化工項目集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)的研究

＊蔣 飛

（中國成達(dá)工程有限公司 四川 610041）

引言

隨著新一代信息技術(shù)迅猛發(fā)展，發(fā)達(dá)國家紛紛啟動“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)新的競爭優(yōu)勢。迎接挑戰(zhàn)，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，“智能制造”成為國家重點戰(zhàn)略，“信息化和工業(yè)化的深度融合”是實現(xiàn)這一戰(zhàn)略部署的核心主線。化工行業(yè)的未來發(fā)展方向是建設(shè)數(shù)字化和智能化工廠。

在化工裝置生命周期中，設(shè)計、采購、施工等數(shù)據(jù)信息是靜態(tài)的工廠數(shù)據(jù)，基于這些靜態(tài)數(shù)據(jù)加之運維過程中產(chǎn)生的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，輔以三維工廠模型虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用，則共同構(gòu)成了完整的數(shù)字化工廠。

1.傳統(tǒng)化工項目設(shè)計局限性分析

(1)傳統(tǒng)設(shè)計模式的局限性

工程項目尤其是化工項目，具有投資規(guī)模大、建設(shè)周期長、多專業(yè)協(xié)作等特點，工程設(shè)計是工廠生命周期中最重要的一個階段。傳統(tǒng)的設(shè)計模式中，各專業(yè)雖然也采用計算機輔助設(shè)計工具，但軟件相互獨立，且人工以紙質(zhì)文件或郵件形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和整合運用。

隨著項目大型化和復(fù)雜化程度越來越高，數(shù)據(jù)信息的傳遞數(shù)量級呈幾何倍數(shù)增長，上述設(shè)計模式表現(xiàn)出三大缺點：人工錯誤率高，設(shè)計質(zhì)量得不到保證；效率低下，影響項目建設(shè)進(jìn)度；工程數(shù)據(jù)和文檔零散儲存，關(guān)聯(lián)性差，數(shù)據(jù)難以得到有效管理和運用。

(2)傳統(tǒng)設(shè)計成品交付的局限性

化工項目過程中，會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)和文檔，傳統(tǒng)的設(shè)計成品交付是以紙質(zhì)媒介為載體向建設(shè)單位（業(yè)主）移交文檔，海量的設(shè)計數(shù)據(jù)記載在紙質(zhì)上，交付過程繁雜，易錯率高，設(shè)計成果復(fù)用困難。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，交付手段一定程度得到了更新，電子化文件交付成為工程文檔交付的輔助方式。

電子化文件在設(shè)計完成后移交給業(yè)主使用，文件在移交后基本與設(shè)計方“脫鉤”，這些電子化文件一般為“只讀”文件，無法修改；并且文件相互獨立，關(guān)聯(lián)性差，數(shù)據(jù)質(zhì)量得不到一致性驗證，信息查詢困難。所以，電子化≠數(shù)字化，工程公司交付的數(shù)據(jù)質(zhì)量和關(guān)聯(lián)性制約著業(yè)主運營階段的數(shù)據(jù)使用效率。

2.工程公司的數(shù)字化交付目標(biāo)

面對以上兩個挑戰(zhàn)，為打造工程公司核心競爭力，迎接國際市場挑戰(zhàn)，加快實現(xiàn)國際性工程公司的戰(zhàn)略步伐，跟隨國家總體“智能制造”戰(zhàn)略，工程公司應(yīng)該構(gòu)建以數(shù)據(jù)庫為核心的工程設(shè)計集成系統(tǒng)，用信息化、數(shù)字化和集成化等技術(shù)與手段構(gòu)建協(xié)同工作平臺；在統(tǒng)一的平臺上進(jìn)行全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)三維工廠模型、工程文檔和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)集成；從而提高設(shè)計質(zhì)量，加快項目進(jìn)度，最終實現(xiàn)工程數(shù)字化交付的目標(biāo)。

3.集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)原理

(1)化工項目建設(shè)過程中數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性

一般情況下，化工項目建設(shè)由多專業(yè)協(xié)作完成，涵蓋的主要專業(yè)有工藝系統(tǒng)、設(shè)備、管道、儀表、電氣、給排水、總圖、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通等。傳統(tǒng)設(shè)計方式存在天然“專業(yè)壁壘”現(xiàn)象，表現(xiàn)在：

