浮式平台重量控制系统的设计与实现

李淑民，尹宝瑞，黄太安，张小刚，吴 航，李 伟

（海洋石油工程（青岛）有限公司设计部，山东青岛 266520）

浮式平台重量控制系统的设计与实现

李淑民，尹宝瑞，黄太安，张小刚，吴 航，李 伟

（海洋石油工程（青岛）有限公司设计部，山东青岛 266520）

作为浮式平台项目管理中的重要部分，浮式平台重量控制的好坏将直接关系到平台建造的成功与否。本文以实际项目为背景，运用PDCA循环控制理论，在浮式平台重量控制流程分析的基础上，着重研究了浮式平台重量控制过程中存在的主要问题及控制关键点，寻求了一种计算机辅助半自动化控制的方法。通过需求分析和系统设计，最终开发了浮式平台重量控制原型系统，可满足浮式平台重量控制对数据实时性监测、简化人员操作等需求。

浮式平台项目；重量控制；PDCA；系统设计

0 引言

深水浮式平台项目是典型的跨组织复杂项目并行协同ETO（engineering-to-order）和KP（one-of-a-kind production）过程，具有技术含量高、制造工艺过程复杂、建造环节多、建造部门多、变更频繁等生产特点。在实际建造过程中，由于钻井平台结构的部分修改、材料的更换、人员的操作失误和焊接质量标准变更等原因，平台在各个阶段的实际重量、重心值与设计时的预估重量、重心值相比，往往有较大的偏离。这不仅为后续作业埋下了安全隐患，还可能导致建造周期的延长和建造成本的增加。此外，操作人员在建造过程中，尤其是在装船、吊装等作业过程中，还要根据浮式平台的自身结构特点来准确控制平台整体的动力平衡。如何对平台完成重量控制目标，成为项目能否继续推进的关键因素[1]。

以往的建造经验表明，传统重量控制方法主要存在以下两个问题：1）各种数据主要靠事后采集汇总；2）实时性、集成性与可视化程度低[2]。同时传统方法过于依赖人工运作，无法保证重量重心控制流程相关的数据文件等在领导、设计部门和现场施工人员间可视化高效传递，造成不必要的工时、材料浪费。有学者将高精度压力传感技术、多油缸同步升降控制技术、液压自锁系统以及电气控制故障诊断等技术与同步称重系统相融合，研究了深水浮式平台的重量控制技术[3]。也有一些学者，从平台设计阶段进行了海洋平台重量控制的研究，解决了实际应用PDMS(Plant Design Management System)系统时存在的接口问题[4]。但对于平台建造过程中的如何在各部门各专业间高效传递实时重量重心数据、保证数据的准确性同时节约人工操作时间这一关键问题，国内外的研究较少。

本研究以实际企业项目为背景，根据业务流程分析结果，提出了浮式平台重量控制PDCA循环管理方法，并设计开发了浮式平台重量控制原型系统。使用计算机辅助工程技术代替部分人工操作，既可以满足在浮式平台建造阶段跟踪记录各部分重量的变化，以期形成统筹兼细化的重量控制报告，用以指导接下来的施工建造的要求，又能够改善传统人工手动计算、分析重量数据的方法，从而使重量控制更加便捷，具有现实意义和重大经济意义。

1 业务流程分析

不同的海洋工程企业所拥有的重量控制业务流程也存在着一定的差异。海洋石油工程（青岛）有限公司（下称：海油青岛公司）的重量控制过程可划分为设计阶段和建造阶段。涉及到的角色有领导、设计操作员、施工数据采集员和系统管理员，其组成及来源结构如图1所示。在设计阶段，设计操作员首先要根据详细设计方案进行重量控制的详细设计。这一过程主要包括：建立重量、重心模块的理论模型，统一规定坐标原点和坐标轴正方向、确定平台状态（站立状态或漂浮状态），并参考经验公式或百分法预估出各个预制单元和整个浮式平台重量、重心的理论值。其次，要根据现场反馈的实际情况（包括设备、场地和材料等）进行加工设计。这一过程需要确定焊接重量和涂装重量占结构重量的比例、钢材密度等信息，一般焊接重量取钢材重量的1.75%，涂装比率取1.5%。根据船厂的实际建造能力，也有焊接比例取2%-3%的[5]。加工设计修改后需要将其结果反馈给详细设计，由详细设计根据平台浮性、稳性等性能要求，做出调整后再交给加工设计，如此往复，直至寻求到可以满足双方要求的方案，最终形成图纸等生产指导文件，并最终形成重量控制标准。

图1 重量控制角色组成

在建造阶段，现场施工部门根据图纸、物料单和进度计划进行实际建造。每一个预制单元建造完成后都需要施工数据采集人员进行现场的重量、重心数据记录和采集，统计计算出总重量和重心坐标值，以表格形式提交到设计部。这一阶段最重要的过程是，设计操作员通过计算偏差和余量范围来分析、监测各阶段产品重量、重心累加值的变化是否异常。若偏差超出余量控制范围，则需要查询类似项目的控制报告或历史记录，提交调整方案甚至发出重控预警，经领导批准后，重新进行加工设计。必要时，还将修改详细设计，再次经历设计阶段的循环过程。领导主要负责浏览重量控制数据、查看重量控制报告，并就实施方案或调整方案提出指导性意见，核实、审批重量控制报告和调整方案。浮式平台倾斜试验符合要求后，重量控制结束；若不符合要求，则需要采取补救措施。海油青岛公司浮式平台重量控制流程，如图2所示。

