海洋油氣平臺智能車間制造標準體系1

張怡敏，侯 星，甄希金，任 靜，董家琛，郭 威

0 引言

構建海上強國是綜合國力增強的必然需要，也是發展我國特色社會主義事業的重要組成部分。近年來，我國海洋工程裝備制造業快速發展，但目前國內開展的海洋工程裝備智能制造主要針對船舶行業，然而海洋油氣平臺與船舶行業有很大不同，核心配套產業上面臨結構性技術缺失與產能不足問題，因此加快推進海洋工程裝備工業智能化轉型是推動海洋工程裝備工業高質量發展的根本途徑，通過補齊短板、夯實基礎、標準規范引領、應用示范等4方面實現船舶工業質量、效率和動力變革，有效提升海洋工程裝備工業高質量發展能力。

制造業高端化、智能化、環?；l展所帶來的巨大發展契機。中國海洋工程船舶建造領域需要把握這一改造提升的重大契機，加速先進海洋油氣平臺建造工藝與大數據、云計算、物聯網、人工智能、5G 的新型技術深入結合，為打造智能車間、智能船廠，提供重要技術保障。為推動海洋油氣平臺建設智能建造轉化與提升，形成先進合理的海洋油氣平臺建設智能技術標準體系，有效發揮標準技術在海洋油氣平臺設計、建造、管理等整個生命周期中的重要支持帶動功能，全面增強海洋行業技術創新和全球綜合實力。

目前，我國海洋油氣平臺智能制造相關標準的建設工作缺乏對體系內涵、范圍、框架和建設重點領域的研究與確定，加強對海洋油氣平臺智能車間制造標準體系研究，明確智能制造標準對智能車間及生產協同應用的發展需求和適用性結論，形成海洋油氣平臺智能車間制造標準體系框架和建設重點，能夠為智能車間建設及技術升級創新提供科學指導。

1 海洋油氣平臺建造特點

海洋油氣平臺智能制造是圍繞海洋油氣平臺建造特點而展開，海洋油氣平臺建造具有以下特點：

1）海洋油氣平臺建造屬于離散制造

海洋油氣平臺行業不同于其他一般制造行業，屬于典型的離散制造行業，海洋油氣平臺其建造周期長，在制造過程中中間產品形式多樣、加工工藝流程復雜且準確度要求高等特點。

2）海洋油氣平臺供應鏈環境復雜，海洋油氣平臺供應鏈協同管理要求高

傳統海洋油氣平臺供應鏈環境復雜，上下游企業間存在大量“信息孤島”，整個流程存在供應商數量眾多且具有流動性、物流調度難控制、計劃多變、管理成本高等難題亟需面對和解決。因此在海洋油氣平臺建造過程中需要將設計、采購、計劃、配送、質量和生產多方面協同管理、合理優化資源，從而促進供應鏈上下游信息共享。

3）基于數據和模型驅動的海洋油氣平臺智能制造模式

目前，海洋油氣平臺建造采用基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術下的數字化設計系統，以數據處理與建模驅動為主要特點，將設計生產流程中具有動態感知、數據自主收集、智能分析等設計特征的過程數字化、智能化生產設備作為載體，實提供基于現場操作的三維過程可視化模擬與操作培訓，提高海洋油氣平臺數字化、智能化建造能力[1]。

4）智能制造技術在海洋油氣平臺行業中應用

在海洋油氣平臺建設過程中，成功運用了仿真與建模技術、物聯網技術、無線射頻識別高新技術、無線傳感器網絡、實時定位高新技術、信息與物理融合、網絡安全信息技術、協同信息技術、大分析發掘高新技術等多項智慧造船核心技術，將海洋油氣平臺建造與信息化深度融合，有效提高生產效率。

2 海洋油氣平臺智能車間制造標準體系架構

近年來，海洋油氣平臺建設工作正不斷地向智能、自動化、數字化等方面前進、引入了機器人、數控技術、高智能裝備, 并應用物聯網、虛擬仿真系統等先進技術，對整個生產網絡平臺實施了整體技術改造，在網絡平臺配備了生產信息資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）信息系統、生產信息管理（Product Data Management，PDM）、計算機輔助工藝技術流程系統設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）信息系統、生產制造實施（Manufacturing Execution System，MES）管理、物流執行（Logistics Execution System，LES）系統等信息系統。但由于缺乏統一的海洋油氣平臺智能車間制造標準，海洋油氣平臺生產資源、智能設備與信息系統之間難以有效協同制造、有效集成。

