模塊化工廠建造管理中的基礎數(shù)據(jù)庫構建及應用

石占磊，謝 雷，李勝利，楊鐵寧，宋時玲

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266520）

0 引言

隨著信息化、數(shù)據(jù)化、智能化的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化工廠已不再滿足于汽車制造、產品流水線加工等產品型智能化生產的現(xiàn)狀，項目型產品的智能化建造已經(jīng)在各大海工船舶制造基地悄然興起，成為新一輪智能化生產的主力攻關方向。

歷經(jīng)長期的探索、磨合，雖然“標準化”的思路已經(jīng)在行業(yè)內有初步共識，但受限于業(yè)主需求多樣性、產業(yè)需求多邊性，海工船舶制造目前仍處于項目型管理階段。與產品型工廠相比，項目型工廠因其產品的臨時性、獨特性、漸進明細的特點，在實際生產管理中需要針對每一個項目建立組織、制定策略、全周期動態(tài)監(jiān)控執(zhí)行。與程序化的產品型智能化生產不同，項目型產品的智能化生產建造，需要更多的“動態(tài)”管理，未來的智能化建造主要體現(xiàn)在三方面：物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算。

基礎數(shù)據(jù)庫構建，作為大數(shù)據(jù)管理的基礎，是數(shù)據(jù)化管理的前提。雖然如何實現(xiàn)智能化建造，實現(xiàn)何種程度的智能化，基于其建造工藝、生產流程、設計深度、投資能力的不同，存在不同的理解和預期。但基礎數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)化管理的前提，基礎數(shù)據(jù)的顆粒度、要素直接決定著智能化制造的程度或深度。下面將結合模塊化工廠工程項目建造管理實踐，對其建造管理的基礎數(shù)據(jù)進行分析和構建。

1 基礎數(shù)據(jù)定義和分類

模塊化工廠項目建造管理的基礎數(shù)據(jù)，是指在建造開工前完成基本框架構建、項目實施過程中漸進明細、建造完工后導出組織過程資產，以“步進式”建造工序下所必須的信息作為最小單元，能夠充分支持多維度分析的表格化數(shù)據(jù)。

主要體現(xiàn)在：

（1）設計數(shù)據(jù)。將目標模塊完全數(shù)字化，多在開工前完成。比如：把一條管線的各種信息，轉變成材料數(shù)據(jù)（管徑、材質、數(shù)量）、運行數(shù)據(jù)（介質、壓力、溫度、流速等）、檢驗數(shù)據(jù)（NDT比例、焊接WPS、坡口形式）、物理連接關系（基于最小片段Pcs的物理坐標，以及在設計上連接關系的數(shù)據(jù)形式體現(xiàn)）等。

（2）生產數(shù)據(jù)。各施工狀態(tài)信息由文字描述進行數(shù)據(jù)化，多在開工前構建、開工后完善。比如：將管線最小片段Pcs下料、組對、焊接、時間、工號、地理位置等工序信息狀態(tài)，通過信息化系統(tǒng)記錄形成表格化信息。

另外，在資源調配、安全管理、成本控制與回歸方面，以下生產數(shù)據(jù)化信息作為施工管理的輔助也是必不可少的：①物流、機械、人力的動態(tài)管理和工時統(tǒng)計分析；②各功效信息對標工作量、成本、定額等信息的數(shù)據(jù)化；③計劃編制與進度計算。

2 構建基礎數(shù)據(jù)的主要思路

兩個主要基礎數(shù)據(jù)有著不同的特點和用途，設計數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)的是目標模塊的工作量及具體工作量單元的多維度信息，主要用于前期方案分析、產能排布、產能分析、工作量前瞻和為生產數(shù)據(jù)提供基礎數(shù)據(jù)信息。生產數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)的是目標模塊各工作量單元的詳細生產狀態(tài)，主要用于生產過程跟蹤、施工安排、資源分析與調配、進度管理、成本分析和系統(tǒng)完工。

2.1 設計數(shù)據(jù)庫的構建

設計數(shù)據(jù)以專業(yè)進行劃分，以設計上的最小片段Pcs作為最小單元，以各Pcs的設計信息、物理連接關系等做為基礎屬性（顆粒度），用以指導生產數(shù)據(jù)編制和完善。以下僅簡單闡述數(shù)據(jù)化思路，基于施工管理深度和項目執(zhí)行環(huán)境的不同，需要具體構建不同格式和顆粒度的數(shù)據(jù)。

2.1.1 結構專業(yè)

