礦井水處理項(xiàng)目數(shù)字化交付的探索和應(yīng)用

楊曉娟(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著數(shù)字化和信息化的發(fā)展，“數(shù)字化工廠”的概念越來越被各行各業(yè)所接受，在石油石化、發(fā)電、汽車、航空航天、海事等行業(yè)，數(shù)字化建設(shè)經(jīng)過多年的發(fā)展和應(yīng)用，行業(yè)制定了一些列數(shù)字化移交規(guī)范，基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)字化、資產(chǎn)管理信息化，建設(shè)一個(gè)真正意義的“數(shù)字化工廠”漸漸成為各行業(yè)所追逐的目標(biāo)。隨著相關(guān)行業(yè)對“數(shù)字化工廠”的探索越來越深，對于其他行業(yè)的數(shù)字化和信息化的發(fā)展也起著越來越積極的推動(dòng)作用，尤其是礦井水處理行業(yè)，其工藝特點(diǎn)和石油化工、發(fā)電行業(yè)有較大的相似性，可以借鑒石油化工、發(fā)電行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，探索出屬于自己的一條“數(shù)字化交付”和“數(shù)字化工廠”道路。

1 數(shù)字化交付的意義

在傳統(tǒng)的交付模式中，業(yè)主收到的資料一般有設(shè)計(jì)圖紙、廠家資料、安裝驗(yàn)收資料等種類繁多的電子文件和紙質(zhì)文件，之所以要對如此多的資料進(jìn)行收集和歸檔，最重要的還是為了能在運(yùn)維過程中及時(shí)的調(diào)用。然而，在實(shí)際運(yùn)營中，運(yùn)營人員所針對的對象一般是運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)需要與基礎(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合時(shí)，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間在各種繁雜的文件中進(jìn)行檢索。

與之相比，數(shù)字化交付貫穿工廠全生命周期的過程，最終交付的是一個(gè)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中智能關(guān)聯(lián)的虛擬工廠。該虛擬工廠打通了工廠全生命周期的數(shù)據(jù)流，為工廠的安全管理、運(yùn)行、維護(hù)、改擴(kuò)建、退役提供規(guī)范、合理、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)字化交付的程序

區(qū)別于傳統(tǒng)交付模式，數(shù)字化交付需要一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)和交付過程，以“工廠對象”為核心，將工程設(shè)計(jì)、采購、施工、制造、安裝等階段的數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，建立網(wǎng)狀關(guān)系數(shù)據(jù)庫，存儲于工廠數(shù)據(jù)中心，并基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口完成數(shù)據(jù)交付[1]。其流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字化交付程序圖

2.1 制定數(shù)字化交付規(guī)范

建設(shè)方在項(xiàng)目前期開展大量工作，制定數(shù)字化交付的規(guī)范，以明確各方職責(zé)、交付范圍、交付內(nèi)容、交付方式等。

2.2 明確數(shù)字化交付范圍和內(nèi)容

各承包商確定各自的交付范圍和交付內(nèi)容。

2.3 開展數(shù)字化交付工作

各承包商確定軟件平臺、組建專業(yè)團(tuán)隊(duì)，有序開展工作，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)情況及時(shí)更新相關(guān)數(shù)據(jù)，分階段向業(yè)主提供相關(guān)模型和信息。

2.4 數(shù)字化交付

貫穿工廠全生命周期，交付一個(gè)所有數(shù)據(jù)智能關(guān)聯(lián)的虛擬工廠。

3 礦井水處理項(xiàng)目的數(shù)字化交付實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為中煤能源集團(tuán)某煤化工EPC項(xiàng)目的礦井水處理系統(tǒng)，包含4個(gè)水處理裝置，分別為：循環(huán)水裝置、脫鹽水裝置、濃鹽水裝置和回用水裝置[2]。

項(xiàng)目涉及的專業(yè)有化學(xué)水處理、給排水、暖通、結(jié)構(gòu)、建筑、總圖、電氣、熱控等十余個(gè)專業(yè)。

3.2 數(shù)字化交付的規(guī)范

為了保證工程數(shù)據(jù)的一致性、準(zhǔn)確性、完整性和關(guān)聯(lián)性，該項(xiàng)目制定了一系列的數(shù)字化交付規(guī)范，主要有：《數(shù)字化交付內(nèi)容統(tǒng)一規(guī)定》《主項(xiàng)編碼一覽表》《項(xiàng)目編碼規(guī)定》等。

