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离散型海洋油气装备制造业的数字化和智能化转型探究 贺 辰,罗 超,刘世聪,亢冬春,王 亮(海洋石油工程股份有限公司,天津 3 0 0 4 6 1)摘要 本文首先阐述了数字化和智能化技术对制造业的影响,详细介绍了智能制造相关的前沿技术,并对最新的行业现状进行简要分析。然后,结合当前海洋石油工程行业中的装备制造独有的特点深度剖析,阐明了离散型装备制造这一特点给海洋石油工程带来的痛点。最后,针对离散型制造的实际情况,结合多年积累的现场实际,通过三维模型设计、智能机器人等多维度关键技术,探究了数字化和智能化转型。关键词 海洋油气装备;智能化;数字化中图分类号:T E 5 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 1 0 6 0 6d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.1 7R e s e a r c h o n D i g i t a l a n d I n t e l l i g e n t T r a n s f o r m a t i o n o f D i s c r e t e O f f s h o r e O i l a n d G a s E q u i p m e n t M a n u f a c t u r i n g I n d u s t r yH E C h e n,L UO C h a o,L I U S h i c o n g,K A N G D o n g c h u n,WA N G L i a n g(O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o.,L t d.,T i a n j i n 3 0 0 4 6 1,C h i n a)A b s t r a c t T h i s p a p e r f i r s t l y e x p o u n d s t h e i m p a c t o f t h e a p p l i c a t i o n o f d i g i t a l t e c h n o l o g y a n d i n t e l l i g e n t o n t h e m a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y t e c h n o l o g y i n t h e f i e l d o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y.T h e c u t t i n g-e d g e t e c h n o l o g i e s r e l a t e d t o i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n g a r e t h e n i n t r o d u c e d i n d e t a i l,a n d t h e l a t e s t i n d u s t r y s t a t u s q u o i s b r i e f l y a n a l y z e d.T h e n,i n v i e w o f t h e u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s o f e q u i p m e n t c o n s t r u c t i o n i n t h e c u r r e n t o f f s h o r e p e t r o l e u m e n g i n e e r i n g i n d u s t r y,w e c o n d u c t s a n i n-d e p t h a n a l y s i s,a n d c l a r i f i e s t h e p a i n p o i n t s b r o u g h t t o o f f s h o r e p e t r o l e u m e n g i n e e r i n g b y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d i s c r e t e e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n g.F i n a l l y,a c c o r d i n g t o t h e c u r r e n t s t a t u s o f d i s c r e t e m a n u f a c t u r i n g,w i t h t h e f i e l d p r a c t i c e a c c u m u l a t e d o v e r t h e y e a r s,t h r o u g h 3 D m o d e l d e s i g n,i n t e