數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)智能油氣田建設(shè)的支持

閆　婉　任　玲　宋光紅　陳　亮　成　巖

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司,　四川　成都　610041; 2. 中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦,　四川　瀘州　646000; 3. 鷹圖中國,　北京　100020

0　前言

在國際油價(jià)持續(xù)低迷,常規(guī)油氣田開發(fā)難度不斷增加,非常規(guī)能源開發(fā)范圍不斷增長,人力資源供給不足的情況下,油氣行業(yè)的開發(fā)與生產(chǎn)經(jīng)營成本持續(xù)攀升,管理難度增大。為提升油氣生產(chǎn)管理水平,中國石油在《“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》中提出了建設(shè)油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(以下簡稱A11)項(xiàng)目[1],并在各油氣田部署實(shí)施。A11項(xiàng)目通過對(duì)油田各類生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸及處理分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制,降低用工需求和勞動(dòng)強(qiáng)度,提高日常工作效率,優(yōu)化勞動(dòng)組織用工,服務(wù)油田生產(chǎn)的精細(xì)化管理[2-3]。在A11項(xiàng)目建設(shè)的推動(dòng)下,油氣田生產(chǎn)信息化建設(shè)由過去的生產(chǎn)過程自動(dòng)化、油氣生產(chǎn)數(shù)字化向油氣生產(chǎn)指揮決策智能化方向發(fā)展,智能油氣田成為油氣田信息化發(fā)展的高級(jí)階段。

智能油氣田實(shí)施過程中重視數(shù)字化資料實(shí)時(shí)采集,充分利用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)將其集成在模型中,依靠專家的經(jīng)驗(yàn)和智慧“及時(shí)”做出科學(xué)決策,研發(fā)新的、適用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)措施,并將此過程貫穿油氣田開發(fā)全生命周期,進(jìn)行“持續(xù)”最優(yōu)化[4]。智能油氣田建設(shè)對(duì)全生命周期數(shù)據(jù)完整性以及完整性管理提出了更高的要求,一方面需通過信息化手段完成對(duì)油氣田海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集;另一方面需要從工程建設(shè)過程(設(shè)計(jì)、采購、施工、試運(yùn))中獲取大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目實(shí)施數(shù)字化移交,形成智能油氣田基礎(chǔ)信息模型,而基于信息化技術(shù)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)將為智能油氣田提供強(qiáng)大的信息數(shù)據(jù)支持。

1　數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)以信息化技術(shù)為基礎(chǔ),提供高效的設(shè)計(jì)工具,建立標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)管理程序,采用統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫開展設(shè)計(jì)。由多部門、多專業(yè)構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)在數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上開展設(shè)計(jì)工作,進(jìn)行數(shù)據(jù)、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與成果的共享。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)最終提供完整的項(xiàng)目模型與數(shù)據(jù)庫,并通過建立工程項(xiàng)目完整的數(shù)據(jù)與模型,用于提取工程設(shè)計(jì)成果,并實(shí)施數(shù)字化移交。

1.1　功能特點(diǎn)

1)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)能滿足各階段設(shè)計(jì)任務(wù)的需要,對(duì)設(shè)計(jì)的全過程信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和信息一次輸入,多次使用,下一階段應(yīng)基于上一階段的數(shù)據(jù)信息直接開展設(shè)計(jì)工作。

2)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)以模型(邏輯模型和三維模型)為主要工作對(duì)象,以后臺(tái)數(shù)據(jù)為核心內(nèi)容,設(shè)計(jì)工作直接面向虛擬油氣田,而不是施工圖紙。

3)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)為多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供了多個(gè)核心業(yè)務(wù)軟件,以及相關(guān)的輔助軟件和工具。各專業(yè)可根據(jù)專業(yè)習(xí)慣高效開展設(shè)計(jì)工作,且彼此間能共享數(shù)據(jù)和模型。

