陳榮旗

（海洋石油工程股份有限公司天津300461）

1 問題的提出

建設(shè)海洋強國是提升綜合國力的必由之路，也是中國特色社會主義事業(yè)的重要組成部分［1］。黨的十九大報告明確要求“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強國”，因此堅定走向海洋、建設(shè)海洋強國對于推動我國經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興具有重大而深遠(yuǎn)的意義［2］。作為深海戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，海洋工程裝備，尤其是海洋油氣生產(chǎn)裝備是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和新材料技術(shù)等高新技術(shù)的綜合體，具有高技術(shù)、高投入、高產(chǎn)出、高附加值和高風(fēng)險等特點，產(chǎn)業(yè)輻射能力強，對國民經(jīng)濟帶動作用大。新一代信息通訊技術(shù)對制造業(yè)的改造和催化，帶來了全球制造業(yè)格局大變革、大調(diào)整，也成為發(fā)達國家實現(xiàn)制造業(yè)重振和發(fā)展中國家搶占產(chǎn)業(yè)高端的著力點［3］?！吨袊圃?025》將海洋工程裝備制造業(yè)確定為十大重點領(lǐng)域之一，使其成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分和高端裝備制造業(yè)的重點發(fā)展方向［4］。

海洋油氣生產(chǎn)裝備主要包括固定式生產(chǎn)平臺、移動式生產(chǎn)平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、海底管線等，其產(chǎn)品種類和數(shù)量規(guī)模約占海洋工程裝備的60%～70%［5］。海洋油氣生產(chǎn)裝備定制化、多樣化特征明顯，智能制造的“彈性”和“柔性”正是解決這種不確定性和復(fù)雜性的利器，可滿足大規(guī)模個性化定制而不增加成本［6］，有利于海洋油氣生產(chǎn)裝備制造業(yè)快速提質(zhì)增效、降低成本。

海洋油氣生產(chǎn)裝備通常設(shè)計壽命為20～30 a，在整個服役期間，設(shè)計制造環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)為海洋油氣生產(chǎn)裝備日常運行維護、服役改造、超期服役延壽評估提供了基礎(chǔ)條件，運維數(shù)據(jù)為持續(xù)改進產(chǎn)品質(zhì)量提供了第一手資料。智能制造體系提供的計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理及分析技術(shù)，使得實現(xiàn)海上油氣田全生命周期內(nèi)的設(shè)計、制造、管理、交付、維保一體化，形成智能油氣生產(chǎn)裝備，為油氣田作業(yè)者提供智能優(yōu)質(zhì)服務(wù)成為可能。發(fā)展智能制造是實現(xiàn)海洋油氣生產(chǎn)裝備全生命周期完整性管理、實現(xiàn)智能產(chǎn)品和服務(wù)的最好方法。

2014年以來，隨著國際原油價格斷崖式下跌，全球海洋工程裝備市場大幅萎縮，各類海洋平臺成交量急劇下滑［7-8］。歐美及日韓國家憑借其高水平的設(shè)計、建造能力，一直占據(jù)著高端市場，而我國海洋工程裝備制造業(yè)水平仍處于行業(yè)的中低端，面臨著巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，國際海洋油氣生產(chǎn)裝備制造業(yè)正處于智能制造應(yīng)用的起步探索階段，發(fā)展海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造，提高我國海洋油氣生產(chǎn)裝備設(shè)計、建造質(zhì)量和效率，提升我國海洋油氣生產(chǎn)裝備運維服務(wù)質(zhì)量，升級改造我國海洋油氣生產(chǎn)裝備制造業(yè)，是助力我國海洋油氣生產(chǎn)裝備制造業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”的重要舉措。

目前，國內(nèi)海工裝備企業(yè)已經(jīng)基本實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程的信息化，但在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重，缺失數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致信息價值沒有充分利用。而智能制造則要求將離散化信息集成在一起，應(yīng)用智能方法實現(xiàn)能夠輔助人類決策的一站式建造。因此，海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造必然要分階段逐步實現(xiàn)，在各類海上油氣生產(chǎn)裝備中選擇某個具有普遍性并且建造技術(shù)成熟的結(jié)構(gòu)如上部模塊，作為首要實現(xiàn)智能制造的對象，在共性技術(shù)突破的前提下再延伸到每種具體產(chǎn)品上。