l l i g e n t r o b o t s a n d o t h e r m u l t i-d i m e n s i o n a l e x p l o r a t i o n t h e d i g i t a l a n d i n t e l l i g e n t t r a n s f o r m a t i o n a r e s t u d i e d i n t h i s p a p e r.K e y w o r d s o f f s h o r e o i l a n d g a s e q u i p m e n t;i n t e l l i g e n t;d i g i t i z i n g0 智能制造现状我国智能化制造行业取得了前所未有的发展,这给海洋油气工程装备制造等传统建造行业带来了转型变革的良好机遇。“十三五”国家战略性新兴产业发展规划 和 中国制造2 0 2 5 明确提出,重点发展海洋工程装备,掌握重点配套设备集成化、智能化、模块化设计,将智能制造技术的应用作为海工装备领域的主攻方向之一1、2。智能制造(I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r e)具有迭代学习、分析决策、高效动作、环境检测等显著特点。首先,智能制造是工业化发展的高级阶段。由一种技术取代另一种,推动工业制造不断演变。其次,智能制造是信息化与工业化高度融合的新一代制造系统,包括信息物理系统、高精度感知控制、虚拟设备集成总线、云计算、大数据和新型人机交互等多项核心技术。智能制造可以对建造和设计之间的关系产生深远变化,使建造和设计“互认互联”,作者简介:亢冬春(1 9 8 2),女,硕士,主要从事海洋石油工程项目、科研项目的概预算、经济评价、合同管理等领域的研究工作。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 3第2期贺辰,等:离散型海洋油气装备制造业的数字化和智能化转型探究1 0 7 达到建造和设计的线上连接,最终达到提质增效的运营目标,给客户交付定制化的优质服务或货物。智能制造可实现个性化的需求,而在智能化的过程中,可以实现“定制化量产”。这个量产不是“数量”的概念,而是快速生产的效率含义。以往,企业最不愿接的业务就是离散化非量产的业务,而智能制造就是要解决这个问题。目前,国内在云计算、大数据、5 G、人工智能、数字孪生和工业机器人等智能制造相关方面已取得很大的研究进展3。为适应世界发展潮流,提高企业核心竞争力,国内的汽车、电子和航天等相关行业纷纷向智能制造领域迈进,并通过引进工业机器人、3 D打印机、智能传感器、智能数控机床、智能物流仓储以及智能检测与装配装置等技术与装备,完成了企业的智能化升级,实现从传统制造业向现代智能制造业转型4。传统海洋石油工程建造企业的智能制造能力提升,一般经历自动化、数字化、智能化三大阶段。自动化执行阶段包含移动自动化机器人、加工自动化数控机床、数据自动化E R P系统等。数字化集成阶段包含C P S信息物理系统设备互联、C 2 M个性化按需定制产品配置器、C I M S计算机集成制造虚拟制造等。在智能化处理阶段,产品的追溯能力转变为自知能力,物流的提前规划转变为实时自流,设备的数据交互转变为自主处理,系统的数据处理转变为智能分析,等等。离散型海洋油气装备制造业的数字化和智能化转型需要理性规划、循序渐进地实现智能制造的目标。以设计为龙头,贯穿生产建造、安装、调试等技术服务,以及工程项目管理等制造活动各个环节,以高效信息化自动化为目标,以智能制造基地为依托,主要建造活动网络化智能化,打通端到端的核心流程,提供决策支持的数据保障。1 海洋油气工程特点分析随着近些年人们对油气的重度依赖,石油和天然气工业得到了稳步发展,尤其在石油和天然气资源争端不断的世界格局背景下,各个区域更加注重油气资源的开采。海洋油气资源是国家最重要的宝贵资源之一,海洋油气工程行业日益壮大发展。在信息技术和人工智能的助推下,传统海洋油气工程行业迎来了前所未有的转型发展前景。离散化是传统海洋油气装备制造业的突出特点之一。由于不同海域、复杂海洋地质环境、油气资源状态等因素,海洋油气工程的设计建造具有较强的独特性。每一座海洋油气平台需个性化定制开发,且建造环节离散化程度高。传统离散制造行业普遍存在自动化、数字化水平较低,基础支撑技术薄弱,产品附加值低,制造过程资源、成本和能耗较高,污染严重等问题。因此,发展智能制造是推进离散制造行业提质增效、促进中国制造业由大变强的重要支撑。离散制造行业的产品通常是由多个零件经过一系列不连续的工序加工,再经装配而成的较大型系统5,如图1所示。图1 传统离散型海洋油气工程装备制造流程架构图F i g.1 T r a d i t i o n a l d i s c r e t e o f f s h o r e o i l a n d g a s e n g i n e e r i n g e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s a r c h i t e c t u r e d i a g r a m 在海洋油气平台设计和建造中,通常采用常规的设计理念;如图2所示,基本设计、详细设计、加工设计、陆地建造、海上安装等各阶段相对独立,未深入融合。