安維崢，顧繼俊，馬 強(qiáng)，賈紀(jì)川

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）引入技術(shù)就緒水平（Technology Readiness Level，TRL）理念。此后，NASA產(chǎn)生了最早度量技術(shù)成熟度的標(biāo)準(zhǔn)——技術(shù)就緒水平（TRL）[1]。在我國(guó)經(jīng)過(guò)多位專(zhuān)家學(xué)者的不斷研究，成熟度評(píng)估方法漸趨成熟[2]。李敬東等[3]在廢物最小化評(píng)價(jià)中引入技術(shù)成熟度指數(shù)、技術(shù)成熟度值和技術(shù)成熟度指標(biāo)值的概念。王波[4]指出技術(shù)成熟度問(wèn)題是科技企業(yè)必須著重解決的問(wèn)題之一。張玉杰[5]指出技術(shù)成熟度是企業(yè)技術(shù)預(yù)警的主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。技術(shù)成熟度可以從技術(shù)就緒水平角度、項(xiàng)目目標(biāo)滿足度、市場(chǎng)占有率等方面定義。

（1）從技術(shù)就緒水平角度定義。國(guó)內(nèi)朱毅麟等[6-8]認(rèn)為“技術(shù)就緒水平（技術(shù)完備等級(jí)、技術(shù)準(zhǔn)備度）”實(shí)際上就是“技術(shù)成熟度”，是指單項(xiàng)產(chǎn)品或單項(xiàng)技術(shù)在研發(fā)過(guò)程所達(dá)到的一般性可用程度（完善程度）。廣義的技術(shù)成熟度還包括該項(xiàng)技術(shù)對(duì)特定需求的滿足程度、技術(shù)跨度、技術(shù)難度（風(fēng)險(xiǎn)）、技術(shù)可獲得性和技術(shù)成本等多種因素。技術(shù)成熟度是衡量技術(shù)能力的一個(gè)要素。（2）從項(xiàng)目目標(biāo)滿足度定義。美軍國(guó)防采辦指南中對(duì)技術(shù)成熟度的解釋是：關(guān)鍵技術(shù)滿足項(xiàng)目目標(biāo)程度的一種度量，是項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的主要要素。（3）從市場(chǎng)占有率角度定義。張玉杰[5]從企業(yè)市場(chǎng)占有率的角度來(lái)定義企業(yè)技術(shù)成熟度，將企業(yè)運(yùn)用某項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)出社會(huì)需要的產(chǎn)品在市場(chǎng)上占有率的變化情況定義為技術(shù)成熟度。

本文以水下采油樹(shù)的成熟度為例，通過(guò)對(duì)采油樹(shù)進(jìn)行成熟度測(cè)試，確定技術(shù)成熟度等級(jí)，給出技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)定方案。同時(shí)通過(guò)分析采油樹(shù)各零部件之間的關(guān)聯(lián)程度，建立集成成熟度矩陣，代入相關(guān)數(shù)據(jù)即可得到集成成熟度等級(jí)。最后由技術(shù)成熟度和集成成熟度推導(dǎo)計(jì)算得到系統(tǒng)成熟度。

1 水下采油樹(shù)技術(shù)成熟度測(cè)試

成熟度測(cè)試主要是針對(duì)某一技術(shù)產(chǎn)品，參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其零部件和系統(tǒng)整體功能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，判斷其所處設(shè)計(jì)階段，在生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度方面給予設(shè)計(jì)研發(fā)人員或客戶以參考。

對(duì)于技術(shù)成熟度屬于0~2級(jí)的設(shè)備產(chǎn)品，主要以調(diào)研為主，調(diào)研內(nèi)容主要包括期刊論文、會(huì)議論文、相關(guān)專(zhuān)利等，初步確定設(shè)備在概念原理階段所研究出的相關(guān)成果，為后期自主化研制奠定理論基礎(chǔ)、明確研發(fā)方向[9]。

技術(shù)成熟度3：對(duì)試件模型樣機(jī)進(jìn)行可靠性測(cè)試[10]。

技術(shù)成熟度4：在模擬環(huán)境中對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試[11]。

