丁東宇， 姚汝林， 毛 銳， 汪學(xué)鋒， 余 龍*

(1.上海交通大學(xué) a.海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心；c.船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引 言

船舶建造項(xiàng)目具有投資規(guī)模大、設(shè)備及原材料種類多、建造周期長(zhǎng)、工序復(fù)雜、勞動(dòng)力密集等特點(diǎn)，一旦建造質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，返工成本較高，會(huì)對(duì)船廠和船舶所有人造成巨大損失。在眾多船型中，豪華郵船被譽(yù)為世界造船業(yè)皇冠上的明珠，被國(guó)際船舶業(yè)公認(rèn)為技術(shù)含量高、附加值高、可靠性高的“三高”船舶[1]，除滿足基本性能外，還需要考慮舒適性、游客便捷性和娛樂(lè)設(shè)施豐富性等。相比其他船型，豪華郵船的建造過(guò)程更復(fù)雜，在內(nèi)裝過(guò)程中需要的材料和設(shè)備數(shù)量大、種類多[2]，特別需要對(duì)建造質(zhì)量進(jìn)行控制，防止由建造質(zhì)量問(wèn)題引起的后續(xù)返工。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)船舶建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系有一定的研究。周宏等[3]根據(jù)潛艇建造的生產(chǎn)特點(diǎn)和可靠性理論建立潛艇建造質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)體系。陳新飚[4]采用總目標(biāo)逐層分析法建立船舶建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并開(kāi)發(fā)軟件投入工程應(yīng)用。劉曼婷[5]使用數(shù)據(jù)挖掘方法，分析船舶建造過(guò)程中的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立質(zhì)量評(píng)價(jià)模型。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)船舶建造質(zhì)量評(píng)價(jià)有一定的研究，但系統(tǒng)性的研究較少，往往只針對(duì)建造過(guò)程中某個(gè)單獨(dú)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，且針對(duì)郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的研究鮮有出現(xiàn)。BUKSA等[6]通過(guò)失效模式和效應(yīng)分析方法進(jìn)行船舶管道生產(chǎn)質(zhì)量分析，并利用Ishikawa圖和品率控制圖定性分析過(guò)程的關(guān)鍵輸入變量。PARK等[7]通過(guò)將過(guò)程挖掘和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的系統(tǒng)化方法對(duì)船體分段生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行評(píng)估，為改善造船效率提供指導(dǎo)方針。國(guó)外研究主要集中在可靠性、造船效率和造船精度等方面，對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的研究較少。隨著中國(guó)郵船設(shè)計(jì)建造邁入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段，需要對(duì)郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系進(jìn)行研究，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)空白。

建立郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，各部分的權(quán)重可通過(guò)層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)或德?tīng)柗品ù_定，并使用蒙特卡洛方法對(duì)該體系的不確定性進(jìn)行研究。

1 質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)象

1.1 評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)

船舶是由船體、舾裝、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等組成的復(fù)雜大型系統(tǒng)[8]，郵船又是一種具有多層甲板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜船型，其上層建筑使郵船的設(shè)計(jì)和建造難度激增，遠(yuǎn)超普通船型。建造過(guò)程所用的原材料和配套件品種多，導(dǎo)致質(zhì)量管理的對(duì)象多，流程復(fù)雜，質(zhì)量管理難度大。

采用總目標(biāo)逐層分析法[4]，應(yīng)用船舶工程分解結(jié)構(gòu)(Ship Work Breakdown Structure, SWBS)[8]概念將郵船建造過(guò)程中多層次的復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行逐層分析，將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化處理。如圖1所示：郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系由一級(jí)評(píng)價(jià)部分、二級(jí)評(píng)價(jià)部分、三級(jí)評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)共4個(gè)層次組成，評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)按照GB/T 34000—2016《中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》確定。一級(jí)評(píng)價(jià)部分包括船體建造質(zhì)量、船裝質(zhì)量、機(jī)裝質(zhì)量、電裝質(zhì)量、涂裝質(zhì)量、內(nèi)裝質(zhì)量、系泊及航行試驗(yàn)質(zhì)量和完工交船質(zhì)量。每個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)部分由若干個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)部分組成，每個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)部分由若干個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)部分組成，每個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)部分又由若干個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)組成。

圖1 郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)

1.2 評(píng)價(jià)體系數(shù)學(xué)模型

Ai=AWi

(1)

Aij=AiWij

(2)

Aijk=AijWijk

(3)

Aijkl=AijkRijkl

(4)

評(píng)價(jià)參數(shù)的得分值Sijkl是在Aijkl的基礎(chǔ)上再乘以評(píng)價(jià)參數(shù)函數(shù)Pijkl(αijkl)，其中：αijkl為某評(píng)價(jià)參數(shù)的實(shí)際結(jié)果；Pijkl為評(píng)價(jià)參數(shù)函數(shù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。顯然Pijkl(αijkl)≤1，則某項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)的得分值為

Sijkl=AijklPijkl(αijkl)

(5)

由式(1)～式(5)可得到某項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)的得分值公式：

Sijkl=AWiWijWijkRijklPijkl(αijkl)

(6)

