工程設(shè)計云在智能煉廠數(shù)字化設(shè)計中的應(yīng)用

■ 中石油華東設(shè)計院有限公司 王劍

20世紀80年代末，計算機輔助設(shè)計被廣泛應(yīng)用于工藝流程模擬、工程制圖、項目與施工管理等工程設(shè)計領(lǐng)域，以減輕繁重的人力勞動，提高設(shè)計質(zhì)量和作業(yè)效率。近年來，煉化企業(yè)對智能化和數(shù)字化建設(shè)要求迫切， 基于Intergraph、Bentley 和AVEVA等三維設(shè)計軟件為基礎(chǔ)的工程設(shè)計集成系統(tǒng)的應(yīng)用，工程設(shè)計行業(yè)逐步向?qū)崿F(xiàn)智能煉廠的數(shù)字化集成設(shè)計與交付模式轉(zhuǎn)變，給傳統(tǒng)設(shè)計體系文件中規(guī)定的專業(yè)分工、協(xié)同作業(yè)甚至設(shè)校審模式帶來了新的要求。設(shè)計項目的總分包關(guān)系不再局限于整套裝置，單裝置按專業(yè)分包作業(yè)模式開始出現(xiàn)，對數(shù)字化設(shè)計集成平臺提出了異地協(xié)同設(shè)計的要求。虛擬化與云計算在資源共享、數(shù)據(jù)安全和異地協(xié)同等方面的優(yōu)勢，使工程云在設(shè)計企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中開始大范圍應(yīng)用推廣。

1.智能煉廠的設(shè)計與數(shù)字化交付

智能煉廠是未來煉化企業(yè)的發(fā)展方向之一。系統(tǒng)工程、自動化、流程模擬、機器學(xué)習(xí)等多學(xué)科之間相互滲透、相互支持，從過去的離線或半離線觀念向在線實時、全自動化轉(zhuǎn)變，是實現(xiàn)工業(yè)化、信息化深度融合的必由之路。智能化是煉廠信息化建設(shè)和應(yīng)用的高級階段，特定到石化企業(yè)，傳統(tǒng)工程建設(shè)目標(biāo)是按照設(shè)計圖紙要求，建設(shè)物理意義上的由工藝裝置、物流系統(tǒng)、公用工程和輔助設(shè)施組成的煉廠。而現(xiàn)代工程建設(shè)在建設(shè)物理意義上的煉廠外，還需通過數(shù)字化、智能化等技術(shù)手段，建設(shè)全生命周期的綜合數(shù)字集成平臺，實現(xiàn)煉廠實體的數(shù)字化體現(xiàn)[1]。

從煉化企業(yè)角度來看，智能煉廠是指建立一個以虛擬工廠為基礎(chǔ)的集成管理平臺，對應(yīng)物理意義上的煉廠的數(shù)字化體現(xiàn)，同時具備工廠屬性和工程屬性的智能數(shù)字化系統(tǒng)。集成工程設(shè)計、生產(chǎn)運營、機動設(shè)備、環(huán)保安全等各種靜態(tài)動態(tài)數(shù)據(jù)，運用虛擬現(xiàn)實和三維可視化技術(shù)，提供企業(yè)資產(chǎn)信息全生命周期管理，具備高度可配置化應(yīng)用，為煉廠的智能化運營和信息化管理提供管理和決策平臺。[2]

