海洋油氣生產裝備智能制造發展現狀及前景展望*

陳榮旗

（海洋石油工程股份有限公司天津300461）

1 問題的提出

建設海洋強國是提升綜合國力的必由之路，也是中國特色社會主義事業的重要組成部分［1］。黨的十九大報告明確要求“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”，因此堅定走向海洋、建設海洋強國對于推動我國經濟社會持續健康發展、實現中華民族偉大復興具有重大而深遠的意義［2］。作為深海戰略的基礎，海洋工程裝備，尤其是海洋油氣生產裝備是先進制造技術、信息技術和新材料技術等高新技術的綜合體，具有高技術、高投入、高產出、高附加值和高風險等特點，產業輻射能力強，對國民經濟帶動作用大。新一代信息通訊技術對制造業的改造和催化，帶來了全球制造業格局大變革、大調整，也成為發達國家實現制造業重振和發展中國家搶占產業高端的著力點［3］。《中國制造2025》將海洋工程裝備制造業確定為十大重點領域之一，使其成為我國戰略性新興產業的重要組成部分和高端裝備制造業的重點發展方向［4］。

海洋油氣生產裝備主要包括固定式生產平臺、移動式生產平臺、水下生產系統、海底管線等，其產品種類和數量規模約占海洋工程裝備的60%～70%［5］。海洋油氣生產裝備定制化、多樣化特征明顯，智能制造的“彈性”和“柔性”正是解決這種不確定性和復雜性的利器，可滿足大規模個性化定制而不增加成本［6］，有利于海洋油氣生產裝備制造業快速提質增效、降低成本。

海洋油氣生產裝備通常設計壽命為20～30 a，在整個服役期間，設計制造環節數據為海洋油氣生產裝備日常運行維護、服役改造、超期服役延壽評估提供了基礎條件，運維數據為持續改進產品質量提供了第一手資料。智能制造體系提供的計算機技術、自動控制技術和大數據處理及分析技術，使得實現海上油氣田全生命周期內的設計、制造、管理、交付、維保一體化，形成智能油氣生產裝備，為油氣田作業者提供智能優質服務成為可能。發展智能制造是實現海洋油氣生產裝備全生命周期完整性管理、實現智能產品和服務的最好方法。

2014年以來，隨著國際原油價格斷崖式下跌，全球海洋工程裝備市場大幅萎縮，各類海洋平臺成交量急劇下滑［7-8］。歐美及日韓國家憑借其高水平的設計、建造能力，一直占據著高端市場，而我國海洋工程裝備制造業水平仍處于行業的中低端，面臨著巨大挑戰。當前，國際海洋油氣生產裝備制造業正處于智能制造應用的起步探索階段，發展海洋油氣生產裝備智能制造，提高我國海洋油氣生產裝備設計、建造質量和效率，提升我國海洋油氣生產裝備運維服務質量，升級改造我國海洋油氣生產裝備制造業，是助力我國海洋油氣生產裝備制造業實現“彎道超車”的重要舉措。

目前，國內海工裝備企業已經基本實現產品制造過程的信息化，但在各個生產環節的數據碎片化現象嚴重，缺失數據間的內在聯系，導致信息價值沒有充分利用。而智能制造則要求將離散化信息集成在一起，應用智能方法實現能夠輔助人類決策的一站式建造。因此，海洋油氣生產裝備智能制造必然要分階段逐步實現，在各類海上油氣生產裝備中選擇某個具有普遍性并且建造技術成熟的結構如上部模塊，作為首要實現智能制造的對象，在共性技術突破的前提下再延伸到每種具體產品上。

本文在論述海洋油氣生產裝備智能制造必要性的基礎上，調研了國內外海洋油氣生產裝備智能制造發展現狀，分析了其發展機遇及面臨的挑戰，同時結合海洋石油工程股份有限公司天津臨港智能制造基地建設情況，對我國海洋油氣生產裝備智能制造的發展前景進行了展望。