4)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)定制了大量的設(shè)計(jì)圖例、設(shè)計(jì)模板、設(shè)計(jì)規(guī)定,并通過標(biāo)準(zhǔn)化信息數(shù)據(jù)庫(GIS信息、標(biāo)準(zhǔn)化模型、三維元件、工程材料)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化輸入與輸出。

5)為滿足油氣田地面工程建設(shè)復(fù)雜而龐大的專業(yè)數(shù)據(jù)信息、工程圖紙資料文件信息、工程物資材料信息、工作作業(yè)流程與計(jì)劃的管理要求,以及企業(yè)知識(shí)累積、復(fù)用要求,數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)需配備相關(guān)的工程數(shù)據(jù)管理軟件、工程材料管理軟件、工程文檔管理軟件以及工程任務(wù)與計(jì)劃管理軟件,并且以上軟件平臺(tái)直接與公司知識(shí)庫系統(tǒng)(或檔案系統(tǒng))關(guān)聯(lián),也可與建設(shè)和運(yùn)維管理平臺(tái)協(xié)同。

6)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)建立了工程詳細(xì)的邏輯模型、地理信息模型、三維模型及工程數(shù)據(jù)庫,為建設(shè)管理以及投產(chǎn)后的生產(chǎn)運(yùn)維提供核心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和虛擬仿真環(huán)境。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)本身就是一套完整的數(shù)字化信息平臺(tái)。

1.2　架構(gòu)及各部分功能

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)典型架構(gòu)見圖1。

圖1　數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)典型構(gòu)架

2　數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)與智能油氣田建設(shè)

2.1　前端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

前端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要針對(duì)項(xiàng)目開展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前的各項(xiàng)與工程數(shù)據(jù)和文檔相關(guān)的活動(dòng)進(jìn)行管理,主要管理對(duì)象包括工藝流程模擬、工藝優(yōu)化、多工況流程數(shù)據(jù)、工程設(shè)備計(jì)算、工程智能PFD、工程設(shè)備數(shù)據(jù)表等。該系統(tǒng)完整集成了工程原始的多工況、多版本模擬計(jì)算數(shù)據(jù)和工程設(shè)備數(shù)據(jù)信息(包括過程信息和最終信息),相關(guān)數(shù)據(jù)可以向基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)發(fā)布,并通過接收基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的新信息(如設(shè)備最終制造信息、管道安裝信息),進(jìn)一步完善工程數(shù)據(jù)模型。目前石油石化行業(yè)工程公司多采用COMOS和ASPEN Tech開展前端數(shù)據(jù)管理。

COMOS并不具備流程模擬和設(shè)備計(jì)算功能,但COMOS FEED能集成常用的工藝模擬軟件(如HYSYS、ASPEN PLUS、PRO/II、ProMax)。在完成對(duì)工藝模擬流程和數(shù)據(jù)集成后,COMOS FEED建立工藝設(shè)計(jì)過程相關(guān)設(shè)備與物流的唯一信息數(shù)據(jù)源,生成智能PFD和物料平衡表,再向下游設(shè)備計(jì)算軟件(如HTRI、KG-tower、EXCEL等)及智能PID統(tǒng)一發(fā)布數(shù)據(jù),同時(shí)接收設(shè)備計(jì)算的反饋數(shù)據(jù),編制工程設(shè)備數(shù)據(jù)表,實(shí)現(xiàn)工程前端數(shù)據(jù)的完整集成[5]。COMOS另一重要功能是直接將工程前端數(shù)據(jù)向工程DCS組態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,簡化組態(tài)工作的同時(shí)為項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)維提供完整的數(shù)據(jù)支持。另外,借助COMOS其他模塊,能實(shí)現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)回傳,通過接收DCS系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)返回工藝模擬軟件,進(jìn)行產(chǎn)品方案與操作參數(shù)的離線優(yōu)化,指導(dǎo)生產(chǎn)。

