浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李淑民，尹寶瑞，黃太安，張小剛，吳 航，李 偉

（海洋石油工程（青島）有限公司設(shè)計(jì)部，山東青島 266520）

浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李淑民，尹寶瑞，黃太安，張小剛，吳 航，李 偉

（海洋石油工程（青島）有限公司設(shè)計(jì)部，山東青島 266520）

作為浮式平臺(tái)項(xiàng)目管理中的重要部分，浮式平臺(tái)重量控制的好壞將直接關(guān)系到平臺(tái)建造的成功與否。本文以實(shí)際項(xiàng)目為背景，運(yùn)用PDCA循環(huán)控制理論，在浮式平臺(tái)重量控制流程分析的基礎(chǔ)上，著重研究了浮式平臺(tái)重量控制過程中存在的主要問題及控制關(guān)鍵點(diǎn)，尋求了一種計(jì)算機(jī)輔助半自動(dòng)化控制的方法。通過需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終開發(fā)了浮式平臺(tái)重量控制原型系統(tǒng)，可滿足浮式平臺(tái)重量控制對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性監(jiān)測、簡化人員操作等需求。

浮式平臺(tái)項(xiàng)目；重量控制；PDCA；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

深水浮式平臺(tái)項(xiàng)目是典型的跨組織復(fù)雜項(xiàng)目并行協(xié)同ETO（engineering-to-order）和KP（one-of-a-kind production）過程，具有技術(shù)含量高、制造工藝過程復(fù)雜、建造環(huán)節(jié)多、建造部門多、變更頻繁等生產(chǎn)特點(diǎn)。在實(shí)際建造過程中，由于鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的部分修改、材料的更換、人員的操作失誤和焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)變更等原因，平臺(tái)在各個(gè)階段的實(shí)際重量、重心值與設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)估重量、重心值相比，往往有較大的偏離。這不僅為后續(xù)作業(yè)埋下了安全隱患，還可能導(dǎo)致建造周期的延長和建造成本的增加。此外，操作人員在建造過程中，尤其是在裝船、吊裝等作業(yè)過程中，還要根據(jù)浮式平臺(tái)的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來準(zhǔn)確控制平臺(tái)整體的動(dòng)力平衡。如何對平臺(tái)完成重量控制目標(biāo)，成為項(xiàng)目能否繼續(xù)推進(jìn)的關(guān)鍵因素[1]。

以往的建造經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)重量控制方法主要存在以下兩個(gè)問題：1）各種數(shù)據(jù)主要靠事后采集匯總；2）實(shí)時(shí)性、集成性與可視化程度低[2]。同時(shí)傳統(tǒng)方法過于依賴人工運(yùn)作，無法保證重量重心控制流程相關(guān)的數(shù)據(jù)文件等在領(lǐng)導(dǎo)、設(shè)計(jì)部門和現(xiàn)場施工人員間可視化高效傳遞，造成不必要的工時(shí)、材料浪費(fèi)。有學(xué)者將高精度壓力傳感技術(shù)、多油缸同步升降控制技術(shù)、液壓自鎖系統(tǒng)以及電氣控制故障診斷等技術(shù)與同步稱重系統(tǒng)相融合，研究了深水浮式平臺(tái)的重量控制技術(shù)[3]。也有一些學(xué)者，從平臺(tái)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了海洋平臺(tái)重量控制的研究，解決了實(shí)際應(yīng)用PDMS(Plant Design Management System)系統(tǒng)時(shí)存在的接口問題[4]。但對于平臺(tái)建造過程中的如何在各部門各專業(yè)間高效傳遞實(shí)時(shí)重量重心數(shù)據(jù)、保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性同時(shí)節(jié)約人工操作時(shí)間這一關(guān)鍵問題，國內(nèi)外的研究較少。

