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高端海洋油气装备制造 “5G智能工厂”解决方案

· 海洋石油工程股份有限公司 王会峰，储乐平，张良轩，林 宏，童晖，金海洋，杨淦，刘应旭

1　目标和概述

 传统海洋油气装备制造属于劳动密集型产业，具有 产品类型多、制造工序长、定制化比例大、标准化程度低等显著特点，其各生产环节的数据碎片化现象严重，实现 数字化、智能化难度极大，这成为制约行业质量效率提升的重要瓶颈。海洋石油工程股份有限公司（以下简称海 工）的传统生产车间多采用人工装配工艺和传统工业以太网通讯模式，生产过程中占用大量人力资源和固定网 络通讯手段，产品品质一定程度上依赖工人的主观责任心和技术水平。在疫情冲击下，海工在生产制造过程中 的问题越发突出，成为海工提质增效的关键瓶颈。

（1）成本问题：人工成本逐年递增，用工荒问题凸显，同行竞争优势不再； 

（2）缺乏数据：定额数据源头缺失，数据掌控不强，成本核算不准确； 

（3）安全隐患：建造生产现场环境复杂，人员素质参差不齐，用工数量巨大，难以管理； 

（4）管理粗放：生产环节涉及多部门协调，效率低下。

 针对以上问题，公司将推动新一代信息技术和业务深度融合，以智能制造为核心，以5G网络为传输为手 段，以全厂数字孪生为目标，加快智能全业务链数字化建设，促进数据资产沉淀共享，推动核心业务能力升级与管理效率提升，构建数字工厂和透明工厂。

 2　方案介绍 

2.1　系统架构

 根据海工的数字转型规划，本项目通过纵向维度 和横向维度来做整体规划。纵向上，分为设备层、网络层、边缘计算层、中心计算层四个维度。 

（1）设备层中主要包括各种生产设备和传感器，如具备5G模组的AR眼镜、5G摄像头、5G安全帽、5G 工业PAD等，不具备5G能力的设备如AGV小车、机 械臂、自动化焊机和PLC则通过5G终端设备接入5G 网络，如5G工业网关、5G工业路由器、5G CPE、5G DTU等。 

（2）在网络层，根据各种设备的不同网络需求和安全需求，将5G专网做网络切片管理。生产网切片， 主要针对AR眼镜、5G摄像头等，带宽需求较大的采用 eMMB切片；工控网络切片，主要针对机械臂、AGV 等，对时延要求低的设备采用URLLC网络切片。网络 切片采用切片隔离和切片认证技术保证网络安全。 

（3）在边缘计算层采用下沉式UPF+MEP服务器的独享MEC模式，其由多个分布式协同服务器组成， 能提供可扩展的边缘计算服务，可用于满足可靠性、实 时性、安全性等需求。在边缘层主要部署对时延要求比 较高的信息系统如焊机群控管理系统、SCADA系统和 塔吊控制的上位机系统等。 

（4）在中心计算层建设海工数据中心，在中心上部署大数据治理平台和数字孪生平台，在平台上部署自 主研发的DIMS系统、ERP系统、MES系统、CRM等对 计算资源、存储资源要求较高的系统。

 横向上，根据海工数字转型规划，已初步建成天津临港制造基地，未来将会继续规划青岛智能制造基地和 珠海智能制造基地。

 海油工程整体部署方案如图1所示。

图1 海油工程整体部署方案图

 2.2　数据架构 

目前的数据架构中，主要包括AWP架构（各类单体模块、CWP/IWP数据）、UDM架构（产 品结构视图、图纸结构视图）、IWP数据包架构 （MBOM）、工艺路线架构（Process）、制造资源架 构（Resource）。系统中跨业务活动设备、集成间的 集成方式均通过接口的形式实现，接口均按照制定的技 术规范进行集成。其中，技术规范对接口通用说明、需 求概述、接口架构设计（包含架构设计、技术路线）、 接口集成汇总清单、接口设计、系统设置等六大方面进 行了规范设计。