因此深入研究海洋油氣平臺智能車間制造基礎共性和標準需求，綜合分析海洋油氣平臺智能車間制造各維度邏輯關系，構建海洋油氣平臺智能車間制造標準體系架構，見圖1。

圖1 海洋油氣平臺智能車間制造標準體系結構圖

2.1 基礎共性標準

海洋油氣平臺智能車間制造標準體系框架中，基于共性標準主要包括通用標準、檢測標準、評價標準和安全標準等四大領域。

1）通用標準

通用標準用于統一海洋油氣平臺智能制造相關數據、參考模型、編碼標識、數據及智能制造相關概念，以便于船舶智能制造產品設計、生產、流通等各環節溝通交流，為海洋油氣平臺智能車間制造資源信息管理及數據集成、交互共享奠定基礎。

2）檢測標準

檢測標準主要用于指導海洋油氣平臺智能裝備與相關系統間的檢測流程和方法，保證其一致性、互聯互通及有效集成。

3）評價標準

評價標準主要用于對海洋油氣平臺智能車間制造開展考核評估，規范評價指標、能力、方法及過程，幫助車間識別智能制造差距，確立改進目標，加快車間升級改造，指導車間提高生產力。

4）安全標準

安全標準主要為了保證在海洋油氣平臺及智能車間生產領域內有關信息系統、網絡和數據的安全工作，且保證系統在危險事件時能夠正常履行安全功能，以防止因誤操作、裝置故障、系統功能損壞、或互相交叉干擾等而造成的安全事件產生。

2.2 關鍵技術標準

關鍵技術標準主要包含海洋油氣平臺智能生產軟件和大數據分析、智能車間、工業互聯網、新一代信息技術及智能服務等5 方面。

1）海洋油氣平臺智能制造軟件和大數據

通過海洋油氣平臺智能生產應用軟件與大數據分析技術在海洋油氣平臺智能車間生產流程中的橫縱融合，從大數據分析、應用、軟件整合、信息管理等四方面，建立了海洋油氣平臺生產流程中形成的大量異構多源信息的數據挖掘技術和信息的標準，為打通海洋油氣平臺的智能生產應用數據鏈和大數據分析整合應用奠定基礎。

2）智能車間

分析海洋油氣平臺建造流程及特點，可將智能車間標準建設分為智能裝備、智能生產線、互聯互通、大數據融合、制造執行和運營控制等6 方面。

（1）智能裝備主要包含海洋油氣平臺建造過程中切割、焊接、裝配、涂裝、加工、起重、檢測、物流、倉儲裝備等，根據海洋油氣平臺行業特點制定裝備控制及協同應用標準，規范其控制方法、數據采集存儲、集成、接口等，實現生產過程中智能裝備、操作人員及生產環境的協同。

（2）智能生產線主要包含零部件生產線、鋼材切割生產線、型材切割生產線、激光焊接生產線、平面分段生產線、甲板片體預制生產線、構件生產線、鋼結構制管生產線等，通過分析各生產線特性,建立了海洋油氣平臺產業中的設備與設備集成、設備與系統集成的共性技術標準。

（3）互聯互通基于海洋油氣平臺建造過程中的共性技術，制定海洋油氣平臺工業物聯網、海洋油氣平臺工業控制網、海洋油氣平臺工業云平臺及大數據集成平臺相關標準。

（4）數據融合針對海洋油氣平臺建造過程中產生的工藝數據、設備運行狀態數據、制造過程數據及倉儲物流數據，分析數據特點及共性從而制定數據融合標準。

（5）車間制造執行主要通過研究車間資源配置、工藝執行、生產計劃調度、設備運行管理、生產質量管控及倉儲物流調度等關鍵技術方面制定相關標準。

（6）運營管控主要包含企業信息資源計劃（ERP）信息系統、生產信息管理（PDM）、高級計劃與排程（Advanced Planning System，APS）信息系統、生產制造執行（MES）系統、倉儲物流（Warehouse Management System，WMS）管理系統、物流執行（LES）系統、客戶關系管理（Customer Relationship management，CRM）系統及個性化定制平臺。