本研究以實(shí)際企業(yè)項(xiàng)目為背景，根據(jù)業(yè)務(wù)流程分析結(jié)果，提出了浮式平臺(tái)重量控制PDCA循環(huán)管理方法，并設(shè)計(jì)開發(fā)了浮式平臺(tái)重量控制原型系統(tǒng)。使用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)代替部分人工操作，既可以滿足在浮式平臺(tái)建造階段跟蹤記錄各部分重量的變化，以期形成統(tǒng)籌兼細(xì)化的重量控制報(bào)告，用以指導(dǎo)接下來的施工建造的要求，又能夠改善傳統(tǒng)人工手動(dòng)計(jì)算、分析重量數(shù)據(jù)的方法，從而使重量控制更加便捷，具有現(xiàn)實(shí)意義和重大經(jīng)濟(jì)意義。

1 業(yè)務(wù)流程分析

不同的海洋工程企業(yè)所擁有的重量控制業(yè)務(wù)流程也存在著一定的差異。海洋石油工程（青島）有限公司（下稱：海油青島公司）的重量控制過程可劃分為設(shè)計(jì)階段和建造階段。涉及到的角色有領(lǐng)導(dǎo)、設(shè)計(jì)操作員、施工數(shù)據(jù)采集員和系統(tǒng)管理員，其組成及來源結(jié)構(gòu)如圖1所示。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)操作員首先要根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重量控制的詳細(xì)設(shè)計(jì)。這一過程主要包括：建立重量、重心模塊的理論模型，統(tǒng)一規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸正方向、確定平臺(tái)狀態(tài)（站立狀態(tài)或漂浮狀態(tài)），并參考經(jīng)驗(yàn)公式或百分法預(yù)估出各個(gè)預(yù)制單元和整個(gè)浮式平臺(tái)重量、重心的理論值。其次，要根據(jù)現(xiàn)場反饋的實(shí)際情況（包括設(shè)備、場地和材料等）進(jìn)行加工設(shè)計(jì)。這一過程需要確定焊接重量和涂裝重量占結(jié)構(gòu)重量的比例、鋼材密度等信息，一般焊接重量取鋼材重量的1.75%，涂裝比率取1.5%。根據(jù)船廠的實(shí)際建造能力，也有焊接比例取2%-3%的[5]。加工設(shè)計(jì)修改后需要將其結(jié)果反饋給詳細(xì)設(shè)計(jì)，由詳細(xì)設(shè)計(jì)根據(jù)平臺(tái)浮性、穩(wěn)性等性能要求，做出調(diào)整后再交給加工設(shè)計(jì)，如此往復(fù)，直至尋求到可以滿足雙方要求的方案，最終形成圖紙等生產(chǎn)指導(dǎo)文件，并最終形成重量控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 重量控制角色組成

在建造階段，現(xiàn)場施工部門根據(jù)圖紙、物料單和進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行實(shí)際建造。每一個(gè)預(yù)制單元建造完成后都需要施工數(shù)據(jù)采集人員進(jìn)行現(xiàn)場的重量、重心數(shù)據(jù)記錄和采集，統(tǒng)計(jì)計(jì)算出總重量和重心坐標(biāo)值，以表格形式提交到設(shè)計(jì)部。這一階段最重要的過程是，設(shè)計(jì)操作員通過計(jì)算偏差和余量范圍來分析、監(jiān)測各階段產(chǎn)品重量、重心累加值的變化是否異常。若偏差超出余量控制范圍，則需要查詢類似項(xiàng)目的控制報(bào)告或歷史記錄，提交調(diào)整方案甚至發(fā)出重控預(yù)警，經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)后，重新進(jìn)行加工設(shè)計(jì)。必要時(shí)，還將修改詳細(xì)設(shè)計(jì)，再次經(jīng)歷設(shè)計(jì)階段的循環(huán)過程。領(lǐng)導(dǎo)主要負(fù)責(zé)瀏覽重量控制數(shù)據(jù)、查看重量控制報(bào)告，并就實(shí)施方案或調(diào)整方案提出指導(dǎo)性意見，核實(shí)、審批重量控制報(bào)告和調(diào)整方案。浮式平臺(tái)傾斜試驗(yàn)符合要求后，重量控制結(jié)束；若不符合要求，則需要采取補(bǔ)救措施。海油青島公司浮式平臺(tái)重量控制流程，如圖2所示。