此外,设计成果连续性差、图料匹配困难、建造和安装施工期间问题较难提前识别,并且人机工程方面缺少系统、全局考虑。1 0 8 海洋工程装备与技术第1 0卷图2 时间维度的海洋油气装备制造流程框图F i g.2 B l o c k d i a g r a m o f t h e o f f s h o r e o i l a n d g a s e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s i n t h e t i m e d i m e n s i o n 采用单线程的传统分层分部建造,涉及结构、机械、配管、电仪讯、舾装、涂装等多工种多专业,往往出现生产效率低、高空作业多、预安装不足、管线设备易干涉、舾装涂装作业干扰、耗费人机料的情况,如图3所示。基于以上分析,迫切需要从海洋油气装备的设计与建造入手,打破传统离散型制造业固有模式,以价值链为导向,引入系统工程、精益设计理念,与数字化、智能化紧密结合,开展海洋油气装备制造业转型。图3 业务维度的海洋油气装备制造流程框图F i g.3 B l o c k d i a g r a m o f t h e o f f s h o r e o i l a n d g a s e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s i n t h e b u s i n e s s d i m e n s i o n2 数字化智能化与现场结合提升效率根据多年海洋油气装备制造现场经验,从三维模型设计、标准化制定、智能机器人等数字化智能化关键技术方面进行转型探究,以达到产品制造业提质增效目的。2.1 无人油气平台无人油气平台是自动化智能化程度最高的海洋油气生产平台,通过一体化协同运营中心,采用云部署,依托三维可视化、动态机理模型、机器学习、A R/V R等数字孪生技术体系,实现远程和无人化作业。在无人化平台改造和设计中,对于不同规模和特点的海上生产设施,要分清类别,区别对待要建造的无人平台和老旧无人平台的设计。已建平台主要考虑通过改造,实现远程操作,降低操作成本;然后,再逐渐深入演化到数字孪生实施和应用。而新建平台从一开始就进行数字化规划,考虑数字化和智能化需求的无人化、少人化解决方案。无人油气平台建设的基础是制定统一的长期数字化战略规划,加强信息化系统建设,尤其是信息化基础设施建设。统一的数据收集/集成平台和更加可靠耐用的基础硬件(如自控系统、电控阀门、传感器等)也是必要条件之一。2.2 三维模型设计通过对大量海洋油气装备制造项目的研究,在上部模块设计和建造中,不断探索创新,不断持续优化,总结了十余个项目丰富经验,采用数字化精益协同设计技术及系统集约化建造技术,取得了良好的经济效益及社会效益。第2期贺辰,等:离散型海洋油气装备制造业的数字化和智能化转型探究1 0 9 常规项目海洋油气平台总体布置主要由总体专业基于二维布置图确定,受设计人员经验及总图输入条件等多方面限制,平台空间一般相对保守。但全专业前期直接参与三维设计,总体布置由单专业确定变为多专业共同优化。通过设置多层设备、罐与结构集成化、设置夹层平台、优化平台结构,实现多专业共架,实现平台面积利用率的提高。在海洋油气装置制造过程中,构建一套基于数字化精益协同设计和系统集成化建造的海洋油气平台上部模块技术体系。研究开发基于数字化三维空间紧凑式布置的上部模块设计技术,提高空间利用率。采用跨专业跨阶段的上部模块协同设计技术,缩短了整体设计周期。基于人机工程学的环境友好形设计理念的上部模块设计技术,提升建造、安装、操作、维修的便利性和用户体验。基于运筹学理论优化并改进上部模块建造工艺流程来缩短生产周期。基本设计期间开始三维建模,提前确定总体方案,详细设计继承基设模型,渐进优化。面向集成化建造的三维分区设计,解决图料匹配的难题,为并行建造奠定图、料基础。实现L i n e l i s t中管线信息直接输出到I S O图,解决加工设计阶段手动录入管线设计数据时耗时、易错的难题。优化管支架详图基准点位置,避免支架安装时倒算坐标点;支架体现重量、重心,方便建造估算分包工程量。2.3 标准化制定在推进海洋油气装备制造业向数字化和智能化转型的过程中,探索了标准化的实施工作。编制标准化专项工作总体 实施策略 和 总体计划,成立技术创新攻关小组等,推进标准化工作。专业单元标准化制造技术包括模块化车间预制建造技术、板橇/模块化生活楼标准化技术、安装件标准化技术。在海洋油气平台导管架细分专业单元的智能制造方面,推动实现导管架直腿化。导管架由斜腿改直腿,已规划完成一套四腿中型导管架标准化图纸和计算模型。推动结构杆件、桩径的轻量化设计,减少种类和数量,并增强通用性。实现导管架T K Y节点标准化,大幅提升总装效率。完成T K Y节点模拟制造,如图4所示。针对过程中遇到的问题攻关研究,计划形成基于T K Y节点产品化导管架总装方案,提升总装效率。将T K Y节点标准化制造应用于实际项目导管架建造中,与传统建造方式相比可实现总装周期压缩的效果。