3）工業互聯網

針對工業設備、控制系統、信息系統之間網絡互聯要求和連接生產資源、公共網絡要求，制定車間內/外網標準。

根據工業設備、控制器、信息系統內部的網絡互連條件以及連接生產設備資源、公共網絡條件,建立了車間內/外部的網絡標準.根據工業互聯網內應用網絡設備功能、接口、界面、特性等的技術特點, 制訂了網絡設備標準.針對工業互聯網涉及的地址、無線頻率等資源使用管理要求和網絡運行管理要求制定網絡資源管理標準。

4）新一代信息技術

（1）梳理海洋油氣平臺智能車間制造場景數字化定義、知識庫構建等通用要求，制造過程實時數據采集分析、智能決策、協同管控等關鍵技術要求，制定人工智能應用標準。

（2）梳理海洋油氣平臺智能車間制造過程通用要求、互聯互通、虛擬現實、增強現實、人機交互等應用標準。

（3）梳理海洋油氣平臺智能車間制造邊緣計算所涉及的架構、計算及存儲安全要求等制定邊緣計算應用標準。

（4）梳理海洋油氣平臺智能車間所需5G 網絡節點覆蓋范圍、流量密度、移動性、大數據傳輸速率、穩定性、時延率等要求制定車間5G 應用標準。

5）智能服務

智能服務主要包括個性化定制、供應鏈協同管理和遠程運維等3 部分。個性化定制標準主要包括根據不同海洋油氣平臺智能車間的業務需求、工藝流程、生產管理等制定個性化技術標準。供應鏈協同標準包括平臺及應用標準、車間生產流程、設備資源優化配置標準等；遠程運維標準主要包括車間設備遠程運維的通用架構、接口標準、知識庫、安全標準、狀態檢測、應急管理及故障診斷等。

2.3 車間應用標準

車間應用包括上部模塊車間、甲板片體切割加工車間、鋼結構制管加工車間、切管車間、噴涂車間、導管架單片預制場地、鋼樁及隔水套管接長場地、組塊單片預制場地、甲板片預制場地等重點區域。梳理各車間的總體規劃、工藝流程、零部件分類、產品流向編碼、智能裝備、智能生產線、聯網管控、質量（精度）檢測、倉儲物流、信息系統、控制系統等制定對應區域規范。

2.4 海洋油氣平臺智能車間制造新模式

在基礎共性標準、關鍵技術標準的基礎上，通過整合智能裝備、工業軟件、設備聯網控制實現車間設備層、控制層、管理層之間的數據融合、系統集成、互聯互通，促進海洋油氣平臺智能車間升級，形成海洋油氣平臺智能車間制造新模式。海洋油氣平臺智能車間制造新模式包括海洋油氣平臺產品一體化數字設計、船舶產品全生命周期智能制造、車間全流程網絡化協同和車間設備遠程運維保障等[2]。

3 海洋油氣平臺上部模塊智能車間制造標準示例

海洋油氣平臺上部模塊車間的生產任務牽涉到各類設備、場地、工人等生產資源，種類繁多，工藝過程較為復雜，且車間制造過程存在生產信息追溯難、車間生產數據的采集效率低下、對生產過程信息掌控性差等問題。單靠管理者的經驗來對資源進行平衡運用與優化配置, 已經很難適應現代海洋油氣平臺建設模式的發展要求。盡管海洋油氣平臺上部模塊車間已經引入數字化智能裝備、ERP、PDM、MES 等信息化系統，但與先進海洋油氣平臺智能制造國家相比，在設備、技術、生產管理等方面都存在一定的差距。為提升海洋油氣平臺上部模塊生產車間正常執行運轉任務的綜合效能, 并提高中間生產的品質管理水平, 需要對海洋油氣平臺的上部模塊生產車間進行作業計劃、制造流程、生產質量、庫存物流、設備操作、信息系統協同管理工作等全面控制, 并進行船舶產品的全生命周期管控和船舶車間數字化、智能、自動化、互聯網、集成管理生產[3]。

