水下应急维修半物理仿真考核评分方法概述

尚宪朝, 熊晓东, 崔 婷

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.中国船舶工业集团公司第十一研究所， 上海 200032；3.哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨 150001)

水下应急维修半物理仿真考核评分方法概述

尚宪朝1, 熊晓东2, 崔 婷3

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.中国船舶工业集团公司第十一研究所， 上海 200032；3.哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨 150001)

在水下应急维修领域的理论知识的基础上，结合分步评分方法与“分解—综合”方法，从步骤和质量两个方面进行评分，提出了五类质量评分因子，为水下应急维修半物理仿真建立了一种合理的考核评分系统。该系统能客观反映了维修人员的整体操作水平，并从细节环节反映维修人员的操作能力，有利于提高水下应急维修水平。

考核评分方法；质量评分因子；水下应急维修

0 引言

我国社会经济快速发展，能源需求与日俱增，而陆地石油资源日趋减少，国际原油进口受诸多因素限制，在我国资源面临严峻的形势下，海洋石油的快速发展成为解决我国能源危机的长远之计，为我国经济发展和国家安全提供有力的能源保证[1]。然而海下恶劣的生产环境极易导致生产设备发生故障，若水下生产设备故障得不到及时维修，就会影响正常生产，甚至引起大面积原油泄漏等灾难性事故，造成海洋污染[2]。海洋石油生产的安全性是保证快速发展的前提，而海洋石油生产环境的特殊性，致使维修人员无法到达故障发生地点直接维修，需要借助水下机器人(Remote Operated Vehicle，ROV)、吊机、绞车等特种设备，这对故障维修人员提出了更高的要求。

水下应急维修半物理仿真系统是一种致力于海洋石油水下生产设备故障维修的计算机仿真系统，结合实际生产中的典型维修案例，利用计算机、自动控制、图形处理、虚拟现实等高新技术，通过数学建模，建立一个维修操作的虚拟场景，维修人员通过半物理仿真系统训练提高维修操作水平。但是，维修人员能否胜任还需要进行考核评估，传统的人工考核方式受教练员主观因素影响较大，不能客观、准确的给予评分[3]，通过计算机自动评分，可以有效避免主观因素的影响。目前，计算仿真系统的自动评分方法主要有分步评分[4]、专家系统理论[5]、模糊逻辑[6]和序列匹配[7]等。分步评分法基于步骤评分，可以反映评分过程的细节信息，但对于无法量化或者量化效果不好的过程，很难保证评分准确性；专家系统理论和模糊逻辑从整体上评分，可以较好解决无法量化的问题，但缺乏具体操作环节的评分能力；序列匹配法可以减少评分的硬件成本，并从“原子操作”、“原子状态”层面评分，但对于涉及多种特种设备的过程，制定完备的标准序列具有很大的难度。本文采用分步评分和“分解-综合”方法，将水下应急维修过程(下称维修过程)分解为多级子步骤，并将水下生产设备故障维修领域专家知识以及维修人员的实际维修经验以规则的形式存储于数据库中，根据维修人员的实际操作，匹配评分规则，并运用计算机编程技术从步骤分和质量分两个方面逐级自动评分，克服主观因素的影响。通过分析系统所记录的各级步骤的评分数据，可以求出特定操作环节的不足之处，更有针对性地提高维修人员的操作水平。

1 水下应急维修半物理仿真系统

水下应急维修半物理仿真系统(下称仿真系统)参考某海洋工程维修船，针对海洋石油生产过程中出现的典型故障维修进行仿真。仿真系统主要由教练员站、操作员站、模型解算服务器、图形工作站、投影设备、荧幕、通讯系统等组成[8]，系统结构如图1所示。