2 海洋油氣生產裝備智能制造發展現狀

2.1 國內發展現狀

我國海洋工程裝制造業近年來得到了長足發展。2011—2016年，我國海洋工程裝備制造行業市場規模在波動中迅速擴大，并在2017年上半年占據全球第二的位置。在占據市場份額上升的同時，我國海洋工程裝備制造業通過引進、消化吸收和自主創新，在數字化、信息化、智能化方面取得了一定發展。數字化技術在產品設計、建造和生產管理中得到一定應用，形成可用的設計二次開發軟件及專用生產管理軟件，在一定程度上提高了工作效率。如來福士自主研發的ECMS（engineering center data management system）及管路自動出圖二次開發程序。2016年4月，由振華重工牽頭研制的海上鉆井平臺裝備制造智能焊接車間通過預驗收，應用數字化設計、機器人自動化焊接以及信息化車間管理等智能融合技術，實現樁腿主玄管焊縫自動化無損檢測、樁腿齒條板對接高效自動化焊接和機器人自動打底焊接，極大地提高了樁腿生產效率，扭轉了我國平臺樁腿80%依賴于進口的國外壟斷局面［8］。

然而，我國海洋工程裝備制造業“大而不強”的問題依舊突出，在世界市場競爭中依然處于產業的中低端，我國海洋油氣生產裝備制造企業在設計、制造、管理、安裝、運維過程的數字化、信息化、網絡化和智能化上仍有一定差距。

在數字化、信息化、網絡化、智能化制造方面，制造技術還處于傳統的機械化階段，各個制造環節信息各自獨立，同時缺乏系統的數據采集環境和單元，制造效率和質量需進一步穩定和提高；自動化設備尚未實現集成應用，缺乏海洋油氣生產裝備的數字化、自動化、智能化制造工藝流程；仍然采用大量人工和半自動化機械設備，缺乏核心專業智能生產單元、智能生產線及智能車間，與歐美及日韓國家存在較大差距。

在數字化、信息化、網絡化、智能化管理方面，集成管理系統環境搭建研究較少，尚未對智能生產單元、智能生產線及智能車間集成管控進行完整研究；現有管理技術亦未支撐協同設計、協同制造、準時供應與協同運維；缺乏面向海洋油氣生產裝備全生命周期的數字化、信息化、智能化管控體系，在設備、數據及管理手段上均不完善，管理決策依靠人員經驗，智能決策支持手段匱乏。全生命周期綜合管控能力有待提高，海量數據集成和關聯分析能力尚不能滿足實際應用需要。

2.2 國外發展現狀

當前，國外先進海洋工程裝備制造國家，正在不斷地引進新技術，促進產業升級換代。其中，虛擬技術、精度制造技術、集成技術、人工智能技術等成為海洋工程裝備領域技術的發展方向。與此對應地是制造理念也不斷發生著變化。以網絡化為基礎，異地設計與制造管理成為企業關注的重點，并行工程、敏捷制造等先進的集成制造模式在海洋工程裝備制造業中廣泛應用。數字化設計、建造協同與預測運維也逐步影響著海洋工程裝備制造業。

歐美國家充分利用計算機技術與信息技術，初步實現海洋油氣生產裝備設計和管理的智能化。西門子一站式設計、管理軟／硬件集成解決方案Top-Sides 4.0，構建了從設計到售后服務的“數字孿生模型”，為海洋油氣生產裝備全生命周期內管理提供支持，以實現開發周期更短、建造成本更低、運維服務更好的目標。目前該方案已應用于Aker BP旗下的Ivar Aasen Field遠洋平臺，預計10 a內減少運營成本高達10億歐元［9］。

日本和韓國通過研發集成制造系統，解決數據流通問題，實現海洋油氣生產裝備設計、生產一體化。同時將智能機器人引入海洋油氣生產裝備制造車間，加快無人化工廠建設。韓國三星重工與Intergraph聯合開發的Smart 3D融合了設計規則，可自動檢查違反設計規則的設計并改正，推進智能設計發展，同時充分利用了為海工項目專門開發的幾何宏和高級版系統，可方便快捷地建立復雜節點模型，統一各設計階段模型，降低重復設計率。在強大的設計功能之外，該軟件還能與切割、焊接等生產自動化系統實時共享設計信息，避免數據的輸入過程，可以按照制定的日程自動執行作業［11］。三星重工在2012年首次在一條鉆井船的設計過程中采用該軟件，設計效率提高50%以上，生產效率也得到了極大提高。

在生產設備設施方面，日本海洋油氣生產裝備制造企業著眼于研發智能化和柔性程度更高、易操作、易維護的開放式結構和封閉式結構雙殼焊接機器。在制造過程中廣泛應用了各類焊接機器人，提高裝焊效率。

