陳登智，江國和，孫久航，文家獻

(1.上海海事大學 商船學院，上海 201306；2.上海海事大學 物流研究中心，上海 201306)

0 引言

船舶柴油機具有裝置較大、結(jié)構(gòu)復雜、元件配合精密及造價昂貴等特點，船舶動力設備拆裝是船舶航行和安全維護過程中的重要工作。船舶動力設備是指船舶上各種能量的產(chǎn)生、傳遞、消耗的全部機械、設備，是船舶的核心組成部分，主要由主動力裝置、輔助動力裝置、其他輔機和設備3 部分組成[1]。由于船舶在航行過程中的檢修維護工作必須由隨船船員完成，因此船舶動力設備拆裝也是海船船員培養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。然而，船舶動力設備拆裝涉及的零部件和拆裝任務眾多，無論是學習、訓練和實際操作過程都十分復雜。由于可能的拆裝順序很多，衡量拆裝過程的質(zhì)量好壞和提高拆裝效率，無論對于組織學習和訓練還是實際作業(yè)都十分重要。

“動力設備拆裝”是《海船船員培訓大綱（2016 版）》規(guī)定的輪機專業(yè)評估的主要內(nèi)容。為了衡量拆裝過程的質(zhì)量，海事局等相關(guān)機構(gòu)組織編寫了《輪機評估規(guī)范》作為船舶動力設備拆裝評估的指導性文件，確立了針對各種主要零部件拆裝的具體要求和計分規(guī)則。但是，在實際拆裝過程中，拆裝任務的管理與優(yōu)化是衡量拆裝質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。目前，拆裝路徑的有效性主要依賴于經(jīng)驗判定。對于一個船舶動力設備來說，可能的拆裝路徑太多，敏捷和智能的拆裝過程優(yōu)化對于海員人才培養(yǎng)和實際拆裝操作都十分重要[2]。雖然基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立柴油機虛擬拆裝環(huán)境能夠減少對實際設備操作的依賴，但是對心理素質(zhì)和應急處置等方面的實訓效果難以衡量。船員操作評估更多依賴于評估員主觀經(jīng)驗評判[3]，依靠人的主觀定性評估的考核方式，不利于培訓教學效率和質(zhì)量的提升[4]。基于仿真模擬的方法在船舶駕駛和系統(tǒng)研究中得到廣泛應用[5]，并且業(yè)界開始研究船舶動力裝置“視情維修”和智能診斷系統(tǒng)[6]，但是在設備拆裝訓練和評估中尚未見報道。

考慮船舶動力設備拆裝的復雜性，通過拆裝任務描述針對特定零部件、采用特定動作和工具在特定場景下完成的原子工作，基于拆裝任務及其之間的與或網(wǎng)絡對拆裝過程進行建模；并在此基礎上提出拆裝過程的分析方法。其中，“與或網(wǎng)絡”是用于描述計算機系統(tǒng)和項目管理中任務或過程之間“與”和“或”這2 種關(guān)系的新工具。

1 設備拆裝問題與過程

船舶動力設備是大型復雜工程設施。例如，船用6135 柴油機主要用于內(nèi)河中小型船舶的發(fā)電設備，其所包含的零部件數(shù)以萬計。對于遠洋大型船舶，由于動力、節(jié)能環(huán)保和安全等各方面的需要，設備更加復雜，零部件數(shù)量更多。雖然當前船舶動力設備趨于混合動力和電動設備，其零部件數(shù)量和耦合程度依然很高。船舶是浮動設施，船舶上動力設備的檢測維修對于船舶常規(guī)航行和安全保障的作用相比陸上設備而言要求更高。并且船上設備檢測維修主要依賴于隨船專業(yè)人員。因此，對這些專業(yè)人才培養(yǎng)的考核是海事教育中很重要的組成部分。船舶動力設備拆裝是船員培養(yǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容。

如圖1 所示，船舶動力設備拆裝通常是多名專業(yè)人員在船上、車間或?qū)嶒炇业葓龅貐f(xié)作完成的復雜作業(yè)。在船舶動力設備實際維護過程中，通常是通過拆裝檢測、維修和更換特定零部件。船舶動力直接影響船舶航行與安全。依據(jù)《中華人民共和國海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》，船舶動力設備拆裝技能訓練與考察，要求使用專業(yè)工具按照安全的作業(yè)步驟完成一系列的作業(yè)任務。在圖1 中，將一個拆裝作業(yè)任務定義為4 個屬性的耦合，即零部件、動作、工具和背景。其中，“零部件”是指該任務拆裝的零部件組或特定零部件；“動作”是指完成該拆裝任務需要執(zhí)行的一些標準作業(yè)動作；針對特定的零部件和動作，要求使用合適的作業(yè)“工具”以確保質(zhì)量和安全；“背景”是指執(zhí)行該任務時所在的特定場景、背景、車間、環(huán)境。