图1 水下应急维修半物理仿真系统结构

仿真系统采用分布式仿真，维修人员操作半物理仿真操作台产生输入信号，经过PLC以固定周期采样，以OPC通讯方式将采样信号发送到模型解算服务器，驱动相应模型进行解算，解算结果采用HLA订阅模式分别传送至教练员站、图形工作站、操作员站，完成过程监控、自动评分、图形渲染及投影等功能。操作员站包括吊机仿真操作台、绞车仿真操作台、ROV仿真操作台等半物理仿真设备，仿真系统操作室的空间布局按照某海洋工程维修船实物设计，操作员通过操作台前端的液晶监控器获得设备的仿真运行参数和场景信息，操作环境逼真[9]。考核评分系统位于教练员站，考核开始前，由教练员完成考核科目设定、考核难度设定、考核环境参数设定等初始化工作，考核开始后，根据维修人员的操作情况自动评分。

2 考核评分方法

2.1 维修过程步骤分解

对复杂系统或过程进行分析研究时，常常将该系统或过程分解为一系列相对简单、相对独立的子系统或子过程，如果这些子系统或子过程仍然比较复杂，则将每一个子系统或子过程进一步分解为更小的子系统或子过程，如此反复进行下去，直至便于分析研究时为止，该过程常称之为“分解”过程[10]。水下应急维修是一个错综复杂的过程，包含多个复杂的维修步骤，涉及吊机、绞车、ROV等多种机械设备，很难从整体上进行考评。因此，需要对维修过程进行分解[11]。

图2 评价体系原理流程图

水下应急维修的作业环境为深水海底，成功将维修工机具送达目标位置是维修过程中重要的一个环节， 因此，可将整个维修过程分解为ROV下放、维修工机具下放、故障维修、维修工机具回收、ROV回收等一级步骤。一级步骤进一步分解为二级步骤，如维修工机具下放分解为吊机起吊、吊机吊臂姿态调整、维修工机具下放入水、目标位置停止等二级步骤；故障维修分解为关闭生产阀、选择工机具、故障器件维修、放回工机具、打开生产阀等二级步骤。但二级步骤的复杂程度仍然很高，不便于考核评分。所以对于二级步骤，本文参照图2原理流程图，结合分步评分法，将其分为若干不能再分解或者便于分析的步骤，并称之为基础步骤。由此，复杂的水下应急维修过程可表达为具有树形结构的步骤集合。这种分步评分方法更易于理解和接受[12]，不仅能客观反映维修人员的整体操作水平，还能评价其在具体环节中的操作水平，更有利于发现操作薄弱环节，便于有针对性的提高操作能力。

2.2 专家评分规则

专家评分规则是考核评分系统中最主要的评分依据，必须保证评分规则的客观性和合理性。本文专家评分规则为产生式规则，利用水下应急维修标准流程、设备操作规范，吸收采纳水下应急维修领域专家知识以及维修人员实际维修经验，由知识工程师通过计算机编程，形成评分规则并存储于数据库中，所有的评分规则构成评分知识库。

专家评分规则的表达为：if P then Q.

P是专家评分规则的前提条件，Q是规则的结论或规则触发时将要执行的一系列行为。触发规则的条件可以是一个，也可以是多个，即P=A 或者 P=A & B & C。

在基于规则的系统中，通过推理决定哪些规则的前提条件被事实满足。正向链和反向链是求解问题常用的两种推理策略[13]。本文采用正向链推理，正向链是指从事实到结论的推理。正向链推理的基本思想是：系统从用户提供的初始事实出发，在知识库中找到当前可适用的知识，构成可适用知识集，然后按某种冲突消解策略从可适用知识集中选出一条知识进行推理，并将推出的新事实加入到数据库中作为下一步推理的已知事实，在此之后再在知识库中选取可适用知识进行推理，如此重复进行这一过程，直到求得所要求的解或者知识库中再无可适用的知识为止[14]。

3 基础步骤评分

基础步骤是维修流程步骤分解的最底层结构，对基础步骤的评估是否准确合理，直接关系到考核评分综合成绩的准确性与合理性[15]。基础步骤的评分由步骤分和质量分两个部分组成，步骤分反映维修流程完成的进度，质量分体现已完成步骤的维修效果。