理想狀態(tài)下，智能煉廠解決方案是由工程公司按照煉廠需求完成設(shè)計，包含以成品方式實現(xiàn)對煉廠的數(shù)字化交付，并在其全生命周期（設(shè)計、采購、施工、開車、運營、改造、報廢）中提供技術(shù)支持和服務(wù)[3]。由于目前工程建設(shè)和煉廠的社會分工不同，對數(shù)字化煉廠的認識和關(guān)注點也不同。目前，工程公司往往很難勝任煉廠高級階段的信息化建設(shè)工作，全生命周期的智能煉廠概念也難以落地。現(xiàn)階段相對可行的方案是由工程公司完成煉廠的數(shù)字化設(shè)計和施工，參考先進煉廠運營管理模式和理念，逐步完善數(shù)字化平臺的集成能力，實現(xiàn)數(shù)字化煉廠的階段性交付（完成設(shè)計、采購、施工和開車成功），這其中既包括模型數(shù)據(jù)（位號、屬性、關(guān)聯(lián)關(guān)系），還包括可擴展的數(shù)字化集成平臺。煉廠基于工程建設(shè)階段交付的數(shù)字化模型，按需實現(xiàn)對現(xiàn)有生產(chǎn)運營系統(tǒng)進行有效集成，實現(xiàn)煉廠向生產(chǎn)計劃可控、操作規(guī)范高效、工藝流程優(yōu)化、綠色安全環(huán)保的智能化轉(zhuǎn)型和升級[4][5]。

2.工程設(shè)計云

2.1 虛擬化與云計算技術(shù)

虛擬化技術(shù)，是指利用一種特定的信息處理技術(shù)，將計算機硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等從邏輯上進行分離，抽象成獨立的資源模塊，分別放入一個巨大的資源池，用戶可以根據(jù)需要進行靈活的資源組合。而云計算是一種新型的資源分配模式，該模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用軟件、服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，用戶只需投入很少的管理和交互工作。

2.2 工程設(shè)計云平臺架構(gòu)

工程設(shè)計云平臺融合并革新了多種先進信息技術(shù)，其核心是利用虛擬化技術(shù)整合數(shù)據(jù)中心軟硬件資源和各專業(yè)設(shè)計應(yīng)用，以服務(wù)的形式進行發(fā)布，滿足不同專業(yè)的用戶按需使用，實現(xiàn)跨地域、跨平臺的接入，增強數(shù)據(jù)安全，提高效率，保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性。在云平臺的建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)安全級別和平臺健壯性要求決定著基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選取，應(yīng)該正確認識到設(shè)計行業(yè)對數(shù)據(jù)安全性的定位，以降低存儲成為制約云平臺規(guī)模和性能的風(fēng)險（圖1），為用戶訪問工程設(shè)計提供云的模式。

2.2.1 工程云應(yīng)用

依托虛擬化技術(shù)，將所有應(yīng)用軟件在數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一發(fā)布，實現(xiàn)應(yīng)用軟件的集中管理與異地共享。員工無論是在本部、分院、EPC 現(xiàn)場，還是在家里或者出差途中，都可以通過網(wǎng)絡(luò)登錄 “工程設(shè)計云”，方便地按需共享本部的軟件資源，跨地域地協(xié)同工作，既不會改變用戶的使用習(xí)慣，又不會降低應(yīng)用效果。

2.2.2 工程云桌面

借助桌面虛擬化技術(shù)，將工程設(shè)計環(huán)境按既定規(guī)則分類，發(fā)布成不同功能的云桌面，向不同專業(yè)的設(shè)計人員提供服務(wù)。將傳統(tǒng)意義上的企業(yè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用向數(shù)據(jù)中心遷移，設(shè)計桌面由管理員統(tǒng)一部署、補丁和升級等管理工作，不需要在每個用戶的桌面上部署和管理多個軟件客戶端系統(tǒng)，所有應(yīng)用客戶端系統(tǒng)都將一次性地部署在數(shù)據(jù)中心的專用服務(wù)器上。不需要通過網(wǎng)絡(luò)向每個用戶發(fā)送實際的數(shù)據(jù)，只有虛擬的客戶端界面（屏幕圖像更新、按鍵、鼠標(biāo)移動等）被實際傳送并顯示在用戶的電腦上，不改變用戶設(shè)計習(xí)慣。

圖1 工程設(shè)計云架構(gòu)

