海洋油氣裝備智能制造可行性分析

劉賢權(quán) 曹磊 卜言生/上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司

王蓉 徐曉麗/中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院

李應(yīng)曉/海洋石油工程股份有限公司

海洋油氣裝備是人類開(kāi)發(fā)利用海洋的重要支撐力量，也是高端裝備制造業(yè)的重要組成部分，具有知識(shí)、技術(shù)、資金、勞動(dòng)力密集的特點(diǎn)，以及成長(zhǎng)潛力大、綜合效益好等優(yōu)勢(shì)。本文根據(jù)海洋油氣裝備設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)及制造模式，構(gòu)建海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并選取模糊層次分析法對(duì)海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)及分析。

海洋油氣裝備智能制造特點(diǎn)分析

（一）海洋油氣裝備設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)

海洋油氣裝備是人類開(kāi)發(fā)利用海洋的重要支撐力量。與陸上設(shè)施不同，海洋油氣裝備遠(yuǎn)離岸上基礎(chǔ)設(shè)施在海上作業(yè)，需要長(zhǎng)期承受海上極端環(huán)境并且應(yīng)對(duì)各類突發(fā)狀況，技術(shù)復(fù)雜，持續(xù)工作要求高?？傮w來(lái)說(shuō)，海洋油氣裝備產(chǎn)業(yè)具備如下特征：

1.多領(lǐng)域技術(shù)高度集成、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)

海洋油氣裝備涉及油氣資源勘探開(kāi)發(fā)、船舶及海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋探測(cè)等多個(gè)門(mén)類，集信息、新材料、新能源等新興技術(shù)于一體，多學(xué)科交叉，知識(shí)技術(shù)密集。海洋油氣裝備是平臺(tái)結(jié)構(gòu)、鉆采系統(tǒng)、生產(chǎn)模塊、處理系統(tǒng)、生活模塊、系泊及定位系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、海事設(shè)備系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)等眾多系統(tǒng)的集成，需要使用造船、冶金、機(jī)電、紡織、化工、能源、采掘、新材料等多個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品，技術(shù)高度集成，產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)性強(qiáng)。

2.多品種、小批量、定制需求高

海洋油氣裝備面向海洋油氣開(kāi)發(fā)的調(diào)查、勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸、拆卸等階段，各階段都會(huì)使用不同裝備，而且在同一階段內(nèi)根據(jù)不同的海洋環(huán)境條件、作業(yè)要求，也會(huì)使用不同的裝備，使海洋油氣裝備呈現(xiàn)出多品種、小批量的特征。以鉆井裝備為例，自升式鉆井平臺(tái)主要面向150米以內(nèi)的淺水海域，半潛式鉆井平臺(tái)主要面向深水且海況惡劣的區(qū)域，鉆井船主要面向深水且海況較好的區(qū)域，而在歐洲北海、挪威海以及北冰洋海域，還要使用特殊定制的鉆井裝備。

3.高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高價(jià)值、高可靠性

海洋環(huán)境復(fù)雜惡劣，海上作業(yè)的難度和風(fēng)險(xiǎn)比陸上明顯增加，使海洋油氣裝備的造價(jià)很高，尤其是深水油氣開(kāi)發(fā)裝備，技術(shù)集成度高、設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、過(guò)程控制復(fù)雜、可靠性和安全性要求高、資金投入量大，動(dòng)輒數(shù)億甚至十幾億美元。

表1 海洋油氣裝備建造與船舶建造對(duì)比

表2 海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性指標(biāo)體系

（二）海洋油氣裝備制造模式分析

總的來(lái)說(shuō)，海洋油氣裝備建造與船舶建造高度相關(guān)。海洋油氣裝備與船舶在建造工藝、生產(chǎn)設(shè)施、生產(chǎn)流程、技術(shù)特點(diǎn)等方面存在高度相似性，海洋油氣裝備很多都在船廠進(jìn)行施工建造。但二者在環(huán)境要求、系統(tǒng)構(gòu)成、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面也存在較大差異，特別是由于海洋油氣裝備主要服務(wù)于海洋油氣開(kāi)發(fā)，需滿足勘探、鉆井、采油、集輸、環(huán)保、生產(chǎn)生活保障等多種需求，集成度和復(fù)雜性遠(yuǎn)高于船舶。海洋油氣裝備建造與船舶建造對(duì)比如表1所示。