ASPEN Tech則直接通過其工程設(shè)計(jì)流程模擬計(jì)算軟件(ASPEN PLUS、ASPEN HYSYS)建立前端數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并通過其他模塊實(shí)現(xiàn)工程工廠的先進(jìn)控制、生產(chǎn)管理、信息管理和供應(yīng)鏈解決方案,以提高產(chǎn)品收率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本,增加利潤[6]。2003年,中國石化通過建立下屬乙烯工廠的流程模擬和設(shè)備模型,實(shí)現(xiàn)了乙烯廠優(yōu)選原料的生產(chǎn)計(jì)劃、煉油和石化廠的先進(jìn)控制,增大了處理量和提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短了改變品種的過渡期,并建立了工廠信息管理系統(tǒng)和提高煉油裝置利用率及效率的生產(chǎn)調(diào)度解決方法[7]。

2.2　工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖2。工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過接收前端數(shù)據(jù),開展工藝設(shè)備設(shè)計(jì)選型、管道計(jì)算、智能PID設(shè)計(jì),以及相關(guān)的儀表計(jì)算選型、電氣負(fù)荷計(jì)算、儀表電氣接線等。工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成了智能PID設(shè)計(jì)軟件、儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。與前端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相比,其集成的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件更多,上下游及各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)傳遞更復(fù)雜,因此工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需部署工程對(duì)象數(shù)據(jù)集成管理中心,如Smart Plant Foundation、AVEVA Engineering等。

圖2　工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是建立工程項(xiàng)目詳細(xì)的生產(chǎn)與控制邏輯模型(智能PID系統(tǒng)),并根據(jù)邏輯模型和數(shù)據(jù)生成工藝設(shè)備、工藝管道、儀表設(shè)施、電氣設(shè)施等完整位號(hào)清單和工程數(shù)據(jù)表。該信息一方面向上下游系統(tǒng)進(jìn)行傳遞,另一方面通過數(shù)字化移交平臺(tái),服務(wù)于工程運(yùn)維過程。

2.3　廠(站)三維設(shè)計(jì)

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上,廠(站)三維設(shè)計(jì)將工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的邏輯模型轉(zhuǎn)化為多專業(yè)三維模型,并開展二三維數(shù)據(jù)傳遞與校驗(yàn)、三維模型碰撞檢查,最終獲得準(zhǔn)確工程圖紙和工程材料。廠(站)三維設(shè)計(jì)直接影響項(xiàng)目施工圖文件的交付,其設(shè)計(jì)工時(shí)最多,工程數(shù)據(jù)量最大,工程質(zhì)量和工期控制最嚴(yán),是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中協(xié)同專業(yè)和協(xié)同軟件最多的平臺(tái)。廠(站)三維設(shè)計(jì)主要工作內(nèi)容見圖3。

圖3　廠(站)三維設(shè)計(jì)主要工作內(nèi)容

廠(站)三維設(shè)計(jì)一般以管道三維設(shè)計(jì)軟件為核心,同時(shí)開展其他相關(guān)專業(yè)的三維設(shè)計(jì),或集成相關(guān)專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件開展設(shè)計(jì)。常用的三維軟件有SP3D、PDMS、PDS等,這些軟件兼有管道三維設(shè)計(jì)和設(shè)備、暖通、電力、自控、通信、土建等三維設(shè)計(jì)功能。為滿足更精細(xì)化三維模型設(shè)計(jì)需要,廠(站)三維設(shè)計(jì)會(huì)集成其他非管道專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件,如開展鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的Tekla軟件,開展總圖三維設(shè)計(jì)的Civil 3D軟件,開展建筑三維設(shè)計(jì)的Revit(BIM)軟件,開展給排水設(shè)計(jì)的紅葉軟件等。這些軟件都針對(duì)相關(guān)專業(yè)開發(fā)了專業(yè)的設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)庫、模型庫,支持快速出圖和材料統(tǒng)計(jì),并與管道三維設(shè)計(jì)軟件能很好地集成。

