際情況定義，當計算結果位于[3.0，3.5）時，技術成熟度等級評定為3級，當計算結果位于[3.5，4.0]時，技術成熟度等級評定為4級，當計算結果低于3.0時，評定結果為不達標。

2.2 技術成熟度5級評定方案

技術成熟度5級：水下采油樹測試，組裝水下采油樹的各個模塊，檢查各個接口是否符合要求[12]。

同3~4級技術成熟度的評定方法一樣，將評定結果量化，分為6個檔位等級，同表1。總的計算公式如下。

式中，L5為技術成熟度等級；S5為每檔的得分總額；R5為對應的檔位等級。

2.3 技術成熟度6~7級評定方案

在技術成熟度6級及以上等級，需要對整個系統進行成熟度評估，不再針對單個零部件。因此，設備各個模塊需要在實際或預期環境中正常運行三年以上。

由于技術成熟度6級的相關測試內容是參照技術成熟度5級的各個接口及功能程序在實際環境中的測試，故設備能否達到技術成熟度6級，取決于水下采油樹各個模塊在實際環境中的運行情況。

技術成熟度7級的相關測試內容主要以水下采油樹整體為主，針對其實際運行情況進行測試記錄，驗證其可靠性。

3 水下采油樹集成成熟度等級評定方案

3.1 確定水下采油樹組成部件

集成成熟度（Integration Readiness Level，IRL）針對的是部件間的關系，故需要明確水下采油樹所包含的關鍵部件及各部件之間是否存在關聯性。根據與其他部件的關聯程度，對核心技術部件進行編號，如表2所示。同時建立技術關聯圖，如圖1所示。

表2 水下采油樹核心技術部件編號表

由于在評估集成成熟度時需要考慮各個部件之間的關聯性，因此建立了如圖1所示的技術部件關聯圖，共8個核心技術部件，IRLij為技術i和技術j之間的集成成熟度，其值為0表示技術i和技術j無集成關系，其值為9表明技術i和技術j在整個系統里完全協調，不會產生相互影響，而且不需要后續的集成開發，技術與自身集成時IRL值為9。

圖1 水下采油樹技術關聯圖

3.2 建立水下采油樹IRL矩陣

基于前文所述水下采油樹核心技術部件個數及其關聯性，可建立IRL矩陣。構成水下采油樹技術關聯圖的核心部件共8件，則建立的IRL矩陣為8×8矩陣。如式（3）所示。

水下采油樹的測試，在不同的測試階段，側重的部件有所不同，如在水下安裝、密封測試階段，重點測試部件為采油樹體、油管懸掛器、采油樹帽，功能測試階段則以控制系統、閥門等為主要測試部件。在設置權重系數時，應結合不同的測試階段，適當提高重點測試部件的權重，適當降低次要部件的權重。

式中，IRLij=IRLji。

根據部件之間的關聯性，在水下采油樹的IRL矩 陣 中，僅IRL12、IRL13、IRL14、IRL16、IRL17、IRL18、IRL23、IRL25、IRL35、IRL47大于0，其他均等于0，故矩陣可簡化如下。

由公式（4）中的矩陣可基本得出，由8大核心技術部件組成的水下采油樹所對應的集成成熟度水平。而對于集成成熟度自身等級的評估，則采用加權平均的理念的評估方法。

對于技術i和技術j的集成成熟度值IRLij，根據實際工程需求，可設定對應的權值αij，權值的大小依據設備核心技術部件的重要程度進行設置。考慮數據歸一處理問題，應保證Σαij+Σαji=1，αij=αji，所以有αij的取值區間為（0，0.5），且滿足Σαij+Σαji=0.5。

對于設備的集成成熟度（設備各部件間的整體協調性），設定其成熟度等級值為IRLH，IRLH=Σαij·IRLij+Σαji·IRLji。如前文所述，αij=αji，則有IRLH=2Σαij·IRLij，其中αij為核心部件的集成成熟度權值。

代入相關數據，得到IRLH的值，可基本判斷水下采油樹設備的集成成熟度等級，同時也可借此值輔助判別技術成熟度是否確實達到6級水準。

集成成熟度針對的是存在關聯的部件之間的協調性，相比技術成熟度，集成成熟度更側重對于組成設備的各個部件之間是否能夠協調運作進行評估，由于最終目標都是為了判斷設備個體能否正常投產運行，所以這里說“輔助判別技術成熟度”，當技術成熟度達到6級以后，理論上設備就可以在實際環境中運行，7級是對三年內設備的運行情況進行測試，所以將技術成熟度6級設定為最終指標。