 2.3　软硬件部署 

2.3.1　边缘计算层 

MEP服务器上部署了SCADA系统，SCADA系统作为MES系统与底层设备之间沟通的桥梁，对下可以将 MES信息下发到底层设备，对上可以将底层设备信息提 供给中心计算层包括MES在内的第三方系统。与MES 等上层系统相比，SCADA系统更倾向于底层设备的数 据实时采集，并将相关数据进行归档，处理方便后续追 溯使用；与底层设备系统相比，SCADA系统提供了丰 富的IT接口，可采集包括MES在内的上层系统数据并 在现场看板做实时展示。SCADA系统可以采集智能桥 式起重机、RGV、等离子切割机、型钢切割机、打磨机 器人、2台焊接门架和1台组对门架的设备状态、报警参 数等数值，方便办公室人员查看现场设备实时状态及生 产进度，并依次有车间级画面、区域层级画面和设备层 级画面予以显示。

 此外，5G智能工厂还在边缘层部署了动能监测系 统、智能安防系统、单体焊机群控系统、塔吊防碰撞系 统、塔吊远程起重机安全监视管理系统、空压机管网智 能调控系统、桥门式起重机监测系统、龙门吊监控系 统、门座式起重机监控系统、有机废气在线监测系统、 粉尘在线监测系统、环境因素在线监测系统、电动通风 采光系统共13套工控系统，实现对全厂区关键、大型 生产设备、系统的实时数据采集和监控，为安全生产、 能源管理、风险管控、节能降耗、绿色环保工作保驾护 航，为全厂设备数据采集和一体化生产监控平台建设打 下了坚实的基础。

 2.3.2　中心计算层 

（1）打造了用于计划管理、数字化工作包管理、 图文档管理、UDM主数据管理、变更管理、工艺路线 管理、计划排程、工单管理、生产执行、资源调度、质 量管理、材料管理、安全管理等的数字化智能制造管理 系统（DIMS）并部署在中心计算层上。DIMS系统以 “工厂化管理+工单制执行”为抓手，打造了一体化的 信息系统平台，实现建造环节的“生产可监控，计划可 跟踪，质量可追溯”，实现临港基地的数字化协同建 造、高效率及时生产、高质量准时交付。 

（2）部署了包含板材切割下料执行系统、甲板片 预制执行系统、工艺管线预制执行系统共3套MES系 统。MES系统作为车间执行层面的管控系统，主要用于 工单接收、执行和状态反馈，具体内容包括工单接收、 工艺文件接收、图纸接收、计划排产、派工、报工、设 备监控、状态记录、工时填报及产品过程检验信息填 报和状态记录。通过应用信息化手段，大部分生产过程 的执行可通过信息化传递至相应的工作单元中，如板 材、型钢材料加工、甲板片自动焊接等。一些必须通过 手工执行的工作，其下达的指令可自动记录在信息化系 统中，方便跟踪和追溯。此外，通过设计不同的工艺路 线，生产过程中的检验环节可在系统中填写、提交，基 本覆盖质量控制的要点，实现质量信息追溯完整性。 

（3）部署了用于库存管理和材料出入库管理的 WMS系统，并依据仓储管理规范要求（供应链仓储物 流管理办法、供应链仓储物流实施细则）对仓储接收、 验收、入库、盘点、配送等进行合规管理。通过WMS 系统与WCS系统的集成，实现对立体仓库、堆垛机、 RGV输送车、AGV小车、输送线等自动化配套资源的 调度，完成物资入出库、上下架调度、库存管理等基础 业务功能，实现仓储入出库全流程的可视可控。通过 WMS系统与SAP系统、DIMS系统、MES系统等各系 统软件的高效集成，完成材料与生产的融合管理。

（4）其他的办公系统如ERP、CRM等。

 2.4　5G应用场景打造 

5G应用场景主要部署在边缘服务器上，结合海洋 石化装备制造业先生产预制构件后建造组装的特点，可分为生产和建造两大模块。 

2.4.1 在生产模块 

 （1）5G+智能仓储 

5G智能仓储系统实现了2500平方米范围内设备的 自动作业、2304个货位的智能化作业，减轻了工厂作业 人员的工作强度，提高了产线作业能力，实现了货物的 自动搬运及智能仓储，达到了少人化、智能化的目的。 