廠(站)三維設(shè)計(jì)還需集成相關(guān)的計(jì)算軟件,主要包括結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件(如Tekla、SAP 2000)、管道應(yīng)力分析軟件(如CAESARII)、水錘計(jì)算等,便于工程師快速開展計(jì)算工作,確保設(shè)計(jì)安全。

廠(站)三維設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于可視化施工管理以及工程變更管理等,通過執(zhí)行設(shè)計(jì)與施工一體化,廠(站)三維設(shè)計(jì)最終能為項(xiàng)目竣工保留大量的三維技術(shù)資料[8-9]。在完整性三維數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,通過三維仿真和應(yīng)用開發(fā),建成數(shù)字化三維虛擬工廠和生產(chǎn)運(yùn)維管理平臺(tái),形成智能廠(站)基礎(chǔ)[10]。

2.4　線路數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

線路數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分采用國家空間數(shù)據(jù)及坐標(biāo)系基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù),利用衛(wèi)星遙感影像、航空攝影測量技術(shù)將沿線輸送管道上的數(shù)據(jù)、圖片等一切有關(guān)信息記錄下來,在獲得管道周邊的地形、水文、環(huán)境等數(shù)據(jù)后,通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析處理后建立一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)信息化動(dòng)態(tài)管理真實(shí)可靠的管道數(shù)據(jù)與地理信息(GIS)模型,以此獲得工程建設(shè)所需信息,并促進(jìn)輸送管道的正常運(yùn)營和智能化管理,實(shí)現(xiàn)輸送管道的自動(dòng)化功能和目的[11]。

傳統(tǒng)的線路數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于二維GIS系統(tǒng)建設(shè)。隨著計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的進(jìn)步,以二三維GIS系統(tǒng)構(gòu)建的協(xié)同業(yè)務(wù)平臺(tái)逐步成為主流。二三維GIS系統(tǒng)通過集成廠(站)三維模型和數(shù)據(jù),以全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)字化信息為基礎(chǔ),以功能完善的一體化軟件系統(tǒng)為手段,形成了滿足綜合數(shù)據(jù)展示、分析研究、輔助決策、協(xié)同辦公等勘探和開發(fā)核心業(yè)務(wù)所需的信息化綜合平臺(tái)[12]。線路數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要模塊見圖4。

圖4　線路數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要模塊

2.5　材料管理平臺(tái)

材料管理平臺(tái)廣泛用于定義和建立企業(yè)級(jí)材料編碼體系和標(biāo)準(zhǔn)化物資材料編碼庫。在設(shè)計(jì)過程中,直接通過材料管理平臺(tái)上的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫發(fā)布項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì),再通過接收三維模型的數(shù)據(jù),自動(dòng)提取工程物資材料清單(MTO、BOM),并進(jìn)行多版本管理,同時(shí)更新和完善企業(yè)級(jí)材料庫;在施工階段,材

料管理平臺(tái)基于設(shè)計(jì)提供的帶采購碼的材料表(MTO、BOM),進(jìn)行采購管理和現(xiàn)場物資管理。材料管理平臺(tái)主要工作內(nèi)容見圖5。

圖5　材料管理平臺(tái)主要工作內(nèi)容

工程材料管理平臺(tái)為智能化油氣田建立了材料標(biāo)準(zhǔn)和材料編碼,同時(shí)通過該平臺(tái)對(duì)EPC全過程進(jìn)行材料管理,建立油氣田物資資產(chǎn)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣田物資資產(chǎn)設(shè)計(jì)、采購、施工、檢驗(yàn)、維修、更換等全生命周期信息的管理[13]。

