船舶制造技术成熟度评估系统

任 静， 胡晓轩， 杨山林， 张怡敏， 张 亮

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032； 2.上海申博信息系统工程有限公司，上海 200032)

0 引 言

船舶装备在研制过程中需要先进技术、较长周期、高额投资，同时承担较高风险。制造技术成熟度不高会导致船舶装备的研制费用过高、研制时间拖延、故障频发等问题。例如，由于缺少制造技术成熟度评估，美国福特号航空母舰电磁弹射故障率比蒸汽弹射高10倍。2016年6月的一份报告显示，福特号的电磁弹射平均400次出现1次严重故障，而标准是4 166次弹射才能出现1次严重故障[1]。

目前，我国船舶工业发展快速，从近十年中国船舶制造业占世界造船市场份额的变化可看出：中国已成为造船大国[2]。船舶产品质量提高、生产成本降低、开发时间缩短是船舶装备研制成功的重要因素及目标[3]。过去，制造技术成熟度评估依靠人工计算，效率低、可靠性低。而船舶制造技术成熟度评估系统可对评估要素及指标进行动态评估及设计，评估对象广泛，包括船舶制造的材料、工艺、设计技术、资源能力等。在研发制造的同时，应用船舶制造技术成熟度评估系统，可使研发人员从一开始就可考虑产品寿命期内的所有环节，即从项目规划到产品交付的相关工艺和质量的技术成熟度等[4-5]。

1 船舶制造技术成熟度评估系统

制造技术成熟度概念于20世纪60年代由美国军方提出，其主要特点是以更好、更快、更廉的方式，在武器装备建造过程中应用优秀的建造技术及建造资源，平衡建造周期、成本、质量和性能等因素，达到规避风险的目的[6]。美国、英国、欧盟以技术成熟度等级(Technology Readiness Levels，TRL)研究为主；加拿大以技术成熟度体系(Technology Maturity Level System，TML System)研究为主[7]；中国电子信息产业发展研究院(CCID)于2018年5月17日发布《智能制造分级评价认证体系》，中国的国家标准《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116-2020)于2020年10月11日发布、2021年5月1日实施。基于船舶研发制造的生产过程及国内外制造技术成熟度的评估方法及要素可知：制造技术成熟度评估工作贯穿产品整个生命周期。

船舶制造技术成熟度评估系统可分为一级指标、二级指标、三级指标等，指标可自行拓展。一级指标覆盖总体、船体结构、推进系统、电力系统、辅助系统、船体属具与舱室设施、生产资源、生产设计资源、建造方法与工艺能力、生产管理资源、配套能力等评估要素，主要包括总体设计、建造工艺、船厂建造资源能力、船舶研制定型后等技术成熟度评估。二级指标主要针对总体船体、轮机、电气、舾装、武备、涂装、生产设计资源、建造方法与工艺能力进行成熟度评估。三级指标是对二级指标的进一步精细划分，涉及材料、工艺、技术、结构等方面的技术成熟度评估。

2 船舶制造技术成熟度评估指标

2.1 总体设计

总体设计技术成熟度评估在研究中涉及舾装、武备、涂装等3个二级指标，评估分数A、B、C、D分别为100分、75分、50分、25分，如表1所示。

表1 总体设计评估指标

2.2 建造工艺

建造工艺技术成熟度评估在研究中包括总体船体、轮机、电气等3个二级指标，评估分数A、B、C、D、E分别为100分、80分、60分、40分、20分，如表2所示。

表2 建造工艺评估指标

2.3 船厂建造资源能力

船厂建造资源能力技术成熟度评估在研究中包括生产设计资源、建造方法与工艺能力、配套能力等3个二级指标，评估分数A、B、C、D、E分别为100分、80分、60分、40分、20分，如表3所示。

表3 船厂建造资源能力评估指标

2.4 船舶研制定型后

船舶研制定型后技术成熟度评估在研究中包括生产资源和生产管理资源2个二级指标，评估分数A、B、C、D、E分别为100分、80分、60分、40分、20分，如表4所示。

表4 船舶研制定型后评估指标

2.5 可拓展指标

可拓展指标技术成熟度评估可根据需求自定义评估要素。

3 船舶制造技术成熟度评估权重及等级划分

3.1 权重划分

(1)

式中：Wm为需要被评估的第k个技术成熟度维度权重。

根据专家权威性原则、熟悉性原则、决策一致性原则[7]确定专家权重，定义dij为专家决策wi与专家决策wj的差距。dij由式(2)得出，即

(2)

由式(2)可知：dij越小，wi与wj越接近。

(3)

由式(3)可知：每位评估专家Ei的决策权重γi越小，与其他专家的决策差异度越大。

通过式(1)～式(3)可得出船舶制造技术成熟度权重因数，如表5所示。

表5 船舶制造技术成熟度评估权重因数

3.2 等级划分

基于每个三级指标的权重因数，依据每位专家对技术成熟度指标的评估分数确定最终的等级分数，即等级分数=评估分数×权重因数。根据分数将等级划分为9级(TL1～TL9)，其中：小于TL7表示船舶制造技术成熟度尚未达到成熟阶段，如表6所示。例如，选取船舶制造技术成熟度评估要素中的总体设计，针对三级指标居住舱室相似性/标准化/模块化设计/便于批量建造，假定专家评估分数为A，则等级分数为50分，依次计算，选定对应的技术成熟度等级。

表6 船舶制造技术成熟度等级

4 船舶制造技术成熟度评估系统功能设计

船舶制造技术成熟度评估系统可在企业局域网上部署使用，采用浏览器-服务器结构(Browser-Server，B/S结构)模式开发，并可部署在本地单独使用。通过基础信息管理、评价分析、评估系统管理、评估要素管理等功能模块，实现在产品设计过程中加入技术成熟度评估环节。系统功能架构如图1所示。系统功能详解如表7所示。

表7 船舶制造技术成熟度评估系统功能详解

图1 船舶制造技术成熟度评估系统功能架构

对某艘在建船的数据进行评估打分，在船舶制造技术成熟度评估系统中进行实际应用。总体设计、建造工艺、船厂建造资源能力、船舶研制定型后的技术成熟度评估等级分别为TL3、TL5、TL8和TL4，等级描述如图2所示。

图2 等级描述

以总体设计技术成熟度评估为例，其下设总体船体、轮机、电气、舾装、武备、涂装等6个二级指标，且等级为TL3，如图3所示。界面左侧展示总体设计评估的要素指标及等级选项，浅色标记为等级较弱指标项。界面右侧显示等级描述和评价雷达图，评价雷达图展示各二级指标细项分数。

图3 总体设计技术成熟度评估界面

5 结 语

根据国内外技术成熟度的评估办法，建立船舶制造技术成熟度评估系统，选取评估方向为总体设计、建造工艺、船厂建造资源能力、船舶研制定型后等，研究11个二级评估指标和16个三级评估指标。根据专家确定的权重因数和评估分数，计算等级分数，选定评估等级。应用该系统对某艘在建船的数据进行评估打分，实现评估的灵活性、准确性和可靠性。船舶制造技术成熟度评估正处于起步阶段，后续将根据船舶可制造性的发展，针对技术成熟度评估要素和方法进行不断的完善和修正。