海洋油气平台智能车间制造标准体系1

张怡敏，侯 星，甄希金，任 静，董家琛，郭 威

0 引言

构建海上强国是综合国力增强的必然需要，也是发展我国特色社会主义事业的重要组成部分。近年来，我国海洋工程装备制造业快速发展，但目前国内开展的海洋工程装备智能制造主要针对船舶行业，然而海洋油气平台与船舶行业有很大不同，核心配套产业上面临结构性技术缺失与产能不足问题，因此加快推进海洋工程装备工业智能化转型是推动海洋工程装备工业高质量发展的根本途径，通过补齐短板、夯实基础、标准规范引领、应用示范等4方面实现船舶工业质量、效率和动力变革，有效提升海洋工程装备工业高质量发展能力。

制造业高端化、智能化、环保化发展所带来的巨大发展契机。中国海洋工程船舶建造领域需要把握这一改造提升的重大契机，加速先进海洋油气平台建造工艺与大数据、云计算、物联网、人工智能、5G 的新型技术深入结合，为打造智能车间、智能船厂，提供重要技术保障。为推动海洋油气平台建设智能建造转化与提升，形成先进合理的海洋油气平台建设智能技术标准体系，有效发挥标准技术在海洋油气平台设计、建造、管理等整个生命周期中的重要支持带动功能，全面增强海洋行业技术创新和全球综合实力。

目前，我国海洋油气平台智能制造相关标准的建设工作缺乏对体系内涵、范围、框架和建设重点领域的研究与确定，加强对海洋油气平台智能车间制造标准体系研究，明确智能制造标准对智能车间及生产协同应用的发展需求和适用性结论，形成海洋油气平台智能车间制造标准体系框架和建设重点，能够为智能车间建设及技术升级创新提供科学指导。

1 海洋油气平台建造特点

海洋油气平台智能制造是围绕海洋油气平台建造特点而展开，海洋油气平台建造具有以下特点：

1）海洋油气平台建造属于离散制造

海洋油气平台行业不同于其他一般制造行业，属于典型的离散制造行业，海洋油气平台其建造周期长，在制造过程中中间产品形式多样、加工工艺流程复杂且准确度要求高等特点。

2）海洋油气平台供应链环境复杂，海洋油气平台供应链协同管理要求高

传统海洋油气平台供应链环境复杂，上下游企业间存在大量“信息孤岛”，整个流程存在供应商数量众多且具有流动性、物流调度难控制、计划多变、管理成本高等难题亟需面对和解决。因此在海洋油气平台建造过程中需要将设计、采购、计划、配送、质量和生产多方面协同管理、合理优化资源，从而促进供应链上下游信息共享。

3）基于数据和模型驱动的海洋油气平台智能制造模式

目前，海洋油气平台建造采用基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术下的数字化设计系统，以数据处理与建模驱动为主要特点，将设计生产流程中具有动态感知、数据自主收集、智能分析等设计特征的过程数字化、智能化生产设备作为载体，实提供基于现场操作的三维过程可视化模拟与操作培训，提高海洋油气平台数字化、智能化建造能力[1]。

4）智能制造技术在海洋油气平台行业中应用

在海洋油气平台建设过程中，成功运用了仿真与建模技术、物联网技术、无线射频识别高新技术、无线传感器网络、实时定位高新技术、信息与物理融合、网络安全信息技术、协同信息技术、大分析发掘高新技术等多项智慧造船核心技术，将海洋油气平台建造与信息化深度融合，有效提高生产效率。

2 海洋油气平台智能车间制造标准体系架构

近年来，海洋油气平台建设工作正不断地向智能、自动化、数字化等方面前进、引入了机器人、数控技术、高智能装备, 并应用物联网、虚拟仿真系统等先进技术，对整个生产网络平台实施了整体技术改造，在网络平台配备了生产信息资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）信息系统、生产信息管理（Product Data Management，PDM）、计算机辅助工艺技术流程系统设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）信息系统、生产制造实施（Manufacturing Execution System，MES）管理、物流执行（Logistics Execution System，LES）系统等信息系统。但由于缺乏统一的海洋油气平台智能车间制造标准，海洋油气平台生产资源、智能设备与信息系统之间难以有效协同制造、有效集成。

因此深入研究海洋油气平台智能车间制造基础共性和标准需求，综合分析海洋油气平台智能车间制造各维度逻辑关系，构建海洋油气平台智能车间制造标准体系架构，见图1。

图1 海洋油气平台智能车间制造标准体系结构图

2.1 基础共性标准

海洋油气平台智能车间制造标准体系框架中，基于共性标准主要包括通用标准、检测标准、评价标准和安全标准等四大领域。

1）通用标准

通用标准用于统一海洋油气平台智能制造相关数据、参考模型、编码标识、数据及智能制造相关概念，以便于船舶智能制造产品设计、生产、流通等各环节沟通交流，为海洋油气平台智能车间制造资源信息管理及数据集成、交互共享奠定基础。

