海洋油气装备智能制造可行性分析

刘贤权 曹磊 卜言生/上海海洋工程装备制造业创新中心有限公司

王蓉 徐晓丽/中国船舶工业综合技术经济研究院

李应晓/海洋石油工程股份有限公司

海洋油气装备是人类开发利用海洋的重要支撑力量，也是高端装备制造业的重要组成部分，具有知识、技术、资金、劳动力密集的特点，以及成长潜力大、综合效益好等优势。本文根据海洋油气装备设计制造特点及制造模式，构建海洋油气装备智能制造技术应用可行性评价指标体系，并选取模糊层次分析法对海洋油气装备智能制造技术应用可行性进行评价及分析。

海洋油气装备智能制造特点分析

（一）海洋油气装备设计制造特点

海洋油气装备是人类开发利用海洋的重要支撑力量。与陆上设施不同，海洋油气装备远离岸上基础设施在海上作业，需要长期承受海上极端环境并且应对各类突发状况，技术复杂，持续工作要求高。总体来说，海洋油气装备产业具备如下特征：

1.多领域技术高度集成、产业链长

海洋油气装备涉及油气资源勘探开发、船舶及海洋结构物设计、海洋环境保护、海洋探测等多个门类，集信息、新材料、新能源等新兴技术于一体，多学科交叉，知识技术密集。海洋油气装备是平台结构、钻采系统、生产模块、处理系统、生活模块、系泊及定位系统、动力系统、海事设备系统、通信导航系统等众多系统的集成，需要使用造船、冶金、机电、纺织、化工、能源、采掘、新材料等多个产业的产品，技术高度集成，产业带动性强。

2.多品种、小批量、定制需求高

海洋油气装备面向海洋油气开发的调查、勘探、开发、生产、储存和运输、拆卸等阶段，各阶段都会使用不同装备，而且在同一阶段内根据不同的海洋环境条件、作业要求，也会使用不同的装备，使海洋油气装备呈现出多品种、小批量的特征。以钻井装备为例，自升式钻井平台主要面向150米以内的浅水海域，半潜式钻井平台主要面向深水且海况恶劣的区域，钻井船主要面向深水且海况较好的区域，而在欧洲北海、挪威海以及北冰洋海域，还要使用特殊定制的钻井装备。

3.高技术、高风险、高价值、高可靠性

海洋环境复杂恶劣，海上作业的难度和风险比陆上明显增加，使海洋油气装备的造价很高，尤其是深水油气开发装备，技术集成度高、设计制造周期长、过程控制复杂、可靠性和安全性要求高、资金投入量大，动辄数亿甚至十几亿美元。

表1 海洋油气装备建造与船舶建造对比

表2 海洋油气装备智能制造技术应用可行性指标体系

（二）海洋油气装备制造模式分析

总的来说，海洋油气装备建造与船舶建造高度相关。海洋油气装备与船舶在建造工艺、生产设施、生产流程、技术特点等方面存在高度相似性，海洋油气装备很多都在船厂进行施工建造。但二者在环境要求、系统构成、规范标准等方面也存在较大差异，特别是由于海洋油气装备主要服务于海洋油气开发，需满足勘探、钻井、采油、集输、环保、生产生活保障等多种需求，集成度和复杂性远高于船舶。海洋油气装备建造与船舶建造对比如表1所示。

海洋油气装备建造是典型的离散型制造模式，其特点体现为：按定单生产模式多品种或小批量或单件生产，产品质量和生产率依赖于工人的技术水平，自动化水平相对较低。因此，数字化是决定未来各竞争主体能源版图的重要因素之一。

为此，本文研究认为：海洋油气装备智能制造可以建立在船舶智能制造的基础上，融合海洋油气装备的需求与特点，而诞生出海洋油气装备建造模式。

海洋油气装备智能制造技术应用可行性评价

（一）评价指标体系的建立

根据前述海洋油气装备智能制造技术分析情况，本文采用层次分析法进行海洋油气装备智能制造技术应用可行性分析。层次分析法是指将一个亟待解决的复杂多目标决策问题作为一个系统，将系统目标划分为多个目标（或准则），再对其划分层次，分解成多个指标或准则，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。结合上述指标体系的确定准则，海洋油气装备智能制造技术应用可行性建立如下的评价指标体系（见表2）。