完整的桌面虛擬化方案提供一種“端到端”的桌面管理解決方案。通過單一鏡像管理，可動態(tài)按需產(chǎn)生虛擬桌面，該桌面所有的運行都發(fā)生在遠程數(shù)據(jù)中心的機房里，不用擔(dān)心數(shù)據(jù)駐留在客戶端導(dǎo)致的安全漏洞。用戶每次登錄時都能獲得一個干凈的、個性化的全新桌面。

根據(jù)煉化設(shè)計行業(yè)對虛擬化桌面的需求，推薦采用“虛擬化桌面+云存儲”方案，例如應(yīng)用效果最好的二維設(shè)計桌面和三維設(shè)計桌面。

二維設(shè)計桌面采用PVS（Provisioning Server）共享磁盤桌面，Provisioning Server 是整套系統(tǒng)的調(diào)度中心，它通過網(wǎng)絡(luò)按需交付組成完整的服務(wù)器的各個部分，包括操作系統(tǒng)、 應(yīng)用和配置。Provisioning Server 將服務(wù)器各個部分分拆成為一個獨立虛擬鏡像VDisk，并將其以文檔形式存儲在網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)服務(wù)器啟動時，不再通過本地磁盤啟動，而是從網(wǎng)絡(luò)上的VDisk 引導(dǎo)啟動，Provisioning Server 采用流技術(shù)將指定的應(yīng)用組成部分交付到服務(wù)器，典型應(yīng)用包括：工藝設(shè)計桌面和工程設(shè)計桌面，也可以細分為典型用戶的PDMS 桌面等。

三維設(shè)計桌面結(jié)合NVIDIA GRID 顯卡，虛擬化服務(wù)器采用Citrix XenServer 服務(wù)器， 通過vGPU 或GPU Passthrough 方式，將硬件顯卡資源交付到所需桌面，典型應(yīng)用包括三維設(shè)計桌面。

2.2.3 工程云存儲

云存儲解決方案的主要目的是解決與完善桌面云的數(shù)據(jù)安全性與可用性。引入云存儲系統(tǒng)提供的“終端用戶虛擬盤+云端集中存儲+文件實時同步”模型，達成了“數(shù)據(jù)集中化”與“數(shù)據(jù)即時分發(fā)”兩個目標(biāo)。一方面可實現(xiàn)對桌面操作生成數(shù)據(jù)文件的統(tǒng)一存儲，便于集中管控。再加上文件塊加密與傳輸加密技術(shù)的應(yīng)用，不僅提供數(shù)據(jù)安全性保護，更賦予了數(shù)據(jù)“流動”特性，可供終端用戶隨時隨地查詢；另一方面實現(xiàn)了桌面數(shù)據(jù)歸檔，對同一文件的歷史版本進行查詢，通過用戶管理、共享、群組文件、協(xié)同編輯等功能，為部門或項目提供優(yōu)秀的權(quán)限管理和協(xié)同能力。

3.工程設(shè)計云在煉化設(shè)計行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全

隨著《網(wǎng)絡(luò)安全法》和《國家網(wǎng)絡(luò)空間安全戰(zhàn)略》的發(fā)布，政府對信息安全日益關(guān)注，強調(diào)“沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全”，信息安全被上升到國家戰(zhàn)略層面。

網(wǎng)絡(luò)安全對于企業(yè)的重要性和意義不斷得到提升，護網(wǎng)行動逐級得到貫徹和落實。工程設(shè)計行業(yè)最大的信息安全來自數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)攻擊：從引入計算機輔助設(shè)計開始，紙質(zhì)資料逐漸過渡到電子化存檔，由此引發(fā)的數(shù)據(jù)泄漏風(fēng)險一直高居不下，無論是文件加密、介質(zhì)加密還是網(wǎng)絡(luò)隔離，都無法從根本上保障設(shè)計資料的信息安全。