3.3 系統成熟度等級評定方案

系統成熟度（System Readiness Level，SRL）是將技術成熟度和系統成熟度集合成一個判斷標準，用來判斷由設備組成的系統的成熟度等級，同時也可用于描述系統開發過程的技術風險及其集成風險，為系統管理人員的工程決策提供科學依據。

出于設備生產和運營成本考慮，在考慮權重系數配置時，除依據不同測試階段的主要測試部件進行系數設置外，應同時根據實際工程需求，對設備運行過程中維護成本較高、疲勞壽命較長的部件，適當降低測試權重系數，在達到生產運行標準時予以判定通過。

系統成熟度為集成成熟度矩陣與技術成熟度向量的乘積[13]，對于水下采油樹，基于其8大核心技術部件，水下采油樹的系統成熟度為8維向量，如式（5）所示。

系統綜合成熟度用式（6）計算。

式中，nn為包括自身在內的集成數。

3.4 水下采油樹系統成熟度算例

現假設各部件技術成熟度數值范圍為5~7，如表3所示。

表3 技術成熟度取值

表中的取值選擇的是在技術成熟度和集成成熟度方面，成熟度水平相對較高的數值，取各部件技術成熟度數值范圍為5~7，各部件間集成成熟度數值范圍為6~9，如果算法合理，則最后得到的系統成熟度等級較高，數值應接近1，基于前文所述，技術成熟度5級是從部件和工廠測試到安裝準備和組件或者子系統集成試驗的主要轉折點，本算例預設值中，技術成熟度等級范圍在5~7，即對于水下采油樹單體部件，已基本滿足應用于設備系統整體的要求。

假設取各部件間集成成熟度數值范圍為6~9，如表4所示。

表4 集成成熟度取值

則有TRL和IRL矩陣如下。

則該水下采油樹設備的系統成熟度計算如下。

系統綜合值計算如下。

3.5 水下采油樹系統算例結果分析

前文已述，技術成熟度5級是從部件和工廠測試到安裝準備和組件或者子系統集成試驗的主要轉折點，本算例預設值中，技術成熟度等級范圍為5~7，即對于水下采油樹單體部件，已基本滿足應用于設備系統整體的要求。

對于集成成熟度而言，如表5所示，當集成成熟度等級達到6級時，對預期應用來說，集成應用能夠接受、轉化和構成信息，說明達到此等級時，部件間的協調性水平已能夠基本滿足水下采油樹設備正常運行的相關需求。

表5 集成成熟度標準

基于以上兩點，可推測，在算法邏輯合理、架構清晰、計算無較大偏差的前提條件下，經過相關計算，計算結果應處于較高的系統成熟度等級范圍內，以滿足設備的正常運行需求。本算例最終計算結果為0.86，屬于表6中0.80~0.89的等級范圍，即達到滿足任務需求的運行能力，與預期相符。

表6 系統成熟度定義

4 結束語

本文針對水下采油樹制定成熟度評估方案。首先制定水下采油樹技術成熟度測試內容，并基于測試結果確定技術成熟度評分方案；然后借鑒航天領域集成成熟度和系統成熟度管理理念，對水下采油樹關鍵部件進行分解，確定集成成熟度評分方案；最后綜合技術成熟度和集成成熟度評分結果，進行水下采油樹系統成熟度的計算。

對于水下采油樹技術成熟度等級的評定，主要是基于相關行業規范要求，將設備的驗收結果分為6個檔位等級，依據其所處工藝階段判斷其所處檔位等級；然后對設備各個模塊進行測試，基于測試結果對設備各模塊分別打分。綜合考慮設備所處檔位等級和模塊測試分數，得到水下采油樹的技術成熟度水平。對于集成成熟度等級的評定，核心是明確各關鍵部件之間的關聯程度，建立對應的技術關聯圖及集成成熟度矩陣，通過加權計算得到水下采油樹的集成成熟度等級。對于系統成熟度等級的評定，主要是結合技術成熟度和集成成熟度矩陣，確定系統成熟度矩陣，對構成系統成熟度矩陣的各項元素進行累加及歸一化處理，得到水下采油樹系統的系統成熟度等級。最后通過算例驗證了本文所提出的水下采油樹成熟度等級評定方案的可行性與實用性。