陳香蓬, 謝軍太, 高建民, 王榮喜, 方 偉, 蔣家東

(1.西安交通大學(xué) 中國西部質(zhì)量科學(xué)與技術(shù)研究院 陜西 西安 710049；2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；3.國家市場監(jiān)督管理總局質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施效能研究重點實驗室 北京 100028)

0 引 言

隨著國內(nèi)石油開采向“深、低、海、非、老”方向發(fā)展，服役環(huán)境的逐漸惡劣[1]，對以非API石油專用管為代表的高端油井管需求不斷增長。而目前我國油井管企業(yè)非API石油專用管QI體系技術(shù)薄弱，非API油井管產(chǎn)品的技術(shù)體系基本照搬美國API體系，由于兩類產(chǎn)品性能差異，導(dǎo)致非API產(chǎn)品QI技術(shù)水平低，企業(yè)開發(fā)的非API產(chǎn)品難以得到用戶認可，打擊了企業(yè)的研發(fā)和投資熱情，限制了我國非API產(chǎn)品的發(fā)展。因此亟需一種對現(xiàn)有油井管企業(yè)產(chǎn)品QI體系進行優(yōu)化的方法。對于QI研究而言，自2002年德國物理研究院率先提出質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施的概念，對于質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施(QI)的研究已經(jīng)有很多。目前針對QI的研究，主要是QI指標體系的建立與水平評估,如中國原國家質(zhì)量總局提出的質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施能力指數(shù)[2]；德國物理技術(shù)研究院(PTB)的基于經(jīng)濟績效的NQI指數(shù)[3]；聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織(UNIDO)提出的貿(mào)易標準符合性指數(shù)[4]；Liao等人在質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施能力指數(shù)基礎(chǔ)上提出的智能電表企業(yè)的QI指標體系[5]；孫玉紅等人構(gòu)造了機械制造企業(yè)的質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)評價指標體系[6]；黃夢蝶等人從系統(tǒng)性和協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上對我國NQI水平在促進出口產(chǎn)品質(zhì)量提升中的效能進行了研究[7]；Ulrich Harmes-Liedtke等人在PTB的基于經(jīng)濟績效的NQI指數(shù)上發(fā)展而來的GQII(Global Quality Infrastructure Index)指數(shù)[8]，這些研究在一定程度填補了QI在具體工程實踐領(lǐng)域運用的空白，促進了QI的發(fā)展。但面臨的現(xiàn)實問題是，雖然這些研究建立了一系列不同層次的QI指標體系，并采用不同方法對建立QI指標體系的有效性進行了驗證，但對于在QI水平評價的基礎(chǔ)上，如何優(yōu)化QI指標體系卻并沒有給出具體的方法，QI體系優(yōu)化研究尚處于起步階段。

目前對于非API石油專用管企業(yè)QI體系的優(yōu)化研究主要有以下三個思考：第一，指標間復(fù)雜關(guān)系:QI指標之間存在相互耦合關(guān)系，如何厘清這種關(guān)系對QI體系水平的影響，如圖1所示。根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督總局的定義，對于QI的三大構(gòu)成要素：計量、標準、合格評定(包括檢驗檢測、認證認可)，計量是基準，是控制質(zhì)量的基礎(chǔ)，標準是依據(jù)，用以引領(lǐng)質(zhì)量提升，合格評定是手段，控制質(zhì)量并建立質(zhì)量信任，三者相互耦合，共同構(gòu)成NQI[9]。對于其它各種類型QI體系，大都在計量、標準、合格評定這三大要素的基礎(chǔ)上構(gòu)建而來，自然指標之間也存在相互耦合關(guān)系。