海洋油氣裝備建造是典型的離散型制造模式，其特點(diǎn)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(dòng)化水平相對(duì)較低。因此，數(shù)字化是決定未來(lái)各競(jìng)爭(zhēng)主體能源版圖的重要因素之一。

為此，本文研究認(rèn)為：海洋油氣裝備智能制造可以建立在船舶智能制造的基礎(chǔ)上，融合海洋油氣裝備的需求與特點(diǎn)，而誕生出海洋油氣裝備建造模式。

海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性評(píng)價(jià)

（一）評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)前述海洋油氣裝備智能制造技術(shù)分析情況，本文采用層次分析法進(jìn)行海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性分析。層次分析法是指將一個(gè)亟待解決的復(fù)雜多目標(biāo)決策問(wèn)題作為一個(gè)系統(tǒng)，將系統(tǒng)目標(biāo)劃分為多個(gè)目標(biāo)（或準(zhǔn)則），再對(duì)其劃分層次，分解成多個(gè)指標(biāo)或準(zhǔn)則，通過(guò)定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以作為目標(biāo)（多指標(biāo)）、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。結(jié)合上述指標(biāo)體系的確定準(zhǔn)則，海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性建立如下的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見(jiàn)表2）。

綜上，構(gòu)建的海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性指標(biāo)體系為遞階層次結(jié)構(gòu)，層次數(shù)目為三層，五個(gè)準(zhǔn)則層。其中最高層（即目標(biāo)層）A為海洋油氣裝備智能制造技術(shù)；中間層（即準(zhǔn)則層）B的元素分為B1（基礎(chǔ)共性技術(shù)）、B2（裝備設(shè)計(jì)技術(shù)）、B3（智能生產(chǎn)技術(shù)）、B4（智能管理技術(shù)）、B5（智能服務(wù)技術(shù)）；最低層（即指標(biāo)層）C包含C1-C33共33個(gè)技術(shù)。

（二）評(píng)價(jià)方法的確定

在分析海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性時(shí)，主觀成分較多，為使評(píng)價(jià)結(jié)果更為科學(xué)、準(zhǔn)確，本文在用層次分析法對(duì)海洋油氣裝備智能制造技術(shù)進(jìn)行分析的同時(shí)，再結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)技術(shù)應(yīng)用可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)，即模糊層次分析法。

層次分析法（AHP）是由美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授薩迪于20世紀(jì)70年代末提出的，是一種多層次權(quán)重解析法。AHP以定性與定量相結(jié)合的方法處理各種決策因素，將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理，系統(tǒng)性強(qiáng)，使用靈活、簡(jiǎn)便，對(duì)于量化評(píng)價(jià)指標(biāo)、選擇最優(yōu)方案提供了依據(jù)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)研究的多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，層次分析法存在著如下缺陷：檢驗(yàn)判斷矩陣是否一致非常困難，而且檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有一致性的標(biāo)準(zhǔn)CR<0缺乏科學(xué)依據(jù)，判斷矩陣的一致性與人類思維的一致性有顯著差異。

模糊層次評(píng)價(jià)法（FAHP）是一種將模糊綜合評(píng)價(jià)法（FCE）和層次分析法（AHP）相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，在體系評(píng)價(jià)、效能評(píng)估、系統(tǒng)優(yōu)化等方面有著十分廣泛的應(yīng)用，是一種定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型。一般步驟是先用層次分析法確定因素集，然后用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。歸納兩者優(yōu)點(diǎn)形成的模糊層次評(píng)價(jià)法，將兩者相互融合，比層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法更準(zhǔn)確、更合理，評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠。

海洋油氣裝備智能制造技術(shù)眾多，結(jié)合模糊層次分析法的優(yōu)點(diǎn)及適用性，可構(gòu)建基于模糊層次分析法的海洋油氣裝備智能制造技術(shù)可行性評(píng)價(jià)模型。構(gòu)建海洋油氣裝備智能制造技術(shù)可行性評(píng)價(jià)模型的基本步驟如下：

