水下采油树成熟度评估方法研究

安维峥，顾继俊，马 强，贾纪川

（1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.中国石油大学机械与储运工程学院，北京 102249）

20世纪70年代中期，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）引入技术就绪水平（Technology Readiness Level，TRL）理念。此后，NASA产生了最早度量技术成熟度的标准——技术就绪水平（TRL）[1]。在我国经过多位专家学者的不断研究，成熟度评估方法渐趋成熟[2]。李敬东等[3]在废物最小化评价中引入技术成熟度指数、技术成熟度值和技术成熟度指标值的概念。王波[4]指出技术成熟度问题是科技企业必须着重解决的问题之一。张玉杰[5]指出技术成熟度是企业技术预警的主要监测指标之一。技术成熟度可以从技术就绪水平角度、项目目标满足度、市场占有率等方面定义。

（1）从技术就绪水平角度定义。国内朱毅麟等[6-8]认为“技术就绪水平（技术完备等级、技术准备度）”实际上就是“技术成熟度”，是指单项产品或单项技术在研发过程所达到的一般性可用程度（完善程度）。广义的技术成熟度还包括该项技术对特定需求的满足程度、技术跨度、技术难度（风险）、技术可获得性和技术成本等多种因素。技术成熟度是衡量技术能力的一个要素。（2）从项目目标满足度定义。美军国防采办指南中对技术成熟度的解释是：关键技术满足项目目标程度的一种度量，是项目风险的主要要素。（3）从市场占有率角度定义。张玉杰[5]从企业市场占有率的角度来定义企业技术成熟度，将企业运用某项技术生产出社会需要的产品在市场上占有率的变化情况定义为技术成熟度。

本文以水下采油树的成熟度为例，通过对采油树进行成熟度测试，确定技术成熟度等级，给出技术成熟度等级评定方案。同时通过分析采油树各零部件之间的关联程度，建立集成成熟度矩阵，代入相关数据即可得到集成成熟度等级。最后由技术成熟度和集成成熟度推导计算得到系统成熟度。

1 水下采油树技术成熟度测试

成熟度测试主要是针对某一技术产品，参照相关行业标准，对其零部件和系统整体功能进行测试，根据测试结果，判断其所处设计阶段，在生产成本和设计进度方面给予设计研发人员或客户以参考。

对于技术成熟度属于0~2级的设备产品，主要以调研为主，调研内容主要包括期刊论文、会议论文、相关专利等，初步确定设备在概念原理阶段所研究出的相关成果，为后期自主化研制奠定理论基础、明确研发方向[9]。

技术成熟度3：对试件模型样机进行可靠性测试[10]。

技术成熟度4：在模拟环境中对试件进行测试[11]。

技术成熟度5：水下采油树测试，将水下采油树的各个模块进行组装，检查各个接口是否符合要求。

技术成熟度6：测试内容可参考技术成熟度5的各个接口及功能程序，将测试环境改为实际环境，为期至少3年，记录各接口及功能程序运行情况。

技术成熟度7：测试内容主要以水下采油树整体为主，针对其实际运行情况进行测试记录，验证其可靠性。

2 水下采油树技术成熟度等级评定方案

2.1 技术成熟度3~4级评定方案

由于验收准则以是否能达到规定要求为主，因此可将验收结果量化，分为6个档位等级，见表1。

表1 技术成熟度3~4级量化表[9]

根据设备实际情况，对各个模块进行3~4级相关测试，基于测试结果给各项打分。打分标准为0~10分。计算公式如下。

式中，L34为技术成熟度等级；S34为每档的得分总额；R34为对应的档位等级。L34的值用于确定设备是处于技术成熟度等级第3级还是第4级。由于设备从生产出来到投产应用，将经历不同的阶段，在每个阶段，为评估设备所处的质量水平，可对各个阶段的设备进行技术成熟度等级测试。这里的“阶段”即表1对应的档位等级，共6个阶段，对应6个档位。

