海洋油气生产装备智能制造发展现状及前景展望
摘 要：随着“中国制造2025”战略的提出，智能方法在设计、制造、安装和运维过程中的应用已成为我国海洋工程装备制造业的重点发展方向。本文对海洋油气生产装备智能制造的必要性进行了论述，着重调研分析了国内外海洋油气生产装备制造业的发展现状及未来发展趋势，指出了海洋油气生产装备智能制造发展面临的机遇和挑战；最后结合海洋石油工程股份有限公司天津临港智能制造基地建设情况，对我国海洋油气生产装备智能制造的发展前景进行了展望。
1 问题的提出
建设海洋强国是提升综合国力的必由之路，也是中国特色社会主义事业的重要组成部分。党的十九大报告明确要求“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”，因此坚定走向海洋、建设海洋强国对于推动 我国经济社会持续健康发展、实现中华民族伟大复兴具有重大而深远的意义。作为深海战略的基础，海洋工程装备，尤其是海洋油气生产装备是先进制造技术、信息技术和新材料技术等高新技术的综合体，具有高技术、高投入、高产出、高附加值和高风险等特点，产业辐射能力强，对国民经济带动作用大。新一代信息通讯技术对制造业的改造和催化，带来了全球制造业格局大变革、大调整，也成为发达国家实现制造业重振和发展中国家抢占产业高端的着力点。《中国制造2025》将海洋工程装备制造业确定为十大重点领域之一，使其成为我国战略性新兴产业的重要组成部分和高端装备制造业的重点发展方向。
海洋油气生产装备主要包括固定式生产平台、 移动式生产平台、水下生产系统、海底管线等，其产品种类和数量规模约占海洋工程装备的６０％～７０％。海洋油气生产装备定制化、多样化特征明 显，智能制造的“弹性”和“柔性”正是解决这种不确定性和复杂性的利器，可满足大规模个性化定制而不增加成本，有利于海洋油气生产装备制造业快速提质增效、降低成本。
海洋油气生产装备通常设计寿命为２０～３０ａ， 在整个服役期间，设计制造环节数据为海洋油气生产装备日常运行维护、服役改造、超期服役延寿评估提供了基础条件，运维数据为持续改进产品质量提供了第一手资料。智能制造体系提供的计算机技术、自动控制技术和大数据处理及分析技术，使得实现海上油气田全生命周期内的设计、制造、管理、交付、维保一体化，形成智能油气生产装备，为油气田作业者提供智能优质服务成为可能。发展智能制造是实现海洋油气生产装备全生命周期完整性管理、 实现智能产品和服务的最好方法。
２０１４年以来，随着国际原油价格断崖式下跌， 全球海洋工程装备市场大幅萎缩，各类海洋平台成交量急剧下滑。欧美及日韩国家凭借其高水平的设计、建造能力，一直占据着高端市场，而我国海 洋工程装备制造业水平仍处于行业的中低端，面临着巨大挑战。当前，国际海洋油气生产装备制造业正处于智能制造应用的起步探索阶段，发展海洋油气生产装备智能制造，提高我国海洋油气生产装备设计、建造质量和效率，提升我国海洋油气生产装备运维服务质量，升级改造我国海洋油气生产装备制造业，是助力我国海洋油气生产装备制造业实现“弯道超车”的重要举措。
目前，国内海工装备企业已经基本实现产品制造过程的信息化，但在各个生产环节的数据碎片化现象严重，缺失数据间的内在联系，导致信息价值没有充分利用。而智能制造则要求将离散化信息集成 在一起，应用智能方法实现能够辅助人类决策的一站式建造。因此，海洋油气生产装备智能制造必然要分阶段逐步实现，在各类海上油气生产装备中选择某个具有普遍性并且建造技术成熟的结构如上部模块，作为首要实现智能制造的对象，在共性技术突破的前提下再延伸到每种具体产品上。
本文在论述海洋油气生产装备智能制造必要性的基础上，调研了国内外海洋油气生产装备智能制造发展现状，分析了其发展机遇及面临的挑战，同时结合海洋石油工程股份有限公司天津临港智能制造基地建设情况，对我国海洋油气生产装备智能制造的发展前景进行了展望。