2.6　數(shù)字化移交

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)所有的成果,都必須經(jīng)過數(shù)字化移交實(shí)現(xiàn)對(duì)智能油氣田建設(shè)的支持。工程建設(shè)方根據(jù)工程建設(shè)檔案管理規(guī)定,以及業(yè)主方信息化建設(shè)要求,將工程建設(shè)過程中的相關(guān)信息在數(shù)字化移交平臺(tái)(或工程數(shù)據(jù)管理平臺(tái))上進(jìn)行關(guān)聯(lián)性整體交付。交付內(nèi)容包括設(shè)計(jì)信息、采購信息、施工信息、檢測信息、驗(yàn)收信息及調(diào)試、試運(yùn)行信息等。通過數(shù)字化移交在交付的數(shù)字化成果間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,能提高對(duì)文檔、圖紙、三維模型、工程數(shù)據(jù)的查看效率,為項(xiàng)目運(yùn)營和管理帶來便利。典型全生命周期信息化管理平臺(tái)架構(gòu)見圖6。

圖6　典型全生命周期信息化管理平臺(tái)架構(gòu)

3　數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)

工程公司的業(yè)務(wù)通常涵蓋工程建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、采購、施工安裝、投產(chǎn)試運(yùn)、生產(chǎn)運(yùn)行等領(lǐng)域,工程建設(shè)項(xiàng)目的組織、實(shí)施、運(yùn)行管理是多專業(yè)、多學(xué)科的綜合技術(shù)和綜合資源的有機(jī)結(jié)合。各工程公司從實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的技術(shù)和資源的科學(xué)管理,提高資源整合力度,優(yōu)化資源配置,促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步,提高生產(chǎn)效率出發(fā),進(jìn)行企業(yè)信息化統(tǒng)籌規(guī)劃,開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè),以及相關(guān)的硬件環(huán)境、IT架構(gòu)、業(yè)態(tài)流程建設(shè)[14]。

目前,行業(yè)普遍選用“商用軟件+二次開發(fā)”來規(guī)劃和部署數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。這類商業(yè)軟件由軟件供應(yīng)商根據(jù)其特長與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),集成了較為核心業(yè)務(wù)流程模塊。在選擇成熟、適應(yīng)的商業(yè)軟件同時(shí),工程公司還會(huì)根據(jù)軟件部署方式、新舊系統(tǒng)結(jié)合、個(gè)性化業(yè)務(wù)建設(shè)等開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的二次開發(fā)[15],并根據(jù)技術(shù)的進(jìn)步和需求的變化對(duì)平臺(tái)進(jìn)行長期維護(hù)。

在IT實(shí)現(xiàn)方面,云部署已成為主流,其優(yōu)勢是突破時(shí)空限制,快速、準(zhǔn)確、安全地傳遞信息,實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)可達(dá)、管理可達(dá)”的目標(biāo)[15]。部署在云構(gòu)架下的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),進(jìn)一步拓展了協(xié)同設(shè)計(jì)使用的時(shí)間與空間。

以上總結(jié)了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)、平臺(tái)選擇與建設(shè)維護(hù)、平臺(tái)部署三方面內(nèi)容。筆者認(rèn)為,工程公司采用面向工程全生命周期服務(wù)的方式,通過資源共享、平臺(tái)共享以及信息的遠(yuǎn)程推送,能直接將傳統(tǒng)的油氣田建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苡蜌馓锝ㄔO(shè),并能帶來時(shí)間、投資、管理和技術(shù)進(jìn)步等方面的效益。

4　結(jié)論

基于多階段、多專業(yè)、多軟件系統(tǒng)構(gòu)建的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),提供了從工藝模擬、設(shè)備計(jì)算、流程設(shè)計(jì)、儀表電氣選型、材料選擇、三維及空間地理信息等油氣田地面工程的完整信息,并對(duì)工程建設(shè)過程中的過程信息和最終信息進(jìn)行完整性管理,實(shí)施工程建設(shè)信息的數(shù)字化移交,促進(jìn)工程建設(shè)與工程運(yùn)維的一體化,為智能油氣田建設(shè)奠定了可靠的基礎(chǔ)。