1.建立海洋油氣裝備智能制造技術(shù)集

首先，選取海洋油氣裝備智能制造技術(shù)并建立評(píng)價(jià)層次體系；再結(jié)合前文關(guān)于海洋油氣裝備智能制造技術(shù)的分析和結(jié)論，根據(jù)層次分析法指標(biāo)確定原則建立模糊層次評(píng)價(jià)技術(shù)體系。按照不同的屬性、支配關(guān)系，將不同技術(shù)進(jìn)行分類、分層構(gòu)建層次評(píng)價(jià)體系，最下層指標(biāo)即表示具體技術(shù)，由此構(gòu)成評(píng)價(jià)因素集 X=(x1，x2，……，xn）。

2.建立評(píng)定集

建立評(píng)定集的目的是為確定技術(shù)集中各要素在評(píng)價(jià)目標(biāo)當(dāng)中所處的水平，將評(píng)價(jià)目標(biāo)劃分為不同級(jí)別V=（v1，v2，……，vm），通常采用十分制或百分制劃分為5個(gè)等級(jí)區(qū)間。

3.確定指標(biāo)權(quán)重

在層次分析法中，通過(guò)采取引入合適的標(biāo)度，將每一評(píng)價(jià)層次中各個(gè)評(píng)價(jià)因素的相對(duì)重要性用數(shù)值表示出來(lái)，并寫(xiě)成一致性判斷矩陣。判斷矩陣是指對(duì)于上一層次的評(píng)價(jià)因素，本層次和其相關(guān)評(píng)價(jià)因素直接的相對(duì)重要性比較。若采用模糊互補(bǔ)判斷矩陣，評(píng)價(jià)過(guò)程中需反復(fù)調(diào)整將其建立起模糊一致性判斷矩陣，操作較繁瑣，因此當(dāng)層次分析判斷矩陣滿足一致性要求時(shí)，可直接將其轉(zhuǎn)化成模糊一致性判斷矩陣。

A.用層次分析法，構(gòu)造AHP判斷矩陣并檢驗(yàn)其一致性；

B.將AHP判斷矩陣轉(zhuǎn)化成模糊一致性判斷矩陣，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。

模糊一致性判斷矩陣R中，其各因素權(quán)重采用如下公式計(jì)算：

4.構(gòu)建模糊綜合評(píng)判矩陣，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

首先對(duì)著眼因素集中的單因素xi（i=1,2，?，n）作單因素評(píng)判，從因素xi著眼該事物對(duì)抉擇等級(jí)vj（j=1、2、 、m）的隸屬度為rij，這樣就得出第i個(gè)因素xi的單因素評(píng)判集：

表3 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

模糊評(píng)判矩陣R中不同的行反映了某個(gè)被評(píng)價(jià)事物從不同的單因素來(lái)看對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬程度。用模糊權(quán)向量W將不同的行進(jìn)行綜合，就可得到該被評(píng)價(jià)事物從總體上來(lái)看對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬程度，即模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量。也就是從子目標(biāo)因素集的角度，通過(guò)對(duì)各指標(biāo)賦值，去確認(rèn)其在評(píng)價(jià)集V各等級(jí)中的隸屬度。選用加權(quán)平均型合成算法，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：

式中，B為總排序向量，V為評(píng)價(jià)集。

海洋油氣裝備智能制造技術(shù)應(yīng)用可行性分析

將AHP與模糊綜合評(píng)價(jià)法兩種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，運(yùn)用AHP建立判斷矩陣，計(jì)算各層次準(zhǔn)則、指標(biāo)的權(quán)重向量，進(jìn)而運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)價(jià)計(jì)算。這種方法規(guī)避了AHP的不足之處，同時(shí)又將模糊綜合評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來(lái)。根據(jù)當(dāng)前智能制造技術(shù)的發(fā)展情況以及海洋油氣裝備發(fā)展特點(diǎn)等資料，釆用模糊層次分析法對(duì)智能制造技術(shù)在海上鉆井類裝備、海上生產(chǎn)類裝備，以及海洋開(kāi)發(fā)輔助船舶的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（一）構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)因素集