2 浮式平臺(tái)重量控制PDCA循環(huán)管理方法

PDCA循環(huán)是計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、處理的過程，以計(jì)劃和目標(biāo)控制為基礎(chǔ)，通過不斷的循環(huán)使結(jié)果得到持續(xù)的改進(jìn)，推動(dòng)項(xiàng)目管理的科學(xué)化、規(guī)范化[6]。就其過程和可交付成果而論，浮式平臺(tái)的重量重心控制屬于PDCA循環(huán)。在實(shí)際建造過程中，需要對各個(gè)階段已完成的產(chǎn)品或模塊進(jìn)行量性稱重，跟蹤記錄各個(gè)建造子單元和大、中、小組立的重量重心數(shù)據(jù)（D），同時(shí)與先期設(shè)計(jì)階段的理論數(shù)據(jù)（P）進(jìn)行對比分析（C），如發(fā)現(xiàn)偏差，則可及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整[7]，并提交重量控制報(bào)告（A），進(jìn)入下一階段的PDCA循環(huán)。該報(bào)告不僅有利于對各預(yù)制單元或結(jié)構(gòu)的重量、重心值進(jìn)行評估和調(diào)整，指導(dǎo)下一階段的現(xiàn)場生產(chǎn)，還將給相關(guān)部門提供量性指標(biāo)，以便其做出技術(shù)或工藝方面的改善。浮式平臺(tái)重量控制PDCA循環(huán)如圖3所示。

圖3 浮式平臺(tái)重量控制PDCA循環(huán)

3 浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)功能模型

提取業(yè)務(wù)流程中非必要的人為動(dòng)作，所開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)能完成如下任務(wù)：1）讀取、更新的重量重心數(shù)據(jù)；2）自動(dòng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算重量重心值；3）可視化傳遞、展示與監(jiān)控浮式平臺(tái)重量控制相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；4）分項(xiàng)目數(shù)據(jù)管理，建造過程中的控制報(bào)告等統(tǒng)一存檔管理，簡化查詢操作。

根據(jù)上述系統(tǒng)需求分析的結(jié)果，將浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)分為四個(gè)子模塊：重量數(shù)據(jù)采集模塊、重量控制模塊、重量審批模塊和重控權(quán)限設(shè)置模塊。浮式平臺(tái)重量控制模塊功能樹如圖4所示。重量數(shù)據(jù)采集模塊主要是分項(xiàng)目分專業(yè)導(dǎo)入、存儲(chǔ)和更新數(shù)據(jù)，為滿足重量控制對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，這里配置已有數(shù)據(jù)導(dǎo)入和現(xiàn)場數(shù)據(jù)添加兩項(xiàng)數(shù)據(jù)采集功能，此外配有數(shù)據(jù)查找、更新、分類等功能。重量控制模塊是本系統(tǒng)最為核心的模塊，主要實(shí)現(xiàn)對重量數(shù)據(jù)采集模塊保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并提供數(shù)據(jù)對比分析、可視化展示與監(jiān)控的功能。

圖4 浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)功能樹

進(jìn)一步細(xì)化解耦，將這一模塊劃分為重量控制計(jì)算、重量控制預(yù)警、重量控制總結(jié)報(bào)告、重量控制曲線和重量控制文件上傳五個(gè)部分。在重量控制計(jì)算這一子功能塊中，系統(tǒng)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊的數(shù)據(jù)，分項(xiàng)目分專業(yè)計(jì)算重量累加值、重心值及各結(jié)構(gòu)部分的余量范圍。計(jì)算公式如下：