圖1 NQI機理作用模型

第二，指標現(xiàn)實提升:QI指標提升是有成本代價以及提升需求的迫切性(戰(zhàn)略性)的，如何將成本代價以及這種提升需求的迫切性融合到QI體系水平的提升中，不同類型QI指標、不同水平QI指標提升的代價是不同的。對于石油專用管行業(yè)，或者某個石油專用管企業(yè)的QI水平改進，企業(yè)能夠支付的成本總是一定的，只有嚴格的考慮成本因素，才能使QI指標提升策略具有實踐意義，滿足用戶的需求。對于一個企業(yè)、行業(yè)或者國家的來說，只有重視那種卡脖子的方面的提升才能更具備戰(zhàn)略意義。

第三，指標優(yōu)化方向：優(yōu)化不是盲目的優(yōu)化，如何使QI體系的優(yōu)化方向向著能夠滿足現(xiàn)有的市場需求和體現(xiàn)未來市場需求的方向發(fā)展，企業(yè)現(xiàn)有的QI指標體系，或者對體系企業(yè)QI水平的指標體系只是對現(xiàn)有市場需求滿足是不夠的，還需要體現(xiàn)市場未來的需求發(fā)展方向，這樣才能使產(chǎn)品市場競爭力長久不衰。

本文通過基于異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的優(yōu)化框架來解決上述3個思考問題。具體的做法為：首先構(gòu)建一個非API石油專用管QI指標體系(后文稱之為標準QI體系)，在標準QI體系的基礎(chǔ)上，通過對非API石油管企業(yè)的數(shù)據(jù)收集得到針對某企業(yè)待優(yōu)化的非API石油專用管QI指標體系(后文稱之為待優(yōu)化QI體系)。其次以標準QI體系和待優(yōu)化QI體系中的指標為節(jié)點，指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為連邊，關(guān)聯(lián)關(guān)系強度大小為權(quán)重，建立QI體系優(yōu)化異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)，并搭建相應(yīng)的優(yōu)化算法。最后將指標提升的代價引入QI體系優(yōu)化的算法中，計算出指標的優(yōu)化敏感度，從而制定出特定非API石油專用管企業(yè)的特定QI優(yōu)化策略。

本文的其余部分構(gòu)成為：第一部分對本優(yōu)化框架的構(gòu)建中用到的一些概念和提出的方法進行了說明；第二部分具體描述了非API石油專用管優(yōu)化框架的構(gòu)建流程；第三部分是優(yōu)化框架下的優(yōu)化策略結(jié)果；第四部分對本文研究的意義進行了探討。

1 相關(guān)概念描述

1.1 異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)

異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous information Network)相比于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，強調(diào)連邊存在不同的類型，且對不同類型的連邊往往賦予不同的連邊類型權(quán)重。在異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)中，對于節(jié)點A和節(jié)點B，它們之間的關(guān)系記為ARB，對于其逆關(guān)系R-1，R≠R-1。且有節(jié)點類型個數(shù)|A|>1；連邊類型個數(shù)|R|>1[10]。

用數(shù)學(xué)符號可以表示為：給定節(jié)點集合v、連邊集合ε、節(jié)點類型集合A、連邊類型集合R，異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)可以表示為七元組如式(1)：

HIN={v，ε，A，R，β，Φ，ψ}

(1)

式中:

β：v×v→ε，Φ：v→A，ψ：ε→R，分別是節(jié)點關(guān)系映射、節(jié)點類型映射和連邊類型映射，并且滿足|A|+|R|>2。

1.2 質(zhì)量功能展開(QFD)

質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment，QFD)是面向顧客需求的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計方法。通過將顧客信息合理有效的轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)階段的作業(yè)控制規(guī)程的方法和技術(shù)目標，使所設(shè)計和制造的產(chǎn)品能真正的滿足顧客需求。QFD代表了從反應(yīng)式的、被動的傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)模式(“設(shè)計—試驗—調(diào)整”)轉(zhuǎn)換成一種預(yù)防式的、主動的現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)模式[11]。本文通過采用QFD的方法，尋找到未來油井管產(chǎn)品所需要滿足的質(zhì)量特性，從而為油井管優(yōu)化改進指明正確的方向，搶占未來非API石油專用管產(chǎn)品的質(zhì)量高地。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層次分析法