①設(shè)計信息在各專業(yè)間的傳遞依靠人工，信息傳遞可靠性差，甚至出現(xiàn)信息傳遞不及時和錯誤。

②各專業(yè)設(shè)計采用各自專業(yè)軟件，項目執(zhí)行過程中出現(xiàn)各種電子數(shù)據(jù)和文件，工廠信息存儲和管理在不同獨立的系統(tǒng)中，無形中形成一個個信息孤島，系統(tǒng)間缺乏有效的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

例：工廠中一臺設(shè)備物料輸送泵，在它的整個生命周期中關(guān)聯(lián)了很多信息數(shù)據(jù)，比如工藝流程圖（工藝專業(yè)），產(chǎn)品規(guī)格書（機泵專業(yè)），三維模型（布置專業(yè)），采購合同（采購專業(yè)），維修信息（工廠運維）、并與連接它的管道、儀表產(chǎn)生關(guān)系。傳統(tǒng)設(shè)計方式中，這些信息各自孤立，數(shù)據(jù)存在于各個應(yīng)用軟件或孤立的文檔中，信息在交付業(yè)主后，工程數(shù)據(jù)缺乏有效管理和更新，難以被業(yè)主重新利用和進(jìn)行運維方面的應(yīng)用搭建。無論是項目EPC執(zhí)行過程，還是工廠運維管理，這些工廠信息數(shù)據(jù)的高效管理和運用將為企業(yè)帶來巨大價值，同時也對建設(shè)階段全方位收集和管理基礎(chǔ)工程數(shù)據(jù)提出了現(xiàn)實需求。

(2)什么是集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)應(yīng)勢而生。集成設(shè)計技術(shù)在統(tǒng)一的工廠設(shè)計平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，各專業(yè)/系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同設(shè)計，按照實際的工作過程建立平臺數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)程序、保證專業(yè)間設(shè)計數(shù)據(jù)流向的正確。每個專業(yè)接受與本專業(yè)相關(guān)的上游數(shù)據(jù)，發(fā)布本專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的正確性和一致性。針對上游專業(yè)更新的數(shù)據(jù)，平臺系統(tǒng)實現(xiàn)自動更新與本專業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)，無需手工再次輸入，減少了二次輸入的人為錯誤。

數(shù)字化交付技術(shù)則是在集成設(shè)計基礎(chǔ)上，建立一個全面的化工裝置工程信息庫，包括工廠結(jié)構(gòu)分解、工程對象屬性、工程文檔和工廠三維模型。數(shù)據(jù)、文檔和三維模型共存于一個系統(tǒng)平臺中，其間相互關(guān)聯(lián)，便于查詢和管理。

在工程完工后，工程總承包公司將EPC各階段收集的數(shù)據(jù)、文檔和三維模型和相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，以計算機數(shù)據(jù)庫形式向業(yè)主實現(xiàn)工廠數(shù)字化移交。

圖1 以智能設(shè)計工具為基礎(chǔ)的集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)

(3)集成設(shè)計和數(shù)字化交付的關(guān)系

本文討論的集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)，主要應(yīng)用于石油和化工裝置/工廠在設(shè)計（E）、采購（P）、施工（C）各階段產(chǎn)生的工程數(shù)據(jù)、文檔和三維模型的產(chǎn)生過程及其綜合管理。

在化工裝置/工廠的整個生命周期，EPC各階段產(chǎn)生大量的工程數(shù)據(jù)信息，通過構(gòu)建一個統(tǒng)一的“數(shù)據(jù)倉庫”，將工程公司、分包商/供貨商在工程各階段產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、整理和運用。同時，這些數(shù)據(jù)信息移交給業(yè)主后，業(yè)主在“數(shù)據(jù)倉庫”上進(jìn)行功能擴展，把工程數(shù)據(jù)信息應(yīng)用到運營和維修上。

通過以上分析，集成設(shè)計是設(shè)計手段或方法，數(shù)字化交付則是集成設(shè)計的必然結(jié)果；再則，根據(jù)化工裝置數(shù)據(jù)特點，在實現(xiàn)數(shù)字化交付上，集成設(shè)計具有天然的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，是實現(xiàn)數(shù)字化交付的最佳方法。因此，集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)相輔相成，兩者合二為一，既是一種多專業(yè)協(xié)同設(shè)計方法，也是一種以信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化工廠設(shè)計交付方案。