其中Wi、Fi、Xi、Yi、Zi表示人工導(dǎo)入的重量、余量因子和重心值，WF、XF、YF、ZF為系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的相應(yīng)數(shù)值，P表示現(xiàn)場余量WFS與理論余量WFT間的差值占理論余量的百分比。值得注意的是，這些公式既適用于整個(gè)項(xiàng)目，也適用于某個(gè)專業(yè)，甚至適用于某個(gè)結(jié)構(gòu)單元，當(dāng)不考慮余量范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將余量因子記為1，重新計(jì)算各部分對應(yīng)的值，從而大大節(jié)約了工時(shí)。為簡化人員操作，這一功能塊中還設(shè)置了多行聯(lián)合修改功能，用戶可以同時(shí)進(jìn)行多行數(shù)據(jù)的修改。通過重量控制預(yù)警子功能塊實(shí)現(xiàn)可視化結(jié)構(gòu)單元狀態(tài)。采用彩色進(jìn)度條作為百分比P的顯性標(biāo)志，綠色表示數(shù)據(jù)正常，紅色表示數(shù)據(jù)超標(biāo)嚴(yán)重需要預(yù)警分析。此外，重量控制曲線子功能塊可以自動(dòng)分項(xiàng)目獲取重量控制計(jì)算子功能塊處理后的數(shù)據(jù)，并以時(shí)間-總重量曲線、時(shí)間-重心坐標(biāo)曲線的形式直觀展現(xiàn)出來。根據(jù)海洋工程的需要，通過時(shí)間-重量裕度曲線實(shí)時(shí)反映重量裕度變化情況，發(fā)出調(diào)整警告[8-9]。重量控制總結(jié)報(bào)告模塊將根據(jù)重量控制處理后的數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行整理，打印成重量控制報(bào)告。這里生成的重量控制報(bào)告是借助階段性數(shù)據(jù)整理生成的階段性報(bào)告，以反饋產(chǎn)品建造狀態(tài)；也可以是調(diào)整方案報(bào)告，用以交由詳細(xì)設(shè)計(jì)部門進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)修改，最終在得到相關(guān)部門批準(zhǔn)后編制形成平臺(tái)建造階段重量控制的指導(dǎo)文件。重控權(quán)限設(shè)置模塊為系統(tǒng)管理模塊，主要包含用戶信息管理、維護(hù)系統(tǒng)更新和數(shù)據(jù)連接等幾個(gè)主要功能。

3.2 浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

為明確海洋重量控制模塊數(shù)據(jù)傳遞情況，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析。浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖5所示。其詳細(xì)流程如下：1）設(shè)計(jì)操作員和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集員分別將理論重量數(shù)據(jù)和實(shí)際重量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，這其中包括單個(gè)預(yù)制單元的編號(hào)、預(yù)制單元組成條目、預(yù)制單元組成條目重量數(shù)據(jù)等；2）重量、重心經(jīng)過累加計(jì)算處理后形成累加單元（按建造順序）的重量、重心值。設(shè)計(jì)操作人員設(shè)定重控?cái)?shù)據(jù)的余量因子。系統(tǒng)會(huì)對結(jié)構(gòu)單元理論的重量、重心值進(jìn)行余量范圍計(jì)算，并與相對應(yīng)的實(shí)際重量重心數(shù)據(jù)的余量范圍進(jìn)行對比，對超出余量范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記。系統(tǒng)將累加的重量值和計(jì)算生成的重心值（實(shí)際值與理論值）傳入重量控制曲線功能模塊，生成時(shí)間-重量、時(shí)間-重心曲線圖。3）所有輸出的數(shù)據(jù)均需分項(xiàng)目儲(chǔ)存到企業(yè)的歷史信息庫中，以供后續(xù)參考。整個(gè)平臺(tái)重量控制過程中，均支持設(shè)備打印。

圖5 浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

4 浮式平臺(tái)重量控制原型系統(tǒng)開發(fā)