影響因素包括兩個(gè)層次：第一層為目標(biāo)因素集A=（B1，B2，B3，B4，B5）；第二層為子目標(biāo)因 素 集B1 =（C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7）、B2=（C8，C9，C10）、B3=（C11，C12，C13，C14，C15，C16，C17，C18，C19，C20）、B4=（C21，C22，C23，C24，C25，C26，C27，C28，C29，C30）、B5=（C31，C32，C33）。

（二）構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是對(duì)影響指標(biāo)的一種模糊劃分，也可以看做是評(píng)價(jià)結(jié)果的語(yǔ)言描述。將智能制造技術(shù)的適應(yīng)性大小劃分為5個(gè)等級(jí)，考慮到之后單因素評(píng)判集的易于確定，這里采用10分制來(lái)劃分，即8＜非常適應(yīng)≤10分，6＜適應(yīng)≤8分，4＜較適應(yīng)≤6分，2＜不適應(yīng)≤4分，極不適應(yīng)≤2分。

（三）利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)

根據(jù)上節(jié)模糊一致性判斷矩陣，計(jì)算出評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，將已得到的權(quán)重向量Wi，與模糊綜合評(píng)價(jià)法得到的模糊評(píng)判矩陣Ri，進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，可得基于各準(zhǔn)則層的評(píng)定向量。

1.海上鉆井類裝備

根據(jù)最大隸屬度原則，可作出海上鉆井類裝備適合智能裝備技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)論。計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分值μ：

由計(jì)算結(jié)果可知，海上鉆井類裝備適合智能裝備技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果為適應(yīng)。則可以判定海上鉆井類裝備比較適合采用智能制造技術(shù)。

2.海上生產(chǎn)類裝備

根據(jù)最大隸屬度原則，可作出海上生產(chǎn)類裝備適合智能裝備技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)論。計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分值μ：

由計(jì)算結(jié)果可知，海上生產(chǎn)類裝備適合智能裝備技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果為非常適應(yīng)。則可以判定海上生產(chǎn)類裝備非常適合采用智能制造技術(shù)。

3.海洋開(kāi)發(fā)輔助船舶

根據(jù)最大隸屬度原則，可作出海上開(kāi)發(fā)輔助船舶適合智能裝備技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)論。計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分值μ：

由計(jì)算結(jié)果可知，海上開(kāi)發(fā)輔助船舶適合智能裝備技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果為較為適應(yīng)。則可以判定海上開(kāi)發(fā)輔助船舶較為適應(yīng)采用智能制造技術(shù)。

結(jié) 論

從智能制造技術(shù)的應(yīng)用可行性來(lái)說(shuō)，海上生產(chǎn)類裝備>海洋開(kāi)發(fā)輔助船舶>海上鉆井類裝備。究其原因，可能與海上生產(chǎn)類裝備的特點(diǎn)有關(guān)，尤其是導(dǎo)管架平臺(tái)，其裝備的大部分內(nèi)容適宜采用智能制造技術(shù)，如加工成型、焊接、關(guān)鍵加工等，并且其上部模塊大都是需要整體吊裝的，智能制造技術(shù)的應(yīng)用可行性很高。另外海洋開(kāi)發(fā)輔助船舶由于與傳統(tǒng)船舶較為相似，流程化管理更為順暢，對(duì)于智能制造技術(shù)的應(yīng)用可行性較高。對(duì)于海上鉆井類裝備，由于其平臺(tái)類型較多，包括自升式、半潛式、船型等，裝備定制化程度高，對(duì)于智能制造技術(shù)的應(yīng)用仍然有較多不確定性。

另一方面，國(guó)內(nèi)海工裝備企業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過(guò)程的信息化，但在各個(gè)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(jià)值沒(méi)有得到充分利用。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(shí)現(xiàn)能夠輔助人類決策的一站式建造。因此，海洋油氣裝備智能制造必然要分階段逐步實(shí)現(xiàn)，在各類海上油氣裝備中選擇某個(gè)具有普遍性并且建造技術(shù)成熟的結(jié)構(gòu)如上部模塊、樁腿、導(dǎo)管架等，作為首要實(shí)現(xiàn)智能制造的對(duì)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?！?/p>