數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)在油氣田工程建設(shè)中的研究和應(yīng)用

張鋒 江飛 董江潔 李英杰 王偉 王佳佳 崔新強

1新疆油田公司采氣一廠

2新疆油田公司

數(shù)字化移交是在先進的管理理念的指導(dǎo)下，形成一套完整、切合油氣田地面建設(shè)工程實際業(yè)務(wù)的集成規(guī)劃軟件系統(tǒng)，通過應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及云計算等技術(shù)，整合油氣田地面工程建設(shè)資源，優(yōu)化油氣田地面工程建設(shè)業(yè)務(wù)流程和信息，為工程建設(shè)管理人員提供及時、有效的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)管理人員提供一個功能強大、操作方便的信息化處理平臺，使油氣田地面建設(shè)工程更加有效、規(guī)范、迅速和系統(tǒng)[1]，同時通過數(shù)字化移交為生產(chǎn)單位的各種生產(chǎn)系統(tǒng)（例如管道與場站完整性管理系統(tǒng)）提供完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全生命周期流轉(zhuǎn)和使用。

1 研究內(nèi)容

根據(jù)油氣田工程運維期各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的運行數(shù)據(jù)需求（例如管道與場站完整性運行管理）和統(tǒng)一的業(yè)務(wù)主數(shù)據(jù)，研究工程建設(shè)期信息模型技術(shù)規(guī)范和信息模型管理規(guī)范等內(nèi)容，以便指導(dǎo)工程數(shù)字化全過程管理和數(shù)字化移交。

結(jié)合EPC項目和業(yè)主實際需要，收集和整理涵蓋設(shè)計、采購、施工各階段的各類資料和數(shù)據(jù)，統(tǒng)一相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，形成完整的數(shù)字工程資料倉庫和數(shù)據(jù)倉庫，這些倉庫是數(shù)字化管理和移交的基礎(chǔ)和前提。

按照油氣田地面工程建設(shè)的各階段，研究油氣田地面工程數(shù)字化全過程管理技術(shù)：方案設(shè)計數(shù)字化管理、勘查設(shè)計數(shù)字化管理、概預(yù)算數(shù)字化管理、采購數(shù)字化管理、設(shè)備數(shù)字化管理、施工數(shù)字化管理、監(jiān)理數(shù)字化管理、竣工驗收數(shù)字化管理等。

（1）方案設(shè)計數(shù)字化管理：需要考慮如何與工程技術(shù)研究院現(xiàn)有的設(shè)計協(xié)同管理系統(tǒng)集成，以推送文件并獲取成果文件。

（2）勘查設(shè)計數(shù)字化管理：兼容各類設(shè)計軟件；移交所有設(shè)計文件、三維模型等，為實現(xiàn)工廠模塊化預(yù)制做好準(zhǔn)備。

（3）概預(yù)算數(shù)字化管理：需要考慮如何與概預(yù)算部門現(xiàn)有的系統(tǒng)集成，以推送或獲取需要的數(shù)據(jù)。

（4）采購數(shù)字化管理：根據(jù)設(shè)計移交內(nèi)容，可在平臺完成工程量采購，需要考慮如何與現(xiàn)有系統(tǒng)進行集成。

（5）設(shè)備數(shù)字化管理：可在平臺查看設(shè)備的設(shè)計資料，查看設(shè)備的采購和施工進度。

（6）施工數(shù)字化管理：在平臺上完成現(xiàn)場施工管理，實現(xiàn)施工階段的文件資料、數(shù)據(jù)的采集和移交。

（7）監(jiān)理數(shù)字化管理：在平臺上完成監(jiān)理管理、現(xiàn)場監(jiān)理。

（8）竣工驗收數(shù)字化管理：在平臺上移交竣工驗收所需資料。

與油氣田地面工程建設(shè)數(shù)字化全過程管理相關(guān)的設(shè)計、施工數(shù)字化移交技術(shù)包括數(shù)字化工廠建模技術(shù)、三維可視化技術(shù)、信息安全技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)等。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 建設(shè)期一體化管理

從油田的全生命周期的“閉環(huán)管理”出發(fā)，實現(xiàn)EPC各單位協(xié)同工作、基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化移交、基于大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)字化管理，亦即在項目之初就搭建一個各方都能參與的數(shù)據(jù)共享平臺，所有參與方均在同一環(huán)境下工作（圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)共享平臺Fig.1 Data sharing platform

云服務(wù)是平臺建設(shè)中的基礎(chǔ)設(shè)施部分，使用云平臺，將項目參與各方連接起來，解除企業(yè)間的通信障礙。

2.2 采用先進的國際標(biāo)準(zhǔn)

引用先進的國際標(biāo)準(zhǔn)作為平臺建設(shè)的理論依據(jù)?；A(chǔ)設(shè)施行業(yè)目前有兩個最主要的國際標(biāo)準(zhǔn)：針對流程工廠中工藝的ISO15926 和針對建筑模型的IFC。依據(jù)這兩個標(biāo)準(zhǔn)制定油氣田地面建設(shè)工程的業(yè)務(wù)主數(shù)據(jù)引用庫（RDL），使地面工程全生命周期內(nèi)的所有系統(tǒng)能夠進行無縫數(shù)據(jù)交換。

2.3 先進的工程集成設(shè)計系統(tǒng)