本研究基于Java語言，選用B/S架構(gòu)，應(yīng)用MyEclipse企業(yè)級工作平臺(tái)，Tomcat服務(wù)器和Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行原型系統(tǒng)的構(gòu)建，驗(yàn)證了數(shù)字化浮式平臺(tái)重量控制的可行性。圖6為浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)的功能樹與數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能模塊的展示，根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)，這里采用的是重控?cái)?shù)據(jù)分項(xiàng)目和分專業(yè)管理。此外，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能模塊中還設(shè)置了Excel數(shù)據(jù)表格的自動(dòng)導(dǎo)入功能，方便人員操作。

圖6 浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)功能樹、分項(xiàng)目分專業(yè)數(shù)據(jù)錄入界面

圖7為重量控制計(jì)算模塊，該模塊除可以對導(dǎo)入模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算外，還可以自動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)，保證了計(jì)算數(shù)據(jù)與導(dǎo)入模塊數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步更新。根據(jù)前述設(shè)計(jì)，該模塊另配有多行數(shù)據(jù)同時(shí)修改保存的功能，具體操作為，選取要同時(shí)更改的數(shù)據(jù)行，對其中某一行余量因子進(jìn)行修改，點(diǎn)擊設(shè)置選中行按鈕，則數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行更改，并顯示為黃色背景，如圖中所示，此時(shí)點(diǎn)擊保存，則頁面底端的統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的修改。該功能將大大簡化企業(yè)人員對重控余量因子的頻繁修改操作。

圖7 重量控制計(jì)算頁面展示

圖8為重量控制過程可視化監(jiān)控功能展示。包含重量控制預(yù)警界面和重量控制曲線界面，預(yù)警進(jìn)度條則為操作人員清晰明了地展示了模塊控制效果狀態(tài)。紅色為發(fā)出警報(bào)狀態(tài)，設(shè)計(jì)操作員在查看過程中需要對其進(jìn)行預(yù)警分析。若嚴(yán)重超出理論標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)操作員還必須制定并提交調(diào)整方案，此時(shí)系統(tǒng)將發(fā)送郵件給領(lǐng)導(dǎo)，通知其進(jìn)行審核和批復(fù)。

圖8 重量控制曲線界面展示

5 結(jié)束語

如何實(shí)現(xiàn)在決策管理層、設(shè)計(jì)層和操作層人員間，可視化傳遞、展示與監(jiān)控浮式平臺(tái)重量控制相關(guān)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)、集成數(shù)據(jù)，是目前在浮式平臺(tái)建造過程中亟需解決的問題之一。本文提出的基于PDCA循環(huán)的半自動(dòng)化重量控制方法，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了浮式平臺(tái)重量控制系統(tǒng)。通過使用重量控制數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與自動(dòng)更新，減少人工勞動(dòng)與作業(yè)時(shí)間；通過定期加載重量預(yù)警模塊和重量控制曲線模塊，可實(shí)現(xiàn)在建造過程中對平臺(tái)重量、重心位置的全方位可視化監(jiān)控，并為及時(shí)處理變更方案，指導(dǎo)下一步計(jì)劃工作提供保障。

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Design and Implementation of Weight Control System for Floating Platform

Li Shu-min, Yin Bao-rui, Huang Tai-an, Zhang Xiao-gang, Wu Hang, Li Wei

(Shop Design Dept. of COOEC Qingdao, Shandong Qindao 266520, China)

As a vital part of the project management of the floating platform, the quality of the weight control of the floating platform directly influences its construction. Taking an actual project as the background, adopting the PDCA theory and based on the process analysis of the weight control, the paper studies the main problem and the key control points during the weight control of the floating platform. A semi-automatic control solution aided by computer is proposed. Ultimately the prototype of the weight control system for the floating platform is developed, which is based on the requirement analysis and system design. The control system not only meets the real-in-time data supervision of the weight control of the floating platform, but also brings convenience to the operators.

floating platform project; weight control; PDCA; system design

TP399

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.001

國家“十二五”科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目26課題2子課題“浮式平臺(tái)建造、安裝技術(shù)研究”（2011ZX05026-002-01)。

李淑民（1960-），男，教授級高工，研究方向：海洋工程。