舰船建造质量量化评价方法

付森宗，王鸿东，易宏

1海军装备部驻上海地区军事代表局，上海201206

2上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240

3高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240

舰船建造质量量化评价方法

付森宗1，王鸿东2，3，易宏2，3

1海军装备部驻上海地区军事代表局，上海201206

2上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240

3高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240

［目的］对舰船建造质量进行准确评价是装备实现既定任务目标的保障。由于舰船建造样本量小、加工类型多样、工艺路线非标准化，长期以来，对于舰船建造质量的研究缺乏数据信息的支撑，通常以定性分析为主。为实现对舰船建造质量的量化评价和有效控制，［方法］针对建造工艺故障的随机性和不确定性，在以功能为导向的质量控制（FOQC）方法提出的工艺—质量参数模型基础上，基于模糊数学理论集成专家评分方法，将顺序关联、串联、混联工艺可靠度计算模型与模糊评分方法结合，提出舰船建造质量定量评价流程和工艺可靠度模糊计算方法。［结果］以某型号舰船轴系齿轮箱安装建造为实例进行计算，验证了方法的可用性和有效性。［结论］计算结果可为关键质量检验点设置及关键工艺控制优化提供参考。

舰船可靠性；舰船质量评估；量化评价；工艺可靠度；模糊计算

0 引 言

舰船建造质量的准确评价是舰船装备实现既定任务目标的保障。舰船可靠性是舰船建造质量在时间维度上的体现。目前，国内外对在舰船产品设计过程中如何确保舰船可靠性的研究已经卓有成效。然而，产品的可靠性受到设计、部件质量和建造工艺的共同影响［1-2］，在设计中确定的舰船可靠性指标最终都需要通过建造过程来实现，所以，在建造过程中对建造质量进行量化评价是一个迫切需要解决的问题。

工艺可靠度定义为“在规定的条件下、时间内，工艺能达到规定质量的可能性［3］”。工艺可靠度是进行建造质量量化评价的主要依据。目前，对建造质量的研究主要是针对可批量化制造的机械产品的工艺可靠度分析，如Brall［4］采用可靠性框图对机械制造加工过程进行建模；Jiang等［5］和Zhou［6］采用petri网进行建模；Liang等［7］用Markov链模型表示工艺故障的传递；Mocko等［8］则利用故障树建立工艺故障分析模型。在模型分析的基础上，基于大量数据统计，统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）和工序能力指数评价（Process Capability，PCI）等质量控制方法在制造企业中被广泛应用［9］。

然而，舰船建造是一个典型的小样本、多源多工序制造过程（Multi-source Multi-stage Manufac⁃turing Process，MMMP），涉及人、机、料、法、测、环等多方面的作用因素。针对舰船建造质量评价问题，王晓亮等［10］提出要在建造过程中进行工艺可靠度分析并确定关键工序，但未给出定量计算方法。张志英等［11］利用偏差流理论建立状态空间模型，对船体主板装焊过程精度控制进行了研究。周宏等［12］基于质量损失函数，提出了舰船建造过程可靠性评价的指标体系及评价方法。黄一民［13］利用过程失效模式及后果分析（Process Failure Mode and Effects Analysis，PFMEA）方法对舰船建造过程及其建造质量进行了定性分析。杜振华等［14］针对某舰船型号的电气装配的工艺可靠度进行了实例论证和分析，给出了提高电装质量的措施。

总体而言，现有舰船建造质量评价的研究以定性为主，由于加工对象涉及多种加工类型。样本量小、工艺路线非标准化，导致难以建立定量化的模型分析建造质量。以功能为导向的舰船建造质 量 控 制（Function-Oriented Quality Control，FOQC）方法提出了工艺—质量参数模型［15］，本文将在此研究的基础上，基于模糊数学理论改进原有专家评分方法，提出工艺可靠度的模糊计算方法，并实际应用于某型号舰船轴系齿轮箱安装的质量分析，以探索建立舰船建造质量量化评价方法。