技術(shù)成熟度5：水下采油樹(shù)測(cè)試，將水下采油樹(shù)的各個(gè)模塊進(jìn)行組裝，檢查各個(gè)接口是否符合要求。

技術(shù)成熟度6：測(cè)試內(nèi)容可參考技術(shù)成熟度5的各個(gè)接口及功能程序，將測(cè)試環(huán)境改為實(shí)際環(huán)境，為期至少3年，記錄各接口及功能程序運(yùn)行情況。

技術(shù)成熟度7：測(cè)試內(nèi)容主要以水下采油樹(shù)整體為主，針對(duì)其實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試記錄，驗(yàn)證其可靠性。

2 水下采油樹(shù)技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)定方案

2.1 技術(shù)成熟度3~4級(jí)評(píng)定方案

由于驗(yàn)收準(zhǔn)則以是否能達(dá)到規(guī)定要求為主，因此可將驗(yàn)收結(jié)果量化，分為6個(gè)檔位等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)成熟度3~4級(jí)量化表[9]

根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行3~4級(jí)相關(guān)測(cè)試，基于測(cè)試結(jié)果給各項(xiàng)打分。打分標(biāo)準(zhǔn)為0~10分。計(jì)算公式如下。

式中，L34為技術(shù)成熟度等級(jí)；S34為每檔的得分總額；R34為對(duì)應(yīng)的檔位等級(jí)。L34的值用于確定設(shè)備是處于技術(shù)成熟度等級(jí)第3級(jí)還是第4級(jí)。由于設(shè)備從生產(chǎn)出來(lái)到投產(chǎn)應(yīng)用，將經(jīng)歷不同的階段，在每個(gè)階段，為評(píng)估設(shè)備所處的質(zhì)量水平，可對(duì)各個(gè)階段的設(shè)備進(jìn)行技術(shù)成熟度等級(jí)測(cè)試。這里的“階段”即表1對(duì)應(yīng)的檔位等級(jí)，共6個(gè)階段，對(duì)應(yīng)6個(gè)檔位。

由于在設(shè)備的實(shí)際投產(chǎn)工作過(guò)程中，可能出現(xiàn)設(shè)備存在部分缺陷但不影響正常運(yùn)行的情況，出于成本考慮，在這種情況下，僅以是否滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定設(shè)備可用與否較為片面，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇加入打分機(jī)制：評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為0~10分。分?jǐn)?shù)區(qū)間位于[0，2）屬于尚無(wú)法滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；分?jǐn)?shù)區(qū)間位于[2，5）屬于僅能滿足部分測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；分?jǐn)?shù)區(qū)間位于[5，8）之間屬于滿足大部分驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，存在部分缺陷但不影響設(shè)備正常運(yùn)行；分?jǐn)?shù)區(qū)間位于[8，10]之間屬于滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，基本不存在技術(shù)成熟度3~4級(jí)所對(duì)應(yīng)的模塊缺陷。完成打分后，對(duì)每個(gè)檔位分別進(jìn)行得分累加計(jì)算，得到各個(gè)檔位的各自總得分，即公式（1）中的S34、R34為進(jìn)行3~4級(jí)技術(shù)成熟度測(cè)試時(shí)設(shè)置的檔位等級(jí)，其取值為1~6，為方便從計(jì)算結(jié)果直接判斷是處于技術(shù)成熟度3級(jí)還是4級(jí)，本文選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行“近似歸一化”處理，即令S34×R34，并除以一個(gè)倍數(shù)因子300，最后的結(jié)果將處于分?jǐn)?shù)區(qū)間（0，4）之內(nèi)，根據(jù)實(shí)際情況定義，當(dāng)計(jì)算結(jié)果位于[3.0，3.5）時(shí)，技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)定為3級(jí)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果位于[3.5，4.0]時(shí)，技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)定為4級(jí)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果低于3.0時(shí)，評(píng)定結(jié)果為不達(dá)標(biāo)。

2.2 技術(shù)成熟度5級(jí)評(píng)定方案

技術(shù)成熟度5級(jí)：水下采油樹(shù)測(cè)試，組裝水下采油樹(shù)的各個(gè)模塊，檢查各個(gè)接口是否符合要求[12]。

同3~4級(jí)技術(shù)成熟度的評(píng)定方法一樣，將評(píng)定結(jié)果量化，分為6個(gè)檔位等級(jí)，同表1?？偟挠?jì)算公式如下。