2）检测标准

检测标准主要用于指导海洋油气平台智能装备与相关系统间的检测流程和方法，保证其一致性、互联互通及有效集成。

3）评价标准

评价标准主要用于对海洋油气平台智能车间制造开展考核评估，规范评价指标、能力、方法及过程，帮助车间识别智能制造差距，确立改进目标，加快车间升级改造，指导车间提高生产力。

4）安全标准

安全标准主要为了保证在海洋油气平台及智能车间生产领域内有关信息系统、网络和数据的安全工作，且保证系统在危险事件时能够正常履行安全功能，以防止因误操作、装置故障、系统功能损坏、或互相交叉干扰等而造成的安全事件产生。

2.2 关键技术标准

关键技术标准主要包含海洋油气平台智能生产软件和大数据分析、智能车间、工业互联网、新一代信息技术及智能服务等5 方面。

1）海洋油气平台智能制造软件和大数据

通过海洋油气平台智能生产应用软件与大数据分析技术在海洋油气平台智能车间生产流程中的横纵融合，从大数据分析、应用、软件整合、信息管理等四方面，建立了海洋油气平台生产流程中形成的大量异构多源信息的数据挖掘技术和信息的标准，为打通海洋油气平台的智能生产应用数据链和大数据分析整合应用奠定基础。

2）智能车间

分析海洋油气平台建造流程及特点，可将智能车间标准建设分为智能装备、智能生产线、互联互通、大数据融合、制造执行和运营控制等6 方面。

（1）智能装备主要包含海洋油气平台建造过程中切割、焊接、装配、涂装、加工、起重、检测、物流、仓储装备等，根据海洋油气平台行业特点制定装备控制及协同应用标准，规范其控制方法、数据采集存储、集成、接口等，实现生产过程中智能装备、操作人员及生产环境的协同。

（2）智能生产线主要包含零部件生产线、钢材切割生产线、型材切割生产线、激光焊接生产线、平面分段生产线、甲板片体预制生产线、构件生产线、钢结构制管生产线等，通过分析各生产线特性,建立了海洋油气平台产业中的设备与设备集成、设备与系统集成的共性技术标准。

（3）互联互通基于海洋油气平台建造过程中的共性技术，制定海洋油气平台工业物联网、海洋油气平台工业控制网、海洋油气平台工业云平台及大数据集成平台相关标准。

（4）数据融合针对海洋油气平台建造过程中产生的工艺数据、设备运行状态数据、制造过程数据及仓储物流数据，分析数据特点及共性从而制定数据融合标准。

（5）车间制造执行主要通过研究车间资源配置、工艺执行、生产计划调度、设备运行管理、生产质量管控及仓储物流调度等关键技术方面制定相关标准。

（6）运营管控主要包含企业信息资源计划（ERP）信息系统、生产信息管理（PDM）、高级计划与排程（Advanced Planning System，APS）信息系统、生产制造执行（MES）系统、仓储物流（Warehouse Management System，WMS）管理系统、物流执行（LES）系统、客户关系管理（Customer Relationship management，CRM）系统及个性化定制平台。

3）工业互联网

针对工业设备、控制系统、信息系统之间网络互联要求和连接生产资源、公共网络要求，制定车间内/外网标准。

根据工业设备、控制器、信息系统内部的网络互连条件以及连接生产设备资源、公共网络条件,建立了车间内/外部的网络标准.根据工业互联网内应用网络设备功能、接口、界面、特性等的技术特点, 制订了网络设备标准.针对工业互联网涉及的地址、无线频率等资源使用管理要求和网络运行管理要求制定网络资源管理标准。

4）新一代信息技术

（1）梳理海洋油气平台智能车间制造场景数字化定义、知识库构建等通用要求，制造过程实时数据采集分析、智能决策、协同管控等关键技术要求，制定人工智能应用标准。

（2）梳理海洋油气平台智能车间制造过程通用要求、互联互通、虚拟现实、增强现实、人机交互等应用标准。

（3）梳理海洋油气平台智能车间制造边缘计算所涉及的架构、计算及存储安全要求等制定边缘计算应用标准。

（4）梳理海洋油气平台智能车间所需5G 网络节点覆盖范围、流量密度、移动性、大数据传输速率、稳定性、时延率等要求制定车间5G 应用标准。

5）智能服务

智能服务主要包括个性化定制、供应链协同管理和远程运维等3 部分。个性化定制标准主要包括根据不同海洋油气平台智能车间的业务需求、工艺流程、生产管理等制定个性化技术标准。供应链协同标准包括平台及应用标准、车间生产流程、设备资源优化配置标准等；远程运维标准主要包括车间设备远程运维的通用架构、接口标准、知识库、安全标准、状态检测、应急管理及故障诊断等。

2.3 车间应用标准

车间应用包括上部模块车间、甲板片体切割加工车间、钢结构制管加工车间、切管车间、喷涂车间、导管架单片预制场地、钢桩及隔水套管接长场地、组块单片预制场地、甲板片预制场地等重点区域。梳理各车间的总体规划、工艺流程、零部件分类、产品流向编码、智能装备、智能生产线、联网管控、质量（精度）检测、仓储物流、信息系统、控制系统等制定对应区域规范。