由于在设备的实际投产工作过程中，可能出现设备存在部分缺陷但不影响正常运行的情况，出于成本考虑，在这种情况下，仅以是否满足测试标准来评定设备可用与否较为片面，因此在本次设计中选择加入打分机制：评分标准为0~10分。分数区间位于[0，2）属于尚无法满足测试标准；分数区间位于[2，5）属于仅能满足部分测试标准；分数区间位于[5，8）之间属于满足大部分验收标准，存在部分缺陷但不影响设备正常运行；分数区间位于[8，10]之间属于满足验收标准，基本不存在技术成熟度3~4级所对应的模块缺陷。完成打分后，对每个档位分别进行得分累加计算，得到各个档位的各自总得分，即公式（1）中的S34、R34为进行3~4级技术成熟度测试时设置的档位等级，其取值为1~6，为方便从计算结果直接判断是处于技术成熟度3级还是4级，本文选择对计算结果进行“近似归一化”处理，即令S34×R34，并除以一个倍数因子300，最后的结果将处于分数区间（0，4）之内，根据实际情况定义，当计算结果位于[3.0，3.5）时，技术成熟度等级评定为3级，当计算结果位于[3.5，4.0]时，技术成熟度等级评定为4级，当计算结果低于3.0时，评定结果为不达标。

2.2 技术成熟度5级评定方案

技术成熟度5级：水下采油树测试，组装水下采油树的各个模块，检查各个接口是否符合要求[12]。

同3~4级技术成熟度的评定方法一样，将评定结果量化，分为6个档位等级，同表1。总的计算公式如下。

式中，L5为技术成熟度等级；S5为每档的得分总额；R5为对应的档位等级。

2.3 技术成熟度6~7级评定方案

在技术成熟度6级及以上等级，需要对整个系统进行成熟度评估，不再针对单个零部件。因此，设备各个模块需要在实际或预期环境中正常运行三年以上。

由于技术成熟度6级的相关测试内容是参照技术成熟度5级的各个接口及功能程序在实际环境中的测试，故设备能否达到技术成熟度6级，取决于水下采油树各个模块在实际环境中的运行情况。

技术成熟度7级的相关测试内容主要以水下采油树整体为主，针对其实际运行情况进行测试记录，验证其可靠性。

3 水下采油树集成成熟度等级评定方案

3.1 确定水下采油树组成部件

集成成熟度（Integration Readiness Level，IRL）针对的是部件间的关系，故需要明确水下采油树所包含的关键部件及各部件之间是否存在关联性。根据与其他部件的关联程度，对核心技术部件进行编号，如表2所示。同时建立技术关联图，如图1所示。

表2 水下采油树核心技术部件编号表

由于在评估集成成熟度时需要考虑各个部件之间的关联性，因此建立了如图1所示的技术部件关联图，共8个核心技术部件，IRLij为技术i和技术j之间的集成成熟度，其值为0表示技术i和技术j无集成关系，其值为9表明技术i和技术j在整个系统里完全协调，不会产生相互影响，而且不需要后续的集成开发，技术与自身集成时IRL值为9。

图1 水下采油树技术关联图

3.2 建立水下采油树IRL矩阵

基于前文所述水下采油树核心技术部件个数及其关联性，可建立IRL矩阵。构成水下采油树技术关联图的核心部件共8件，则建立的IRL矩阵为8×8矩阵。如式（3）所示。

水下采油树的测试，在不同的测试阶段，侧重的部件有所不同，如在水下安装、密封测试阶段，重点测试部件为采油树体、油管悬挂器、采油树帽，功能测试阶段则以控制系统、阀门等为主要测试部件。在设置权重系数时，应结合不同的测试阶段，适当提高重点测试部件的权重，适当降低次要部件的权重。

式中，IRLij=IRLji。

根据部件之间的关联性，在水下采油树的IRL矩 阵 中，仅IRL12、IRL13、IRL14、IRL16、IRL17、IRL18、IRL23、IRL25、IRL35、IRL47大于0，其他均等于0，故矩阵可简化如下。

由公式（4）中的矩阵可基本得出，由8大核心技术部件组成的水下采油树所对应的集成成熟度水平。而对于集成成熟度自身等级的评估，则采用加权平均的理念的评估方法。

对于技术i和技术j的集成成熟度值IRLij，根据实际工程需求，可设定对应的权值αij，权值的大小依据设备核心技术部件的重要程度进行设置。考虑数据归一处理问题，应保证Σαij+Σαji=1，αij=αji，所以有αij的取值区间为（0，0.5），且满足Σαij+Σαji=0.5。

对于设备的集成成熟度（设备各部件间的整体协调性），设定其成熟度等级值为IRLH，IRLH=Σαij·IRLij+Σαji·IRLji。如前文所述，αij=αji，则有IRLH=2Σαij·IRLij，其中αij为核心部件的集成成熟度权值。