3.1 步骤分评估

根据上文的步骤分解，维修过程可表示为具有树形结构的步骤集合。根据维修人员的操作事实，通过专家评分规则判断当前基础步骤完成程度，步骤分与完成程度相关的函数，完成程度越高，所得步骤分越高。根据水下应急维修领域专家建议及经验公式，本文将步骤分函数定义为

(1)

式中：γ为当前基础步骤的完成程度；STS(γ)为当前基础步骤的步骤分。

3.2 质量分评估

维修过程涉及多种特种设备，并且需要多种设备协同完成[16]，而每一种特种设备都有其独特的操作技巧。所以在多种设备进行协同作业时，很容易发生操作事故。如在ROV辅助吊机对下放工机具对位时，如果操作不当，引起ROV与下放的工机具发生碰撞、ROV脐带缆与吊机缆绳交错，极易造成机械设备损伤，严重影响应急维修。可见，维修人员的操作质量是完成故障维修的关键。对于操作质量，本文提出操作事故、遗漏操作、多余操作、不合格操作、操作时间五类评分因子，采用扣分制进行质量分评估。

第一类评分因子为操作事故类，扣分记为Q1。引起操作事故类的操作，一般都会对维修过程造成重大影响，根据实际情况，若对整个维修造成无法弥补的影响，则直接结束考核[17]，操作人员考核不合格。

(2)

式中：n为检测到操作事故的次数；n0为容许操作事故次数；nm为最大容许操作事故次数；Q0为操作事故类的标准分值。n>n0时，操作事故次数超出容许事故次数越多，扣除的分值越多，直到将操作事故因子分值扣完为止。

第二类为遗漏操作类，此类评分因子是指应急维修过程中明确要求完成的操作，而操作人员对维修流程不熟悉，出现漏掉某些操作的情况。例如，在吊机下放物体的过程中，当下放物体距海底一定距离时，如果遗漏了“按下吊机操作台上升沉补偿按钮”的操作，则导致吊机不能进行升沉补偿，下放物体就会受到船体上下升沉的影响，无法平稳地下放至目标位置。本文记遗漏操作类因子扣除分数为Q2：

(3)

式中：n为检测到遗漏操作的次数；n0为操作总次数；Q0为遗漏类的标准分值。遗漏操作次数越多，扣除的分值越多，直到将遗漏操作因子分值扣完为止。

第三种质量扣分因子为多余操作，在考核过程中，经常会出现标准维修流程中没有规定的操作，或者是在不该进行某种操作时操作了。虽然这类因子有可能不会对应急维修产生破坏性影响，但仍会对作业设备和维修工机具造成损害。本文将这类因子扣除分数记作Q3：

(4)

式中：n为检测到多余操作的次数；n0为最大容许多余操作次数，Q0为多余操作类的标准分值。多余操作次数越多，扣除的分值越多，直到将多余操作因子分值扣完为止。

第四种情况是不合格操作类，这类评分因子是指在考核过程中，尽管维修人员执行了相关操作，但因操作水平不足或心理因素等原因不能达到维修标准的要求。如ROV关闭或打开水下采油树生产主阀时，操作员虽然执行了关闭或打开的操作，但是未能将阀门完全关闭或者打开，这将会对水下生产设备的故障维修及日后的正常生产造成严重影响。合格的操作是维修人员的基本技能，每个基础步骤的细节都应按照要求完成。文中的不合格操作类因子的扣除分数为Q4：

(5)

式中：n为检测到不合格操作的次数；n0为操作总次数；Q0为不合格操作类的标准分值。不合格操作次数越多，扣除的分值越多，直到将不合格操作因子分值扣完为止。

第五个考虑的因子是操作时间，水下生产设备设施出现故障，如管道破裂，若不及时进行有效的维修，一方面影响原油生产正常进行，另一方面造成海洋环境污染，所以，有必要为每个操作步骤设定时间限制。完成一个操作步骤的时间是考量维修人员熟练程度的一个重要指标，同时也是应急维修成效的重要组成部分。这类因子的评分记作Q5，可由公式(6)表示：

(6)