2.4 海洋油气平台智能车间制造新模式

在基础共性标准、关键技术标准的基础上，通过整合智能装备、工业软件、设备联网控制实现车间设备层、控制层、管理层之间的数据融合、系统集成、互联互通，促进海洋油气平台智能车间升级，形成海洋油气平台智能车间制造新模式。海洋油气平台智能车间制造新模式包括海洋油气平台产品一体化数字设计、船舶产品全生命周期智能制造、车间全流程网络化协同和车间设备远程运维保障等[2]。

3 海洋油气平台上部模块智能车间制造标准示例

海洋油气平台上部模块车间的生产任务牵涉到各类设备、场地、工人等生产资源，种类繁多，工艺过程较为复杂，且车间制造过程存在生产信息追溯难、车间生产数据的采集效率低下、对生产过程信息掌控性差等问题。单靠管理者的经验来对资源进行平衡运用与优化配置, 已经很难适应现代海洋油气平台建设模式的发展要求。尽管海洋油气平台上部模块车间已经引入数字化智能装备、ERP、PDM、MES 等信息化系统，但与先进海洋油气平台智能制造国家相比，在设备、技术、生产管理等方面都存在一定的差距。为提升海洋油气平台上部模块生产车间正常执行运转任务的综合效能, 并提高中间生产的品质管理水平, 需要对海洋油气平台的上部模块生产车间进行作业计划、制造流程、生产质量、库存物流、设备操作、信息系统协同管理工作等全面控制, 并进行船舶产品的全生命周期管控和船舶车间数字化、智能、自动化、互联网、集成管理生产[3]。

以海洋油气平台智能车间制造标准体系中的海洋油气平台上部模块智能车间生产为例，构建具有四层次的海洋油气平台上部模块车间智能制造标准架构，见图2。

图2 海洋油气平台上部模块智能车间制造标准架构

1）海洋油气平台上部模块生产全流程规范其主要工艺流程包括甲板片体建造、钢结构制管、海管接长、特种设备生产、工艺管加工制作、涂装作业、总装作业建造工艺。

2）海洋油气平台上部模块智能车间的网络架构由车间级网络、主干控制网以及设备组网控制网形成，实现设备数据通过网络与车间系统数据中心对接。海洋油气平台上部模块智能车间内切割设备、生产线、焊接工作站、精度在线检测装备及车间内对应底层智能设备，采用无线通信、蓝牙芯片组、LoRa、Zigbee 等信号传感的技术方法，以实现与车间设备互联互通。

3）规范海洋油气平台上部模块智能车间制造过程全流程数据描述，通过分析海洋油气平台上部模块制造流程中包含的关键数据，整合生产信息数据、设备信息数据、各工位数据结构，建立了海洋油气平台上部模块生产全过程的多维数据结构描述模式。

4）在分析网络结构和数据结构的基础上，对海洋油气平台上部模块制造管控包括生产过程中涉及的车间计划排程与调度、工艺执行与管理、质量全流程追溯和设备管理过程进行规范。

针对海洋油气平台上部模块制造过程中涉及到的3 个典型应用场景：高级计划制造计划排程与调度、海洋油气平台上部模块建造质量分析与工艺流程优化和重要设备状况的现场监控与故障警示，建立了典型应用场景的智能控制标准。

1）基于海洋油气平台上部模块生产过程中工单数据、计划数据和设备运行数据，对生产调度人员所提出的计划排程方法进行了比较研究，考虑实际海洋油气平台上部模块交付日期和车间工位的周转时间，并预留生产缓冲期，再对制造计划重新作出负荷的生产调度决定，并重新计算调度后的工序生产准备计划。高级生产计划排程与调度应用场景流程图见图3。

图3 高级计划排程与调度应用场景流程图

2）基于海洋油气平台上部模块建造工艺大数据，包括工艺、运行、设备数据，多项动静态关联分析，搭建海洋油气平台上部模块建造质量全要素分析与预测模型，分析设备类型、加工时间、物料数量、材质、尺寸大小是否合理，并对工艺指令、环境温湿度等参数进行优化。段建造质量分析与工艺优化应用场景流程图见图4。

图4 分段建造质量分析与工艺优化应用场景流程图

3）以海洋油气平台上部模块生产设备互联互通为基础，对海洋油气平台上部模块建造设备状况信息进行采集，搭建设备状态实时监控与故障警示模型，对数据进行筛选过滤、分类存储，并拖过卷积神经网络、决策树、随机森林、支持向量机等，进行设备状态实时监控和设备故状态事故警示，对设备进行定期维护保养。设备状态实时监控与故障预警应用场景流程图见图5。

图5 设备状态实时监控与故障预警应用场景流程图

4 结论

本文通过对海洋油气平台智能车间建造规范体系及框架规范进行深入研究，综合分析了海洋油气平台智能车间制造标准体系架构图，提出海洋油气平台智能车间架构，涵盖了海洋油气平台建造生命周期资源全要素、系统协同集成、互联互通、多源数据融合、制造执行和运行管控，为开展海洋油气平台智能车间制造标准制定和验证提供了基础，对推进我国海洋油气平台智能制造相关标准的建设工作具有重要作用。