(4)集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)要點

①制定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)信息收集的規(guī)范化

數(shù)字化交付的基礎(chǔ)是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。工程公司要結(jié)合自身實踐經(jīng)驗，在傳統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，以信息化的思維，對化工裝置工程數(shù)據(jù)、工程對象、交付內(nèi)容、編碼規(guī)則、命名規(guī)則、交付內(nèi)容、交付深度等及其間關(guān)系進(jìn)行科學(xué)劃分和定義。

在包含多套裝置的大型化工項目中，多家工程公司/設(shè)計院、施工方共同參與，項目竣工后面臨海量信息數(shù)據(jù)的移交。因此，事先為這些信息數(shù)據(jù)的移交制訂統(tǒng)一的移交方式和規(guī)范顯得尤其重要。通過統(tǒng)一的文檔命名規(guī)則、工具軟件模板、工廠對象編碼規(guī)則，數(shù)據(jù)字典等配置，使項目數(shù)據(jù)和文檔的標(biāo)準(zhǔn)化得到有效控制。

②建立全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)多專業(yè)的統(tǒng)一性和協(xié)作性

全廠三維協(xié)同設(shè)計，全方位覆蓋工程項目設(shè)計涉及到的各專業(yè)，包括設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)、建筑、暖通、電氣、儀表等多專業(yè)在同一個三維平臺進(jìn)行協(xié)同設(shè)計、同步建模。在設(shè)計階段解決專業(yè)之間的碰撞，通過模型統(tǒng)計施工材料，抽取施工圖紙。逼真的三維可視化工廠模型實現(xiàn)了多專業(yè)工作平臺統(tǒng)一性和協(xié)作性，實現(xiàn)數(shù)字化工廠與真實工廠的一致性。

在三維協(xié)同設(shè)計平臺中，輔以大量結(jié)合工程實踐經(jīng)驗的的軟件二次開發(fā)和智能化應(yīng)用，為化工項目建設(shè)在提高設(shè)計效率和質(zhì)量、材料管理、施工管理等環(huán)節(jié)提供了信息化管理數(shù)據(jù)支撐。

③建立化工項目集成設(shè)計和數(shù)字化交付平臺，實現(xiàn)工廠數(shù)字化交付

工程數(shù)據(jù)基于標(biāo)準(zhǔn)化的定義和主數(shù)據(jù)庫在該平臺上驗證和存儲，工程屬性、文檔和三維模型有機組織在一起，以數(shù)據(jù)倉庫的形式向業(yè)主實現(xiàn)數(shù)字化交付。

傳統(tǒng)的設(shè)計方式，工藝、系統(tǒng)、儀表、管道、設(shè)備、電氣等專業(yè)間數(shù)據(jù)重復(fù)錄入、缺乏關(guān)聯(lián)性，易產(chǎn)生人為錯誤。集成設(shè)計，各專業(yè)在集成設(shè)計平臺上按照設(shè)計流程協(xié)同工作，工程數(shù)據(jù)基于標(biāo)準(zhǔn)化的定義和主數(shù)據(jù)庫傳遞、校驗、存儲。極大地提高了工程設(shè)計數(shù)據(jù)質(zhì)量，避免了設(shè)計返工。

圖2 工程公司集成設(shè)計和數(shù)字化交付平臺

項目完工后，工程數(shù)據(jù)、文檔和模型有機組織在一起，以數(shù)據(jù)倉庫的形式向業(yè)主實現(xiàn)數(shù)字化交付。

4.集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)實施成果

筆者任職的公司是一家國內(nèi)最早由設(shè)計院改制而來的工程公司，堅持不懈走市場化道路，通過“走出去，引進(jìn)來”大力拓展國際工程業(yè)務(wù)。在工程信息化建設(shè)方面也一直走在行業(yè)前沿，積極引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新國際先進(jìn)的工程設(shè)計技術(shù)。早在2002年，從參與中海殼牌南海項目中就深刻認(rèn)識到數(shù)字化技術(shù)是工程交付的發(fā)展方向；2012年，公司在執(zhí)行沙特沙比克總承包項目時，引進(jìn)集成設(shè)計技術(shù)，邁出從三維協(xié)同到數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵一步，該項目在14年順利完成數(shù)字化交付，公司也是國內(nèi)最早實現(xiàn)化工裝置數(shù)字化交付的工程公司之一；其后，公司利用集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)優(yōu)勢，在萬華、華誼等多個大型化工集團項目中承擔(dān)數(shù)字化交付總體設(shè)計服務(wù)單位重要任務(wù)；最近，公司承接了巴斯夫湛江一體化項目的數(shù)字化總體設(shè)計工作。