2 浮式平台重量控制PDCA循环管理方法

PDCA循环是计划、执行、检查、处理的过程，以计划和目标控制为基础，通过不断的循环使结果得到持续的改进，推动项目管理的科学化、规范化[6]。就其过程和可交付成果而论，浮式平台的重量重心控制属于PDCA循环。在实际建造过程中，需要对各个阶段已完成的产品或模块进行量性称重，跟踪记录各个建造子单元和大、中、小组立的重量重心数据（D），同时与先期设计阶段的理论数据（P）进行对比分析（C），如发现偏差，则可及时采取措施进行调整[7]，并提交重量控制报告（A），进入下一阶段的PDCA循环。该报告不仅有利于对各预制单元或结构的重量、重心值进行评估和调整，指导下一阶段的现场生产，还将给相关部门提供量性指标，以便其做出技术或工艺方面的改善。浮式平台重量控制PDCA循环如图3所示。

图3 浮式平台重量控制PDCA循环

3 浮式平台重量控制系统设计

3.1 浮式平台重量控制系统功能模型

提取业务流程中非必要的人为动作，所开发的系统应能完成如下任务：1）读取、更新的重量重心数据；2）自动实时统计、计算重量重心值；3）可视化传递、展示与监控浮式平台重量控制相关业务数据；4）分项目数据管理，建造过程中的控制报告等统一存档管理，简化查询操作。

根据上述系统需求分析的结果，将浮式平台重量控制系统分为四个子模块：重量数据采集模块、重量控制模块、重量审批模块和重控权限设置模块。浮式平台重量控制模块功能树如图4所示。重量数据采集模块主要是分项目分专业导入、存储和更新数据，为满足重量控制对数据的实时性和准确性的要求，这里配置已有数据导入和现场数据添加两项数据采集功能，此外配有数据查找、更新、分类等功能。重量控制模块是本系统最为核心的模块，主要实现对重量数据采集模块保存的数据进行统计计算，并提供数据对比分析、可视化展示与监控的功能。

图4 浮式平台重量控制系统功能树

进一步细化解耦，将这一模块划分为重量控制计算、重量控制预警、重量控制总结报告、重量控制曲线和重量控制文件上传五个部分。在重量控制计算这一子功能块中，系统自动获取数据导入模块的数据，分项目分专业计算重量累加值、重心值及各结构部分的余量范围。计算公式如下：

其中Wi、Fi、Xi、Yi、Zi表示人工导入的重量、余量因子和重心值，WF、XF、YF、ZF为系统自动计算的相应数值，P表示现场余量WFS与理论余量WFT间的差值占理论余量的百分比。值得注意的是，这些公式既适用于整个项目，也适用于某个专业，甚至适用于某个结构单元，当不考虑余量范围时，系统会将余量因子记为1，重新计算各部分对应的值，从而大大节约了工时。为简化人员操作，这一功能块中还设置了多行联合修改功能，用户可以同时进行多行数据的修改。通过重量控制预警子功能块实现可视化结构单元状态。采用彩色进度条作为百分比P的显性标志，绿色表示数据正常，红色表示数据超标严重需要预警分析。此外，重量控制曲线子功能块可以自动分项目获取重量控制计算子功能块处理后的数据，并以时间-总重量曲线、时间-重心坐标曲线的形式直观展现出来。根据海洋工程的需要，通过时间-重量裕度曲线实时反映重量裕度变化情况，发出调整警告[8-9]。重量控制总结报告模块将根据重量控制处理后的数据和图表进行整理，打印成重量控制报告。这里生成的重量控制报告是借助阶段性数据整理生成的阶段性报告，以反馈产品建造状态；也可以是调整方案报告，用以交由详细设计部门进行相应的设计修改，最终在得到相关部门批准后编制形成平台建造阶段重量控制的指导文件。重控权限设置模块为系统管理模块，主要包含用户信息管理、维护系统更新和数据连接等几个主要功能。

3.2 浮式平台重量控制系统数据设计

为明确海洋重量控制模块数据传递情况，需要进行数据流分析。浮式平台重量控制系统数据流图如图5所示。其详细流程如下：1）设计操作员和现场数据采集员分别将理论重量数据和实际重量数据导入到系统中，这其中包括单个预制单元的编号、预制单元组成条目、预制单元组成条目重量数据等；2）重量、重心经过累加计算处理后形成累加单元（按建造顺序）的重量、重心值。设计操作人员设定重控数据的余量因子。系统会对结构单元理论的重量、重心值进行余量范围计算，并与相对应的实际重量重心数据的余量范围进行对比，对超出余量范围的数据进行标记。系统将累加的重量值和计算生成的重心值（实际值与理论值）传入重量控制曲线功能模块，生成时间-重量、时间-重心曲线图。3）所有输出的数据均需分项目储存到企业的历史信息库中，以供后续参考。整个平台重量控制过程中，均支持设备打印。