本文在論述海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造必要性的基礎(chǔ)上，調(diào)研了國內(nèi)外海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造發(fā)展現(xiàn)狀，分析了其發(fā)展機遇及面臨的挑戰(zhàn)，同時結(jié)合海洋石油工程股份有限公司天津臨港智能制造基地建設(shè)情況，對我國海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造的發(fā)展前景進行了展望。

2 海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國海洋工程裝制造業(yè)近年來得到了長足發(fā)展。2011—2016年，我國海洋工程裝備制造行業(yè)市場規(guī)模在波動中迅速擴大，并在2017年上半年占據(jù)全球第二的位置。在占據(jù)市場份額上升的同時，我國海洋工程裝備制造業(yè)通過引進、消化吸收和自主創(chuàng)新，在數(shù)字化、信息化、智能化方面取得了一定發(fā)展。數(shù)字化技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、建造和生產(chǎn)管理中得到一定應(yīng)用，形成可用的設(shè)計二次開發(fā)軟件及專用生產(chǎn)管理軟件，在一定程度上提高了工作效率。如來福士自主研發(fā)的ECMS（engineering center data management system）及管路自動出圖二次開發(fā)程序。2016年4月，由振華重工牽頭研制的海上鉆井平臺裝備制造智能焊接車間通過預(yù)驗收，應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計、機器人自動化焊接以及信息化車間管理等智能融合技術(shù)，實現(xiàn)樁腿主玄管焊縫自動化無損檢測、樁腿齒條板對接高效自動化焊接和機器人自動打底焊接，極大地提高了樁腿生產(chǎn)效率，扭轉(zhuǎn)了我國平臺樁腿80%依賴于進口的國外壟斷局面［8］。

然而，我國海洋工程裝備制造業(yè)“大而不強”的問題依舊突出，在世界市場競爭中依然處于產(chǎn)業(yè)的中低端，我國海洋油氣生產(chǎn)裝備制造企業(yè)在設(shè)計、制造、管理、安裝、運維過程的數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化上仍有一定差距。

在數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造方面，制造技術(shù)還處于傳統(tǒng)的機械化階段，各個制造環(huán)節(jié)信息各自獨立，同時缺乏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集環(huán)境和單元，制造效率和質(zhì)量需進一步穩(wěn)定和提高；自動化設(shè)備尚未實現(xiàn)集成應(yīng)用，缺乏海洋油氣生產(chǎn)裝備的數(shù)字化、自動化、智能化制造工藝流程；仍然采用大量人工和半自動化機械設(shè)備，缺乏核心專業(yè)智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線及智能車間，與歐美及日韓國家存在較大差距。

在數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理方面，集成管理系統(tǒng)環(huán)境搭建研究較少，尚未對智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線及智能車間集成管控進行完整研究；現(xiàn)有管理技術(shù)亦未支撐協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、準(zhǔn)時供應(yīng)與協(xié)同運維；缺乏面向海洋油氣生產(chǎn)裝備全生命周期的數(shù)字化、信息化、智能化管控體系，在設(shè)備、數(shù)據(jù)及管理手段上均不完善，管理決策依靠人員經(jīng)驗，智能決策支持手段匱乏。全生命周期綜合管控能力有待提高，海量數(shù)據(jù)集成和關(guān)聯(lián)分析能力尚不能滿足實際應(yīng)用需要。

2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，國外先進海洋工程裝備制造國家，正在不斷地引進新技術(shù)，促進產(chǎn)業(yè)升級換代。其中，虛擬技術(shù)、精度制造技術(shù)、集成技術(shù)、人工智能技術(shù)等成為海洋工程裝備領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展方向。與此對應(yīng)地是制造理念也不斷發(fā)生著變化。以網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，異地設(shè)計與制造管理成為企業(yè)關(guān)注的重點，并行工程、敏捷制造等先進的集成制造模式在海洋工程裝備制造業(yè)中廣泛應(yīng)用。數(shù)字化設(shè)計、建造協(xié)同與預(yù)測運維也逐步影響著海洋工程裝備制造業(yè)。