T.L.Saaty教授在1996年提出了一種適應(yīng)有內(nèi)部依存的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的決策科學(xué)方法——網(wǎng)絡(luò)分析法(The Analytic Network Process，ANP)[12]。使用ANP方法時，所針對的對象或系統(tǒng)一般會被劃分為兩個部分：1)控制因素層：包括決策準則和目標，它們彼此之間被設(shè)定為相互獨立； 2)網(wǎng)絡(luò)層:網(wǎng)絡(luò)層中的元素是控制層所支配的元素組成的，這些元素之間是相互關(guān)聯(lián)耦合的。本文通過ANP方法解決QI指標之間相互耦合情況下，指標之間的連邊大小確定的問題。

1.4 QI體系指標優(yōu)化算法

QI體系指標優(yōu)化算法是在異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)中GenClus算法的基礎(chǔ)上改進發(fā)展而來的。GenClus算法聚類問題的目標是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中用戶指定的屬性子集，借助于不同類型的連邊，將網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點映射到一個統(tǒng)一的隱空間，也稱為軟聚類[13]。

QI體系指標優(yōu)化算法借助這種聚類思想，計算出待優(yōu)化QI體系的指標與標準QI體系中對應(yīng)指標聚類為同一類的概率值，然后再引入成本函數(shù)以及提升迫切程度函數(shù)。主要包括：基于異構(gòu)算法的敏感度計算和優(yōu)化敏感度計算，具體改進為：

1)基于異構(gòu)算法的敏感度計算

(1)聚類指標的二維高斯分布表示[14]

相關(guān)的表述如下：

設(shè)Ab為標準QI體系關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層中某一指標，滿足：

Ab={b0,b1,…,bT}，Ab～N(μ,σ2)，μ=(μ1，μ2)，σ2=[x0;0x];

設(shè)Ad為Ab在待優(yōu)化QI體系關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層中對應(yīng)的指標，滿足：

Ad={d0,d1,…,dN}，dk=(dkx，dky)，k=0,1,2,…N，且d0,d1,…,dN是從Ab={b0,b1,…,bT}這T個點中隨機抽取的N個點且滿足式(2)：

(2)

式中：c1、c2為常數(shù)。grade(Ad)為指標A在待優(yōu)化QI體系中的評價分數(shù)，grade(Ab)為指標A在標準QI體系中的評價分數(shù)，a為二維高斯分布的方差。

(2)每個指標關(guān)聯(lián)關(guān)系獨立表示

(3)

式中：R為圓周半徑值，本文設(shè)定為高斯分布方差值的大小；b角標表示標準QI體系，d角標表示待優(yōu)化QI體系。

(3)每組關(guān)聯(lián)關(guān)系之間的聯(lián)系

通過公式(4)達到傳遞每個指標關(guān)聯(lián)關(guān)系相互影響的目的：

(4)

(4)敏感度定義

本文敏感度是對于每一個QI體系關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層指標而言的，為某個QI指標水平變化引起的QI體系水平變化大小，而且不同指標的敏感度、同一指標在不同水平階段的敏感度并不一樣， 本文定義指標Ai的敏感度為式(5)：

(5)

式中：△grade(Ai)，為指標Ai水平提升前后指標Ai評價分數(shù)的差值；△grade(QI) 為指標Ai水平提升前后待優(yōu)化QI體系評價分數(shù)的差值，grade(QI)為指標Ai水平提升前待優(yōu)化QI體系的評價分數(shù)，具體公式為式(6)：

(6)

(7)

(5)聚類概率算法

a)節(jié)點聚類[15-16]：

節(jié)點聚類的公式如式(8)：

(8)