式中，L5為技術(shù)成熟度等級(jí)；S5為每檔的得分總額；R5為對(duì)應(yīng)的檔位等級(jí)。

2.3 技術(shù)成熟度6~7級(jí)評(píng)定方案

在技術(shù)成熟度6級(jí)及以上等級(jí)，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行成熟度評(píng)估，不再針對(duì)單個(gè)零部件。因此，設(shè)備各個(gè)模塊需要在實(shí)際或預(yù)期環(huán)境中正常運(yùn)行三年以上。

由于技術(shù)成熟度6級(jí)的相關(guān)測(cè)試內(nèi)容是參照技術(shù)成熟度5級(jí)的各個(gè)接口及功能程序在實(shí)際環(huán)境中的測(cè)試，故設(shè)備能否達(dá)到技術(shù)成熟度6級(jí)，取決于水下采油樹(shù)各個(gè)模塊在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行情況。

技術(shù)成熟度7級(jí)的相關(guān)測(cè)試內(nèi)容主要以水下采油樹(shù)整體為主，針對(duì)其實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試記錄，驗(yàn)證其可靠性。

3 水下采油樹(shù)集成成熟度等級(jí)評(píng)定方案

3.1 確定水下采油樹(shù)組成部件

集成成熟度（Integration Readiness Level，IRL）針對(duì)的是部件間的關(guān)系，故需要明確水下采油樹(shù)所包含的關(guān)鍵部件及各部件之間是否存在關(guān)聯(lián)性。根據(jù)與其他部件的關(guān)聯(lián)程度，對(duì)核心技術(shù)部件進(jìn)行編號(hào)，如表2所示。同時(shí)建立技術(shù)關(guān)聯(lián)圖，如圖1所示。

表2 水下采油樹(shù)核心技術(shù)部件編號(hào)表

由于在評(píng)估集成成熟度時(shí)需要考慮各個(gè)部件之間的關(guān)聯(lián)性，因此建立了如圖1所示的技術(shù)部件關(guān)聯(lián)圖，共8個(gè)核心技術(shù)部件，IRLij為技術(shù)i和技術(shù)j之間的集成成熟度，其值為0表示技術(shù)i和技術(shù)j無(wú)集成關(guān)系，其值為9表明技術(shù)i和技術(shù)j在整個(gè)系統(tǒng)里完全協(xié)調(diào)，不會(huì)產(chǎn)生相互影響，而且不需要后續(xù)的集成開(kāi)發(fā)，技術(shù)與自身集成時(shí)IRL值為9。

圖1 水下采油樹(shù)技術(shù)關(guān)聯(lián)圖

3.2 建立水下采油樹(shù)IRL矩陣

基于前文所述水下采油樹(shù)核心技術(shù)部件個(gè)數(shù)及其關(guān)聯(lián)性，可建立IRL矩陣。構(gòu)成水下采油樹(shù)技術(shù)關(guān)聯(lián)圖的核心部件共8件，則建立的IRL矩陣為8×8矩陣。如式（3）所示。

水下采油樹(shù)的測(cè)試，在不同的測(cè)試階段，側(cè)重的部件有所不同，如在水下安裝、密封測(cè)試階段，重點(diǎn)測(cè)試部件為采油樹(shù)體、油管懸掛器、采油樹(shù)帽，功能測(cè)試階段則以控制系統(tǒng)、閥門(mén)等為主要測(cè)試部件。在設(shè)置權(quán)重系數(shù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合不同的測(cè)試階段，適當(dāng)提高重點(diǎn)測(cè)試部件的權(quán)重，適當(dāng)降低次要部件的權(quán)重。

式中，IRLij=IRLji。

根據(jù)部件之間的關(guān)聯(lián)性，在水下采油樹(shù)的IRL矩 陣 中，僅IRL12、IRL13、IRL14、IRL16、IRL17、IRL18、IRL23、IRL25、IRL35、IRL47大于0，其他均等于0，故矩陣可簡(jiǎn)化如下。

由公式（4）中的矩陣可基本得出，由8大核心技術(shù)部件組成的水下采油樹(shù)所對(duì)應(yīng)的集成成熟度水平。而對(duì)于集成成熟度自身等級(jí)的評(píng)估，則采用加權(quán)平均的理念的評(píng)估方法。