依托應(yīng)用虛擬化與桌面虛擬化技術(shù)，可以將用戶端的硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序從邏輯上進行分離后重新進行動態(tài)的優(yōu)化組合，從根本上解決辦公人員使用終端進行業(yè)務(wù)過程中的信息安全與數(shù)據(jù)泄密問題。此外，工程云可以實現(xiàn)設(shè)計環(huán)境更高級別的網(wǎng)絡(luò)隔離，不僅隔離外網(wǎng)，還可以對辦公網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心隔離，將企業(yè)核心業(yè)務(wù)隔離在數(shù)據(jù)中心，避免終端淪陷帶來的攻擊，大幅降低企業(yè)遭受內(nèi)外部攻擊的幾率、保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

3.2 設(shè)計環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化

工程設(shè)計云中發(fā)布每類設(shè)計桌面前，通過對標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)模板的配置優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)計軟件版本和數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一；設(shè)計人員對設(shè)計軟件只有使用權(quán)限，沒有修改和安裝配置權(quán)限，由此規(guī)范了用戶使用行為，設(shè)計軟件出現(xiàn)故障的概率大幅降低。實現(xiàn)各專業(yè)內(nèi)部每個設(shè)計人員的設(shè)計環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化，為工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化提供了設(shè)計平臺。

3.3 異地協(xié)同設(shè)計

協(xié)同設(shè)計是當(dāng)下設(shè)計行業(yè)技術(shù)更新的一個重要方向，也是設(shè)計技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。通過協(xié)同設(shè)計建立統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，包括圖層、顏色、線型、打印樣式等，在此基礎(chǔ)上，所有設(shè)計專業(yè)及人員在一個統(tǒng)一的平臺上進行設(shè)計，從而減少現(xiàn)行各專業(yè)之間（以及專業(yè)內(nèi)部）由于溝通不暢或溝通不及時導(dǎo)致的錯、漏、碰、缺，真正實現(xiàn)所有圖紙信息元的單一性，實現(xiàn)一處修改其他用戶視角自動修改，提升設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。這里的統(tǒng)一的平臺就是數(shù)字化集成設(shè)計平臺，具體包括：工藝設(shè)計、工程設(shè)計、三維工廠設(shè)計等。同時，協(xié)同設(shè)計還體現(xiàn)在不同企業(yè)、專業(yè)在不同辦公地點共同參與到統(tǒng)一的數(shù)字化集成平臺，依托工程設(shè)計云，解決了異地協(xié)同這一難題。工程公司可以借此實現(xiàn)基于工程設(shè)計云的低成本靈活外包模式，大幅提升協(xié)同設(shè)計效率，低價搶占市場，甩開競爭對手。收集分散在各地分支機構(gòu)的專業(yè)應(yīng)用軟件，在數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一發(fā)布部署，以實現(xiàn)應(yīng)用軟件的集中管控和跨地域、跨平臺共享。

3.4 數(shù)字化交付的云模式

在數(shù)字化煉廠設(shè)計業(yè)務(wù)鏈條中，竣工交付是其中的重要一環(huán)。傳統(tǒng)意義上的交付在數(shù)字化煉廠全生命周期管理中顯得力不從心，突出表現(xiàn)在煉廠裝置后期改造和檢維修等環(huán)節(jié)，會導(dǎo)致煉廠與設(shè)計雙方的模型數(shù)據(jù)不一致，甚至需要重新構(gòu)建模型。為了發(fā)揮設(shè)計院的設(shè)計優(yōu)勢，設(shè)計院繼續(xù)保留工程屬性的數(shù)字化煉廠模型，同時借助工程設(shè)計云以服務(wù)的形式進行發(fā)布，授權(quán)業(yè)主訪問。設(shè)計院可以接收業(yè)主的修改需求，繼續(xù)維護煉廠數(shù)字化模型，逐步完善數(shù)字化模型的位點、屬性和關(guān)聯(lián)關(guān)系，確保模型的數(shù)據(jù)一致性和真實有效。