1 舰船建造质量量化评价模型

在现代造船模式下，舰船建造工艺对整体建造质量的影响是通过影响各建造模块的质量参数来传递的。通过计算，针对某一质量参数的工艺可靠度，可定量化地研究舰船建造质量。

1.1 PFMEA分析

PFMEA技术的概念于上世纪20年代被首次提出，60年代，由美国国家航空航天局（NASA）作为提升航空器建造质量的方法进行工程应用，随后被广泛应用于汽车制造业［16］。在舰船建造工艺质量评价中采用PFMEA方法，目的是对舰船建造各个工序可能发生的故障模式、原因及其对建造质量与可靠性造成的影响进行分析，以制定相应的改进措施。

典型PFMEA流程如图1所示。

通过PFMEA分析，可以获得加工过程中影响某一质量参数的工序情况及其相互之间的逻辑关系，为工艺可靠度建模工作提供基础。

1.2 工艺可靠度计算基本模型

在PFMEA分析的基础上，依据工序之间的逻辑关系，基于以下3种基本形式的工艺可靠度计算模型对舰船建造工艺进行分析［15］。

1.2.1 顺序关联模型

假设某制造质量参数 xm由h个工序tj(j=1，2，...，h)加工完成，将影响 xm的工序按照先后加工顺序，建立工艺对质量参数的顺序关联模型（图2）。

每一个工序输出的质量参数xm满足要求的概率可以表示为，j=1，2，...，h。基于工艺自修正性的特点，需要考虑的是，即使第 j个工序的输出超出工艺规范，但是仍可能被后续工序修正，该修正概率表示为。

以2个顺序关联的工序为例，其输出的质量参数xm满足要求的概率，亦即这2个工序过程的工艺可靠度P(xm)可以表示为

对于h个顺序关联的加工工序，其输出的质量参数xm满足要求的概率可从式（1）中类推求得。

1.2.2 串联模型

假设制造质量参数xm由h个工序加工完成，且仅当这h个工序均不发生故障时才能保证相应的xm满足规范要求（图3）。

假设串联模型内h个工序都是独立的，则输出的工艺可靠度P(xm)可表示为

1.2.3 混联模型

将工艺对制造质量参数的顺序关联模型与串联模型融合到一起，成为混联模型（图4）。

如图4所示，制造质量参数xm由建造过程质量参数α和 β并在装配工序h+1下完成，则相应的工艺可靠度P(xm)可以表示为

式中，P(α)和P(β)为代表建造过程质量参数α和β满足要求的概率，可由顺序关联模型求出。

2 模糊工艺可靠度计算方法

由于现阶段建造工序故障缺乏大量统计数据，且有大量的故障是人为因素导致，因此一般采用专家评分法对建造工艺故障模式概率、修正概率进行评估。然而，在复杂的评估问题中，专家更倾向于通过语义信息表达自己的判断，例如“发生概率非常高”、“可能性很低”等［17］。基于模糊数学理论，本文提出一种模糊计算方法，将专家语义词汇定量化描述，对各工艺故障模式概率、修正概率进行评估，获得定量数据。

2.1 专家语义词汇定量化描述

通过将定性信息定量化描述可以有效帮助人们分析和解释影响的效果［18-19］。本文采用6个层次的语义词来分别表达一组语义词，语义值集合表示为｛很小，小，较小，中等，较大，很大｝，分别对应｛L1，L2，L3，L4，L5，L6｝。在专家评分时，用此6个语义词来评估工艺故障模式概率和修正概率。各评估对象对应的语义表达如表1所示。

