复杂装备维修项目风险评估与控制CPN 模型*
董 鹏，颜功达⋆，余 鹏，卢 苇
（海军工程大学管理工程与装备经济系，武汉 430033）
摘 要： 复杂装备维修工程范围广、周期长，易产生安全、质量、进度及费用风险。为解决维修工程整体风险评估问题，通过定义维修单元任务，明确了维修工程整体风险评估建模需求和模型框架；建立了单元任务风险仿真以及单元任务逻辑关联的CPN 模型；构建了以单元任务风险评估值为输入的工程整体风险仿真CPN 模型。应用该模型，进行了柴油机中修风险仿真评估及控制分析，操作过程及仿真结果说明了模型的正确性。
关键词： 风险评估，维修工程，整体，单元任务，CPN
0 引言
复杂装备由于技术先进、结构多样、构成单元多，维修（尤其是规模较大的计划性修理）时容易出现超支、延期甚至重大的质量与安全性事故。国内外学者针对航空、海上石油开采设备以及核电站等易产生维修风险的领域开展了一定研究，主要集中在两个方面，一是维修风险事故的统计分析［1-2］；二是维修风险事故发生概率和损失严重程度的计算与评估，如风险矩阵模型［3］、概率风险分析模型（PSA）［4］、关键链模型［5］、Bayes 网络模型［6］以及联系数模型［7］等。目前的研究只关注了维修工程中影响较大的风险事故，缺乏维修工程整体性风险分析与评价。
复杂装备维修工程具有牵连与盲目工程多的特点，工程中存在着大量风险隐患。对此，必须认真分析、提前预防、严格控制，既要关注维修过程可能出现的风险事件，也要掌握工程整体风险状况。本文通过定义维修单元任务，建立单元任务风险仿真着色Petri 网（以下简称CPN）模型，并在此基础上，根据单元任务的逻辑关系，构建维修工程整体风险评估与控制的CPN 仿真模型。
1 工程整体风险仿真评估与控制的理论分析
1.1 复杂装备维修的整体性分析
维修工程整体风险评估的目的是，动态掌握维修工程进行的当前时刻到工程结束时，维修质量、安全、进度、费用是否会超出目标的可能性。维修工程整体过程是由时间上、逻辑上相互关联的各个环节组成的，各环节在工作内容、技术支撑、资源保障等方面都存在一定的不确定性，各环节不确定性经维修全过程累积后，将对工程目标的顺利完成产生显著影响。为便于分析和描述，用单元任务的概念定义维修工程中的基本环节，维修单元任务是指装备维修过程中相互独立、互不包含的任务单元。维修单元任务最大特点是独立性和原子性，独立性体现在各单元任务间除时间上存在逻辑关系外没有其他相互影响，原子性体现在单元任务是最小必要的、不可再分割的单元。一个单元任务的目的明确，与别的单元任务不存在重复的工作内容，如柴油机汽缸套的拆卸、汽缸盖的装配等。
复杂装备维修工程是一个典型的离散事件过程，从风险角度看，其整体性表现有3 种可能：
1）各单元任务的质量目标、安全目标、进度目标、费用目标都按预期顺利完成，维修工程整体顺利完成。
此次施工的CX-WX3标隧道敞开段底板长30米，宽38.6-38米，底板厚度1.1米，采用C40混凝土，设计方量1299m3，混凝土浇筑体量大、结构质量要求高、施工时间长。浇筑前，项目部制订了严密的施工技术方案，组织召开首节底板砼浇筑协调会，进行全面的技术和安全交底，对首节隧道混凝土底板浇筑的施工准备、钢筋绑扎、立模支护、隐蔽工程检查、止水带施作、混凝土浇筑、振捣等工艺流程，按设计要求严格把关，周密部署，保证了混凝土浇筑施工的顺利完成。（江苏省交建局）
3）能够对质量事件、安全事件产生后，时间成本和费用成本增加的维修资源和进程调整状态进行模拟。
2）某个单元任务完成后存在质量或安全隐患，维修进行到某一特定阶段，质量或安全事件爆发，时间成本和经济成本大大增加甚至导致装备重大损坏，维修工程失败。
3）单元任务产生的质量、安全问题导致维修工作反复，时间和经济成本增加。为不影响维修进度，后期维修工作的维修人力、资源投入加大，工程过程和结果状态产生较大变化。
1.2 基于CPN 仿真的复杂装备维修风险评估模型框架