2 海洋油气生产装备智能制造发展现状
２.１ 国内发展现状
我国海洋工程装制造业近年来得到了长足发展。２０１１—２０１６年，我国海洋工程装备制造行业市场规模在波动中迅速扩大，并在２０１７年上半年占据全球第二的位置。在占据市场份额上升的同时，我国海洋工程装备制造业通过引进、消化吸收和自主创新，在数字化、信息化、智能化方面取得了一定发展。数字化技术在产品设计、建造和生产管理中得到一定应用，形成可用的设计二次开发软件及专用生产管理软件，在一定程度上提高了工作效率。如来福士自主研发的ECMS（engineering center data management system）及管路自动出图二次开发程序。２０１６年４月，由振华重工牵头研制的海上钻井平台装备制造智能焊接车间通过预验收，应用数字化设计、机器人自动化焊接以及信息化车间管理等智能融合技术，实现桩腿主玄管焊缝自动化无损检测、桩腿齿条板对接高效自动化焊接和机器人自动打底焊接，极大地提高了桩腿生产效率，扭转了我国平台桩腿８０％依赖于进口的国外垄断局面。
然而，我国海洋工程装备制造业“大而不强”的问题依旧突出，在世界市场竞争中依然处于产业的中低端，我国海洋油气生产装备制造企业在设计、制造、管理、安装、运维过程的数字化、信息化、网络化和智能化上仍有一定差距。
在数字化、信息化、网络化、智能化制造方面，制造技术还处于传统的机械化阶段，各个制造环节信息各自独立，同时缺乏系统的数据采集环境和单元，制造效率和质量需进一步稳定和提高；自动化设备尚未实现集成应用，缺乏海洋油气生产装备的数字化、自动化、 智能化制造工艺流程；仍然采用大量人工和半自动化机械设备，缺乏核心专业智能生产单元、智能生产线及智能车间，与欧美及日韩国家存在较大差距。
在数字化、信息化、网络化、智能化管理方面，集成管理系统环境搭建研究较少，尚未对智能生产单元、智能生产线及智能车间集成管控进行完整研究；现有管理技术亦未支撑协同设计、协同制造、准时供应与协同运维；缺乏面向海洋油气生产装备全生命周期的数字化、信息化、智能化管控体系，在设备、数据及管理手段上均不完善，管理决策依靠人员经验， 智能决策支持手段匮乏。全生命周期综合管控能力有待提高，海量数据集成和关联分析能力尚不能满 足实际应用需要。
２.２国外发展现状
当前，国外先进海洋工程装备制造国家，正在不断地引进新技术，促进产业升级换代。其中，虚拟技术、精度制造技术、集成技术、人工智能技术等成为海洋工程装备领域技术的发展方向。与此对应地是制造理念也不断发生着变化。以网络化为基础，异地设计与制造管理成为企业关注的重点，并行工程、 敏捷制造等先进的集成制造模式在海洋工程装备制造业中广泛应用。数字化设计、建造协同与预测运维也逐步影响着海洋工程装备制造业。
欧美国家充分利用计算机技术与信息技术，初步实现海洋油气生产装备设计和管理的智能化。西门子一站式设计、管理软／硬件集成解决方案Top-Sides 4.0，构建了从设计到售后服务的“数字孪生模型”，为海洋油气生产装备全生命周期内管理提供支持，以实现开发周期更短、建造成本更低、运维服务更好的目标。目前该方案已应用于Aker BP旗下的Ivar Aasen Field远洋平台，预计１０ａ内减少运营成本高达１０亿欧元。
日本和韩国通过研发集成制造系统，解决数据流通问题，实现海洋油气生产装备设计、生产一体化。同时将智能机器人引入海洋油气生产装备制造车间，加快无人化工厂建设。韩国三星重工与Inter-graph联合开发的Smart 3D融合了设计规则，可自动检查违反设计规则的设计并改正，推进智能设计发展，同时充分利用了为海工项目专门开发的几何宏和高级版系统，可方便快捷地建立复杂节点模型，统一各设计阶段模型，降低重复设计率。在强大的设计功能之外，该软件还能与切割、焊接等生产自动化系统实时共享设计信息，避免数据的输入过程，可以按照制定的日程自动执行作业。三星重工在２０１２年首次在一条钻井船的设计过程中采用该软件，设计效率提高５０％以上，生产效率也得到了极大提高。