韓國現代重工較早開展了大數據研究，目前已經將大數據技術應用在第一、二代智能船舶設計研發、船廠管理決策支持中。近期，現代重工與韓國蔚山科學技術院等機構聯手開展“利用大數據防止海工裝備建造延期研究項目”，將海洋工程裝備項目建造過程劃分為不同階段，對每一階段單獨進行分析，幫助降低延期交付誤差。未來研究成果將應用在實際建造過程中，有望推動建造工藝流程優化，每年預計節省約500萬美元。

總體而言，國外僅有西門子、三星重工等少數企業在單個海洋油氣配套設備的智能制造方面有部分優勢，并在項目信息化集成管理系統方面積累了一定經驗，但目前國外海洋油氣生產裝備智能制造整體上還處于前期起步階段，國內行業具備趕超機遇。

3 海面洋臨的油機氣遇生與產挑裝戰備智能制造發展

隨著海洋油氣開發重要性日趨增強，以及制造業與信息技術的融合度不斷擴大，海洋油氣生產裝備制造業的機遇越來越大，與此同時，受制于數字化轉型的難度，自身數字化基礎不足等因素，可以預見發展海洋油氣生產裝備智能制造還會面臨諸多挑戰。

3.1 海洋油氣生產裝備智能制造發展面臨的機遇

3.1.1 市場機遇

2018年中國原油進口量為4.62億t，中國的原油對外依存度達到70.9%。僅3年時間，中國原油對外依存度就從2015年的60%升至目前的超過70%［10］，預計隨著中國經濟的持續發展，中國的原油對外依存度將進一步提升。隨著陸上油氣資源逐漸減少，海洋油氣能源地位不斷提升，預計到2020年海上石油對石油產量增長貢獻率將會提高到40%［10］。隨著國際油價緩慢震蕩上行，預計全球海洋工程裝備每年市場成交額約400億美元，參與海洋油氣生產的企業將保持活躍。尤其是“一帶一路”戰略周邊國家石油資源十分可觀，中國的海洋油氣生產裝備制造商將迎來新的發展機遇。

3.1.2 政策機遇

“一帶一路”沿線區域油氣資源極為豐富（表1），已發現石油可采儲量及待發現石油可采儲量分別占全球份額的66%、32%。“一帶一路”提出后，國有企業成為主力軍，同時民營資本“走出去”的步伐加快，民營企業充分利用其機制靈活的優勢，在海外油氣合作中獲得了更多的機會，“一帶一路”極大地促進了國際油氣企業的合作。

表1 “一帶一路”沿線區域石油采儲量Table 1 Reserves of petroleum exploitation along“One Belt and One Road”

3.1.3 國家戰略機遇

海洋油氣工程開發已成為發展海洋經濟的先導性產業，并得到了國家戰略各個層面的高度重視［3］，相關政策見表2。

其中工信部等八部委發布的《海洋工程裝備制造業持續健康發展行動計劃（2017—2020年）》明確提出要“積極推進智能制造。針對海洋工程裝備定制化和多樣化的特點，結合海洋工程裝備制造企業設計建造資源與能力基礎，做好總體規劃和頂層設計，分步實施。積極利用新一代信息通信技術，加快推動與互聯網融合發展，提高海洋工程裝備制造數字化、網絡化、智能化水平。構建從基礎設計、詳細設計到生產設計一體化的三維設計數字模型。應用虛擬仿真技術對制造資源進行合理配置。針對工時消耗大、生產效率低的關鍵環節，開展自動化設備的研發和推廣應用，不斷提升數字化和自動化水平，逐步建立智能化柔性生產體系。加強網絡信息安全管理，健全安全綜合保障體系。”可見，海洋油氣生產裝備智能制造方面有著極佳的政策機遇。

表2 近年關于發展海洋油氣生產裝備制造行業的政策規劃Table 2 Policy planning for developing offshore oil and gas production equipment manufacturing industry in recent years

3.2 海洋油氣生產裝備智能制造發展面臨的挑戰

1）關鍵技術制約行業發展。相關國家在制造領域實行技術封鎖，卡脖子關鍵技術制約海洋油氣生產裝備行業的發展。工業發達國家制造業的回歸戰略使得跨國公司在我國制造業的布局呈“逆轉移”態勢。2）行業數字化智能化程度偏低。在海洋油氣生產裝備設計、制造、運維數據孤島較多，缺乏智能生產管理系統及智能生產線。因此，海洋油氣生產裝備制造效率和質量有待進一步提高。