采用梯形模糊数（TFN）表示这些语义词，TFN的隶属函数由式（4）给出［20］，其中μ(x):U→[0，1]，x∈U为隶属函数。

6个语义词由对应TFN的a，b，c，d表示，且需要由一组专家评定，通过加权平均确定。每一个语义词对应的模糊数如表2所示，如图5所示为TFN对应的隶属函数。图中每条折线代表对应模糊集的隶属度，如L1折线对应于模糊集“很小（L1）”的模糊隶属函数为 μ1(x)，由给定任何实数集上的点x∈U，都可以通过该隶属函数 μ1(x)来计算x对应模糊集L1的隶属度。

2.2 专家组评估意见集成

组织一组S名专家分别对某工艺故障模式的发生概率Fj(t)作出判断，判断结果用表1中对应的TFN来表达。令模糊数=(ai，bi，ci，di)，i=1，2，...，S ，表示第i个专家对该影响因素的判断。在组织专家进行判断时，一是考虑到专家各自的经验及特长，因此需要赋予专家判断不同的权重wi，i=(1，2，...，S)；二是要考虑专家意见的一致性。

1）专家权重wi确定。

专家评价是舰船装备论证和设计过程的重要一环。选聘合适的专家，确定专家人数及各自权重都有重要的意义。本文采用白春杰等［21］介绍的专家权重分析方法，依据专家影响力、相关知识充裕度、专业经验熟悉度和反应力4个方面，应用AHP方法确定。具体内容这里不再赘述。

2）专家意见一致性判定。

专家意见的一致性具体由模糊值的相似度来体现，而模糊值的相似度度量方法主要有3类：几何模型、几何定理方法和匹配函数。目前已有一些度量方式得到了实际应用［22］，本文将几何距离和重心距离等因素作为相似度度量的因素，在文成林等［23］所提方法的基础上，将重心垂直距离也考虑到计算中。记为TFN的重心，为TFN的周长，为TFN的面积，计算式如下：

式中,σ为二重积分过程的变量。

则2个TFN的重心距离为

考虑重心距离和几何距离的TFN相似度则为

集成S个专家的判断的步骤如下：

式中，α(0≤α≤1)是一个代表了取专家权重作为主要判据还是专家意见一致性作为主要判据的常数，如果更依赖于专家意见的一致性，则α取较大的值，反之，若更依赖于专家权重，则取较小的值。

由此,可以得到某工艺故障模式发生概率Fj(t)的模糊集成判断。假设Fj(t)的TFN计算结果如下式：

2.3 模糊工艺可靠度计算

1）顺序关联模型。

根据式（1），通过专家评分并用TFN表示工序1和工序2发生故障的概率的模糊数为：

则2个工序的工艺过程加工完成后，工艺可靠度，即输出的制造质量参数，符合工艺规范的概率模糊数可表示为

多个工序顺序关联的模型的P(xi)计算可类推得到。

2）串联模型。

根据式（2），通过专家评分，并用模糊数表示工序tj(j=1，2，...，h)发生故障的概率的模糊数为

则h个工序的工艺过程加工完成后，工艺可靠度，即输出的制造质量参数，符合工艺规范的概率模糊数可表示为

3）混联模型。

在图4的基础上，以最简单的混联模型为例进行分析，质量参数①由相关工序1，2加工完成，质量参数②由相关工序3，4加工完成，然后进行装配工序5，最后输出装配件的质量参数xi。

加工工序1，2，3，4，5发生故障。工序1发生故障但能被工序2修正，工序3发生故障但能被工序4修正，其概率模糊数由式（23）表示。

输出的制造质量参数 xi符合工艺规范的概率的模糊数可表示为

多个工序的复杂混联模型的P(xi)计算可由式（27）类推得到。

3 实例应用

选取某型号舰船轴系齿轮箱定位安装为典型过程进行分析。齿轮箱安装主要有2个质量参数：安装牢固度，要求符合固定规范；齿轮箱输出轴中心偏差度，要求不大于0.05 mm。前期已开展过PFMEA和工艺建模分析。由于篇幅有限，仅以安装牢固度为例进行建造质量量化评价。

