半潜式平台浮体结构建造精度数据链管理系统

张秀林,尤学刚,李清明,张庆营,姜立群

(1.中海石油(中国)有限公司 湛江分公司,广东 湛江 524057;2.中国海洋石油集团有限公司,北京 100010;3.海洋石油工程(青岛)有限公司,山东 青岛 266520)

0 引 言

陵水17-2浮式生产装置(Floating Production Unit，FPU)的建造难点在于其合龙体立体式分布导致的多向配合的精准度。与常规船型不同，其对各分、总段的精度控制要求是多维和关联的。FPU的浮体结构是整个平台合龙的基础结构，其建造精度要求最高，难度也最大。

半潜式平台浮体精度控制要求基于各零部件的精度控制标准进行关联累积得来，类似于尺寸链(dimensional chain)关系。尺寸链是在机械工件加工和装配过程中由一组互相联系的尺寸按一定顺序互相连接形成的封闭尺寸组。组成尺寸链的各个尺寸称为尺寸链的环。在尺寸链中间接保证精度的尺寸称为封闭环，其余尺寸称为组成环[1]。

在常规的船体建造精度过程管理中，具有许多复杂性和不确定性，需覆盖生产现场的各个关键工艺阶段，如地线设置、胎架布置、拼板、划线、装焊等各工艺环节都需严格监控，测量数据也需要累积拟合。尺寸链在数据层面和流程层面都须进行严格管理。

对于浮体结构的建造，精度管理过程的复杂性更高，需通过系统性的尺寸链管理进行数据分析和预测，达到精度过程精准控制的目的。因此，浮体结构的精度过程管控主要围绕尺寸累积偏差形成的数据链来开展[2-3]。

至今，国内外船体和海工建造精度控制手段主要依赖于原始的人工统计和控制，主要原因是建造环节多、产品差异性大、建造工艺离散等[4-6]。在建造信息化管理系统中没有形成面向精度管理的尺寸链数据管理和分析子系统。本文根据尺寸链原理，建立精度控制链，并将其应用至精度数据链管理系统，达到提升半潜式平台浮体结构建造精度的目的。

1 尺寸链理论在应用过程中存在的问题

对于有多道工序的尺寸链，根据公差累积效应，可分为形状度、轮廓度、平面度、垂直度、位置度、方向度等累积类型，其传递模型为

(1)

式中：yn为封闭环；n为封闭环环数；ai为误差传递系数。

该传递模型应用的主要问题之一是数据颗粒度较粗。在船舶与海洋结构物建造中，由于产品的多样性、建造的离散性所导致的工艺复杂和不连续性，较难通过简单的计算模型建立尺寸链数据关系，整体来看，存在下述问题：(1)一般的应用只是在结果检验时局部应用尺寸链原理根据人工经验进行简单判断，系统性不强，准确度也不高[7-8]；(2)该模型是针对线性传递方式的累积偏差，没有提供立体传递解决方案[9-10]；(3)目前还没有专用软件系统进行累积分析，在庞大的数据量支撑的情况下很难通过简单的表格进行计算[11]；(4)该模型需要流程对应的数据采集系统做输入源[12]。

2 精度数据链在陵水17-2 FPU中的应用

根据尺寸链原理，浮体结构精度要素主尺度对应尺寸链中的形状度，重合度对应尺寸链中的位置度，再依照工序可建立一个多维立体式的空间精度数据链[13]。由于主尺度和重合度是相互独立的2个变量要素，因此该空间精度数据链可解耦为包含这2个向量特征的单独的平面精度数据链。

半潜式平台浮体结构在建造时需划分为若干分段分别制作，最后合龙为一个总段参与搭载。在分段建造时，主要采用正态制造法，由若干组立平行建造后完成大组，其建造过程如图1所示。

图1 陵水17-2 FPU浮体结构分段建造过程示例

主尺度数据链向量样本采集简要示例如表1所示，表1中空白处需要在精度数据采集过程中填入数据。

表1 浮体结构分段建造主尺度精度数据链简要样例

重合度数据链向量样本采集简要示例如表2所示。表2中空白处需要在精度数据采集过程中填入数据。

表2 浮体结构分段建造间距及重合度精度数据链简要样例

由于浮体结构不仅有立体特点而且有方正回转特性，可分解为4～5项平面线性偏差回路，单回路计算后再进行转秩运算即可获得整体偏差关系。由此，根据式(1)可得出各平面精度数据链偏差传递模型：

(2)

精度数据链偏差传递模型主要聚焦于浮体结构建造过程中的工序级数据颗粒度特征和立体式数据源结构问题，为管理系统的构建提供理论依据。

3 精度数据链管理系统构建与成果验证

精度数据链管理系统需要先解决主尺度数据链和重合度数据链的输入源问题，把传递模型进行数字化处理[14]。依照偏差工序传递逻辑，数据流采集路线主要为正向采集，而分析路线则为逆向分析。根据偏差传递模型，数据链在采集和分析过程中需形成封闭回路，并对各数据要素在数据链模型中解耦。数据流管理流程如图2所示。

在数据流管理过程中，还需要进行失控管理[15]。在这一环节，测量数据通过直接偏差分析功能输入数据链库，再从数据链库提取关联偏差数据进行回路偏差分析，如超标即进入失控源管理流程。失控源需要通过对管理对象的精度溯源进行经验累积，并通过改善预测指导实际生产中的精度修复，再通过主流程进行新的流程循环。失控源管理功能的有效应用可直接产生精度经验和精度效益，其功能技术路线描述如图3所示。

图3 失控源管理技术路线图

数据管理与控制环节需要进行映射关联，实现流程控制功能。流程控制功能应包含各工艺阶段的报验、测量、评判等要素，在系统中实现分段建造全生命周期的精度过程记录。在关键细节上，通过测量数据的数字化采集，系统可自动进行偏差分析，经过标准匹配自动完成精度评判[16-17]，形成一个针对浮体结构精度数据链的数字化输入、输出环环相扣的完整功能架构。系统基本功能架构如图4所示。

图4 系统功能架构示例

系统使用Node.js和MySQL进行BS架构的整体系统开发，并使用Python进行主要算法的开发。系统前端看板页面如图5和图6所示。

图6 产品工序可视化看板

在系统中通过任务流程进行数据采集和分析，并为后续工作提供调整建议，决策数据输出简要示例如表3所示。样例中精度数据链传递逻辑清晰，决策依据明确。

表3 精度数据链应用样例 m

4 结 论

半潜式平台浮体结构建造精度数据链管理系统除了对陵水17-2 FPU这种平直立体回转类型的结构建造的精度管理有很大的帮助、提效作用外，还对其他各类型的海洋结构平台的建造有着广泛的适用性。将该类典型半潜式平台浮体结构产品作为特定实例进行研究，其扩展应用型较强，可根据数据编码特点不断扩充数据结构以使其适用于其他产品。

随着数字化、网络化、智能化在船舶与海洋工程制造领域的普及，精度数据采集所依赖的传统半人工方式将会被智能检测设备所代替，并在管理系统中通过网络自动进行传递和存储，其中的海量数据也可被高性能智能算法攫取和分析从而获取各管理者所需的决策依据。半潜式平台浮体结构建造精度数据链管理系统将有着广阔的应用前景。