歐美國家充分利用計算機技術(shù)與信息技術(shù)，初步實現(xiàn)海洋油氣生產(chǎn)裝備設(shè)計和管理的智能化。西門子一站式設(shè)計、管理軟／硬件集成解決方案Top-Sides 4.0，構(gòu)建了從設(shè)計到售后服務(wù)的“數(shù)字孿生模型”，為海洋油氣生產(chǎn)裝備全生命周期內(nèi)管理提供支持，以實現(xiàn)開發(fā)周期更短、建造成本更低、運維服務(wù)更好的目標(biāo)。目前該方案已應(yīng)用于Aker BP旗下的Ivar Aasen Field遠(yuǎn)洋平臺，預(yù)計10 a內(nèi)減少運營成本高達10億歐元［9］。

日本和韓國通過研發(fā)集成制造系統(tǒng)，解決數(shù)據(jù)流通問題，實現(xiàn)海洋油氣生產(chǎn)裝備設(shè)計、生產(chǎn)一體化。同時將智能機器人引入海洋油氣生產(chǎn)裝備制造車間，加快無人化工廠建設(shè)。韓國三星重工與Intergraph聯(lián)合開發(fā)的Smart 3D融合了設(shè)計規(guī)則，可自動檢查違反設(shè)計規(guī)則的設(shè)計并改正，推進智能設(shè)計發(fā)展，同時充分利用了為海工項目專門開發(fā)的幾何宏和高級版系統(tǒng)，可方便快捷地建立復(fù)雜節(jié)點模型，統(tǒng)一各設(shè)計階段模型，降低重復(fù)設(shè)計率。在強大的設(shè)計功能之外，該軟件還能與切割、焊接等生產(chǎn)自動化系統(tǒng)實時共享設(shè)計信息，避免數(shù)據(jù)的輸入過程，可以按照制定的日程自動執(zhí)行作業(yè)［11］。三星重工在2012年首次在一條鉆井船的設(shè)計過程中采用該軟件，設(shè)計效率提高50%以上，生產(chǎn)效率也得到了極大提高。

在生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施方面，日本海洋油氣生產(chǎn)裝備制造企業(yè)著眼于研發(fā)智能化和柔性程度更高、易操作、易維護的開放式結(jié)構(gòu)和封閉式結(jié)構(gòu)雙殼焊接機器。在制造過程中廣泛應(yīng)用了各類焊接機器人，提高裝焊效率。

韓國現(xiàn)代重工較早開展了大數(shù)據(jù)研究，目前已經(jīng)將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在第一、二代智能船舶設(shè)計研發(fā)、船廠管理決策支持中。近期，現(xiàn)代重工與韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院等機構(gòu)聯(lián)手開展“利用大數(shù)據(jù)防止海工裝備建造延期研究項目”，將海洋工程裝備項目建造過程劃分為不同階段，對每一階段單獨進行分析，幫助降低延期交付誤差。未來研究成果將應(yīng)用在實際建造過程中，有望推動建造工藝流程優(yōu)化，每年預(yù)計節(jié)省約500萬美元。

總體而言，國外僅有西門子、三星重工等少數(shù)企業(yè)在單個海洋油氣配套設(shè)備的智能制造方面有部分優(yōu)勢，并在項目信息化集成管理系統(tǒng)方面積累了一定經(jīng)驗，但目前國外海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造整體上還處于前期起步階段，國內(nèi)行業(yè)具備趕超機遇。

3 海面洋臨的油機氣遇生與產(chǎn)挑裝戰(zhàn)備智能制造發(fā)展

隨著海洋油氣開發(fā)重要性日趨增強，以及制造業(yè)與信息技術(shù)的融合度不斷擴大，海洋油氣生產(chǎn)裝備制造業(yè)的機遇越來越大，與此同時，受制于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的難度，自身數(shù)字化基礎(chǔ)不足等因素，可以預(yù)見發(fā)展海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造還會面臨諸多挑戰(zhàn)。

3.1 海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造發(fā)展面臨的機遇

3.1.1 市場機遇

2018年中國原油進口量為4.62億t，中國的原油對外依存度達到70.9%。僅3年時間，中國原油對外依存度就從2015年的60%升至目前的超過70%［10］，預(yù)計隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，中國的原油對外依存度將進一步提升。隨著陸上油氣資源逐漸減少，海洋油氣能源地位不斷提升，預(yù)計到2020年海上石油對石油產(chǎn)量增長貢獻率將會提高到40%［10］。隨著國際油價緩慢震蕩上行，預(yù)計全球海洋工程裝備每年市場成交額約400億美元，參與海洋油氣生產(chǎn)的企業(yè)將保持活躍。尤其是“一帶一路”戰(zhàn)略周邊國家石油資源十分可觀，中國的海洋油氣生產(chǎn)裝備制造商將迎來新的發(fā)展機遇。