着色Petri 网（CPN）通过引入多重集的概念，能够描述维修工程中人员、技术、设备、资源等所有要素［8-11］；扩展性好能够对风险事件发生后维修要素的变化进行及时更新；分析技术能力强可以对工程整体的风险状态进行动态评估。因此，本文采用CPN 模型进行复杂装备维修工程整体风险的评估与控制。
1.2.1 着色Petri 网的基本定义
1）能够较为合理地模拟复杂装备维修工程，如维修工作要素的描述，人员、技术以及设施、设备等资源保障，各单元任务的时序约束信息的表达等。
如图3所示，时间同步电路从北斗/GPS接收机接收两路信号，分别是串口(或网络)数据信号以及秒脉冲信号。鉴于雷达系统内部电磁环境复杂，存在高电压、大电流设备，会对授时数据信号和秒脉冲信号的传输产生干扰。工程设计上，分别从硬件和软件两方面采取措施，避免和滤除干扰，对授时数据和秒脉冲信号加以保护。
1）∑表示一个非空的有限集合，也可称为着色集；
2）P 表示位置的有限集合；
3）T 表示变迁的有限集合；
4）A 表示弧的有限集合，并且满足：P∩T=P∩A=T∩A=Φ
5）N 表示一个节点函数，N∶A→P×T∪T×P，节点函数将每一条弧映射到一个二元组；
6）C 表示一个着色函数，C∶P→∑，着色函数将每个位置映射到某一个类型C（p）；
7）G 表示一个guard 函数，它将变迁T 与表达式相关联，并使得：∀t∈T：［Type（G（t））=Bool∧Type（Var（G（t）））⊆∑］；
[13] Trisnanto, AM Adhy, “Etnis Tionghoa Juga Bangsa Indonesia”, Suara Merdeka, February 18, 2007, http://www.suaramerdeka.com/harian/0702/18/nas04.htm(登陆时间：2017年11月12日)。
8）E 表示一个弧函数，它将弧A 与表达式相关联，并使得：∀a∈A：［Type（E（a））=C（p）MS∧Type（Var（E（a）））⊆∑］，p 是N（a）中的位置，即每个弧表达式的计算结果为一个与相连位置p 类型相同的多重集合；
9）I 表示初始函数。它将位置P 与一个常量相关联，并使得：∀p∈P：［Type（I（p））=C（p）MS］
在伯克利国家实验室，利曼斯带我走过记录粒子加速器历史的洞穴走廊时，向我展示了大约有半块黄油大小的块状装置，该装置中嵌入的一个管状体内存有等离子体，BELLA的激光脉冲通过其中的等离子体，能够将等离子体中的电子加速到高能量，接近世界上一些最高能的电子加速器所产生的能量。
1.2.2 模型框架
正好，这时有一笔巨额公款经过周恺手里，他正在动这个心思，突然感觉心慌得厉害，上次在小蝶家有过的那种奇怪幻觉又出现了：这次，他耳畔仿佛有警笛声响起，眼前出现的是冰冷的手铐……
根据以上分析，在维修工作单元风险评估的基础上，利用CPN 模型进行复杂装备维修风险的整体评估与控制。其中，单元风险评估与控制为整体风险评估与控制提供了基本输入。
“开放使我们协会始终走在行业前列”，说这句话的时候，徐建国理事长语气中透着自豪。中国印工协成立于改革开放初期的1985年，创立之初，首任会长范慕韩就明确提出了“大印刷观”的理念，并有一个经典的比喻：印刷，印刷设备、印刷器材如同一架飞机的机身与两翼，三个领域应紧密连结在一起，协同发展，才能推动中国印刷产业的进步。“中国印刷及设备器材工业协会”的定名亦由之而来。可以说，这个跨部门、跨行业、全产业链的全国性行业协会自诞生之初，就承载了推进技术进步、促进产业升级的厚望与重托。
国家经济发展的大环境决定了中小企业是否能够长远地发展下去。在具体的发展过程中，必须要形成全面有效的经济环境分析，确保与企业自身内部控制相适应。
对某柴油机中修工程进行风险仿真评估与控制分析。经评估，在这次的柴油机中修中，存在风险的维修单元任务分别有柴油机拆卸、气缸盖拆修、活塞连杆拆修、冷却泵拆修、空气分配器拆修等，各单元任务的风险评估值如表3 所示。
全面实施了新一轮水务体制改革。出台了《永康市水务体制改革方案》，对水务局原下属18个事业单位进行重新撤并设置，新设立了饮用水服务管理站、饮用水检测中心及4个流域管理所，确定事业编制187名。
