張秀林,尤學(xué)剛,李清明,張慶營(yíng),姜立群

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057;2.中國(guó)海洋石油集團(tuán)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(chǎn)裝置(Floating Production Unit，F(xiàn)PU)的建造難點(diǎn)在于其合龍?bào)w立體式分布導(dǎo)致的多向配合的精準(zhǔn)度。與常規(guī)船型不同，其對(duì)各分、總段的精度控制要求是多維和關(guān)聯(lián)的。FPU的浮體結(jié)構(gòu)是整個(gè)平臺(tái)合龍的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其建造精度要求最高，難度也最大。

半潛式平臺(tái)浮體精度控制要求基于各零部件的精度控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)累積得來(lái)，類似于尺寸鏈(dimensional chain)關(guān)系。尺寸鏈?zhǔn)窃跈C(jī)械工件加工和裝配過(guò)程中由一組互相聯(lián)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(gè)尺寸稱為尺寸鏈的環(huán)。在尺寸鏈中間接保證精度的尺寸稱為封閉環(huán)，其余尺寸稱為組成環(huán)[1]。

在常規(guī)的船體建造精度過(guò)程管理中，具有許多復(fù)雜性和不確定性，需覆蓋生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)關(guān)鍵工藝階段，如地線設(shè)置、胎架布置、拼板、劃線、裝焊等各工藝環(huán)節(jié)都需嚴(yán)格監(jiān)控，測(cè)量數(shù)據(jù)也需要累積擬合。尺寸鏈在數(shù)據(jù)層面和流程層面都須進(jìn)行嚴(yán)格管理。

對(duì)于浮體結(jié)構(gòu)的建造，精度管理過(guò)程的復(fù)雜性更高，需通過(guò)系統(tǒng)性的尺寸鏈管理進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)，達(dá)到精度過(guò)程精準(zhǔn)控制的目的。因此，浮體結(jié)構(gòu)的精度過(guò)程管控主要圍繞尺寸累積偏差形成的數(shù)據(jù)鏈來(lái)開(kāi)展[2-3]。

至今，國(guó)內(nèi)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(tǒng)計(jì)和控制，主要原因是建造環(huán)節(jié)多、產(chǎn)品差異性大、建造工藝離散等[4-6]。在建造信息化管理系統(tǒng)中沒(méi)有形成面向精度管理的尺寸鏈數(shù)據(jù)管理和分析子系統(tǒng)。本文根據(jù)尺寸鏈原理，建立精度控制鏈，并將其應(yīng)用至精度數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng)，達(dá)到提升半潛式平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)建造精度的目的。

1 尺寸鏈理論在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

對(duì)于有多道工序的尺寸鏈，根據(jù)公差累積效應(yīng)，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(huán)；n為封閉環(huán)環(huán)數(shù)；ai為誤差傳遞系數(shù)。

該傳遞模型應(yīng)用的主要問(wèn)題之一是數(shù)據(jù)顆粒度較粗。在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物建造中，由于產(chǎn)品的多樣性、建造的離散性所導(dǎo)致的工藝復(fù)雜和不連續(xù)性，較難通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算模型建立尺寸鏈數(shù)據(jù)關(guān)系，整體來(lái)看，存在下述問(wèn)題：(1)一般的應(yīng)用只是在結(jié)果檢驗(yàn)時(shí)局部應(yīng)用尺寸鏈原理根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷，系統(tǒng)性不強(qiáng)，準(zhǔn)確度也不高[7-8]；(2)該模型是針對(duì)線性傳遞方式的累積偏差，沒(méi)有提供立體傳遞解決方案[9-10]；(3)目前還沒(méi)有專用軟件系統(tǒng)進(jìn)行累積分析，在龐大的數(shù)據(jù)量支撐的情況下很難通過(guò)簡(jiǎn)單的表格進(jìn)行計(jì)算[11]；(4)該模型需要流程對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做輸入源[12]。

2 精度數(shù)據(jù)鏈在陵水17-2 FPU中的應(yīng)用

根據(jù)尺寸鏈原理，浮體結(jié)構(gòu)精度要素主尺度對(duì)應(yīng)尺寸鏈中的形狀度，重合度對(duì)應(yīng)尺寸鏈中的位置度，再依照工序可建立一個(gè)多維立體式的空間精度數(shù)據(jù)鏈[13]。由于主尺度和重合度是相互獨(dú)立的2個(gè)變量要素，因此該空間精度數(shù)據(jù)鏈可解耦為包含這2個(gè)向量特征的單獨(dú)的平面精度數(shù)據(jù)鏈。

半潛式平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)在建造時(shí)需劃分為若干分段分別制作，最后合龍為一個(gè)總段參與搭載。在分段建造時(shí)，主要采用正態(tài)制造法，由若干組立平行建造后完成大組，其建造過(guò)程如圖1所示。

圖1 陵水17-2 FPU浮體結(jié)構(gòu)分段建造過(guò)程示例

主尺度數(shù)據(jù)鏈向量樣本采集簡(jiǎn)要示例如表1所示，表1中空白處需要在精度數(shù)據(jù)采集過(guò)程中填入數(shù)據(jù)。