其中：

Θ當前輸入?yún)?shù)下的最佳聚類結(jié)果，和β為每個聚類成分的屬性參數(shù)。

b)連邊類型強度

連邊類型的強度公式如式(9)[15-16]：

(9)

2)優(yōu)化敏感度計算

(1)成本函數(shù)定義

成本函數(shù)為QI指標水平提升成本代價之間的函數(shù)關(guān)系，本文定義關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層指標Ai的成本函數(shù)為式(10)：

cost(Ai)=f(grade(Ai))

(10)

式中：grade(Ai)表示指標Ai在某一個評價規(guī)則下的評價分數(shù)。

(2)迫切度定義

迫切度定義為式(11)：

stra(Ai)=F(grade(Ai))

(11)

式中：stra(Ai)表示指標Ai在某一個評價規(guī)則下的戰(zhàn)略重要度。

(3)QI優(yōu)化敏感度定義

優(yōu)化敏感度函數(shù)是將成本函數(shù)、敏感度以及迫切度結(jié)合起來，體現(xiàn)了了一個指標提升的現(xiàn)實優(yōu)先程度，本文定義指標Ai的QI優(yōu)化敏感度函數(shù)為式(12)：

(12)

2 非API石油專用管QI指標體系優(yōu)化框架

2.1 標準QI體系的建立

標準的QI體系是通過查閱相關(guān)需要建立QI體系對象的文獻資料、問卷調(diào)研、實地考察、專家咨詢、QFD需求分析等建立起來的一個能客觀反映對象QI水平的體系，其中最為主要的是基于QFD的油井管產(chǎn)品需求分析。標準QI體系的建立流程如圖2所示。

圖2 QI標準體系建立流程圖

根據(jù)流程圖建立的非API石油專用管QI指標體系簡化如圖3所示。

圖3 非API石油專用管QI體系簡化圖

2.2 關(guān)聯(lián)關(guān)系層的確定

對于QI體系而言，一般有多層指標，不是每一層指標都會參與關(guān)聯(lián)關(guān)系分析(即關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層需要按照某種規(guī)則判斷出來)，因為某一層的指標其實是它上面一層指標的細分。而每層指標都進行關(guān)聯(lián)關(guān)系分析顯得繁雜而重復(fù)。因此為了清晰的描述標準QI體系指標之間的耦合關(guān)系，本文提出了一種基于關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層的概念：

關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層：標準QI指標體系中能夠比較詳細的反映QI體系水平的指標層，通過關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層中指標的耦合關(guān)系分析，能夠較好的反映QI各個影響因素對總體QI水平的變化。

確定方式：

1)將三大要素層(計量、標準和合格評定)的下一層作為關(guān)聯(lián)性分析的節(jié)點層；

2)在沒有明確的三大要素層的，將指標數(shù)最先大于6個的那一層作為關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層。

通過上述方法將第二層確定為關(guān)聯(lián)關(guān)系層，再通過標準QI指標體系節(jié)點屬性層(第三層)設(shè)計了《非API石油專用管質(zhì)量基礎(chǔ)現(xiàn)狀問卷調(diào)研》，對問卷結(jié)果進行數(shù)據(jù)挖掘并結(jié)合專家意見，采用 ANP方法，得出了表1、表2的指標之間的關(guān)系和權(quán)重。直接采用ANP方法得到了各層指標之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的權(quán)重見表3。

表1 關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與權(quán)重

表2 表1指標之間關(guān)聯(lián)關(guān)系大小(部分)