3.1.2 政策機遇

“一帶一路”沿線區(qū)域油氣資源極為豐富（表1），已發(fā)現(xiàn)石油可采儲量及待發(fā)現(xiàn)石油可采儲量分別占全球份額的66%、32%。“一帶一路”提出后，國有企業(yè)成為主力軍，同時民營資本“走出去”的步伐加快，民營企業(yè)充分利用其機制靈活的優(yōu)勢，在海外油氣合作中獲得了更多的機會，“一帶一路”極大地促進了國際油氣企業(yè)的合作。

表1 “一帶一路”沿線區(qū)域石油采儲量Table 1 Reserves of petroleum exploitation along“One Belt and One Road”

3.1.3 國家戰(zhàn)略機遇

海洋油氣工程開發(fā)已成為發(fā)展海洋經(jīng)濟的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，并得到了國家戰(zhàn)略各個層面的高度重視［3］，相關(guān)政策見表2。

其中工信部等八部委發(fā)布的《海洋工程裝備制造業(yè)持續(xù)健康發(fā)展行動計劃（2017—2020年）》明確提出要“積極推進智能制造。針對海洋工程裝備定制化和多樣化的特點，結(jié)合海洋工程裝備制造企業(yè)設(shè)計建造資源與能力基礎(chǔ)，做好總體規(guī)劃和頂層設(shè)計，分步實施。積極利用新一代信息通信技術(shù)，加快推動與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展，提高海洋工程裝備制造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平。構(gòu)建從基礎(chǔ)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計到生產(chǎn)設(shè)計一體化的三維設(shè)計數(shù)字模型。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)對制造資源進行合理配置。針對工時消耗大、生產(chǎn)效率低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展自動化設(shè)備的研發(fā)和推廣應(yīng)用，不斷提升數(shù)字化和自動化水平，逐步建立智能化柔性生產(chǎn)體系。加強網(wǎng)絡(luò)信息安全管理，健全安全綜合保障體系。”可見，海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造方面有著極佳的政策機遇。

表2 近年關(guān)于發(fā)展海洋油氣生產(chǎn)裝備制造行業(yè)的政策規(guī)劃Table 2 Policy planning for developing offshore oil and gas production equipment manufacturing industry in recent years

3.2 海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

1）關(guān)鍵技術(shù)制約行業(yè)發(fā)展。相關(guān)國家在制造領(lǐng)域?qū)嵭屑夹g(shù)封鎖，卡脖子關(guān)鍵技術(shù)制約海洋油氣生產(chǎn)裝備行業(yè)的發(fā)展。工業(yè)發(fā)達國家制造業(yè)的回歸戰(zhàn)略使得跨國公司在我國制造業(yè)的布局呈“逆轉(zhuǎn)移”態(tài)勢。2）行業(yè)數(shù)字化智能化程度偏低。在海洋油氣生產(chǎn)裝備設(shè)計、制造、運維數(shù)據(jù)孤島較多，缺乏智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)及智能生產(chǎn)線。因此，海洋油氣生產(chǎn)裝備制造效率和質(zhì)量有待進一步提高。

4 海前洋景展油望氣生產(chǎn)裝備智能制造發(fā)展

4.1 海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造重點推進方向

海洋油氣生產(chǎn)裝備制造是典型的離散型制造模式，其特點體現(xiàn)為：按定單生產(chǎn)模式多品種或小批量或單件生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率依賴于工人的技術(shù)水平，自動化水平相對較低［11］。因此，數(shù)字化是決定未來各競爭主體能源版圖的決定性因素之一，而智能制造大概率是海洋油氣生產(chǎn)裝備行業(yè)跳躍式發(fā)展的決定性條件。具體體現(xiàn)在實施智能生產(chǎn)、創(chuàng)造智能產(chǎn)品和延伸智能服務(wù)等3個方向。

4.1.1 智能生產(chǎn)