式中：t为时间完成一个操作步骤的时间；t0为规定完成时间；Q0是操作时间因子的标准分值。t≤t0时，Q5=0；t>t0时，操作时间超出规定时间越长，扣除的分值越多，直到将操作时间因子分值扣完为止。

上述五类评分因子并不是完全相互独立，可能会出现一个操作满足多个评分因子的情况。例如出现多余操作的同时，造成了操作事故；某个操作时间超过规定值，同时也属于不合格操作类。对于同时满足多个质量评分因子的情况，本文的处理办法是：在同时满足的几个扣分因子中，只取扣除分值最大者。

4 考核成绩计算

(1) 基本步骤成绩计算

通过上述基本步骤质量分和步骤分的评估，基本步骤的得分可以表示为

(7)

式中：Y为基本步骤得分；STS为步骤分；ωs为步骤分的权重值；STQ为质量分；ωq为质量分的权重值；i为质量评分因子的种类；ωi为第i类评分因子权重值。

(2) 中间子步骤评分

中间子步骤指除基本步骤外的其他各级子步骤，它们的得分可用通用公式表达：

(8)

(3) 综合评分

综合评分即为水下应急维修半物理仿真的考核成绩，其表达式为

(9)

显然，上述公式中，扣分权重值取值不同，考核评估得到的评分也会不同，合理的扣分权重值，客观反映操作人员的操作水平，相反，不合理的权重值不能正确反映操作员的操作水平，考核评分系统则失去了意义[18]。本文根据各级步骤在维修流程中的重要程度，结合水下应急维修领域专家和一线操作人员的指导，确定初始权重值，并以表格的形式存储于数据库中，在考核初始化时由系统读取。

5 实例分析

以某次实际操作考核为例，该考核案例共分为2个一级子步骤，权重分别为ω1=40%,ω2=60%。第一个一级子步骤分为2个二级子步骤，权重分别为ω1，1=50%,ω1，2=50%。第二个一级子步骤分为3个二级子步骤，权重分别为ω2，1=25%,ω2，2=25%，ω2，3=50%。因此评分情况如下：

(1) 基本步骤成绩计算

由于

所以

STS=70

又因为

因此，

Y=ωS·STS+ωq·ST=60%×70+40%×100=82

其中：ωS=60%,ωq=40%。

(2) 中间子步骤评分

由于

所以

(3) 综合评分

其中：ωY=60%,ωK=40%。

6 结论

本文在水下应急维修半物理仿真系统的基础上，对水下应急维修考核评分系统进行了研究[19]。采用分步评分和“分解—综合”的思想，将维修流程分解为便于分析的树形步骤集合，结合专家系统理论，提出五类质量评分因子，较为完善的涵盖了水下应急维修过程中出现的扣分情况，并给出考核成绩的计算方法，从最基本的步骤开始评估，逐层完成成绩计算，最后得出考核成绩。考核成绩不仅客观合理的反映维修人员的整体操作水平，而且从基本步骤成绩反映具体环节的操作水平，有利于维修人员发现薄弱环节，采取针对性训练，快速提升操作能力。

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Summary on the Test-Scoring Method of Semi-Physical Simulation for Underwater Emergency Repair

SHANG Xianchao1, XIONG Xiaodong2, CUI Ting3

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China；2.China State Shipbuilding Corporation eleventh Research Institute, Shanghai 200032, China；3.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Based on the knowledge of experts in the field of underwater emergency repair and with the step-scoring methods and the “decomposition-integration”approach, the test-scoring system computes the result from score of quality and steps. This paper presents five factors for quality score and develops a reasonable scoring system of semi-physical simulation for underwater emergency repair. The system can objectively reflect the operational level of the operator and reveal the weak points of the operator's ability in detail, which is beneficial to improving the operational level on underwater emergency repair.

test-scoring method; quality scoring factor; underwater emergency repair

2016-12-16

国家科技重大专项(2011ZX05027-005-001)

尚宪朝(1984-)，男，工程师

1001-4500(2017)02-0001-07

TP391.9

A