表3 QI要素指標層間的連邊權(quán)重

其中：顏色代表兩個指標之間存在關(guān)系，其中數(shù)字代表關(guān)聯(lián)關(guān)系權(quán)重。

2.3 QI體系優(yōu)化異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)模型建立

以標準QI指標體系為評價標準，對非API石油專用管企業(yè)進行評價，得到A企業(yè)的待優(yōu)化QI指標體系。按照QI體系優(yōu)化異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)模型建立的原則：將標準QI體系和待優(yōu)化QI每一層的指標當作各個相應(yīng)的節(jié)點，指標之間的關(guān)系(包括各層指標與上一層指標之間的關(guān)系以及關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系)當作節(jié)點之間的連邊，屬性層的指標當作相應(yīng)節(jié)點的節(jié)點屬性，建立起QI體系優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。構(gòu)建示意圖如圖4所示。將企業(yè)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層節(jié)點的分數(shù)輸入異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)的QI體系優(yōu)化算法中，即可得到關(guān)聯(lián)關(guān)系分析層各個節(jié)點的優(yōu)化敏感度。

圖4 QI體系優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

3 非API石油專用管QI優(yōu)化策略

圖5是4家石油專用管企業(yè)中3家的指標效能評估分數(shù)與計算出來的指標的優(yōu)化敏感度的展示。

圖5 不同企業(yè)效能指標分數(shù)與敏感度

計算中采用的成本函數(shù)為式(13)～式(17)：

(13)

(14)

(15)

(16)

計算中采用的迫切度函數(shù)為：

(17)

從圖5的結(jié)果中可以看出：指標效能評估分數(shù)低的，其優(yōu)化敏感度并不一定最低，指標評估分數(shù)達到滿分(滿分為9)，其優(yōu)化敏感度往往接近于0，這也與實際相符。

為了更深入探究方法的正確性，對前面的3個思考更深入地進行解釋：

1)指標之間的耦合關(guān)系

將成本函數(shù)一樣設(shè)為式(18)：

(18)

迫切度函數(shù)設(shè)為1、指標分數(shù)都設(shè)為6、指標間權(quán)重都設(shè)為1，排除其影響，得到指標的優(yōu)化敏感度同指標關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)目之間的關(guān)系如圖6所示：

圖6 優(yōu)化敏感度與關(guān)聯(lián)關(guān)系個數(shù)

從中可以看出，算法是能夠?qū)⒅笜说年P(guān)聯(lián)關(guān)系考慮進去，當成本、迫切度、權(quán)重和指標分數(shù)一樣的時候，哪個指標與其它指標關(guān)聯(lián)程度最深，那么這個指標最值得優(yōu)化，與實際經(jīng)驗相符。

2)指標的提升代價與迫切度

根據(jù)優(yōu)化敏感度的計算公式式(19)：

(19)

指標提升成本即為分母，因此成本與指標優(yōu)化敏感度成反比，指標提升迫切度為分子第一項F(grade(Ai))，因此迫切度與指標優(yōu)化敏感度成反比。

3)指標優(yōu)化的方向性

對標準QI體系中具備的指標，但待優(yōu)化QI體系中并不具備對應(yīng)的指標或者待優(yōu)化QI體系中分數(shù)較低的指標，施加較大的迫切度，通過對指標迫切度的來改變優(yōu)化敏感度從而改變優(yōu)化的方向。

4 結(jié) 論

本文針對非API石油專用管QI體系指標優(yōu)化方法缺失的問題，采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的算法，并融合成本以及指標提升迫切度來計算QI體系指標優(yōu)化敏感度，制定相關(guān)的優(yōu)化策略，主要包括：針對石油專用管QI體系的優(yōu)化，提出了采用異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)進行解決的策略，解決指標之間的復(fù)雜耦合關(guān)系變化的問題；將成本與提升迫切度引入油井管QI體系的優(yōu)化中，使研究更加具備實用意義；針對石油專用管QI體系的優(yōu)化，將待優(yōu)化QI體系同標準的QI體系相聯(lián)系，通過標準QI體系中指標的設(shè)定，能夠引領(lǐng)待優(yōu)化QI體系向著特定方向發(fā)展；優(yōu)化模型有具體的算法支撐，能夠通過算法參數(shù)變化，適應(yīng)不同石油專用管企業(yè)特定的QI體系優(yōu)化需求。