數(shù)字化工廠與協(xié)同設(shè)計

劉效禹

摘? ? ? 要：介紹了當(dāng)前工程公司引入數(shù)字化工廠概念之后，設(shè)計質(zhì)量和項(xiàng)目管理水平上的提高。詳細(xì)介紹了數(shù)字化工廠的定義、目的和作用。同時通過對數(shù)字化工廠構(gòu)架的介紹，重點(diǎn)說明了其運(yùn)作模式和搭建流程。最后通過分析國內(nèi)數(shù)字化工廠的應(yīng)用現(xiàn)狀，給出搭建數(shù)字化工廠構(gòu)架的建議和將來的工作方向。

關(guān)? 鍵? 詞：數(shù)字化工廠;項(xiàng)目管理;協(xié)同設(shè)計;全生命周期

中圖分類號：TN915? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-2173-04

Abstract： The improvement and deepening of the design quality and project management level after the introduction of the concept of digital factory in the current engineering company were introduced， and the definition， purpose and function of the digital factory were also introduced in detail. At the same time， through the introduction of the digital factory architecture， the operation mode and construction process were discussed. Finally， by analyzing the application status of domestic digital factory， the suggestions and future work direction of building digital factory framework were put forward.

Key words： Digital factory; Project management; Collaborative design; Life cycle

隨著時代的發(fā)展，對于工程項(xiàng)目的要求越來越高，傳統(tǒng)工程公司的工作模式受到了巨大的挑戰(zhàn)。先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)、全面的管理水平已經(jīng)成為制約工程公司快速發(fā)展的重要因素。隨著工程公司項(xiàng)目管理水平的提高，計算機(jī)信息化的發(fā)展與推廣以及工程公司對項(xiàng)目精細(xì)化管理的需求的增加，數(shù)字化工廠概念被越來越多的工程公司所接受，并逐步應(yīng)用到實(shí)際管理當(dāng)中。對于工程公司而言，數(shù)字化工廠不僅僅是一種給客戶的最終交付物，更加重要的是，數(shù)字化工廠是一種全新的項(xiàng)目管理模式與理念，即是對項(xiàng)目數(shù)據(jù)、信息的全生命周期下的一體化集成管理。數(shù)字化工廠管理模式的運(yùn)用，不僅能將階段性的決策、建設(shè)、改造階段的工廠信息串聯(lián)起來，而且在工廠建設(shè)階段，能起到縮短建設(shè)周期，節(jié)約建設(shè)投資的重要作用。數(shù)字化工廠對于工程公司以及工廠所有者（即業(yè)主）有著不同的意義與作用，本文主要針對其對工程公司的作用為對象展開。

1? 數(shù)字化工廠[1]

1.1? 數(shù)字化工廠的定義

工廠的生命周期即是從工廠建廠前的決策與準(zhǔn)備階段至工廠報廢或關(guān)閉的整個時間段，可以大致分為如下階段：最初制定計劃→可行性研究→項(xiàng)目批準(zhǔn)→招投標(biāo)→初步設(shè)計→詳細(xì)設(shè)計→現(xiàn)場施工→竣工驗(yàn)收→開車試運(yùn)行→投產(chǎn)→工廠運(yùn)行維護(hù)→資產(chǎn)管理→資產(chǎn)報廢→工廠關(guān)閉。

數(shù)字化工廠，廣義上指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機(jī)虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。對于工程公司而言，數(shù)字化工廠即是以軟件為依托，為工廠建立一個全面的電子化數(shù)據(jù)倉庫平臺，數(shù)據(jù)庫全面涵蓋了工廠設(shè)計、改造、更新等各個階段，能夠在整個工程從工程設(shè)計開始到工廠退役之間的過程中，有效的管理工廠[2]。

1.2? 數(shù)字化工廠的優(yōu)點(diǎn)