3.5 智能煉廠信息物理融合的基礎(chǔ)

智能煉廠的理想狀態(tài)是實現(xiàn)信息物理融合（Cyberphysical Systems，簡稱CPS）。應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等眾多先進技術(shù)，將傳感器、智能硬件、控制系統(tǒng)、計算設(shè)施及信息終端連接成一個智能網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)企業(yè)、員工、設(shè)備、服務(wù)之間的互聯(lián)互通。而煉廠CPS 模型庫包括工藝模型、業(yè)務(wù)模型、機理模型、優(yōu)化模型及三維裝置模型等，使企業(yè)生產(chǎn)運營具備實時全面感知、深度優(yōu)化協(xié)同、準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)警、快速科學(xué)決策的能力，實現(xiàn)了生產(chǎn)全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化管理，實現(xiàn)了動態(tài)平衡、最優(yōu)生產(chǎn)、效益最佳的卓越運營目標(biāo)[6]。

不僅在工程建設(shè)階段，智能煉廠全生命周期的運營管理也仍需借助工程設(shè)計專家和規(guī)劃計劃專家在工藝優(yōu)化、計劃優(yōu)化、排產(chǎn)優(yōu)化的專業(yè)優(yōu)勢，實現(xiàn)以煉廠生產(chǎn)計劃調(diào)度一體化為核心的全局優(yōu)化，挖掘企業(yè)生產(chǎn)效益的潛力。實現(xiàn)煉廠和工程公司聯(lián)通，融合物理裝置、工藝模型、實時數(shù)據(jù)、機理模型、規(guī)劃計劃排產(chǎn)調(diào)和方案，工程設(shè)計云將成為智能煉廠信息物理融合的信息載體。

4.工程設(shè)計云在煉化設(shè)計行業(yè)的應(yīng)用推廣

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煉化設(shè)計行業(yè)實力較強的工程公司都在開展工程設(shè)計云的建設(shè)，方案和應(yīng)用效果差別較大，但基本上都符合以下四個階段：

起步階段：企業(yè)為了節(jié)省數(shù)據(jù)中心硬件投資，通過虛擬化技術(shù)完成了數(shù)據(jù)中心的資源池化工作,提高了硬件資源利用率，可以節(jié)省約60%的投資。

測試階段：應(yīng)設(shè)計項目的生產(chǎn)需求，特別是EPC 現(xiàn)場應(yīng)用總部的軟件資源進行配合施工這一需求，企業(yè)開始進行針對性測試，測試對象以虛擬化應(yīng)用為主，涉及少量桌面?，F(xiàn)階段將所有的工程設(shè)計軟件進行虛擬化發(fā)布測試，并根據(jù)成本和可用性進行評價，保留約10%的軟件在專業(yè)科室進行推廣。

推廣階段：以大規(guī)模桌面云為主、少量應(yīng)用云為輔，以專業(yè)或平臺進行分類，大規(guī)模部署云桌面，并在設(shè)計項目中進行推廣，為全面推廣云設(shè)計積累經(jīng)驗。

成熟階段：全面推廣云桌面。在以知識工作自動化為特征的智能設(shè)計時代到來之前，設(shè)計院為了滿足數(shù)字化設(shè)計交付和信息安全的需要，會逐漸完善工程設(shè)計集成平臺，其中包含工藝設(shè)計系統(tǒng)、工程設(shè)計系統(tǒng)、三維工廠設(shè)計系統(tǒng)和項目EPCCM 系統(tǒng)等。完善的數(shù)字化集成設(shè)計平臺，只有以云的形式提供服務(wù)，才能真正實現(xiàn)工廠工程設(shè)計的專業(yè)協(xié)同、異地協(xié)同和數(shù)字化交付。繼而在煉廠全生命周期中實現(xiàn)工廠運營、全局優(yōu)化，助力其完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化建設(shè)。