齿轮箱定位安装相关工序如下：

工序1：齿轮箱安装基座装焊；

工序2：轴系艏艉基准点的设定；

工序3：轴系拉线；

工序4：根据投影线在齿轮箱基座上画轴系中心线，作为齿轮箱焊接垫片定位基准线；

工序5：确定主齿轮箱中心线和焊接垫片位置；

工序8：轴系第一次照光；

工序9：用钢直尺读数法复查齿轮箱的高度位置，估计垫片厚度；

工序11：焊接垫片焊接；

工序15：确定齿轮箱中心，齿轮箱输出轴前、后光靶定位中心与照光仪中心R偏差不大于0.05 mm；

工序16：定位安装齿轮箱。

导致齿轮箱定位安装不牢固的工序主要有工序1，11和16。其工序之间的关系为串联关系（图6）。

则齿轮箱安装牢固度符合规范要求的概率模糊数根据式（21）进行计算，结果为

齿轮箱安装牢固度的工艺可靠度为

该齿轮箱安装牢固度的建造质量量化评价结果为0.914 0。

同时，由式（28）～式（30）可知，工序11焊接垫片焊接的工序故障模式发生概率一致，高于其他工序，需要在加工过程中进行重点检验与优化控制。结合该型号舰船总装厂施工条件，建议在工序11施工前对焊接垫片和基座均进行除毛刺、修光处理，施工后检测焊缝质量，确保达到焊接设计要求。

4 结 语

本文提出的舰船建造质量量化评价方法是FOQC方法的延伸，旨在解决舰船建造质量难以定量化评价的问题。在工艺可靠度基本计算模型的基础上，利用模糊计算能较好地集成专家评估意见，定量化表达建造工艺故障的随机性和不确定性。本方法在实践中证明了其有效性，为关键质量检验点设置及关键工艺控制优化提供了参考。

目前，舰船建造质量的定量评价主要依托专家评分法进行。考虑到舰船建造科技水平的发展以及测量技术、意识的提高，必然会有越来越多针对建造工艺的数据积累。如何科学合理地设置数据采样类型及采集点，并应用于工艺可靠度的定量计算，从而更准确地评价建造质量，需要继续深入研究。

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Quantitative analysis method for ship construction quality

FU Senzong1，WANG Hongdong2，3，YI Hong2，3
1 Shanghai Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Shanghai 201206，China
2 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
3 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China

The excellent performance of a ship is assured by the accurate evaluation of its construction quality.For a long time,research into the construction quality of ships has mainly focused on qualitative analysis due to a shortage of process data,which results from limited samples,varied process types and non-standardized processes.Aiming at predicting and controlling the influence of the construction process on the construction quality of ships,this article proposes a reliability quantitative analysis flow path for the ship construction process and fuzzy calculation method.Based on the process-quality factor model proposed by the Function-Oriented Quality Control(FOQC)method,we combine fuzzy mathematics with the expert grading method to deduce formulations calculating the fuzzy process reliability of the ordinal connection model,series connection model and mixed connection model.The quantitative analysis method is applied in analyzing the process reliability of a ship's shaft gear box installation,which proves the applicability and effectiveness of the method.The analysis results can be a useful reference for setting key quality inspection points and optimizing key processes.

ship reliability；ship quality assessment；quantitative evaluation；process reliability；fuzzy cal⁃culation

U671.97

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.019

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1553.004.html

付森宗，王鸿东，易宏.舰船建造质量量化评价方法［J］.中国舰船研究，2017，12（2）：143-150.

FU S Z，WANG H D，YI H.Quantitative analysis method for ship construction quality［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：143-150.

2016-08-22 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2017-3-13 15:53

付森宗，男，1966年生，硕士，高级工程师。研究方向：装备质量监督与管理

王鸿东（通信作者），男，1989年生，博士生。研究方向：舰船可靠性，水动力学。

E-mail：whd302@sjtu.edu.cn

期刊网址：www.ship-research.com