图4 导管T K Y节点模拟建造过程F i g.4 C a t h e t e r T K Y n o d e s i m u l a t i o n c o n s t r u c t i o n p r o c e s s2.4 智能机器人在离散型海洋油气装备制造领域,广泛使用具有高精度环境感知功能的智能巡检机器人和带有多轴机械臂式工业机器人。随着机器人应用大步走进工厂车间进而遍布各个制造环节,企业也将乘势打造全新互动和影响模型,开启机器人应用新领域。若以海洋油气工程强国为最终目的,则要从硬件和软件两方面进行突破。软件方面,需要转换传统海洋石油工程模式,采用数字化手段提升软实力。硬件方面,则需要在智能化装备设置上下功夫,采用智能机器人技术、智能生产基地改造等措施。提高海洋油气装备制造的自动化、机械化、智能化水平,对提高生产效率和产品质量,缩短造船周期都具有重要意义。在海洋油气装备制造的实践中,采用具有性能稳定、工作空间大、运动速度快等特点的焊接机器人。以油气生产平台上的马脚、支架、地漏等工件1 1 0 海洋工程装备与技术第1 0卷作为焊接机器人的加工对象,进行了探索性的机器人焊接的研究。主要围绕智能制造中的机器人这项关键技术的应用,将理论上设计优秀、动作误差极小的机器人,应用于组对精度低、实际工作误差大的工件焊接。在实际工作中,要确定机器人的安装、操作台的摆位、焊接工艺参数设计和机器人动作程序等,从而提高机器人工作效率,获得良好焊接效果,如图5所示。图5 机器人焊接工作现场F i g.5 R o b o t w e l d i n g w o r k s i t e2.5 智能制造基地智能制造基地依托5 G或W i F i等无线或有线网络,将车间、场地、码头的机器设备等生产要素联通,形成深度融合的柔性定制化信息化海洋油气装备的制造体系。智能制造基地具有互联、定制、可视三大能力。在互联方面,可以实现虚拟设计、实体制造、虚实融合。全流程互联使各专业全流程共创共享。在定制方面,按需设计、按需预制、按需组装。通过智能互联,模块化、自动化、智能化生产,智能物流,根据不同装备的个性化定制,快速响应,快速建造。在可视方面,生产全流程透明可视。各工件工序生产情况以及运送情况,可以实时地推送和快速查询。智能制造基地实现的基础条件包括模块化、自动化、智能化。需要颠覆传统制造模式,构建以产品交付为中心的大规模个性化定制模式。其中,模块化是实现海洋油气装置定制的基础。根据不同海洋油气平台情况设计机械和电气设备、各管路等的功能及投产能力。智能制造基地在生产制造过程中只需改变相对应的模块即可,而不是重新设计新产品。结合数字化智能化发展的大环境,按照智能制造基地和海洋油气装备制造的具体要求,设计海洋油气装备制造基地,使其具有较高的智能制造水平,如图6所示。作为典型的离散型制造基地,海洋油气装备制造基地在人员、技术、资源、制造四大能力要素方面较传统制造业有较大提升。整体设计在组织战略、数据、信息安全、装备、工艺设计、生产作业等多个能力子域具有较高水准。图6 离散型海洋油气装置制造基地设计图F i g.6 D e s i g n o f d i s c r e t e o f f s h o r e o i l a n d g a s p l a n t m a n u f a c t u r i n g b a s e3 总结与展望通过几十年对离散型海洋油气装备制造项目的探究,在数字化和智能化转型的过程中,需要重点关注的7个关键因素:首先是企业的生产管理制度要跟上数字化智能化转型的理念;第二,定制化的制造模式需要充分考虑运用敏捷开发技术;第三,注重小投入大产出的高效细致管理模式;第四,运用数字技术和人工智能提高产品质量;第五,智能制造基地的空间规划结合三维建模和数字孪生技术,同时具备物流优化,产线评估能力,验证建造操作可达性,装配过程路径分析,物料搬运过程模拟等仿真;第六,设备管理方面包含设备基准、设备综合分析、设备点/巡检、设备台账、设备润滑等内容,逐渐提高设备预防性能力;第七,能源管理包含水、电、蒸汽等数据收集,能源统计分析。未来,通过离散型海洋油气装备制造的数字化和智能化转型,可以进一步统一数据标准,规范流程,提高企业综合管理水平,并大幅度提高产品合格率。通过生产智能制造系统改造,使生产协同一致,再配套业务大数据平台,计划安排生产,提高关键资源的利用率,工期将大大缩短。通过生产制造第2期贺辰,等:离散型海洋油气装备制造业的数字化和智能化转型探究1 1 1 系统数字化智能化改造,使生产中各环节数据准确唯一并充分共享,提高生产效率,以适应市场的快节奏变化,新产品开发周期减少,提高企业经营K P I指数,推动行业快速发展。参 考 文 献1陈荣旗.海洋油气生产装备智能制造发展现状及前景展望J.中国海上油气,2 0 2 0,3 2(4):1 5 2 1 5 7.2周国平.对接国家战略推进上海海洋工程产业创新发展J.船舶与海洋工程,2 0 1 4,(2):1 8.3万志远,戈鹏,张晓林,等.智能制造背景下装备制造业产业升级研究J.世界科技研究与发展,2 0 1 8,4 0(3):3 1 6 3 2 7.4严帅,张紫君,张青阳,等.广州市智能装备产业集群发展现状及对策J.科技管理研究,2 0 1 9,3 9(1):1 3 7 1 4 8.5李新宇,李昭甫,高亮.离散制造行业数字化转型与智能化升级路径研究J.中国工程科学,2 0 2 2,2 4(2):6 4 7 4.