圖1 拆裝任務及其環(huán)境

2 與或網(wǎng)絡建模

與或網(wǎng)絡是包含“與”和“或”節(jié)點的有向圖G=(V,E)。其中，V 是節(jié)點集合，對于v ∈V，T(v)E{AND，OR}表示節(jié)點是“與”節(jié)點(AND)或“或”節(jié)點(OR)；而E 是有向邊集合，對于e ∈E，記0(e)和D(e)是起點和終點，都是V中的元素。綜上所述，拓展有向圖，與或網(wǎng)絡定義為五元集，即G=(V，E，T，O，D)。

Belhe，Gillies和Mohring等人對相關(guān)網(wǎng)絡進行研究。然而，這些研究僅描述活動的前繼任務，不能用于描述可選的任務。這解釋了為什么前人在研究項目調(diào)度時僅關(guān)注有限的時間而不關(guān)注有限的資源。Kellenbrink 和Helber[7]等人運用柔性項目結(jié)構(gòu)研究資源限制項目調(diào)度問題。然而，文中使用的網(wǎng)絡并未闡明柔性項目結(jié)構(gòu)，數(shù)學模型僅考慮項目的完成時間。項目調(diào)度涉及多種資源的使用，因此項目調(diào)度是一個多目標問題。項目調(diào)度中最重要的是權(quán)衡時間和成本。因此，項目調(diào)度問題的模型中應該使用2 個目標函數(shù)。對2 個相互矛盾的目標函數(shù)進行權(quán)衡的關(guān)鍵在于找到帕累托最優(yōu)值。Dridi[8]等人使用雙向混合蟻群算法求解分配和調(diào)度問題。Zhang 等人設計粒子群算法和差分進化算法求解多模式資源約束項目調(diào)度問題。本文在項目調(diào)度問題中考慮可選的項目結(jié)構(gòu)，設計自適應禁忌搜索算法和基于鄰近搜索規(guī)則的遺傳算法，優(yōu)化作業(yè)時間和資源。

與或網(wǎng)絡過于強調(diào)理論性，而不能應用于實際中。Belhe和Kusiak[7]等人將項目調(diào)度網(wǎng)絡簡化成小規(guī)模的網(wǎng)絡圖求解。但Tao 和 Dong[9]等人提出與或網(wǎng)絡，在資源約束項目調(diào)度問題中考慮可選的項目結(jié)構(gòu)，有助于對資源約束項目調(diào)度問題進行建模和設計有效的算法。本文將對與或網(wǎng)絡進行詳細的闡述。

圖2 為一個與或網(wǎng)絡的示例圖，其中深色節(jié)點是AND 節(jié)點，而淺色節(jié)點是OR 節(jié)點。與或網(wǎng)絡用于描述計算機網(wǎng)絡和項目網(wǎng)絡。在這類網(wǎng)絡中，節(jié)點通常表示任務、處理、動作等，節(jié)點之間的有向鏈接表示任務之間的先后關(guān)系與過程。在任務與或網(wǎng)絡圖2 中，a 是AND 節(jié)點，表示任務a 處理完之后，如果沿著有向邊往下走，那么必須處理b、c 和d，但是這3 個任務之間沒有執(zhí)行的順序要求；任務b 是OR 節(jié)點，即在任務b 執(zhí)行之后，可以執(zhí)行e 或者f。在圖1 中，為了執(zhí)行任務i，其前序任務有多種可能，例如abcdghi 和adcbehgi都是符合以上與或網(wǎng)絡定義的任務序列。

圖2 任務與或網(wǎng)格

在復雜船舶動力設備拆裝背景下，通過以下屬性定義任務v ∈V：通過執(zhí)行該任務所拆裝的部件（Part） ；Pv該任務使用的工具（Tool）Tv；執(zhí)行該任務的具體動作（Action）Av；執(zhí)行該任務所在的特定場景、背景、車間、環(huán)境（Background）Bv。對于給定作業(yè)空間和動力設備的情況下，以上四類屬性的值域是4 個確定的集合，記為綜合以上屬性及其集合，船舶動力設備拆裝與或網(wǎng)絡包括網(wǎng)絡和屬性2 個維度，即：因此，G 和S 能夠?qū)Σ鹧b任務之間的關(guān)系、拆裝過程和拆裝質(zhì)量評判進行基于網(wǎng)絡的形式化描述與建模。

3 船舶動力設備拆裝網(wǎng)絡建模

圖3 是以船用6135 柴油機為例研究基于與或網(wǎng)絡的拆裝網(wǎng)絡建模的過程。首先，依據(jù)船舶動力設備、拆裝專業(yè)與經(jīng)驗，以及拆裝作業(yè)場所，識別四類拆裝屬性集合S。然后，通過收集歷史作業(yè)數(shù)據(jù)和實地拆裝獲得拆裝案例。據(jù)此完成任務集合識別，確定任務類型（AND 或者OR），并結(jié)合拆裝屬性集合確定每個任務的屬性，根據(jù)案例中所體現(xiàn)的任務作業(yè)序列確定任務之間的先后關(guān)系。即完成拆裝與或網(wǎng)絡建模。最后，組合屬性模型與與或網(wǎng)絡模型，通過實地拆裝進行校驗，確定拆裝網(wǎng)絡模型。