對(duì)于技術(shù)i和技術(shù)j的集成成熟度值IRLij，根據(jù)實(shí)際工程需求，可設(shè)定對(duì)應(yīng)的權(quán)值αij，權(quán)值的大小依據(jù)設(shè)備核心技術(shù)部件的重要程度進(jìn)行設(shè)置。考慮數(shù)據(jù)歸一處理問(wèn)題，應(yīng)保證Σαij+Σαji=1，αij=αji，所以有αij的取值區(qū)間為（0，0.5），且滿足Σαij+Σαji=0.5。

對(duì)于設(shè)備的集成成熟度（設(shè)備各部件間的整體協(xié)調(diào)性），設(shè)定其成熟度等級(jí)值為IRLH，IRLH=Σαij·IRLij+Σαji·IRLji。如前文所述，αij=αji，則有IRLH=2Σαij·IRLij，其中αij為核心部件的集成成熟度權(quán)值。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得到IRLH的值，可基本判斷水下采油樹(shù)設(shè)備的集成成熟度等級(jí)，同時(shí)也可借此值輔助判別技術(shù)成熟度是否確實(shí)達(dá)到6級(jí)水準(zhǔn)。

集成成熟度針對(duì)的是存在關(guān)聯(lián)的部件之間的協(xié)調(diào)性，相比技術(shù)成熟度，集成成熟度更側(cè)重對(duì)于組成設(shè)備的各個(gè)部件之間是否能夠協(xié)調(diào)運(yùn)作進(jìn)行評(píng)估，由于最終目標(biāo)都是為了判斷設(shè)備個(gè)體能否正常投產(chǎn)運(yùn)行，所以這里說(shuō)“輔助判別技術(shù)成熟度”，當(dāng)技術(shù)成熟度達(dá)到6級(jí)以后，理論上設(shè)備就可以在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行，7級(jí)是對(duì)三年內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，所以將技術(shù)成熟度6級(jí)設(shè)定為最終指標(biāo)。

3.3 系統(tǒng)成熟度等級(jí)評(píng)定方案

系統(tǒng)成熟度（System Readiness Level，SRL）是將技術(shù)成熟度和系統(tǒng)成熟度集合成一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)判斷由設(shè)備組成的系統(tǒng)的成熟度等級(jí)，同時(shí)也可用于描述系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及其集成風(fēng)險(xiǎn)，為系統(tǒng)管理人員的工程決策提供科學(xué)依據(jù)。

出于設(shè)備生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本考慮，在考慮權(quán)重系數(shù)配置時(shí)，除依據(jù)不同測(cè)試階段的主要測(cè)試部件進(jìn)行系數(shù)設(shè)置外，應(yīng)同時(shí)根據(jù)實(shí)際工程需求，對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中維護(hù)成本較高、疲勞壽命較長(zhǎng)的部件，適當(dāng)降低測(cè)試權(quán)重系數(shù)，在達(dá)到生產(chǎn)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)予以判定通過(guò)。

系統(tǒng)成熟度為集成成熟度矩陣與技術(shù)成熟度向量的乘積[13]，對(duì)于水下采油樹(shù)，基于其8大核心技術(shù)部件，水下采油樹(shù)的系統(tǒng)成熟度為8維向量，如式（5）所示。

系統(tǒng)綜合成熟度用式（6）計(jì)算。

式中，nn為包括自身在內(nèi)的集成數(shù)。

3.4 水下采油樹(shù)系統(tǒng)成熟度算例

現(xiàn)假設(shè)各部件技術(shù)成熟度數(shù)值范圍為5~7，如表3所示。

表3 技術(shù)成熟度取值

表中的取值選擇的是在技術(shù)成熟度和集成成熟度方面，成熟度水平相對(duì)較高的數(shù)值，取各部件技術(shù)成熟度數(shù)值范圍為5~7，各部件間集成成熟度數(shù)值范圍為6~9，如果算法合理，則最后得到的系統(tǒng)成熟度等級(jí)較高，數(shù)值應(yīng)接近1，基于前文所述，技術(shù)成熟度5級(jí)是從部件和工廠測(cè)試到安裝準(zhǔn)備和組件或者子系統(tǒng)集成試驗(yàn)的主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，本算例預(yù)設(shè)值中，技術(shù)成熟度等級(jí)范圍在5~7，即對(duì)于水下采油樹(shù)單體部件，已基本滿足應(yīng)用于設(shè)備系統(tǒng)整體的要求。