4 海前洋景展油望氣生產裝備智能制造發展

4.1 海洋油氣生產裝備智能制造重點推進方向

海洋油氣生產裝備制造是典型的離散型制造模式，其特點體現為：按定單生產模式多品種或小批量或單件生產，產品質量和生產率依賴于工人的技術水平，自動化水平相對較低［11］。因此，數字化是決定未來各競爭主體能源版圖的決定性因素之一，而智能制造大概率是海洋油氣生產裝備行業跳躍式發展的決定性條件。具體體現在實施智能生產、創造智能產品和延伸智能服務等3個方向。

4.1.1 智能生產

實現智能生產的基礎是建立智能化生產線及管控系統，如圖1所示。根據中間產品的分類，智能生產線包括甲板片體智能生產線、結構管線智能生產線和海管智能生產線等。智能管控涵蓋的范圍較廣，車間排產、精益派工、質量追溯、虛擬仿真調試、信息采集及反饋等多個方向都可以進行智能化的建設或改造。實現智能生產后，預計生產效率能夠提升20%～30%，產品不良率能夠降低10%。

圖1 海洋油氣生產裝備智能制造車間集成管控系統Fig.1 Integrated management and control system for intelligent manufacturing workshop of offshore oil and gas production equipments

4.1.2 智能產品

創造智能產品一方面要拓展基于產品智能化的增值服務；另一方面，通過搭建智能無人平臺，攻克智能化檢測與傳感技術，形成無人平臺橇裝設備智能化解決方案和中控嵌入式診斷預維護系統解決方案等一系列智能化解決方案。可大幅減少設備和每年操作費用。

4.1.3 智能服務

延伸智能服務，推進生產與服務的集成，實現智能裝備和產品遠程運維服務平臺與產品全生命周期管理系統（PLM）［12］，如圖2所示。基于計算機技術、自動控制技術和大數據處理和分析技術，實現海上油氣田全生命周期內的設計、制造、管理、維護保養等方面的智能化運行，從而使海洋油氣開發更加安全、環保、經濟和可靠。

圖2 海洋油氣生產裝備智能制造完整性管理平臺Fig.2 Intelligent manufacturing integrity management platform for offshore oil and gas production equipment

4.2 海油工程天津臨港智能制造基地建設

針對上述重點推進方向，海洋石油工程股份有限公司于2018年啟動了國內首個海洋油氣裝備智能制造基地（后文簡稱基地）的建設工作。基地規劃面積達57.5萬m2，項目整體規劃、勘察、設計等分兩期實施。一期建設內容為噴砂噴漆車間、堆場及預舾裝、2＃空壓站及堆場、1號配套碼頭（600.1 m）、2號配套碼頭（493.9 m）、總裝場地、公用配套設施、綜合研發樓、綜合實驗樓、綜合培訓樓、鋼結構智能制造中心、機管電儀制造中心、智能存儲中心、電儀產品研發制造中心等單體。二期建設內容為高效管線制造中心及堆場、滑道、2＃碼頭（536.64 m）。天津臨港基地按照“統籌規劃、分步實施”的原則，規劃建設有制造執行管理系統（MES）、全生命周期管理系統（PLM）、企業標準化系統等信息化系統，支撐企業的數字化轉型和智能化生產。目前，項目土地購置、勘察、設計、地基回填施工等工作已經完成，一期工程已于2019年12月正式開工，計劃2021年9月建成投產。二期建設內容根據市場情況擇機實施。

5 結束語

加快數字化、智能化轉型，必將有力地促進我國海洋油氣生產裝備行業邁上新的臺階。但實現智能制造不可能一蹴而就，仍然受到諸多因素的制約，包括：①智能制造需要系統思維，將在一定程度上沖擊企業的發展理念；②智能制造是對企業管理全流程的再造，極大地考驗企業的管理水平；③智能制造需大量改造和引進軟硬件平臺，依賴國內智能制造軟硬件成熟度。因此，發展海洋油氣生產裝備智能制造需要不同行業間、企業內部達成充分共識，協同調動資源，共同發力，才能使我國海洋油氣生產裝備躍向世界第一梯隊。