總結(jié)眾多的數(shù)字化項目，分析集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)在各個項目的執(zhí)行情況，其主要優(yōu)勢在以下兩個方面：

(1)設(shè)計方式的優(yōu)化

表1 集成設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的對比

從設(shè)計方式來說，數(shù)字化集成設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計最大的區(qū)別在于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和一致性。集成設(shè)計中樞是數(shù)據(jù)倉庫平臺，各專業(yè)向以工程對象為核心紐帶，向數(shù)據(jù)倉庫平臺發(fā)布數(shù)據(jù)。過程中，各專業(yè)又按需所取，實現(xiàn)了不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)同步和共享。

(2)交付方式的進(jìn)步

從交付方式來說，數(shù)字化交付技術(shù)將EPC各階段工程數(shù)據(jù)以統(tǒng)一信息平臺的收集、整理并移交，為業(yè)主數(shù)字化工廠應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

過去的工程項目文檔資料的交付是原始低效的紙質(zhì)文件。這種傳統(tǒng)的交付方式不僅交付過程復(fù)雜，總體效率較低，而且交付數(shù)據(jù)的后期復(fù)用也非常困難。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)工程項目的主流交付方式是以電子文檔形式交付，包括設(shè)計圖紙、數(shù)據(jù)表、掃描文檔、廠商資料等等。這種電子文檔交付方式在一定程度上提高了數(shù)據(jù)的可重用性，但項目參與方的電子文檔質(zhì)量參差不齊，數(shù)據(jù)一致性和關(guān)聯(lián)性很差，這種情況仍然限制了業(yè)主在運營階段對數(shù)據(jù)的復(fù)用。較之現(xiàn)行紙張或電子化交付方式，數(shù)字化交付極大地滿足了工廠運維對工程設(shè)計數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；數(shù)字化交付工程數(shù)據(jù)與生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的后期集成，為智能工廠的實現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表2 數(shù)字化交付與傳統(tǒng)工程文檔交付的對比

5.結(jié)論

在工廠全生命周期中，工程信息數(shù)據(jù)在專利商、工程公司、營運商之間無縫流轉(zhuǎn)，統(tǒng)一在數(shù)字化平臺上收集、記錄和修正，這將是不斷優(yōu)化工程建造的寶貴財富。集成設(shè)計和數(shù)字化交付技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，高度契合且積極踐行國家“智能制造”“兩化融合”的發(fā)展理念和國家戰(zhàn)略，將有越來越多的化工項目按此執(zhí)行和交付，對智能工廠的建設(shè)具有重要推動作用。隨著新一代信息技術(shù)及智能化軟件在工程建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推進(jìn)數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化交付、建設(shè)數(shù)字化智能工廠已成為化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。工程公司作為技術(shù)密集型行業(yè)，理應(yīng)順應(yīng)歷史發(fā)展需求進(jìn)行服務(wù)方式的升級，集成設(shè)計和數(shù)字化交付將為工程公司轉(zhuǎn)變發(fā)展方式帶來深遠(yuǎn)影響，也為化工行業(yè)實業(yè)工廠的數(shù)字化營運帶來無限可能。

6.存在的問題和改進(jìn)方向

工程項目交付未來的發(fā)展方向是基于云技術(shù)的工作平臺，業(yè)主、工程公司、供應(yīng)商等項目相關(guān)方在同一個平臺上共同完成設(shè)計和數(shù)字化交付工作。通過使用統(tǒng)一的平臺，數(shù)據(jù)創(chuàng)建過程完全可視；通過云技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)管理和無縫交付。未來的云工作平臺交付方式可以極大提升數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度及交付效率。但是由于工程各方IT基礎(chǔ)架構(gòu)和軟硬件水平的制約，受限于項目實際情況和云平臺的技術(shù)成熟度不足，尤其是安全問題還沒有恰當(dāng)?shù)亟鉀Q，云平臺方案實現(xiàn)難度較大。對此，工程公司應(yīng)盡早規(guī)劃，進(jìn)一步做好云平臺設(shè)計的技術(shù)儲備，與業(yè)主共同打造云上“數(shù)字工廠”，推進(jìn)化工企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。