假設(shè)取各部件間集成成熟度數(shù)值范圍為6~9，如表4所示。

表4 集成成熟度取值

則有TRL和IRL矩陣如下。

則該水下采油樹(shù)設(shè)備的系統(tǒng)成熟度計(jì)算如下。

系統(tǒng)綜合值計(jì)算如下。

3.5 水下采油樹(shù)系統(tǒng)算例結(jié)果分析

前文已述，技術(shù)成熟度5級(jí)是從部件和工廠測(cè)試到安裝準(zhǔn)備和組件或者子系統(tǒng)集成試驗(yàn)的主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，本算例預(yù)設(shè)值中，技術(shù)成熟度等級(jí)范圍為5~7，即對(duì)于水下采油樹(shù)單體部件，已基本滿足應(yīng)用于設(shè)備系統(tǒng)整體的要求。

對(duì)于集成成熟度而言，如表5所示，當(dāng)集成成熟度等級(jí)達(dá)到6級(jí)時(shí)，對(duì)預(yù)期應(yīng)用來(lái)說(shuō)，集成應(yīng)用能夠接受、轉(zhuǎn)化和構(gòu)成信息，說(shuō)明達(dá)到此等級(jí)時(shí)，部件間的協(xié)調(diào)性水平已能夠基本滿足水下采油樹(shù)設(shè)備正常運(yùn)行的相關(guān)需求。

表5 集成成熟度標(biāo)準(zhǔn)

基于以上兩點(diǎn)，可推測(cè)，在算法邏輯合理、架構(gòu)清晰、計(jì)算無(wú)較大偏差的前提條件下，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)處于較高的系統(tǒng)成熟度等級(jí)范圍內(nèi)，以滿足設(shè)備的正常運(yùn)行需求。本算例最終計(jì)算結(jié)果為0.86，屬于表6中0.80~0.89的等級(jí)范圍，即達(dá)到滿足任務(wù)需求的運(yùn)行能力，與預(yù)期相符。

表6 系統(tǒng)成熟度定義

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)水下采油樹(shù)制定成熟度評(píng)估方案。首先制定水下采油樹(shù)技術(shù)成熟度測(cè)試內(nèi)容，并基于測(cè)試結(jié)果確定技術(shù)成熟度評(píng)分方案；然后借鑒航天領(lǐng)域集成成熟度和系統(tǒng)成熟度管理理念，對(duì)水下采油樹(shù)關(guān)鍵部件進(jìn)行分解，確定集成成熟度評(píng)分方案；最后綜合技術(shù)成熟度和集成成熟度評(píng)分結(jié)果，進(jìn)行水下采油樹(shù)系統(tǒng)成熟度的計(jì)算。

對(duì)于水下采油樹(shù)技術(shù)成熟度等級(jí)的評(píng)定，主要是基于相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求，將設(shè)備的驗(yàn)收結(jié)果分為6個(gè)檔位等級(jí)，依據(jù)其所處工藝階段判斷其所處檔位等級(jí)；然后對(duì)設(shè)備各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，基于測(cè)試結(jié)果對(duì)設(shè)備各模塊分別打分。綜合考慮設(shè)備所處檔位等級(jí)和模塊測(cè)試分?jǐn)?shù)，得到水下采油樹(shù)的技術(shù)成熟度水平。對(duì)于集成成熟度等級(jí)的評(píng)定，核心是明確各關(guān)鍵部件之間的關(guān)聯(lián)程度，建立對(duì)應(yīng)的技術(shù)關(guān)聯(lián)圖及集成成熟度矩陣，通過(guò)加權(quán)計(jì)算得到水下采油樹(shù)的集成成熟度等級(jí)。對(duì)于系統(tǒng)成熟度等級(jí)的評(píng)定，主要是結(jié)合技術(shù)成熟度和集成成熟度矩陣，確定系統(tǒng)成熟度矩陣，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)成熟度矩陣的各項(xiàng)元素進(jìn)行累加及歸一化處理，得到水下采油樹(shù)系統(tǒng)的系統(tǒng)成熟度等級(jí)。最后通過(guò)算例驗(yàn)證了本文所提出的水下采油樹(shù)成熟度等級(jí)評(píng)定方案的可行性與實(shí)用性。