項(xiàng)目控制是對工程項(xiàng)目進(jìn)行科學(xué)管理的重要手段，而數(shù)字化工廠則為項(xiàng)目控制提供了一種行之有效的運(yùn)行模式，即以軟件為依托，將項(xiàng)目管理轉(zhuǎn)為對數(shù)據(jù)以及信息的管理，將工作程序轉(zhuǎn)為軟件規(guī)則驅(qū)動下的工作流程，以達(dá)到對整個項(xiàng)目的控制。較比傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理及運(yùn)行模式，數(shù)字化工廠有著以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）涵蓋了工廠整個生命周期的數(shù)據(jù)信息（從決策到設(shè)計、施工、改造），對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化集成管理，是工廠重要的信息資產(chǎn)。

（2）工程信息的有效性、完整性、準(zhǔn)確性、可溯性。

（3）有效管理工廠各階段信息，從而降低工程費(fèi)用、提高質(zhì)量和可靠性、縮短項(xiàng)目周期、解決工廠整個生命周期中的安全和環(huán)境問題。

1.3? 數(shù)字化工廠的構(gòu)架

數(shù)字化工廠的數(shù)據(jù)主體分為兩個部分，一部分是工廠本身的設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)（即各專業(yè)的設(shè)計圖紙、文表、計算書以及設(shè)計過程中各個專業(yè)之間的委托等），另一部分則是過程中產(chǎn)生的大量的文檔信息（設(shè)計協(xié)議、客戶提供的文件、項(xiàng)目計劃書等各類相關(guān)文檔文件）。

1.3.1? 設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)架

如果把數(shù)字化工廠單純的理解為設(shè)計文件的電子版交付，這樣的想法是不正確的，數(shù)字化工廠的構(gòu)架是建立在一體化協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)上，具體就是各專業(yè)協(xié)同下的三維設(shè)計。下面將以Intergraph（鷹圖）公司的軟件產(chǎn)品為例，簡述三維協(xié)同設(shè)計構(gòu)架的建立及工作流程（這里選取Intergraph公司的產(chǎn)品是因?yàn)镮ntergraph是目前國際上比較先進(jìn)的工程設(shè)計及管理解決方案提供商，并且國內(nèi)外許多工程公司都在使用其產(chǎn)品，使用范圍比較廣泛，有普遍性。）

三維協(xié)同設(shè)計是以三維設(shè)計軟件為基礎(chǔ)，串聯(lián)使用其進(jìn)行設(shè)計的所有相關(guān)專業(yè)以及部分不使用三維軟件進(jìn)行設(shè)計，但是與其有數(shù)據(jù)流交換的相關(guān)專業(yè)，達(dá)到各專業(yè)在同一平臺下進(jìn)行設(shè)計與數(shù)據(jù)交換的設(shè)計模式。這里需要說明的是，三維軟件的主要使用專業(yè)是管道專業(yè)、儲運(yùn)專業(yè)、給排水專業(yè)，這三個專業(yè)建模的同時也是設(shè)計的過程，并且最后應(yīng)用軟件輸出相應(yīng)的設(shè)計文件。結(jié)構(gòu)專業(yè)、自控專業(yè)、電氣等專業(yè)在三維協(xié)同設(shè)計概念下也需要在三維環(huán)境建模，但現(xiàn)階段由于受軟件功能以及使用深度的限制，依然是以二維設(shè)計為主，對軟件應(yīng)用較好的公司可以做到使用所建立的三維模型輸出部分設(shè)計文件，如結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)圖、儀表、電氣的電纜量等。工藝專業(yè)是上游專業(yè)，在協(xié)同設(shè)計平臺下，為保證設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性，其他相關(guān)專業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)都直接來源于工藝專業(yè)（這里主要指管道專業(yè)和自控專業(yè)）。材控及采購專業(yè)是設(shè)計的下游環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)輸入為其他所有專業(yè)設(shè)計文件中的材料及設(shè)備部分，這里管道專業(yè)、自控專業(yè)、電氣專業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)可以通過自身設(shè)計軟件通過平臺直接輸入至材控專業(yè)進(jìn)行管理。這樣，就通過數(shù)據(jù)流的連接關(guān)系構(gòu)成了三維協(xié)同設(shè)計的基本構(gòu)架，如圖1所示。

以SmartPlant Foundation為數(shù)據(jù)連接及管理平臺，構(gòu)建協(xié)同設(shè)計的構(gòu)架，即數(shù)字化工廠的設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)架[3，4]。