將質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的每一個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)得分累加，可得到各個(gè)評(píng)價(jià)部分的得分總值和質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的得分總值：

(7)

(8)

(9)

(10)

由上述分析可知：僅研究一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)評(píng)價(jià)部分的權(quán)重、評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重和評(píng)價(jià)參數(shù)函數(shù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)即可求得質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的得分總值。

2 質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究

完成郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系數(shù)學(xué)模型的建立，還需要得到一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，可使用AHP或德?tīng)柗品ā?/p>

2.1 AHP

AHP是應(yīng)用較廣泛的多準(zhǔn)則決策工具[9]，自發(fā)明以來(lái)已在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。AHP可靈活地與線性規(guī)劃、質(zhì)量函數(shù)展開(kāi)、模糊邏輯等不同的技術(shù)相結(jié)合，有效處理變量之間的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性，利用矩陣特征值和特征向量進(jìn)行群組判斷，以確定某些變量的賦值，有助于在決策中整合群體共識(shí)[10]。

2.1.1 基本原理

假設(shè)有n個(gè)變量需要賦值，可兩兩取比值，構(gòu)造一個(gè)n階方陣，稱為判斷矩陣：

(11)

式中：aij>0；aii=1；aij=1/aji；aij=aikakj。

矩陣A′乘以向量W=(w1w2…wn)T得：

(12)

由矩陣原理可知：判斷矩陣A′的最大特征值等于其階數(shù)，即λmax=n，式(12)可化為

A′W=λmaxW

(13)

通過(guò)該方法，可將變量賦值問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃囘\(yùn)算問(wèn)題，但判斷矩陣的構(gòu)造具有試探性，后續(xù)需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)確保其合理性。

2.1.2 應(yīng)用步驟

應(yīng)用AHP解決質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題，大體分為4個(gè)步驟：(1)針對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)建立清晰的遞階層次結(jié)構(gòu)；(2)構(gòu)造判斷矩陣；(3)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；(4)計(jì)算特征向量，得到評(píng)價(jià)值。

2.2 德?tīng)柗品?/h3>

德?tīng)柗品ㄓ擅绹?guó)蘭德公司提出，由主持機(jī)構(gòu)以書(shū)面形式征詢專家們的意見(jiàn)，再對(duì)專家意見(jiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，得到最終結(jié)果[11]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是匿名性，得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果不受個(gè)人權(quán)威、資歷等問(wèn)題的影響，便于專家們充分發(fā)表觀點(diǎn)。

3 基于蒙特卡洛方法的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系不確定性研究

由于不同船廠對(duì)郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系會(huì)有不同的理解，或是應(yīng)用于不同類型的郵船，體系的權(quán)重會(huì)有所不同，因此該體系存在不確定性。郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)的過(guò)程可用下式表示：

A″B=C

(14)

式中：A″為質(zhì)量評(píng)價(jià)體系；B為各評(píng)價(jià)部分的得分；C為得分總值。

由于該體系的不確定性較難量化，且有隨機(jī)性，因此使用蒙特卡洛方法[12]分兩部分研究郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的不確定性，包括不同船廠在使用該體系時(shí)的不確定性和同一船廠針對(duì)不同船型使用該體系時(shí)的不確定性。

3.1 質(zhì)量評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于不同船廠時(shí)的不確定性

由于國(guó)內(nèi)郵船建造正處于起步階段，相關(guān)資料較少，無(wú)法通過(guò)大量資料總結(jié)得出郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，因此利用隨機(jī)數(shù)方法產(chǎn)生各評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)的重要度得分，得到各評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，再使用蒙特卡洛方法大量重復(fù)這一過(guò)程，得到同一艘郵船在不同權(quán)重下的質(zhì)量評(píng)價(jià)及其分布區(qū)間，對(duì)應(yīng)不同船廠在使用該體系時(shí)的不確定性。

針對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)，生成1個(gè)隨機(jī)數(shù)表示其重要程度，隨機(jī)數(shù)范圍為1～5，數(shù)值越大，其重要程度越高。

假設(shè)第k個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)部分有p個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，分別生成p個(gè)隨機(jī)數(shù)aijk1，aijk2, … ，aijkp，則可得到評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重：

(15)

假設(shè)第j個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)部分有q個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)部分，分別生成q個(gè)隨機(jī)數(shù)aij1，aij2, … ，aijq，則可得到三級(jí)評(píng)價(jià)部分權(quán)重：

(16)

一級(jí)評(píng)價(jià)部分權(quán)重和二級(jí)評(píng)價(jià)部分權(quán)重同理可得。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)參數(shù)函數(shù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

在利用隨機(jī)數(shù)方法得到權(quán)重的過(guò)程中，采用均勻分布隨機(jī)整數(shù)、均勻分布隨機(jī)數(shù)和正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)等3種隨機(jī)數(shù)生成方法，其中：均勻分布隨機(jī)整數(shù)可用于模擬實(shí)際問(wèn)卷的情況。使用MATLAB軟件重復(fù)上述過(guò)程100 000次，再對(duì)同一艘郵船進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，得到同一艘郵船在不同權(quán)重下的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分及其分布區(qū)間，如圖2所示。