图1 维修整体风险评估模型总体层级结构图
1`（10，1，［（0，0）］，［（0，0）］，［（0，0）］）++
定义1 CPN：一个CPN 是一个九元组CPN =（∑，P，T，A，N，C，G，E，I），其中：
2）能够对维修单元任务的维修内容增加事件、质量事件、安全事件、时间和费用成本增加事件进行仿真模拟。
一般说，寓言的语言多是直白如话、朴素简洁的，而这些简洁朴素的语言文字，通过细细地揣摩，对学生的语言学习也能够起到推动作用。
4）能够对工程整体目标（质量、安全、费用、进度）实现的可能状况进行动态仿真分析。
2 工程整体风险评估与控制模型
2.1 模型的静态结构
工程整体风险评估与控制模型由单元任务CPN 模型、单元任务工程逻辑关系和维修工程整体模型3 个部分组成。
2.1.1 单元任务CPN 模型
单元任务维修CPN 仿真模型主要是用于模拟维修单元任务进行时的质量状态、进度状态、费用状态以及安全状态。建立单元任务维修风险CPN 仿真模型如图2 所示。
例6：Thai man kills baby on Facebook Live then takes own life(BBC,25 Apr 2017)
图2 单元维修任务维修风险仿真的CPN 模型
图3 3 种逻辑关系的CPN 模型
上述着色Petri 网模型中库所和变迁的含义分别如下页表1 和表2 所示。
表1 库所代表含义
表2 变迁代表含义
图4 柴油机中修的CPN 模型
2.1.2 单元任务工程逻辑关系
根据所确定的任务单元之间的逻辑关系，构建维修工程整体CPN 模型。各典型逻辑关系模式CPN模型分别如图3 所示。
2.1.3 维修工程整体模型
在各单元任务CPN 模型的基础上，根据各单元任务的逻辑关系构建整个维修工程的CPN 仿真模型，如图4 所示。
2.2 模型的动态结构
1）通过变迁S_Judge 判断单元维修任务是否发生安全事故，如果发生安全事故，则中止整个维修任务，否则继续执行单元维修任务。通过变迁CheckQ 判断是否产生质量风险，如果产生质量风险，则通过CheckQT 具体判别哪一类型质量风险，并给出相应的进度、费用变化情况；如果没有质量风险，直接判断是否有进度、费用风险及相应的进度、费用变化情况。
因代克斯集团及其子公司特劳伯一起，在世界数控车床制造领域处于领先地位。无论是丰富的产品系列，还是各类服务和专业支持，无一不反映着这两个强势品牌高质量、高可靠性以及技术领先的特点。因代克斯的多主轴技术为CRS和变速器组件提供高精度加工工艺，可以保证稳定的加工工艺，更短的生产周期和更低的生产成本。此外，因代克斯的机床还适用于发动机、转向系统、刹车系统有及燃油喷射系统的生产制造。
2）质量问题是否能够被检测出来，如果不能被检测出来，则产生质量风险，对应的质量风险被记录下来，标准的进度和费用也存入单元维修任务状态；但质量风险被检测出来虽然不会导致质量后果，但将使进度、费用增加，相应的进度与费用通过变迁CheckQT 处理。
3）以工程整体维修仿真CPN 模型为工具，进行整体风险状态仿真模拟。仿真的输入包括单元维修任务之间的逻辑关系模型、各个任务的安全风险概率、安全风险事件、质量风险检测概率、质量风险模式及其概率以及各种模式下进度和费用情况。仿真过程中，如果某个单元维修任务发生安全事故，则整个维修任务失败，返回安全事故类型及发生事故的单元维修任务编号；否则将完成所有单元任务，并记录各个单元任务的进度、费用以及统计整个复杂装备维修任务的总时间和总费用。
4）具体统计任务完成概率、平均任务完成时间和平均费用等指标，计算工程整体风险值。
5）根据整体风险值的情况，判断是否需要进一步制定风险管控措施，并进行风险再评估，直到风险值在可接受范围内。
为实现维修工程整体维修风险仿真，首先，根据所确定的任务单元之间的逻辑关系，以各逻辑关系的CPN 模型为基础，构建维修风险仿真的CPN模型。其次，以单元任务风险状态评估值为输入，以风险仿真CPN 模型为工具，进行维修工程整体风险仿真评估与控制分析；最后，对仿真结果数据进行整理分析。基于CPN 的维修工程整体风险仿真模型总体层级结构如下页图1 所示。