圖3 拆裝過程模擬

根據(jù)圖3 所建立的過程模型，船用6135 柴油機包括：考慮250 組主要零部件；拉出、上環(huán)、修光、修刺、關(guān)閉等62個動作；主機旁、作業(yè)區(qū)、供水管路區(qū)等18 個拆裝作業(yè)背景；上環(huán)器、拉缸器和專用測量工具等60 類拆裝工具；合計包括118 組拆裝任務集，其中，合計509 個任務，115 個OR 任務，14746 個任務之間的有向連接。因此，最后獲得一個包括14746 節(jié)點的大規(guī)模與或網(wǎng)絡，如圖4 所示。該網(wǎng)絡設置一個虛擬的開始任務和一個虛擬的結(jié)束任務，任意從開始到結(jié)束任務的任務路徑（序列）都是一種可行的拆裝方案，這樣的拆裝方案在這個與或拆裝網(wǎng)絡中存在無數(shù)種。

圖4 船用6135 柴油機與或網(wǎng)絡

基于拆裝與或網(wǎng)絡的分析方法包括以下3 種：拆裝關(guān)鍵任務與部件識別；拆裝路徑或拆裝過程優(yōu)化；拆裝屬性配置與優(yōu)化。

拆裝關(guān)鍵任務與部件識別是以拆裝與或網(wǎng)絡節(jié)點為對象的分析方法。在拆裝與或網(wǎng)絡G 中，節(jié)點的拆入復雜性與拆出復雜性可以通過式（1）和（2）的入度和出度中心性表示。綜合（1）和（2）得到式（3）表示任務的連通復雜性。通過對（1）～（3）的計算對任務進行排序，判定拆裝任務在整個拆裝網(wǎng)絡中的重要性。通過屬性算子將任務映射到拆裝屬性，從而能夠獲得對拆裝屬性重要性的排序。式（4）給出各種屬性的重要性，例如是部件p 的重要性，而則可以用于衡量動作 a在該拆裝網(wǎng)絡中使用的頻繁程度。通過式（4）計算拆裝屬性在拆裝網(wǎng)絡中出現(xiàn)頻度可以優(yōu)化拆裝屬性配置。

與或網(wǎng)絡是有向圖的拓展，但是有向圖中的算法不能直接用于與或網(wǎng)絡的計算。拆裝路徑或拆裝過程是從虛擬任務到達特定部件所屬任務的最佳任務路徑，但不等于相應有向圖中的兩點之間的最短路徑。拆裝任務遍歷算法（見表1）是與或網(wǎng)絡中路徑計算的基礎。

表1 拆裝任務遍歷算法

對圖4 所示的網(wǎng)絡進行出度和入度的復雜性分析[10]可以得到如圖5 的分布圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)，入度為1 和入度為2的任務最常見，但是度為2 的任務數(shù)量很大，都超過25%。度為1 的這些任務的作業(yè)前后關(guān)系是確定的，而度值大于1的任務則可能存在多種作業(yè)的先后關(guān)系。

取10 個任務和20 個任務，使用算法1 進行求解，結(jié)果如圖6 所示。圖中的點表示任務，其中，圓點表示與節(jié)點，菱形節(jié)點表示或節(jié)點，點旁邊的數(shù)字表示任務序號，箭頭表示作業(yè)順序。粗線表示從起始任務到終止任務需要經(jīng)過的任務路徑，細線表示不經(jīng)過的路徑。

圖5 船用6135 柴油機與或網(wǎng)絡節(jié)點出度與入度分布

圖 6 基于與或網(wǎng)絡的拆機任務路徑示例

4 結(jié)語

船舶動力設備拆裝過程評估是海船船員培養(yǎng)和考試的主要內(nèi)容，然而特定拆裝過程質(zhì)量評價主要依賴于教員和考官的經(jīng)驗。雖然相關(guān)規(guī)定確定了船舶動力設備拆裝的基本過程、注意事項和評估要求，由于拆裝過程涉及大量零部件和可選任務，目前尚無自動和智能的評估方法。將拆裝過程分解為依賴于零部件、動作、工具和作業(yè)背景的拆裝任務，考慮特定拆裝任務的后續(xù)任務之間的“與”和“或”的關(guān)系，基于與或網(wǎng)絡建立拆裝任務網(wǎng)絡；以此為基礎提出拆裝過程優(yōu)化與分析的方法。以船用6135 柴油機為例，提出拆裝任務網(wǎng)絡的建模過程，建立了拆裝任務之間的復雜網(wǎng)絡并進行網(wǎng)絡分析[10]。未來將在此基礎上，結(jié)合圖像識別、機器學習和人工智能，研究拆裝過程的智能評估、優(yōu)化與管理。