综上，构建的海洋油气装备智能制造技术应用可行性指标体系为递阶层次结构，层次数目为三层，五个准则层。其中最高层（即目标层）A为海洋油气装备智能制造技术；中间层（即准则层）B的元素分为B1（基础共性技术）、B2（装备设计技术）、B3（智能生产技术）、B4（智能管理技术）、B5（智能服务技术）；最低层（即指标层）C包含C1-C33共33个技术。

（二）评价方法的确定

在分析海洋油气装备智能制造技术应用可行性时，主观成分较多，为使评价结果更为科学、准确，本文在用层次分析法对海洋油气装备智能制造技术进行分析的同时，再结合模糊综合评价法对技术应用可行性进行评价，即模糊层次分析法。

层次分析法（AHP）是由美国匹兹堡大学教授萨迪于20世纪70年代末提出的，是一种多层次权重解析法。AHP以定性与定量相结合的方法处理各种决策因素，将人的主观判断用数量形式表达和处理，系统性强，使用灵活、简便，对于量化评价指标、选择最优方案提供了依据，在社会经济研究的多个领域得到了广泛的应用。然而，层次分析法存在着如下缺陷：检验判断矩阵是否一致非常困难，而且检验判断矩阵是否具有一致性的标准CR<0缺乏科学依据，判断矩阵的一致性与人类思维的一致性有显著差异。

模糊层次评价法（FAHP）是一种将模糊综合评价法（FCE）和层次分析法（AHP）相结合的评价方法，在体系评价、效能评估、系统优化等方面有着十分广泛的应用，是一种定性与定量相结合的评价模型。一般步骤是先用层次分析法确定因素集，然后用模糊综合评价法进行效果评价。归纳两者优点形成的模糊层次评价法，将两者相互融合，比层次分析法和模糊综合评价法更准确、更合理，评价结果更为可靠。

海洋油气装备智能制造技术众多，结合模糊层次分析法的优点及适用性，可构建基于模糊层次分析法的海洋油气装备智能制造技术可行性评价模型。构建海洋油气装备智能制造技术可行性评价模型的基本步骤如下：

1.建立海洋油气装备智能制造技术集

首先，选取海洋油气装备智能制造技术并建立评价层次体系；再结合前文关于海洋油气装备智能制造技术的分析和结论，根据层次分析法指标确定原则建立模糊层次评价技术体系。按照不同的属性、支配关系，将不同技术进行分类、分层构建层次评价体系，最下层指标即表示具体技术，由此构成评价因素集 X=(x1，x2，……，xn）。

2.建立评定集

建立评定集的目的是为确定技术集中各要素在评价目标当中所处的水平，将评价目标划分为不同级别V=（v1，v2，……，vm），通常采用十分制或百分制划分为5个等级区间。

3.确定指标权重

在层次分析法中，通过采取引入合适的标度，将每一评价层次中各个评价因素的相对重要性用数值表示出来，并写成一致性判断矩阵。判断矩阵是指对于上一层次的评价因素，本层次和其相关评价因素直接的相对重要性比较。若采用模糊互补判断矩阵，评价过程中需反复调整将其建立起模糊一致性判断矩阵，操作较繁琐，因此当层次分析判断矩阵满足一致性要求时，可直接将其转化成模糊一致性判断矩阵。

A.用层次分析法，构造AHP判断矩阵并检验其一致性；

B.将AHP判断矩阵转化成模糊一致性判断矩阵，计算各指标权重。

模糊一致性判断矩阵R中，其各因素权重采用如下公式计算：

4.构建模糊综合评判矩阵，进行综合评价

首先对着眼因素集中的单因素xi（i=1,2，?，n）作单因素评判，从因素xi着眼该事物对抉择等级vj（j=1、2、 、m）的隶属度为rij，这样就得出第i个因素xi的单因素评判集：