3 案例分析
若工程整体风险评估值高于风险容忍度，则进一步研究降低单元任务风险的措施，对单元任务风险值重新评估后，利用CPN 模型进行工程整体风险的再次仿真评估，直到工程整体风险评估值满足风险容忍度。
表3 柴油机中修中单元任务的风险评估值
将以上维修单元任务风险评估值转换为维修单元CPN 模型输入库所T_List 的初始托肯参数为：
为满足风险评估与控制的分析需求，该仿真模型应具备以下功能：
1`（1，0，［（Q1，10），（Q2，20）］，［（0，0），（5，10），（10，20）］，［（0，0），（1，10），（3，20）］）++
1`（2，0，［（Q3，8），（Q2，10）］，［（10，15），（5，8），（5，10）］，［（1，15），（1，10），（3，20）］）++
1`（3，0，［（0，0）］，［（10，15）］，［（1，15）］）++
1`（4，0，［（Q2，10）］，［（0，0），（10，10）］，［（0，0），（3，20）］）++
1` （5，0，［（Q1，20）］，［（20，20），（10，20）］，［（0，0），（3，30）］）
其中Q1，Q2，Q3 分别表示影响使用、功能丧失和性能下降3 种质量危害模式。由于CPN TOOLS中不能表示小数，因此，所有概率均乘以100，进度延期都乘以10。
随着医学模式的转变，护理更加关注人的社会性，这就要求护士有良好的人文素质。沟通能力在临床护理工作中的重要性越来越突出，有效沟通对提高工作效率和工作质量起着非常重要的作用[1]。中职护生在技能操作练习时，即使设定情景进行角色扮演，仍然难以进入角色，沟通往往限于“你好”“再见”等基本词汇，甚至常常做“哑巴”护士。在教学过程中，我们选择了几项需要沟通的技术操作，设计剧本，编写对话，一字一句教护生练习，循序渐进地学习与患者沟通的技巧，并鼓励护生在此基础上自由发挥，更好地体会护患角色，培养爱伤观念。
在模型中，首先根据任务逻辑关系确定当前执行的维修单元，每个维修单元再由维修单元CPN 模型判别是否产生安全事故、质量问题、进度延迟和费用增加情况，并汇总仿真结果。
其次，在各单元任务CPN 模型的基础上，根据各单元任务的逻辑关系构建的整个维修工程的CPN 仿真模型如图4 所示。
经过仿真计算，得到安全、质量、进度、费用的仿真计算结果。本案例进行仿真次数1 000 次。仿真结果除火灾发生1 次外，其余各项结果如表4、表5和下页表6 所示。
表4 质量仿真结果
表5 进度仿真结果
表6 费用仿真结果
根据以上仿真结果，可以得出如下结论：
1）经过维修单元任务风险分析后，该型柴油机中修的安全风险、质量风险、费用风险在可承受范围之内。
2）进度风险状态中超期2 个工作日以上的概率达到15%，超过了可承受范围，考虑采取进一步的控制措施。
针对工程整体进度控制风险问题，考虑加强冷却泵拆修、空气分配器拆修、摆式减振器拆修、摆式减振器拆修的人力资源准备，从而将其滞后时间减少到一定程度，达到降低工程整体进度风险目的，采取人力资源准备的措施后，对各相关单元任务重现进行风险评估，结果如表7 所示。
表7 采取措施后的各相关单元任务的风险评估值
根据新的单元任务风险评估值，应用CPN 仿真模型，对柴油机中修的进度风险进行重新评估，结果如表8 所示。
表8 采取措施后的工程整体进度风险仿真结果
从仿真结果可知，采取措施后超期2 个工作日以上概率约4%，工程整体进度风险降至可承受范围，达到了风险整体控制的目的。
三是稳步开展健康河湖创建活动。统筹规划分阶段工作目标和创建重点，突出河湖生态功能建设，强化河湖水域岸线管控，实施河湖生态健康修复提升工程，加快推进退渔还水、退田还水、控源截污、生态修复等综合治理措施，实现河流河道不脱流、水质不下降、岸线不萎缩、功能不衰减“四不”目标，湖泊保面（容）积、保水质、保功能、保生态、保可持续利用的“五保”目标，在此基础上，稳步改善提升，确保健康河湖建设取得实效。
4 结论