圖2 某郵船不同權(quán)重下的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分及其分布區(qū)間

通過(guò)問(wèn)卷的形式得到某業(yè)內(nèi)專家給出的權(quán)重，與上述結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。由表2可知：3種隨機(jī)數(shù)生成方法得到的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分的均值和中位數(shù)基本相等，正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，且最終得分均呈正態(tài)分布，與通過(guò)問(wèn)卷形式得到的結(jié)果相差不大。

表2 某郵船不同權(quán)重下的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分

針對(duì)郵船特點(diǎn)，選取內(nèi)裝質(zhì)量部分，對(duì)某郵船的初步建造質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，該部分質(zhì)量評(píng)價(jià)體系如表3所示。

表3 內(nèi)裝質(zhì)量部分評(píng)價(jià)體系

同樣使用蒙特卡洛方法得到某郵船在不同權(quán)重下的內(nèi)裝質(zhì)量評(píng)價(jià)得分及其分布區(qū)間，如圖3所示。表4為某郵船不同權(quán)重下的內(nèi)裝質(zhì)量評(píng)價(jià)得分。由表4可知：3種隨機(jī)數(shù)生成方法得到的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分的均值和中位數(shù)基本相等，正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，且最終得分均呈正態(tài)分布。圖4為該郵船幾種典型的內(nèi)裝質(zhì)量問(wèn)題，在評(píng)價(jià)體系中分別對(duì)應(yīng)“缺釘情況”“隔熱絕緣”“敷料表面平整度”“地毯表面無(wú)破損”等評(píng)價(jià)參數(shù)，該部分評(píng)價(jià)為略低于或遠(yuǎn)低于質(zhì)量考核要求。針對(duì)這些典型問(wèn)題，分別將對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)參數(shù)的得分值設(shè)為最高和最低，再使用蒙特卡洛方法得到內(nèi)裝部分質(zhì)量評(píng)價(jià)得分均值(正態(tài)分布隨機(jī)數(shù))，比較其對(duì)內(nèi)裝質(zhì)量的影響。表5為內(nèi)裝質(zhì)量典型問(wèn)題對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)內(nèi)裝質(zhì)量的影響。由表5可知：“敷料表面平整度”和“隔熱絕緣”的影響較大。

圖3 某郵船不同權(quán)重下的內(nèi)裝質(zhì)量評(píng)價(jià)得分及其分布區(qū)間

表4 某郵船不同權(quán)重下的內(nèi)裝質(zhì)量評(píng)價(jià)得分

3.2 質(zhì)量評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于不同船型時(shí)的不確定性

將該質(zhì)量評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于內(nèi)裝部分較少的船舶(如散貨船等)，再與應(yīng)用于郵船的結(jié)果進(jìn)行比較。利用隨機(jī)數(shù)方法生成各評(píng)價(jià)部分的得分，再使用蒙特卡洛方法大量重復(fù)這一過(guò)程，得到不同類型船舶在同一套質(zhì)量評(píng)價(jià)體系(權(quán)重相同)下的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分及其分布區(qū)間，如圖5和圖6所示。

圖4 內(nèi)裝質(zhì)量典型問(wèn)題

表5 內(nèi)裝質(zhì)量典型問(wèn)題對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)內(nèi)裝質(zhì)量的影響

圖5 不同郵船質(zhì)量評(píng)價(jià)得分及其分布區(qū)間(權(quán)重相同)

圖6 不同散貨船質(zhì)量評(píng)價(jià)得分及其分布區(qū)間(權(quán)重相同)

表6為郵船和散貨船的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分。由表6可知：3種隨機(jī)數(shù)生成方法得到的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分的均值和中位數(shù)基本相等，均勻分布隨機(jī)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，且最終得分均呈正態(tài)分布。郵船內(nèi)裝質(zhì)量部分占比約25%，散貨船約11%，在一定程度上說(shuō)明郵船內(nèi)裝的重要程度。

表6 郵船和散貨船的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分

4 結(jié) 論

(1)郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜體系，建立郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，評(píng)價(jià)過(guò)程由各評(píng)價(jià)部分及評(píng)價(jià)參數(shù)決定，可使用AHP或德?tīng)柗品ù_定各評(píng)價(jià)部分和評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，得到一套客觀合理的郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

(2)由蒙特卡洛方法的結(jié)果可知：質(zhì)量評(píng)價(jià)得分的均值和中位數(shù)基本相等，且最終得分均呈正態(tài)分布，說(shuō)明該體系具有較好的穩(wěn)健性。

(3)不同船廠對(duì)郵船建造質(zhì)量評(píng)價(jià)的理解和認(rèn)識(shí)往往不同，使用該體系需要注意其不確定性，應(yīng)結(jié)合船廠實(shí)際情況，考慮船廠的長(zhǎng)處和短板，調(diào)整相應(yīng)的權(quán)重。

(4)郵船相比其他船舶，由于內(nèi)裝質(zhì)量部分占比較高，相對(duì)重要許多，因此在建立體系時(shí)尤其需要注意內(nèi)裝質(zhì)量部分的權(quán)重。