結構專業(yè)在設計數(shù)據(jù)構建上主要體現(xiàn)兩方面內容：①基礎Pcs的設計信息；②各Pcs的連接關系及焊道長度以及填充量信息。由于結構專業(yè)各Pcs間連接關系復雜（比如結構節(jié)點），如有需要，需采用更多維度和顆粒度信息進行數(shù)據(jù)化。

數(shù)據(jù)來源：結構專業(yè)設計數(shù)據(jù)主要來源于模塊建模數(shù)據(jù)以及加工設計信息，建模信息可以提供圖紙、材料的基本數(shù)據(jù)。在加工設計階段可以對Pcs號、桿件號、焊口號等編制原則上進行規(guī)劃，通過制作腳本或小程序替代人工操作，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速便捷整理（比如：將相關Pcs號、焊口長度、板厚、坡口形式等信息在編制NDT時匯編到焊口編號中“ST-Pcs1-Pcs2-1000-30-V”，而在建立數(shù)據(jù)庫時僅需進行數(shù)據(jù)分裂和簡單公式操作即可獲得如表1所示的大部分信息）。

表1 結構專業(yè)設計數(shù)據(jù)庫信息

2.1.2 管線專業(yè)

配管專業(yè)在設計數(shù)據(jù)構建上主要體現(xiàn)兩方面內容：①基礎Pcs的設計信息。②各Pcs的連接關系及模型中的坐標信息。管線的連接關系比較簡單，在構建設計數(shù)據(jù)庫時可以稍有偏重地多體現(xiàn)一些管道的附件信息（管鞋、支架、內部特殊件等）。

數(shù)據(jù)來源：管線專業(yè)設計數(shù)據(jù)主要來源于模塊建模數(shù)據(jù)以及加工設計信息，建模信息主要提供相關圖紙信息，加工設計基于管線預制分段，添加加工設計信息（焊口號、圖料表等），現(xiàn)有設計軟件spoolgen等基本滿足加工設計工作需求，基于spoolgen加工出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過二次開發(fā)基本能夠滿足管線專業(yè)設計數(shù)據(jù)的建庫需求（見表2）。

表2 管線專業(yè)設計數(shù)據(jù)庫信息

2.1.3 電儀專業(yè)

電儀專業(yè)在設計數(shù)據(jù)構建上主要以“通路”貫穿電儀專業(yè)設計信息與連接關系（這里將一段獨立直通托架，或一組護管、支架、托架組成的末端視為一個通路，一條電纜要經(jīng)過若干通路最終聯(lián)通兩端的設備）。電儀專業(yè)需要通過兩個基礎數(shù)據(jù)庫來更清晰地實現(xiàn)設計上展現(xiàn)電纜、托架、支架、設備之間的附屬連接關系，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理（見表3）。

表3 電儀專業(yè)設計數(shù)據(jù)庫信息

為了更清晰地以數(shù)據(jù)形式展現(xiàn)電儀專業(yè)相關各最小單元的連接附屬關系（托架與托架、支架的對應，末端通路與護管的對應，托架材料、護管、支架等與通路號的對應關系），我們設置一個通路數(shù)據(jù)庫來進行數(shù)據(jù)化，大致格式及包含內容見表4。

表4 電儀專業(yè)通路數(shù)據(jù)庫信息

上述表格中最小單元定義為“通路片段Pcs”，其代表的是一個支架、一個護管、一段裁剪后的托架，它們均是構成一段通路的最小單元。常規(guī)模塊化建造中，一般不存在“通路”的概念，打通通路以及電纜的具體布線通常由經(jīng)驗豐富的領班或技術人員在現(xiàn)場指導完成。這樣的施工管理模式，簡單快捷，節(jié)省大量設計工時，但存在以下幾個弊端：①電纜設計量與實際施工量往往會出現(xiàn)較大偏差；②實際電纜排布超出設計電纜托架容積率；③電纜托架分支處出現(xiàn)各種電纜交叉和不規(guī)范的彎曲導致返工。引入“通路”概念，并將本專業(yè)數(shù)據(jù)化之后，現(xiàn)場工人僅需要按照設計完成通路和拉放電纜，這些問題就能有效避免。

2.1.4 各類支架

支架是支撐模塊上各類系統(tǒng)的基礎，是模塊建造的關鍵和不容忽視的環(huán)節(jié)，重視主甲板預制、管線預制等大權重作業(yè)而忽視支架預制與安裝的項目，往往會在總裝階段焦頭爛額、吃盡苦頭，所以需要對模塊支架進行專項管理。但支架種類繁多、樣式各異，數(shù)量極大的同時其預制和安裝周期又基本覆蓋了項目的2/3工期，采用傳統(tǒng)的表格式管理雖能滿足進度上的需求，但在日益緊張和嚴峻的“四大控制”環(huán)境下，傳統(tǒng)的管理模式在細節(jié)控制、成本優(yōu)化上還存在一定空間。