1.3.2? 文檔信息數(shù)據(jù)構(gòu)架

數(shù)字化工廠文檔信息的管理同樣以SmartPlant Foundation為數(shù)據(jù)連接及管理平臺。區(qū)別于傳統(tǒng)的檔案式的管理，數(shù)字化工廠的管理模式是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，可以做到文檔與文檔之間的關(guān)聯(lián)以及文檔與設(shè)計數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)。例如：某項(xiàng)目P&ID圖選中某一設(shè)備（10LAA10AC001除氧器），然后可以瀏覽此設(shè)備所在的3D模型、相關(guān)文檔等，如圖2。同時還可以做到文檔與工作流的結(jié)合，例如審批管理，如圖3。

通過設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)架與文檔信息數(shù)據(jù)構(gòu)架相結(jié)合，最終建立數(shù)字化工廠的整體構(gòu)架。這也是現(xiàn)在絕大多數(shù)工程公司在數(shù)字化工廠領(lǐng)域的最終目標(biāo)。

2? 國內(nèi)數(shù)字化工廠的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字化工廠概念在國際工程公司領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但因?yàn)閲鴥?nèi)工程公司引入較晚，并且開發(fā)力及使用程度各有差別，導(dǎo)致國內(nèi)工程公司對數(shù)字化工廠的應(yīng)用有較大差異，大致可分為以下三個級別：

一級：

對于數(shù)字化工廠僅僅是概念性的引入，無整體構(gòu)架或部分構(gòu)架，僅將其當(dāng)作最終的電子版交付物。

獨(dú)立使用三維設(shè)計軟件，其他專業(yè)仍然使用傳統(tǒng)的二維設(shè)計流程，專業(yè)間的數(shù)據(jù)傳遞仍以傳統(tǒng)的委托形式達(dá)到。

無統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息連接及管理平臺，無法達(dá)到對工廠數(shù)據(jù)的全生命周期管理。

無材料代碼體系，工廠數(shù)據(jù)中材料控制流程無法實(shí)現(xiàn)[5]。（注：這里特意提到材料代碼體系是因?yàn)椴牧峡刂剖菍τ诠こ坦緛碚f非常重要的環(huán)節(jié)，也是數(shù)字化工廠管理流程中的重要組成部分。）

二級：

能正確看待數(shù)字化工廠概念，有部分工廠構(gòu)架。

有較為完整的材料代碼體系。

除三維設(shè)計軟件外，使用構(gòu)架內(nèi)部分二維設(shè)計軟件，能達(dá)到某些專業(yè)間的數(shù)據(jù)流傳遞。比較常見的是通過材料代碼體系建立材料專業(yè)與三維模型，三維模型與材控專業(yè)之間的聯(lián)系，打通材料控制的重要流程。

雖打通部分流程，但依然沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息連接及管理平臺，無法達(dá)到對工廠數(shù)據(jù)的全生命周期管理。

三級：

有較為完整的數(shù)字化工廠構(gòu)架。

有較為完整的材料代碼體系。

從上游工藝專業(yè)開始，能做到各專業(yè)間的數(shù)據(jù)流傳遞，并且通過軟件的規(guī)則驅(qū)使，保證有效數(shù)據(jù)的唯一性與一致性。

數(shù)據(jù)信息通過統(tǒng)一的平臺進(jìn)行管理，做到對工廠信息的全生命周期管理。

現(xiàn)在大多數(shù)國內(nèi)的工程公司暫時還處于一級與二級的使用階段，數(shù)字化工廠構(gòu)架并不完善或嚴(yán)重缺失，為了促進(jìn)國內(nèi)工程公司的國際化，使其能夠與國際同行同臺共舞，搭建完整的數(shù)字化工廠構(gòu)架并且應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目管理與操作當(dāng)中應(yīng)是各工程公司應(yīng)該考慮的問題。