（2）5G+智能生产

 5G智能生产依托自主开发的DIMS系统，在5G技 术加持下，员工在现场可以使用PAD登录系统快速接 发数据，实现了生产的全流程数字管控，全面打通了设 计、仓储与现场生产的数据，车间人员不必花费大量时 间在电脑前伏案整理数据，项目管理人员也不必时时刻 刻在现场监督，大大节省了人力成本，提高了管理效率 与生产质量。 

（3）5G+人员安全

 在海工5G智能工厂里，北斗人员定位单兵巡检 +5G的配合使用主要应用在5G智能工厂内作业人员管理 等场景，其通过5G高速率的特性，将采集的位置信息 实时回传，同时结合5G MEC统一监控平台，实现人员违规、厂区环境风险监控的实时分析和报警，大大提高 了作业安全规范性。 

2.4.2　在建造模块 

（1）5G+AR远程指导

 当技术人员在总装场地建造过程中，通过5G+AR 的创新技术对建造人员进行视频指导，基于5G网络的 AR看到的内容可以让一线操作人员解决现场遇到的问 题；通过5G的低时延特点还可以扩展远程协作功能， 可以将预组装所需要的质检信息、物料信息以及工艺 工序信息及时地反馈给建造人员；通过5G+AR智能设 备，可以帮助一线组装人员及时和研发设计中心进行沟 通，利用基于5G的AR远程协助，通过语音视频通讯、 AR实时标注等功能进行远程协作，实现预组装流程的 闭环管理，避免了线下自主沟通造成的资源浪费。 

（2）5G+塔吊远程控制

 针对海油工程车间现场环境要求，建设一套现场 操作少人化、集中至中控室统一远程操控的塔吊系统， 并通过在每个塔吊安装高清摄像头（覆盖塔吊操作范 围），以及联通5G工业网关与总装场地5G宏站实时通 讯，实现中控室的集中远程遥控的高清视频可视化（低 延时、超高清）。根据各车激光防撞信号，对塔吊进行 减速、停机等连锁控制，并通过塔吊位置数据，优化防 撞措施，同时通过起重重量限制、高度限制、超速限制 来提高塔吊安全监控与保护。

 （3）5G+视频分析

 前端点位通过5G网络进行传输，中心平台支持视 频进行自动智能分析，及时报告可疑事件的发生，并对 提取出来的事件信息和视频数据进行记录，从而达到实 时报警和有效视频检索的目的。借助智慧化技术，实现 区域陌生人、车入侵布控预警应用，捕捉人体大图，并 实时结构化分析，便于后续检索查询。

 2.5　安全措施 

本项目通过5G宏站+室分的SA组网的方式进行无 线侧的部署，实现厂区各类数据的采集和下发，特别是 对移动性要求高的应用终端，提供了便捷可靠的无线接 入方式，并通过部署边缘UPF的方式，将联通核心网的 分流和计算能力下沉到用户边缘，保障了可靠的生产控 制类信息交互，并将园区普通用户流量和园区内网数据 流进行隔离和分流，提高了业务数据的安全性。本项目安全措施如图2所示。

 图2 安全措施图

 3　代表性及推广价值 

3.1　创新性 

本项目是产学研用一体实施（同时开展研究，同时 开展学习，同时落地应用）的代表。海油工程组建200 多人核心技术团队，联合中国联通、国内知名高校和科 研机构，统筹国内外优质资源，攻克了数字协同设计、 智能化排产、智能定位组对、自动切割焊接、智能仓储 等海洋工程智能制造关键技术难题，成功搭建了工业大 脑。该项目以数据资产为核心，运用5G技术赋能，实 现智慧管理，填补了我国海洋油气装备数字化、智能化 制造领域的多项技术空白，成功探索了海洋石油工业领 域“以行业龙头企业为需求、5G运营商为保障、知名 高校与科研院所为支撑、相关企业为配套”的5G智慧 生态的全新模式。 