支架的設計數(shù)據(jù)構建主要體現(xiàn)在以下三方面內容：①支架設計數(shù)據(jù)庫要體現(xiàn)與其所支撐桿件的關聯(lián)；②要體現(xiàn)支架在模塊上的定位；③要體現(xiàn)其規(guī)格。我們采用如下數(shù)據(jù)格式，簡單闡述模塊化建造中對支架的數(shù)據(jù)化管理（見表5）。

表5 支架數(shù)據(jù)庫信息

支架的預制及安裝，雖然在模塊整體建造中所占權重極小，但因為工序限制，支架的預制以及安裝是后續(xù)涂裝一體化、管線安裝、托架安裝、設備安裝能否順利開展的關鍵，忽視了支架的重要性，則忽視了重大的進度和成本影響因素。將支架管理數(shù)據(jù)化，至少在三方面表現(xiàn)出深入細化管理的可能：①施工前瞻（根據(jù)支架預制安裝進展可以前瞻出哪些具體管線、托架多久后具備安裝條件）；②現(xiàn)場補漆規(guī)劃更加合理（結合支架坐標定位、油漆系統(tǒng)，以及生產數(shù)據(jù)分析，可以更加合理地判斷一個選定區(qū)域整體噴砂補漆的時機）；③車間涂裝預留的控制（結合支架位置、尺寸，從數(shù)據(jù)上即可判斷是否存在運輸碰撞、吊裝碰撞，即從數(shù)據(jù)分析上實現(xiàn)支架預留控制和跟蹤）。

2.1.5 涂裝專業(yè)

基于上述各專業(yè)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)加工編制出涂裝專業(yè)設計數(shù)據(jù)庫，仍以Pcs為最小單元，以桿件尺寸（桿件尺寸用以分析涂裝工作量、現(xiàn)場補漆工作量、車間噴涂時的占地面積情況）、涂裝面積、油漆系統(tǒng)、坐標（坐標信息用于總裝整體補漆管理）為具體信息。

2.1.6 其他

其他專業(yè)構建思路類同前文所闡述的五個專業(yè)的設計數(shù)據(jù)庫。

2.2 生產數(shù)據(jù)庫的構建

生產數(shù)據(jù)是在設計數(shù)據(jù)的基礎上，分別以前文所述的Pcs、焊口號或初步集成后的桿件號作為最小單元，按施工流程進一步劃分（顆粒度）。在流程基礎上，部分作業(yè)再以具體工序工步作為基礎屬性（顆粒度）。生產數(shù)據(jù)庫在開工前完成格式構建，在施工過程中通過各類生產記錄、報告、物流信息對框架進行補充完善。生產數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建主旨是：集成配送、生產、檢驗等多個職能和工作流程，提供實時更新的生產狀態(tài)及基礎數(shù)據(jù)（每個數(shù)據(jù)單元包括：授權人、登記時間、登記地點三項基本信息，建議采用手持移動端掃碼實現(xiàn)GPS定位和云端數(shù)據(jù)維護）。生產數(shù)據(jù)庫是支撐整個模塊建造生產系統(tǒng)順利運行的基礎保障，在生產計劃的驅動下，生產管理部門可以從多個維度提取數(shù)據(jù)進行工作包、工單管理，實現(xiàn)由繁到簡的分解、派發(fā)，直至每個工人每天手拿工單執(zhí)行具體操作。同時，生產數(shù)據(jù)庫也是項目進度分析、產能分析、成本回歸的重要數(shù)據(jù)來源。

下面按照模塊建造的幾個階段，對各階段生產數(shù)據(jù)庫構建闡述建議性的思路，下述表格化信息，每個單元需從三個維度來維護：人、時間、地點，從而保證數(shù)據(jù)的可追溯性和可回歸性，同時精確的掃碼定位數(shù)據(jù)可以為后續(xù)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)管理做好基礎和接口設置。

表6 預制階段Pcs號生產數(shù)據(jù)庫信息

表7 預制階段焊口號生產數(shù)據(jù)庫信息

表8 涂裝階段桿件號生產數(shù)據(jù)庫信息

表9 總裝階段桿件號生產數(shù)據(jù)庫信息

表10 總裝階段焊口號生產數(shù)據(jù)庫信息

完工階段，由于常規(guī)項目通常會設置完工系統(tǒng)來管理，前期構建中做好接口，在總裝后期將當前生產數(shù)據(jù)與完工系統(tǒng)實現(xiàn)對接。