在這些規(guī)范中，對交付范圍、工廠對象屬性、三維模型、智能P&ID、電子文檔等的交付要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

3.3 數(shù)字化交付的內(nèi)容

該項(xiàng)目的交付內(nèi)容主要有工程對象分類屬性表、智能P&ID圖紙、三維模型、非結(jié)構(gòu)性文檔，并建立各類工程數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)化的組織和展示，最終交付一個(gè)以“工廠對象”為核心，包含設(shè)計(jì)、采購、施工、試車和項(xiàng)目管理的工程數(shù)據(jù)的靜態(tài)數(shù)據(jù)集成平臺。數(shù)字化交付內(nèi)容關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字化交付內(nèi)容關(guān)系圖

3.4 數(shù)字化交付主要成果

3.4.1 工廠對象分類屬性

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各專業(yè)間傳遞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)多通過圖紙、EXCEL表等方式進(jìn)行，由于數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)漏的問題。為解決這些問題，需要在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和交互。該項(xiàng)目中采用AVEVA Engineering作為數(shù)據(jù)管理平臺，以《工廠對象分類屬性表》為模板，創(chuàng)建了所有工程對象類型和完備、規(guī)范的屬性信息，并以工廠對象位號為鏈接，建立工程對象和屬性信息間的邏輯關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理[3]。

3.4.2 智能P&ID圖紙

該項(xiàng)目中采用AVEVA Diagrams繪制智能P&ID圖紙，通過制定P&ID的編碼規(guī)則、定制標(biāo)準(zhǔn)圖框、創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)圖例庫，能夠使P&ID圖紙標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

在繪圖的過程中，數(shù)據(jù)庫中會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象，以文件夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行存放。數(shù)據(jù)庫能夠保存項(xiàng)目中所有P&ID的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目二維邏輯模型的定義。對于跨越多張圖紙的管道，Diagrams的智能跨圖連接符號可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)，方便查看與檢查。P&ID圖紙繪制完成后還可以對其進(jìn)行一致性檢查，以保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

對一致性檢查完畢的P&ID圖紙進(jìn)行發(fā)布后，可以與三維模型、工廠對象分類屬性通過位號進(jìn)行關(guān)聯(lián)，共享系統(tǒng)管理和報(bào)表生成功能。

3.4.3 三維模型

該項(xiàng)目采用 PDMS作為多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的平臺，通過元件庫和材料等級為整個(gè)管道系統(tǒng)建立詳細(xì)的管道模型，并基于管道模型自動(dòng)生成布置圖、軸測圖和材料清單；通過與管道應(yīng)力分析程序集成，進(jìn)行管道應(yīng)力分析；通過與支吊架設(shè)計(jì)軟件的集成，并結(jié)合管道應(yīng)力分析結(jié)果，進(jìn)行實(shí)體支吊架詳細(xì)設(shè)計(jì)；根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行管道保溫設(shè)計(jì)。

在二維設(shè)計(jì)中，水處理行業(yè)并沒有“材料等級”的概念，因此，在數(shù)字化交付的工作中，首先要做的就是材料等級的梳理，然后根據(jù)材料等級創(chuàng)建元件庫和等級庫，最后通過調(diào)用材料等級來開展管道建模工作。

該項(xiàng)目設(shè)備模型有3種建模方式：(1)廠家提供符合交付要求的三維模型，可直接導(dǎo)入到PDMS中；(2)沒有廠家模型的部分，能夠用基本體搭建的，如罐體，使用PDMS直接建模；(3)沒有廠家模型的復(fù)雜設(shè)備，使用達(dá)索的3DE平臺建模。