图5 浮式平台重量控制系统数据流图

4 浮式平台重量控制原型系统开发

本研究基于Java语言，选用B/S架构，应用MyEclipse企业级工作平台，Tomcat服务器和Oracle数据库进行原型系统的构建，验证了数字化浮式平台重量控制的可行性。图6为浮式平台重量控制系统的功能树与数据导入功能模块的展示，根据上述分析与设计，这里采用的是重控数据分项目和分专业管理。此外，在数据导入功能模块中还设置了Excel数据表格的自动导入功能，方便人员操作。

图6 浮式平台重量控制系统功能树、分项目分专业数据录入界面

图7为重量控制计算模块，该模块除可以对导入模块数据进行统计计算外，还可以自动捕捉数据导入模块的数据动态，保证了计算数据与导入模块数据的实时同步更新。根据前述设计，该模块另配有多行数据同时修改保存的功能，具体操作为，选取要同时更改的数据行，对其中某一行余量因子进行修改，点击设置选中行按钮，则数据自动进行更改，并显示为黄色背景，如图中所示，此时点击保存，则页面底端的统计计算数据也会发生相应的修改。该功能将大大简化企业人员对重控余量因子的频繁修改操作。

图7 重量控制计算页面展示

图8为重量控制过程可视化监控功能展示。包含重量控制预警界面和重量控制曲线界面，预警进度条则为操作人员清晰明了地展示了模块控制效果状态。红色为发出警报状态，设计操作员在查看过程中需要对其进行预警分析。若严重超出理论标准，设计操作员还必须制定并提交调整方案，此时系统将发送邮件给领导，通知其进行审核和批复。

图8 重量控制曲线界面展示

5 结束语

如何实现在决策管理层、设计层和操作层人员间，可视化传递、展示与监控浮式平台重量控制相关业务的实时、集成数据，是目前在浮式平台建造过程中亟需解决的问题之一。本文提出的基于PDCA循环的半自动化重量控制方法，并设计实现了浮式平台重量控制系统。通过使用重量控制数据计算模块，可以实现现场数据的实时统计与自动更新，减少人工劳动与作业时间；通过定期加载重量预警模块和重量控制曲线模块，可实现在建造过程中对平台重量、重心位置的全方位可视化监控，并为及时处理变更方案，指导下一步计划工作提供保障。

[1] 侯广信, 安维峥, 王文祥, 王建丰. 深水海洋平台重量控制方法研究[J]. 石油天然气学报,2013,35(07): 152.

[2] 李章锦, 刘检华, 唐承统, 庄存波. 面向复杂产品离散装配过程的电子看板系统实现与应用[J]. 计算机集成制造系统,2014,02:313.

[3] 史琪琪, 陈伟, 胡锦华, 李晟利, 于铭擀. 适用于海洋平台项目重量控制的PDMS系统二次开发研究. 2013能源材料与土木工程前沿技术国际会议论文集[C]. 北京:北京欣永顺文化传播有限公司, 2013,8:685-692.

[4] 吴煌, 宋峥嵘, 李林, 孟瑞, 王瑞萍, 万秀林. 能源材料与土木工程前沿技术国际会议2013论文集[C]. 北京:北京欣永顺文化传播有限公司,2013,8:671-677.

[5] 杨勤, 汤晶, 马鸿钢. 自升式钻井平台重量控制研究[J]. 船舶工程,2012,S2:181.

[6] 杜兴亮. 浅析PDCA循环法在工程项目管理中的应用[J]. 河南财政税务高等专科学校学报,2010(02):13.

[7] 刘理理. 先进的海洋工程管理技术应用研究[D].大连理工大学,2005.

[8] 刘玉君, 李瑞, 汪骥等. 海洋结构物重量控制软件系统开发研究[A]. 中国造船工程学会计算机应用学术委员会.

[9] 2011年CAD/CAM学术交流会议论文集[C].中国造船工程学会计算机应用学术委员会: 2011:5.

Design and Implementation of Weight Control System for Floating Platform

Li Shu-min, Yin Bao-rui, Huang Tai-an, Zhang Xiao-gang, Wu Hang, Li Wei

(Shop Design Dept. of COOEC Qingdao, Shandong Qindao 266520, China)

As a vital part of the project management of the floating platform, the quality of the weight control of the floating platform directly influences its construction. Taking an actual project as the background, adopting the PDCA theory and based on the process analysis of the weight control, the paper studies the main problem and the key control points during the weight control of the floating platform. A semi-automatic control solution aided by computer is proposed. Ultimately the prototype of the weight control system for the floating platform is developed, which is based on the requirement analysis and system design. The control system not only meets the real-in-time data supervision of the weight control of the floating platform, but also brings convenience to the operators.

floating platform project; weight control; PDCA; system design

TP399

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.001

国家“十二五”科技重大专项项目26课题2子课题“浮式平台建造、安装技术研究”（2011ZX05026-002-01)。

李淑民（1960-），男，教授级高工，研究方向：海洋工程。