3? 搭建數(shù)字化工廠構(gòu)架的建議

數(shù)字化工廠構(gòu)架的搭建任重而道遠(yuǎn)，需要做好長期的籌劃與策劃，而且需要項(xiàng)目的檢驗(yàn)從而不斷的完善，最終形成適合自己公司的工作流程與構(gòu)架體系。在此給出幾點(diǎn)本人對于搭建數(shù)字化工廠構(gòu)架的建議：

（1）首先需要建立一個良好穩(wěn)定的，有能力的開發(fā)小組

一個強(qiáng)有力的小組領(lǐng)導(dǎo)者。開發(fā)小組的領(lǐng)導(dǎo)者需要對國內(nèi)外數(shù)字化工廠領(lǐng)域有所了解，并且能夠制定公司在這方面未來的藍(lán)圖及發(fā)展方向，關(guān)鍵時刻能頂住壓力做出決策;

一個由信息、設(shè)計、材控等專業(yè)為核心，以計劃進(jìn)度、費(fèi)控、文檔、財務(wù)等專業(yè)為輔助成員的開發(fā)應(yīng)用組織;

（2）需要充分合理的利用外部有效資源，避免閉門造車

利用好軟件廠商技術(shù)人員的技術(shù)支持與前瞻引導(dǎo);

選擇有較豐富技術(shù)方案和經(jīng)驗(yàn)的咨詢實(shí)施服務(wù)商，充分利用服務(wù)商的優(yōu)良資源。以很少的人力與財力的投入，縮短開發(fā)應(yīng)用周期;

（3）做好籌劃與策劃

搭建好具有長期性和穩(wěn)定性的構(gòu)架，是取得成功和效果的基礎(chǔ)，制定分階段目標(biāo)，逐步抓落實(shí)是取得成功和效果的關(guān)鍵;

依據(jù)公司戰(zhàn)略和核心業(yè)務(wù)，充分研究并參考國內(nèi)外同行的經(jīng)驗(yàn)和構(gòu)架，建立自己的構(gòu)架和運(yùn)作模式;

籌劃和搭建構(gòu)架的實(shí)施階段，不能急于求成，更不能跟風(fēng)總是改變計劃，達(dá)不到長期指導(dǎo)的效果，如同造船一樣，只有骨架搭的牢固，船才能結(jié)實(shí);

階段性的落實(shí)分階段目標(biāo)，一步一個腳印。同時要有一定的心里準(zhǔn)備，數(shù)字化工廠構(gòu)架的建立意味著一定程度上的變革，設(shè)計理念的變革、設(shè)計程序的變革、專業(yè)分工的變革等等，凡是變革就會遇到阻力，技術(shù)人員需要時間來認(rèn)識和轉(zhuǎn)變觀念，要做好在壓力下工作和在壓力下決策的準(zhǔn)備。

4? 結(jié)束語

近幾年，數(shù)字化工廠概念的引入在工程公司領(lǐng)域引起了一定的變革，在借鑒國外同行先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上也豐富了自己的管理方法和手段，并且一定程度上達(dá)到了提高設(shè)計質(zhì)量、縮短建設(shè)周期、節(jié)省項(xiàng)目投資的目的。但是在實(shí)際的運(yùn)作流程與設(shè)計理念上和國外工程公司還有著明顯差距。所以，在今后幾年里，還需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上重視數(shù)字化工廠構(gòu)架的搭建，完善自己的體系與工作流程，努力實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計與管理的優(yōu)質(zhì)化、集成化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖龍. 淺談油氣地面建設(shè)工程數(shù)字化交付[J]. 化工管理， 2018（36）： 218-219.

[2] 樊軍鋒. 智能工廠數(shù)字化交付初探[J]. 石油化工自動化， 2017，53 （03）： 15-17.

[3] 余勤鋒. 石化工程企業(yè)設(shè)計集成系統(tǒng)的構(gòu)建[J]. 現(xiàn)代化工， 2015，35 （08）： 6-10.

[4] 李其銳. 基于設(shè)計集成系統(tǒng)海洋平臺項(xiàng)目復(fù)用及模塊化設(shè)計的應(yīng)用[J]. 中國勘察設(shè)計， 2013 （09）： 97-100.

[5] 顏毅. 材料代碼在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用[J]. 油氣田地面工程， 2011， 30 （09）： 84.