以海洋油氣平臺智能車間制造標準體系中的海洋油氣平臺上部模塊智能車間生產為例，構建具有四層次的海洋油氣平臺上部模塊車間智能制造標準架構，見圖2。

圖2 海洋油氣平臺上部模塊智能車間制造標準架構

1）海洋油氣平臺上部模塊生產全流程規范其主要工藝流程包括甲板片體建造、鋼結構制管、海管接長、特種設備生產、工藝管加工制作、涂裝作業、總裝作業建造工藝。

2）海洋油氣平臺上部模塊智能車間的網絡架構由車間級網絡、主干控制網以及設備組網控制網形成，實現設備數據通過網絡與車間系統數據中心對接。海洋油氣平臺上部模塊智能車間內切割設備、生產線、焊接工作站、精度在線檢測裝備及車間內對應底層智能設備，采用無線通信、藍牙芯片組、LoRa、Zigbee 等信號傳感的技術方法，以實現與車間設備互聯互通。

3）規范海洋油氣平臺上部模塊智能車間制造過程全流程數據描述，通過分析海洋油氣平臺上部模塊制造流程中包含的關鍵數據，整合生產信息數據、設備信息數據、各工位數據結構，建立了海洋油氣平臺上部模塊生產全過程的多維數據結構描述模式。

4）在分析網絡結構和數據結構的基礎上，對海洋油氣平臺上部模塊制造管控包括生產過程中涉及的車間計劃排程與調度、工藝執行與管理、質量全流程追溯和設備管理過程進行規范。

針對海洋油氣平臺上部模塊制造過程中涉及到的3 個典型應用場景：高級計劃制造計劃排程與調度、海洋油氣平臺上部模塊建造質量分析與工藝流程優化和重要設備狀況的現場監控與故障警示，建立了典型應用場景的智能控制標準。

1）基于海洋油氣平臺上部模塊生產過程中工單數據、計劃數據和設備運行數據，對生產調度人員所提出的計劃排程方法進行了比較研究，考慮實際海洋油氣平臺上部模塊交付日期和車間工位的周轉時間，并預留生產緩沖期，再對制造計劃重新作出負荷的生產調度決定，并重新計算調度后的工序生產準備計劃。高級生產計劃排程與調度應用場景流程圖見圖3。

圖3 高級計劃排程與調度應用場景流程圖

2）基于海洋油氣平臺上部模塊建造工藝大數據，包括工藝、運行、設備數據，多項動靜態關聯分析，搭建海洋油氣平臺上部模塊建造質量全要素分析與預測模型，分析設備類型、加工時間、物料數量、材質、尺寸大小是否合理，并對工藝指令、環境溫濕度等參數進行優化。段建造質量分析與工藝優化應用場景流程圖見圖4。

圖4 分段建造質量分析與工藝優化應用場景流程圖

3）以海洋油氣平臺上部模塊生產設備互聯互通為基礎，對海洋油氣平臺上部模塊建造設備狀況信息進行采集，搭建設備狀態實時監控與故障警示模型，對數據進行篩選過濾、分類存儲，并拖過卷積神經網絡、決策樹、隨機森林、支持向量機等，進行設備狀態實時監控和設備故狀態事故警示，對設備進行定期維護保養。設備狀態實時監控與故障預警應用場景流程圖見圖5。

圖5 設備狀態實時監控與故障預警應用場景流程圖

4 結論

本文通過對海洋油氣平臺智能車間建造規范體系及框架規范進行深入研究，綜合分析了海洋油氣平臺智能車間制造標準體系架構圖，提出海洋油氣平臺智能車間架構，涵蓋了海洋油氣平臺建造生命周期資源全要素、系統協同集成、互聯互通、多源數據融合、制造執行和運行管控，為開展海洋油氣平臺智能車間制造標準制定和驗證提供了基礎，對推進我國海洋油氣平臺智能制造相關標準的建設工作具有重要作用。