半潛式平臺浮體結構建造精度數據鏈管理系統

張秀林,尤學剛,李清明,張慶營,姜立群

(1.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057;2.中國海洋石油集團有限公司,北京 100010;3.海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

0 引 言

陵水17-2浮式生產裝置(Floating Production Unit，FPU)的建造難點在于其合龍體立體式分布導致的多向配合的精準度。與常規船型不同，其對各分、總段的精度控制要求是多維和關聯的。FPU的浮體結構是整個平臺合龍的基礎結構，其建造精度要求最高，難度也最大。

半潛式平臺浮體精度控制要求基于各零部件的精度控制標準進行關聯累積得來，類似于尺寸鏈(dimensional chain)關系。尺寸鏈是在機械工件加工和裝配過程中由一組互相聯系的尺寸按一定順序互相連接形成的封閉尺寸組。組成尺寸鏈的各個尺寸稱為尺寸鏈的環。在尺寸鏈中間接保證精度的尺寸稱為封閉環，其余尺寸稱為組成環[1]。

在常規的船體建造精度過程管理中，具有許多復雜性和不確定性，需覆蓋生產現場的各個關鍵工藝階段，如地線設置、胎架布置、拼板、劃線、裝焊等各工藝環節都需嚴格監控，測量數據也需要累積擬合。尺寸鏈在數據層面和流程層面都須進行嚴格管理。

對于浮體結構的建造，精度管理過程的復雜性更高，需通過系統性的尺寸鏈管理進行數據分析和預測，達到精度過程精準控制的目的。因此，浮體結構的精度過程管控主要圍繞尺寸累積偏差形成的數據鏈來開展[2-3]。

至今，國內外船體和海工建造精度控制手段主要依賴于原始的人工統計和控制，主要原因是建造環節多、產品差異性大、建造工藝離散等[4-6]。在建造信息化管理系統中沒有形成面向精度管理的尺寸鏈數據管理和分析子系統。本文根據尺寸鏈原理，建立精度控制鏈，并將其應用至精度數據鏈管理系統，達到提升半潛式平臺浮體結構建造精度的目的。

1 尺寸鏈理論在應用過程中存在的問題

對于有多道工序的尺寸鏈，根據公差累積效應，可分為形狀度、輪廓度、平面度、垂直度、位置度、方向度等累積類型，其傳遞模型為

(1)

式中：yn為封閉環；n為封閉環環數；ai為誤差傳遞系數。

該傳遞模型應用的主要問題之一是數據顆粒度較粗。在船舶與海洋結構物建造中，由于產品的多樣性、建造的離散性所導致的工藝復雜和不連續性，較難通過簡單的計算模型建立尺寸鏈數據關系，整體來看，存在下述問題：(1)一般的應用只是在結果檢驗時局部應用尺寸鏈原理根據人工經驗進行簡單判斷，系統性不強，準確度也不高[7-8]；(2)該模型是針對線性傳遞方式的累積偏差，沒有提供立體傳遞解決方案[9-10]；(3)目前還沒有專用軟件系統進行累積分析，在龐大的數據量支撐的情況下很難通過簡單的表格進行計算[11]；(4)該模型需要流程對應的數據采集系統做輸入源[12]。

2 精度數據鏈在陵水17-2 FPU中的應用

根據尺寸鏈原理，浮體結構精度要素主尺度對應尺寸鏈中的形狀度，重合度對應尺寸鏈中的位置度，再依照工序可建立一個多維立體式的空間精度數據鏈[13]。由于主尺度和重合度是相互獨立的2個變量要素，因此該空間精度數據鏈可解耦為包含這2個向量特征的單獨的平面精度數據鏈。

半潛式平臺浮體結構在建造時需劃分為若干分段分別制作，最后合龍為一個總段參與搭載。在分段建造時，主要采用正態制造法，由若干組立平行建造后完成大組，其建造過程如圖1所示。

圖1 陵水17-2 FPU浮體結構分段建造過程示例

主尺度數據鏈向量樣本采集簡要示例如表1所示，表1中空白處需要在精度數據采集過程中填入數據。

表1 浮體結構分段建造主尺度精度數據鏈簡要樣例

重合度數據鏈向量樣本采集簡要示例如表2所示。表2中空白處需要在精度數據采集過程中填入數據。

表2 浮體結構分段建造間距及重合度精度數據鏈簡要樣例

由于浮體結構不僅有立體特點而且有方正回轉特性，可分解為4～5項平面線性偏差回路，單回路計算后再進行轉秩運算即可獲得整體偏差關系。由此，根據式(1)可得出各平面精度數據鏈偏差傳遞模型：

(2)

精度數據鏈偏差傳遞模型主要聚焦于浮體結構建造過程中的工序級數據顆粒度特征和立體式數據源結構問題，為管理系統的構建提供理論依據。

3 精度數據鏈管理系統構建與成果驗證

精度數據鏈管理系統需要先解決主尺度數據鏈和重合度數據鏈的輸入源問題，把傳遞模型進行數字化處理[14]。依照偏差工序傳遞邏輯，數據流采集路線主要為正向采集，而分析路線則為逆向分析。根據偏差傳遞模型，數據鏈在采集和分析過程中需形成封閉回路，并對各數據要素在數據鏈模型中解耦。數據流管理流程如圖2所示。

在數據流管理過程中，還需要進行失控管理[15]。在這一環節，測量數據通過直接偏差分析功能輸入數據鏈庫，再從數據鏈庫提取關聯偏差數據進行回路偏差分析，如超標即進入失控源管理流程。失控源需要通過對管理對象的精度溯源進行經驗累積，并通過改善預測指導實際生產中的精度修復，再通過主流程進行新的流程循環。失控源管理功能的有效應用可直接產生精度經驗和精度效益，其功能技術路線描述如圖3所示。

圖3 失控源管理技術路線圖

數據管理與控制環節需要進行映射關聯，實現流程控制功能。流程控制功能應包含各工藝階段的報驗、測量、評判等要素，在系統中實現分段建造全生命周期的精度過程記錄。在關鍵細節上，通過測量數據的數字化采集，系統可自動進行偏差分析，經過標準匹配自動完成精度評判[16-17]，形成一個針對浮體結構精度數據鏈的數字化輸入、輸出環環相扣的完整功能架構。系統基本功能架構如圖4所示。

圖4 系統功能架構示例

系統使用Node.js和MySQL進行BS架構的整體系統開發，并使用Python進行主要算法的開發。系統前端看板頁面如圖5和圖6所示。

圖6 產品工序可視化看板

在系統中通過任務流程進行數據采集和分析，并為后續工作提供調整建議，決策數據輸出簡要示例如表3所示。樣例中精度數據鏈傳遞邏輯清晰，決策依據明確。

表3 精度數據鏈應用樣例 m

4 結 論

半潛式平臺浮體結構建造精度數據鏈管理系統除了對陵水17-2 FPU這種平直立體回轉類型的結構建造的精度管理有很大的幫助、提效作用外，還對其他各類型的海洋結構平臺的建造有著廣泛的適用性。將該類典型半潛式平臺浮體結構產品作為特定實例進行研究，其擴展應用型較強，可根據數據編碼特點不斷擴充數據結構以使其適用于其他產品。

隨著數字化、網絡化、智能化在船舶與海洋工程制造領域的普及，精度數據采集所依賴的傳統半人工方式將會被智能檢測設備所代替，并在管理系統中通過網絡自動進行傳遞和存儲，其中的海量數據也可被高性能智能算法攫取和分析從而獲取各管理者所需的決策依據。半潛式平臺浮體結構建造精度數據鏈管理系統將有著廣闊的應用前景。