表1 浮體結(jié)構(gòu)分段建造主尺度精度數(shù)據(jù)鏈簡(jiǎn)要樣例

重合度數(shù)據(jù)鏈向量樣本采集簡(jiǎn)要示例如表2所示。表2中空白處需要在精度數(shù)據(jù)采集過(guò)程中填入數(shù)據(jù)。

表2 浮體結(jié)構(gòu)分段建造間距及重合度精度數(shù)據(jù)鏈簡(jiǎn)要樣例

由于浮體結(jié)構(gòu)不僅有立體特點(diǎn)而且有方正回轉(zhuǎn)特性，可分解為4～5項(xiàng)平面線性偏差回路，單回路計(jì)算后再進(jìn)行轉(zhuǎn)秩運(yùn)算即可獲得整體偏差關(guān)系。由此，根據(jù)式(1)可得出各平面精度數(shù)據(jù)鏈偏差傳遞模型：

(2)

精度數(shù)據(jù)鏈偏差傳遞模型主要聚焦于浮體結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中的工序級(jí)數(shù)據(jù)顆粒度特征和立體式數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)問(wèn)題，為管理系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論依據(jù)。

3 精度數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng)構(gòu)建與成果驗(yàn)證

精度數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng)需要先解決主尺度數(shù)據(jù)鏈和重合度數(shù)據(jù)鏈的輸入源問(wèn)題，把傳遞模型進(jìn)行數(shù)字化處理[14]。依照偏差工序傳遞邏輯，數(shù)據(jù)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(jù)偏差傳遞模型，數(shù)據(jù)鏈在采集和分析過(guò)程中需形成封閉回路，并對(duì)各數(shù)據(jù)要素在數(shù)據(jù)鏈模型中解耦。數(shù)據(jù)流管理流程如圖2所示。

在數(shù)據(jù)流管理過(guò)程中，還需要進(jìn)行失控管理[15]。在這一環(huán)節(jié)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)直接偏差分析功能輸入數(shù)據(jù)鏈庫(kù)，再?gòu)臄?shù)據(jù)鏈庫(kù)提取關(guān)聯(lián)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行回路偏差分析，如超標(biāo)即進(jìn)入失控源管理流程。失控源需要通過(guò)對(duì)管理對(duì)象的精度溯源進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)累積，并通過(guò)改善預(yù)測(cè)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中的精度修復(fù)，再通過(guò)主流程進(jìn)行新的流程循環(huán)。失控源管理功能的有效應(yīng)用可直接產(chǎn)生精度經(jīng)驗(yàn)和精度效益，其功能技術(shù)路線描述如圖3所示。

圖3 失控源管理技術(shù)路線圖

數(shù)據(jù)管理與控制環(huán)節(jié)需要進(jìn)行映射關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)流程控制功能。流程控制功能應(yīng)包含各工藝階段的報(bào)驗(yàn)、測(cè)量、評(píng)判等要素，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分段建造全生命周期的精度過(guò)程記錄。在關(guān)鍵細(xì)節(jié)上，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行偏差分析，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)匹配自動(dòng)完成精度評(píng)判[16-17]，形成一個(gè)針對(duì)浮體結(jié)構(gòu)精度數(shù)據(jù)鏈的數(shù)字化輸入、輸出環(huán)環(huán)相扣的完整功能架構(gòu)。系統(tǒng)基本功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能架構(gòu)示例

系統(tǒng)使用Node.js和MySQL進(jìn)行BS架構(gòu)的整體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并使用Python進(jìn)行主要算法的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)前端看板頁(yè)面如圖5和圖6所示。

圖6 產(chǎn)品工序可視化看板

在系統(tǒng)中通過(guò)任務(wù)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，并為后續(xù)工作提供調(diào)整建議，決策數(shù)據(jù)輸出簡(jiǎn)要示例如表3所示。樣例中精度數(shù)據(jù)鏈傳遞邏輯清晰，決策依據(jù)明確。

表3 精度數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用樣例 m

4 結(jié) 論

半潛式平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)建造精度數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng)除了對(duì)陵水17-2 FPU這種平直立體回轉(zhuǎn)類型的結(jié)構(gòu)建造的精度管理有很大的幫助、提效作用外，還對(duì)其他各類型的海洋結(jié)構(gòu)平臺(tái)的建造有著廣泛的適用性。將該類典型半潛式平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品作為特定實(shí)例進(jìn)行研究，其擴(kuò)展應(yīng)用型較強(qiáng)，可根據(jù)數(shù)據(jù)編碼特點(diǎn)不斷擴(kuò)充數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以使其適用于其他產(chǎn)品。

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化在船舶與海洋工程制造領(lǐng)域的普及，精度數(shù)據(jù)采集所依賴的傳統(tǒng)半人工方式將會(huì)被智能檢測(cè)設(shè)備所代替，并在管理系統(tǒng)中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行傳遞和存儲(chǔ)，其中的海量數(shù)據(jù)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(jù)。半潛式平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)建造精度數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng)將有著廣闊的應(yīng)用前景。