风险管理是装备维修工程管理中的重要内容之一。本文在维修单元任务风险评估的基础上，以单元任务的安全、质量、进度、费用风险值为基本输入，通过CPN 模型实现了工程整体风险的仿真评估与控制分析，柴油机中修风险分析案例验证了方法的科学性和实用性。在后续的研究中，将进一步探讨单元任务的多粒度划分问题，以及如何考虑单元任务风险关联性影响的工程整体风险评估问题。
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The CPN Model of Complex Equipment Maintenance Project Risk Assessment and Control
DONG Peng，YAN Gong-da⋆，YU Peng，LU Wei
（Department of Management Engineering and Equipment Economic，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）
Abstract： Complex equipment maintenance projects are prone to have risks in safety，quality，schedule and cost. In order to solve the problem of the whole risk assessment of the maintenance project，this paper defines the requirements of the whole process risk assessment model and the framework of the model by defining the task of maintenance unit. The CPN model of unit task risk simulation and unit task logic relationship is established，and on the basis of which，the CPN model of the whole risk simulation of the maintenance project is formed with the unit task risk assessment value as input. The model is used to simulate the risk of the diesel engine repair project. The simulation results show that the model is correct.
Key words： risk assessment，maintenance project，entirely，unit task，CPN
中图分类号： TP391.9；TJ01
文献标识码： A
DOI： 10.3969/j.issn.1002-0640.2019.10.007
引用格式 ：董鹏，颜功达，余鹏，等.复杂装备维修项目风险评估与控制CPN 模型［J］.火力与指挥控制，2019，44（10）：32-37.
文章编号： 1002-0640（2019）10-0032-06
收稿日期： 2018-07-03
修回日期： 2018-10-17
*基金项目： 国家自然科学基金资助项目（71320107001）
作者简介： 董 鹏（1980- ），男，山东淄博人，博士，副教授。研究方向：项目管理、装备采购管理。
*通信作者： 颜功达（1995- ），女，湖北孝感人，硕士生。研究方向：系统管理。
Citation format： DONG P，YAN G D，YU P，et al.The CPN model of complex equipment maintenance project risk assessment and control［J］.Fire Control&Command Control，2019，44（10）：32-37.