土建模型使用PDMS土建模塊建立，主要用于其他專業(yè)的定位參考、碰撞檢查和布置出圖。

該項(xiàng)目還對各類儀表、儀表閥、控制閥、操作柱、配電箱以及電氣和儀表電纜橋架等進(jìn)行了建模。

3.4.4 非結(jié)構(gòu)性文檔

該項(xiàng)目收集了項(xiàng)目建設(shè)過程中的電子文檔資料，包括設(shè)計(jì)階段、采購階段和施工階段的電子文檔。設(shè)計(jì)階段的模型、數(shù)據(jù)、圖紙、計(jì)算書，采購階段的安裝清單、使用說明書、質(zhì)量證明文件，施工階段的各種施工記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、驗(yàn)收報(bào)告等均屬于交付的范疇。為便于檢索，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并與工程對象關(guān)聯(lián)，分階段上傳至NET平臺[4]。

3.4.5 可視化靜態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)中心

經(jīng)過以上幾個(gè)步驟，所有工程對象及信息通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)，按照工廠對象位號與模型、P&ID圖紙、非結(jié)構(gòu)性文檔自動(dòng)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)一維數(shù)據(jù)、二維圖形、三維模型的有機(jī)融合，最終形成一個(gè)可視化靜態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)中心。能夠在同一個(gè)界面中查詢模型、圖紙、文檔及工程對象屬性，并且所有信息都是相互關(guān)聯(lián)的，可以相互跳轉(zhuǎn)?？梢暬o態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)中心導(dǎo)航樹如圖3所示。

圖3 可視化靜態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)中心導(dǎo)航樹

在資產(chǎn)中心的導(dǎo)航樹中可以查看全廠的所有數(shù)據(jù)，也可以單獨(dú)查看某個(gè)裝置的數(shù)據(jù)。

導(dǎo)航樹以5個(gè)維度來組織數(shù)據(jù)。

(1)可以按三維模型瀏覽，展開后能在導(dǎo)航樹上按照工廠對象的位號來查看具體對象。

(2)可以按模型結(jié)構(gòu)瀏覽資產(chǎn)，該結(jié)構(gòu)與PDMS中的保持一致，該項(xiàng)目是按專業(yè)來構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)的。

(3)可以按資產(chǎn)類型查看工廠對象，該部分是按照《工廠對象分類屬性表》來分類的。

(4)可以按項(xiàng)目的階段來查看非結(jié)構(gòu)性文檔，分為采購階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段。每個(gè)階段中按照交付要求將文檔分類關(guān)聯(lián)。

(5)可按文檔類型來瀏覽非結(jié)構(gòu)性文檔。

除了能在導(dǎo)航樹中直接查看數(shù)據(jù)外，還可以在位號一覽頁直觀地看到與該位號相關(guān)聯(lián)的所有信息，如屬性表、P&ID圖紙、文檔、三維模型等信息。

另外，可視化靜態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)中心還提供了便捷的搜索功能，可以通過詳細(xì)搜索和模糊搜索查看工廠對象及其相關(guān)聯(lián)的所有信息。同時(shí)，可以根據(jù)需要生成報(bào)表。

4 結(jié)語

該礦井水處理項(xiàng)目交付的靜態(tài)數(shù)據(jù)集成平臺集成了工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的設(shè)計(jì)、采購、施工和項(xiàng)目管理中的工程數(shù)據(jù)，通過智能P&ID、三維模型和智能文檔等方式，建立了工程數(shù)據(jù)的全關(guān)聯(lián)，可以通過導(dǎo)航樹查看、三維模型導(dǎo)航、智能查找和智能報(bào)表等多種方式展現(xiàn)。為工廠的安全管理、運(yùn)行、維護(hù)、改擴(kuò)建、退役提供了規(guī)范、合理、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[5]。

在未來的工作中，我們將致力于推進(jìn)BIM相關(guān)工作向行業(yè)進(jìn)行推廣，使更多的專業(yè)在三維環(huán)境中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率；同時(shí)，將延伸“數(shù)字化交付”的鏈條，將運(yùn)維管理納入的“數(shù)字化交付”范疇，在目前已經(jīng)完成的靜態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)可視化集成的基礎(chǔ)上，將運(yùn)營期的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)也進(jìn)行集成，構(gòu)建企業(yè)可視化數(shù)據(jù)資產(chǎn)中心，并與智能化運(yùn)維相結(jié)合，為業(yè)主提供數(shù)字化、智能化運(yùn)營管理模式。