表3 判断矩阵标度及其含义

模糊评判矩阵R中不同的行反映了某个被评价事物从不同的单因素来看对各等级模糊子集的隶属程度。用模糊权向量W将不同的行进行综合，就可得到该被评价事物从总体上来看对各等级模糊子集的隶属程度，即模糊综合评价结果向量。也就是从子目标因素集的角度，通过对各指标赋值，去确认其在评价集V各等级中的隶属度。选用加权平均型合成算法，进行综合评价：

式中，B为总排序向量，V为评价集。

海洋油气装备智能制造技术应用可行性分析

将AHP与模糊综合评价法两种评价方法相结合，运用AHP建立判断矩阵，计算各层次准则、指标的权重向量，进而运用模糊综合评价法来评价计算。这种方法规避了AHP的不足之处，同时又将模糊综合评价法的优点发挥出来。根据当前智能制造技术的发展情况以及海洋油气装备发展特点等资料，釆用模糊层次分析法对智能制造技术在海上钻井类装备、海上生产类装备，以及海洋开发辅助船舶的适应性进行评价。

（一）构建模糊综合评价因素集

影响因素包括两个层次：第一层为目标因素集A=（B1，B2，B3，B4，B5）；第二层为子目标因 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）构建模糊综合评价集

评价集是对影响指标的一种模糊划分，也可以看做是评价结果的语言描述。将智能制造技术的适应性大小划分为5个等级，考虑到之后单因素评判集的易于确定，这里采用10分制来划分，即8＜非常适应≤10分，6＜适应≤8分，4＜较适应≤6分，2＜不适应≤4分，极不适应≤2分。

（三）利用模糊综合评价法进行评价

根据上节模糊一致性判断矩阵，计算出评价指标权重，将已得到的权重向量Wi，与模糊综合评价法得到的模糊评判矩阵Ri，进行加权平均计算，可得基于各准则层的评定向量。

1.海上钻井类装备

根据最大隶属度原则，可作出海上钻井类装备适合智能装备技术的适应性评价结论。计算综合评价得分值μ：

由计算结果可知，海上钻井类装备适合智能装备技术的适应性评价结果为适应。则可以判定海上钻井类装备比较适合采用智能制造技术。

2.海上生产类装备

根据最大隶属度原则，可作出海上生产类装备适合智能装备技术的适应性评价结论。计算综合评价得分值μ：

由计算结果可知，海上生产类装备适合智能装备技术的适应性评价结果为非常适应。则可以判定海上生产类装备非常适合采用智能制造技术。

3.海洋开发辅助船舶

根据最大隶属度原则，可作出海上开发辅助船舶适合智能装备技术的适应性评价结论。计算综合评价得分值μ：

由计算结果可知，海上开发辅助船舶适合智能装备技术的适应性评价结果为较为适应。则可以判定海上开发辅助船舶较为适应采用智能制造技术。

结 论

从智能制造技术的应用可行性来说，海上生产类装备>海洋开发辅助船舶>海上钻井类装备。究其原因，可能与海上生产类装备的特点有关，尤其是导管架平台，其装备的大部分内容适宜采用智能制造技术，如加工成型、焊接、关键加工等，并且其上部模块大都是需要整体吊装的，智能制造技术的应用可行性很高。另外海洋开发辅助船舶由于与传统船舶较为相似，流程化管理更为顺畅，对于智能制造技术的应用可行性较高。对于海上钻井类装备，由于其平台类型较多，包括自升式、半潜式、船型等，装备定制化程度高，对于智能制造技术的应用仍然有较多不确定性。

另一方面，国内海工装备企业已经基本实现产品制造过程的信息化，但在各个生产环节的数据碎片化现象严重，缺失数据间的内在联系，导致信息价值没有得到充分利用。而智能制造则要求将离散化信息集成在一起，应用智能方法实现能够辅助人类决策的一站式建造。因此，海洋油气装备智能制造必然要分阶段逐步实现，在各类海上油气装备中选择某个具有普遍性并且建造技术成熟的结构如上部模块、桩腿、导管架等，作为首要实现智能制造的对象，在共性技术突破的前提下再延伸到每种具体产品上。★