在生产设备设施方面，日本海洋油气生产装备制造企业着眼于研发智能化和柔性程度更高、易操作、易维护的开放式结构和封闭式结构双壳焊接机器。在制造过程中广泛应用了各类焊接机器人，提高装焊效率。
韩国现代重工较早开展了大数据研究，目前已经将大数据技术应用在第一、二代智能船舶设计研发、船厂管理决策支持中。近期，现代重工与韩国蔚山科学技术院等机构联手开展“利用大数据防止海工装备建造延期研究项目”，将海洋工程装备项目建造过程划分为不同阶段，对每一阶段单独进行分析， 帮助降低延期交付误差。未来研究成果将应用在实际建造过程中，有望推动建造工艺流程优化，每年预计节省约５００万美元。
总体而言，国外仅有西门子、三星重工等少数企业在单个海洋油气配套设备的智能制造方面有部分优势，并在项目信息化集成管理系统方面积累了一定经验，但目前国外海洋油气生产装备智能制造整 体上还处于前期起步阶段，国内行业具备赶超机遇。
3 海洋油气生产装备智能制造发展面临的机遇与挑战
随着海洋油气开发重要性日趋增强，以及制造业与信息技术的融合度不断扩大，海洋油气生产装备制造业的机遇越来越大，与此同时，受制于数字化转型的难度，自身数字化基础不足等因素，可以预见发展海洋油气生产装备智能制造还会面临诸多挑战。
３.１海洋油气生产装备智能制造发展面临的机遇
３.１.１市场机遇
２０１８年中国原油进口量为４.６２亿ｔ，中国的原油对外依存度达到７０.９％。仅３年时间，中国原油对外依存度就从２０１５年的６０％升至目前的超过７０％，预计随着中国经济的持续发展，中国的原油对外依存度将进一步提升。随着陆上油气资源逐渐减少，海洋油气能源地位不断提升，预计到２０２０ 年海上石油对石油产量增长贡献率将会提高到４０％。随着国际油价缓慢震荡上行，预计全球海洋工程装备每年市场成交额约４００亿美元，参与海洋油气生产的企业将保持活跃。尤其是“一带一路” 战略周边国家石油资源十分可观，中国的海洋油气生产装备制造商将迎来新的发展机遇。
３.１.２政策机遇
“一带一路”沿线区域油气资源极为丰富（表１）， 已发现石油可采储量及待发现石油可采储量分别占全球份额的６６％、３２％。“一带一路”提出后，国有企业成为主力军，同时民营资本“走出去”的步伐加快，民营企业充分利用其机制灵活的优势，在海外油 气合作中获得了更多的机会，“一带一路”极大地促进了国际油气企业的合作。
３.１.３国家战略机遇
海洋油气工程开发已成为发展海洋经济的先导性产业，并得到了国家战略各个层面的高度重视， 相关政策见表２。其中工信部等八部委发布的《海洋工程装备制造业持续健康发展行动计划（２０１７—２０２０年）》明确提出要“积极推进智能制造。针对海洋工程装备定制化和多样化的特点，结合海洋工程装备制造企业设计建造资源与能力基础，做好总体规划和顶层设计，分步实施。积极利用新一代信息通信技术，加快推动与互联网融合发展，提高海洋工程装备制造数字化、网络化、智能化水平。构建从基础设计、详细设计到生产设计一体化的三维设计数字模型。应用虚拟仿真技术对制造资源进行合理配置。针对工时消耗大、生产效率低的关键环节，开展自动化设备的研发和推广应用，不断提升数字化和自动化水平，逐步建立智能化柔性生产体系。加强网络信息安全管理，健全安全综合保障体系。”可见，海洋油气生产装备智能制造方面有着极佳的政策机遇。
３.２海洋油气生产装备智能制造发展面临的挑战