代入相关数据，得到IRLH的值，可基本判断水下采油树设备的集成成熟度等级，同时也可借此值辅助判别技术成熟度是否确实达到6级水准。

集成成熟度针对的是存在关联的部件之间的协调性，相比技术成熟度，集成成熟度更侧重对于组成设备的各个部件之间是否能够协调运作进行评估，由于最终目标都是为了判断设备个体能否正常投产运行，所以这里说“辅助判别技术成熟度”，当技术成熟度达到6级以后，理论上设备就可以在实际环境中运行，7级是对三年内设备的运行情况进行测试，所以将技术成熟度6级设定为最终指标。

3.3 系统成熟度等级评定方案

系统成熟度（System Readiness Level，SRL）是将技术成熟度和系统成熟度集合成一个判断标准，用来判断由设备组成的系统的成熟度等级，同时也可用于描述系统开发过程的技术风险及其集成风险，为系统管理人员的工程决策提供科学依据。

出于设备生产和运营成本考虑，在考虑权重系数配置时，除依据不同测试阶段的主要测试部件进行系数设置外，应同时根据实际工程需求，对设备运行过程中维护成本较高、疲劳寿命较长的部件，适当降低测试权重系数，在达到生产运行标准时予以判定通过。

系统成熟度为集成成熟度矩阵与技术成熟度向量的乘积[13]，对于水下采油树，基于其8大核心技术部件，水下采油树的系统成熟度为8维向量，如式（5）所示。

系统综合成熟度用式（6）计算。

式中，nn为包括自身在内的集成数。

3.4 水下采油树系统成熟度算例

现假设各部件技术成熟度数值范围为5~7，如表3所示。

表3 技术成熟度取值

表中的取值选择的是在技术成熟度和集成成熟度方面，成熟度水平相对较高的数值，取各部件技术成熟度数值范围为5~7，各部件间集成成熟度数值范围为6~9，如果算法合理，则最后得到的系统成熟度等级较高，数值应接近1，基于前文所述，技术成熟度5级是从部件和工厂测试到安装准备和组件或者子系统集成试验的主要转折点，本算例预设值中，技术成熟度等级范围在5~7，即对于水下采油树单体部件，已基本满足应用于设备系统整体的要求。

假设取各部件间集成成熟度数值范围为6~9，如表4所示。

表4 集成成熟度取值

则有TRL和IRL矩阵如下。

则该水下采油树设备的系统成熟度计算如下。

系统综合值计算如下。

3.5 水下采油树系统算例结果分析

前文已述，技术成熟度5级是从部件和工厂测试到安装准备和组件或者子系统集成试验的主要转折点，本算例预设值中，技术成熟度等级范围为5~7，即对于水下采油树单体部件，已基本满足应用于设备系统整体的要求。

对于集成成熟度而言，如表5所示，当集成成熟度等级达到6级时，对预期应用来说，集成应用能够接受、转化和构成信息，说明达到此等级时，部件间的协调性水平已能够基本满足水下采油树设备正常运行的相关需求。

表5 集成成熟度标准

基于以上两点，可推测，在算法逻辑合理、架构清晰、计算无较大偏差的前提条件下，经过相关计算，计算结果应处于较高的系统成熟度等级范围内，以满足设备的正常运行需求。本算例最终计算结果为0.86，属于表6中0.80~0.89的等级范围，即达到满足任务需求的运行能力，与预期相符。

表6 系统成熟度定义

4 结束语

本文针对水下采油树制定成熟度评估方案。首先制定水下采油树技术成熟度测试内容，并基于测试结果确定技术成熟度评分方案；然后借鉴航天领域集成成熟度和系统成熟度管理理念，对水下采油树关键部件进行分解，确定集成成熟度评分方案；最后综合技术成熟度和集成成熟度评分结果，进行水下采油树系统成熟度的计算。

对于水下采油树技术成熟度等级的评定，主要是基于相关行业规范要求，将设备的验收结果分为6个档位等级，依据其所处工艺阶段判断其所处档位等级；然后对设备各个模块进行测试，基于测试结果对设备各模块分别打分。综合考虑设备所处档位等级和模块测试分数，得到水下采油树的技术成熟度水平。对于集成成熟度等级的评定，核心是明确各关键部件之间的关联程度，建立对应的技术关联图及集成成熟度矩阵，通过加权计算得到水下采油树的集成成熟度等级。对于系统成熟度等级的评定，主要是结合技术成熟度和集成成熟度矩阵，确定系统成熟度矩阵，对构成系统成熟度矩阵的各项元素进行累加及归一化处理，得到水下采油树系统的系统成熟度等级。最后通过算例验证了本文所提出的水下采油树成熟度等级评定方案的可行性与实用性。