實現(xiàn)智能生產(chǎn)的基礎(chǔ)是建立智能化生產(chǎn)線及管控系統(tǒng)，如圖1所示。根據(jù)中間產(chǎn)品的分類，智能生產(chǎn)線包括甲板片體智能生產(chǎn)線、結(jié)構(gòu)管線智能生產(chǎn)線和海管智能生產(chǎn)線等。智能管控涵蓋的范圍較廣，車間排產(chǎn)、精益派工、質(zhì)量追溯、虛擬仿真調(diào)試、信息采集及反饋等多個方向都可以進行智能化的建設(shè)或改造。實現(xiàn)智能生產(chǎn)后，預(yù)計生產(chǎn)效率能夠提升20%～30%，產(chǎn)品不良率能夠降低10%。

圖1 海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造車間集成管控系統(tǒng)Fig.1 Integrated management and control system for intelligent manufacturing workshop of offshore oil and gas production equipments

4.1.2 智能產(chǎn)品

創(chuàng)造智能產(chǎn)品一方面要拓展基于產(chǎn)品智能化的增值服務(wù)；另一方面，通過搭建智能無人平臺，攻克智能化檢測與傳感技術(shù)，形成無人平臺橇裝設(shè)備智能化解決方案和中控嵌入式診斷預(yù)維護系統(tǒng)解決方案等一系列智能化解決方案?？纱蠓鶞p少設(shè)備和每年操作費用。

4.1.3 智能服務(wù)

延伸智能服務(wù)，推進生產(chǎn)與服務(wù)的集成，實現(xiàn)智能裝備和產(chǎn)品遠(yuǎn)程運維服務(wù)平臺與產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)（PLM）［12］，如圖2所示?；谟嬎銠C技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，實現(xiàn)海上油氣田全生命周期內(nèi)的設(shè)計、制造、管理、維護保養(yǎng)等方面的智能化運行，從而使海洋油氣開發(fā)更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟和可靠。

圖2 海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造完整性管理平臺Fig.2 Intelligent manufacturing integrity management platform for offshore oil and gas production equipment

4.2 海油工程天津臨港智能制造基地建設(shè)

針對上述重點推進方向，海洋石油工程股份有限公司于2018年啟動了國內(nèi)首個海洋油氣裝備智能制造基地（后文簡稱基地）的建設(shè)工作?；匾?guī)劃面積達57.5萬m2，項目整體規(guī)劃、勘察、設(shè)計等分兩期實施。一期建設(shè)內(nèi)容為噴砂噴漆車間、堆場及預(yù)舾裝、2?？諌赫炯岸褕?、1號配套碼頭（600.1 m）、2號配套碼頭（493.9 m）、總裝場地、公用配套設(shè)施、綜合研發(fā)樓、綜合實驗樓、綜合培訓(xùn)樓、鋼結(jié)構(gòu)智能制造中心、機管電儀制造中心、智能存儲中心、電儀產(chǎn)品研發(fā)制造中心等單體。二期建設(shè)內(nèi)容為高效管線制造中心及堆場、滑道、2＃碼頭（536.64 m）。天津臨港基地按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施”的原則，規(guī)劃建設(shè)有制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）、全生命周期管理系統(tǒng)（PLM）、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)，支撐企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化生產(chǎn)。目前，項目土地購置、勘察、設(shè)計、地基回填施工等工作已經(jīng)完成，一期工程已于2019年12月正式開工，計劃2021年9月建成投產(chǎn)。二期建設(shè)內(nèi)容根據(jù)市場情況擇機實施。

5 結(jié)束語

加快數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，必將有力地促進我國海洋油氣生產(chǎn)裝備行業(yè)邁上新的臺階。但實現(xiàn)智能制造不可能一蹴而就，仍然受到諸多因素的制約，包括：①智能制造需要系統(tǒng)思維，將在一定程度上沖擊企業(yè)的發(fā)展理念；②智能制造是對企業(yè)管理全流程的再造，極大地考驗企業(yè)的管理水平；③智能制造需大量改造和引進軟硬件平臺，依賴國內(nèi)智能制造軟硬件成熟度。因此，發(fā)展海洋油氣生產(chǎn)裝備智能制造需要不同行業(yè)間、企業(yè)內(nèi)部達成充分共識，協(xié)同調(diào)動資源，共同發(fā)力，才能使我國海洋油氣生產(chǎn)裝備躍向世界第一梯隊。