3 基礎數(shù)據(jù)在模塊建造中的應用

基礎數(shù)據(jù)在進行深度開發(fā)和運用后，會在項目生產管理的多個方面產生較好的使用效果。比如：在采辦滯后的LNG模塊建造項目中，通過對數(shù)據(jù)庫的操作，可以清晰分析出采辦包中具體物資對建造進度的直接影響以及后續(xù)衍生影響，從而判斷出后續(xù)資源調整需求。下面結合項目實際應用，列舉數(shù)據(jù)化思路下的項目管理創(chuàng)新。

3.1 工作量前瞻

通常項目管理中的工作量前瞻的主要分析途徑是：通過圖紙和材料狀態(tài)，簡單判斷可施工工作量。在結合數(shù)據(jù)化思路后，運用兩個基礎數(shù)據(jù)庫，我們可以做更加深度的工作量前瞻，具體運用示例如下：①前面舉例的現(xiàn)場油漆修補，在兩個數(shù)據(jù)庫的支持下，生產管理人員可以快速、清晰地分析出在建模塊的一個目標區(qū)域內理論上有多少個動火點需要補漆、補漆面積是多少、分為幾個油漆系統(tǒng)、目前各點的施工檢驗狀態(tài)如何，假如動火作業(yè)完成率90%，生產管理人員可以結合當前人力情況安排對該區(qū)域集中打砂補漆工作。②一批支架批量完成預制，結合管線預制以及現(xiàn)場結構片總裝狀態(tài)，即可分析出在多久后有具體哪些管具備總裝條件，從而編制工單對單管進行精準配送。③結合涉及采辦的深度管理，甚至可以實現(xiàn)未來三個月或更久的資源需求評估和進度分析。

與傳統(tǒng)工作量前瞻相比，數(shù)據(jù)化后的工作量前瞻更加準確、具體和附帶邏輯。如將傳統(tǒng)的圖料匹配前瞻稱為“模糊前瞻”，那經(jīng)過數(shù)據(jù)化的工作量前瞻則為“精確前瞻”。“精確前瞻”是工廠化項目管理的進階管理工具，可以根據(jù)各層級管理人員的不同需求自行調整深度和定制分析模型。

3.2 工單管理

工單是指將精確的工作任務分派到個人或小組，工單中包括：具體的桿件、操作工藝、所用耗材、計劃完成時間等信息，工單是工廠化施工管理命令的載體。在完備的設計數(shù)據(jù)和生產狀態(tài)數(shù)據(jù)支持下，生產管理人員可以分解工作包和提取具體工單，同時根據(jù)生產動態(tài)和計劃需求，隨時調整配送、裝卸、下料、焊接等各類工單派發(fā)使生產建造更加流暢，大大降低人員窩工、設備待機的可能。

3.3 系統(tǒng)完工

在兩個基礎數(shù)據(jù)庫的支持下，系統(tǒng)完工可以實現(xiàn)更多的前置管理，系統(tǒng)下分為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)在設計數(shù)據(jù)庫的工作量分解下，可以具體至最小單元。同時，在系統(tǒng)完工的概念下，可以按照最小單元的施工狀態(tài)來回歸系統(tǒng)完工的整體狀態(tài)。

3.4 成本回歸

通過對生產記錄數(shù)據(jù)的回歸分析，可以分析個人的績效表現(xiàn)、一個階段內的整體功效，通過不斷優(yōu)化定額管理水平，可以提高工單管理的精確度，提升整體生產管理能力和成本精確評估實力。

4 結語

在日趨激烈的競爭下，人工成本日益增加，如何以更低的成本快速、安全地生產更高品質的產品將始終是海工行業(yè)不斷研究的課題。實現(xiàn)智能制造不僅降低人工投入，同時可以得到更加可靠和可控的輸出。大數(shù)據(jù)是智能化制造必需的要素，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、云計算的前提，將目標模塊數(shù)據(jù)化、生產流程數(shù)據(jù)化，是模塊化工廠建造項目實現(xiàn)智能建造的必經(jīng)之路。通過本文分析，得到了模塊實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)化和生產流程數(shù)據(jù)化的基本思路和各種分析模型，在各類信息化管理軟件和工程設計軟件的輔助下，配以智能化生產設備，兩個數(shù)據(jù)庫會得到更加深度的開發(fā)和應用。