１）关键技术制约行业发展。相关国家在制造领域实行技术封锁，卡脖子关键技术制约海洋油气生产装备行业的发展。工业发达国家制造业的回归战略使得跨国公司在我国制造业的布局呈“逆转移”态势。
２）行业数字化智能化程度偏低。在海洋油气生产装备设计、制造、运维数据孤岛较多，缺乏智能生产管理系统及智能生产线。因此，海洋油气生产装备制造效率和质量有待进一步提高。
4 海洋油气生产装备智能制造发展前景展望
４.１海洋油气生产装备智能制造重点推进方向
海洋油气生产装备制造是典型的离散型制造模式，其特点体现为：按定单生产模式多品种或小批量或单件生产，产品质量和生产率依赖于工人的技术水平，自动化水平相对较低。因此，数字化是决定未来各竞争主体能源版图的决定性因素之一，而智能制造大概率是海洋油气生产装备行业跳跃式发展的决定性条件。具体体现在实施智能生产、创造智能产品和延伸智能服务等３个方向。
４.１.１智能生产
实现智能生产的基础是建立智能化生产线及管控系统，如图１所示。根据中间产品的分类，智能生产线包括甲板片体智能生产线、结构管线智能生产线和海管智能生产线等。智能管控涵盖的范围较广，车间排产、精益派工、质量追溯、虚拟仿真调试、 信息采集及反馈等多个方向都可以进行智能化的建设或改造。实现智能生产后，预计生产效率能够提升２０％～３０％，产品不良率能够降低１０％。
４.１.２智能产品
创造智能产品一方面要拓展基于产品智能化的增值服务；另一方面，通过搭建智能无人平台，攻克智能化检测与传感技术，形成无人平台橇装设备智能化解决方案和中控嵌入式诊断预维护系统解决方案等一系列智能化解决方案。可大幅减少设备和每年操作费用。
４.１.３智能服务
延伸智能服务，推进生产与服务的集成，实现智能装备和产品远程运维服务平台与产品全生命周期管理系统（ＰＬＭ），如图２所示。基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析技术，实现海上油气田全生命周期内的设计、制造、管理、维护保养等方面的智能化运行，从而使海洋油气开发更加安全、环保、经济和可靠。
４.２海油工程天津临港智能制造基地建设
针对上述重点推进方向，海洋石油工程股份有限公司于２０１８年启动了国内首个海洋油气装备智能制造基地（后文简称基地）的建设工作。基地规划面积达５７.５万ｍ２，项目整体规划、勘察、设计等分两期实施。一期建设内容为喷砂喷漆车间、堆场及预舾装、２＃空压站及堆场、１号配套码头（６００.１ｍ）、 ２号配套码头（４９３.９ｍ）、总装场地、公用配套设施、 综合研发楼、综合实验楼、综合培训楼、钢结构智能制造中心、机管电仪制造中心、智能存储中心、电仪产品研发制造中心等单体。二期建设内容为高效管线制造中心及堆场、滑道、２＃码头（５３６.６４ｍ）。天津临港基地按照“统筹规划、分步实施”的原则，规划建设有制造执行管理系统（ＭＥＳ）、全生命周期管理系统（ＰＬＭ）、企业标准化系统等信息化系统，支撑企业的数字化转型和智能化生产。目前，项目土地购置、勘察、设计、地基回填施工等工作已经完成，一期工程已于２０１９年１２月正式开工，计划２０２１年９月建成投产。二期建设内容根据市场情况择机实施。
5 结束语
加快数字化、智能化转型，必将有力地促进我国海洋油气生产装备行业迈上新的台阶。但实现智能制造不可能一蹴而就，仍然受到诸多因素的制约，包括：①智能制造需要系统思维，将在一定程度上冲击企业的发展理念；②智能制造是对企业管理全流程的再造，极大地考验企业的管理水平；③智能制造需大量改造和引进软硬件平台，依赖国内智能制造软硬件成熟度。因此，发展海洋油气生产装备智能制造需要不同行业间、企业内部达成充分共识，协同调动资源，共同发力，才能使我国海洋油气生产装备跃向世界第一梯队。（来源：《中国海上油气》 作者：海洋石油工程股份有限公司 陈荣旗 海洋油气网整理发布）