3.2　方案成熟性

 海工5G智能工厂的建设将对高端装备行业智能工 厂建设与推广应用产生示范带动效应，成为产业发展的 新引擎；将拉动产业链上下游200亿元相关产业，带动 终端生态，推动海洋装备制造业数字化转型，促进海洋 装备制造工厂5G技术的发展及应用，打造5G智能工厂 标杆，赋能人才培养。 全新的海工5G智能工厂正在孕育形成一系列以数 据为核心的海洋工程技术产品、服务模式和商业形态， 将极大拉动相关领域的创新型企业不断涌现壮大，并将 成为经济增长的重要新动能。

 3.3　商业价值 

海油工程天津智能化制造基地作为中央企业数字 化转型示范基地，大量应用5G、工业大数据、人工智 能等先进技术，通过分析和总结公司多年来在大型工程 结构物方面项目计划、生产组织、车间执行等技术和经 验，实现从项目管控、车间建造到厂区管理的全流程智 能化，为海洋油气装备行业提供了可复制、可推广的数 字化、智能化运营管理模式，也推动了整个产业链的整 体提升。 

（1）对于产业上游的材料和设备供应商，主要包 括钢材、焊材、涂料以及各种设备制造行业，通过5G 的生产应用场景，将项目订单的工艺、计划。交货信息 直接传递到供应商的系统中，同时能够及时获取供应商 最新的生产进度及质量反馈，在后续的总装现场装配过 程中，也可以通过5G+AR场景与上游供应商进行远程 配合解决现场的装备问题，整体提升了产业上游的服务 交付能力。 

（2）对于产业中游，主要为国内的博迈科、蓬 莱巨涛海洋、南通惠生等企业，还有中集来福士、外 高桥造船、招商工业、中远海运重工等中国船厂，通 过运用多种5G智能场景，提升工厂的工作效率，降低 人力成本，杜绝安全事故，在海油工程行业内起到了 引领作用，对国家的能源行业发展起到了带头示范作 用。 

（3）对于产业下游，主要客户是国际油气开发公 司、天然气液化行业以及工程承包商。在服务下游业 主方面，本项目以整个海油工程EPCI核心主链条为主 线，实现了工程项目总包管理与业务的协同，最终实现 了项目高质量低成本交付，推动了海洋制造产业协同发 展。

 3.4　社会价值 

（1）提升了我国海上油气制造业的竞争力 

海油工程天津5G智能工厂的主要应用和价值创造 体现在工厂智能生产、工厂内部生产管理、产业链供应 链协同三大方面。海洋石油工程集团通过自身5G智能 工厂的建设，将5G、大数据、人工智能与工业场景深 入融合并积累了相关场景的建设经验，为我国海洋油气 制造业的数字化转型提供了可供参考、可以落地的重要 经验，对提升我国海上油气制造业数字化、打造行业核 心竞争力具有重要意义。 

（2）保障了国家海上能源安全独立自主

 受地缘政治冲突、新冠肺炎疫情、气候变化等多重 因素叠加影响，国际能源形势呈现诸多新变化。我国作 为能源消费大国，面对国内陆地石油资源日益枯竭、国际油价突飞猛进的新常态，海上石油的开发利用成为了 解决这一问题的重要抓手之一。

 海洋石油工程集团作为国内唯一一家具备全产业链 装备制造能力的海上油气装备制造商，面对行业发展瓶 颈，结合企业自身发展痛点，通过海油工程天津5G智 能化制造基地的建设，并采用国产装备开发油气资源， 大力提升了海洋油气装备的制造能力，为推动海洋科技 实现高水平自立自强、保障国家能源安全、建设海洋强 国作出了突出贡献。 

（3）推动了我国数字经济加速向前发展 

当今时代，数字技术、数字经济是世界科技革命和 产业变革的先机，是新一轮国际竞争重点领域。天津海 工5G智能工厂建设发挥了智能制造、数字工厂的示范 作用，海工5G智能工厂正在孕育形成一系列以数据为 核心的技术产品、服务模式和商业形态，其相关领域的 创新型企业在不断涌现壮大，自身也在形成一个新兴产 业，并将成为经济增长的重要新动能。

来源 | 《自动化博览》2023年第2期暨《边缘计算2023专辑》