如圖2所示，工程設(shè)計經(jīng)歷了圖板設(shè)計、二維CAD 設(shè)計、三維CAD 設(shè)計，以及集成設(shè)計系統(tǒng)等多個階段，由于設(shè)計是后續(xù)所有工作的源頭，因此，設(shè)計階段所采用的技術(shù)手段也就決定了后續(xù)工作中能否直接利用其成果進行數(shù)字化管理。

當(dāng)前，各設(shè)計系統(tǒng)軟件廠商都推出了先進的集成設(shè)計系統(tǒng)，為工程數(shù)字化設(shè)計提供了非常好的手段。集成設(shè)計系統(tǒng)的主要優(yōu)點包括：

（1）更加直觀的設(shè)計使計算機自動完成工程的錯、漏、碰、缺檢查，減少現(xiàn)場施工過程的返工。

（2）集成設(shè)計平臺的布置設(shè)計按照1∶1 進行場站設(shè)計，使材料統(tǒng)計更加精確、數(shù)量更加準(zhǔn)確，確保后續(xù)的概、預(yù)算更加準(zhǔn)確、精細(xì)。

（3）相比較于傳統(tǒng)的紙質(zhì)文件僅能從圖面上獲取信息，設(shè)計集成系統(tǒng)具有更加豐富和詳細(xì)的設(shè)計數(shù)據(jù)。例如：系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系、設(shè)計屬性等，這些數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，一方面，可以在計算機協(xié)助下進行更加智能和高效的統(tǒng)計和分析工作；另一方面，這些數(shù)據(jù)可以直接傳遞給下游的采購、施工、調(diào)試及生產(chǎn)部門，確保了數(shù)據(jù)入口的單一性，保證數(shù)據(jù)的唯一性和一致性。

圖2 資料在線共享查看Fig.2 Material online view-sharing

2.4 三維可視化技術(shù)`

在傳統(tǒng)的項目實施過程中，設(shè)計院提供給下游的圖紙均為二維格式，另外由于設(shè)計院所使用的設(shè)計工具過于復(fù)雜，造成后期的施工、監(jiān)理以及業(yè)主無法直接參與前期的設(shè)計過程，也無法直接利用三維模型進行后期的施工管理。因此，采用一種易于用戶使用的三維可視化技術(shù)為所有用戶在通用環(huán)境（無需安裝特定軟件）下使用成為一種必然趨勢（圖3）。

3 應(yīng)用效果

3.1 文件自動歸檔

參建單位協(xié)同工作，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化移交和大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)字化管理，參考普通紙質(zhì)文件資料的歸檔要求，在數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)中建立相應(yīng)的文件目錄，文件產(chǎn)生之后即上傳至數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)平臺，一方面可以有效地進行資料整理和共享，另一方面在項目竣工驗收完成后，所有文件自動歸檔，最終形成有序的電子文檔進行移交歸檔。

3.2 高效的數(shù)據(jù)采集

根據(jù)油氣田工程運維期各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的運行數(shù)據(jù)需求（例如管道與場站完整性運行管理）和統(tǒng)一的業(yè)務(wù)主數(shù)據(jù)，制定數(shù)字化移交標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計階段按照標(biāo)準(zhǔn)對三維模型、智能P&ID 進行數(shù)據(jù)屬性填寫，通過數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)對三維模型、智能P&ID 的數(shù)據(jù)進行解析收集，為工程建設(shè)管理人員提供及時有效的數(shù)據(jù)[2]。

3.3 關(guān)聯(lián)關(guān)系

圖3 三維可視化二三維聯(lián)動Fig.3 3D Visulation and 2D and 3D association

油氣田工程實施期間會產(chǎn)生大量的文件，其通過數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)平臺自動歸檔。這些文件包含設(shè)計文件、采購文件和施工文件，每個文件的內(nèi)容涉及一個或者多個模型對象。數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)平臺可將指定模型的相關(guān)設(shè)計文件、采購文件和施工文件進行關(guān)聯(lián)，同時在查看模型時也會顯示簡要的設(shè)計屬性、采購屬性和施工屬性，是一個功能強大、操作方便的信息處理平臺（圖4～圖6）。

3.4 數(shù)據(jù)整合校驗

圖4 三維模型對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.4 Incidence relation of 3D model object

圖5 三維模型智能推薦關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.5 Intelligent recommendation incidence relation of 3D model

圖6 對象關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.6 Object incidence relation

油氣田工程周期較長，參建方較多，數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)來源也同樣涉及多個單位、多個部門。把數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)平臺歸檔的文件、采集的數(shù)據(jù)，進行文件與模型的關(guān)聯(lián)，三維模型與二維圖紙的關(guān)聯(lián)，屬性表格與模型、圖紙的關(guān)聯(lián)，達(dá)到文件、模型、圖紙、屬性相互對應(yīng)，以便在后期運維中提供更完整的數(shù)據(jù)信息。為了確保關(guān)聯(lián)關(guān)系的準(zhǔn)確性，數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)平臺內(nèi)置了數(shù)據(jù)校驗機制，一方面協(xié)助進行更加智能和高效的統(tǒng)計和分析工作；另一方面，這些數(shù)據(jù)直接傳遞給下游的采購、施工、調(diào)試及生產(chǎn)部門，從而保證數(shù)據(jù)的唯一性和一致性。

4 效益評價

4.1 經(jīng)濟效益

油氣田工程的數(shù)字化工廠建設(shè)，利用數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)平臺強大的數(shù)據(jù)收集和處理功能，促進管理模式的調(diào)整，降低溝通成本，提高獲取數(shù)據(jù)及信息的效率及質(zhì)量。通過系統(tǒng)模型模擬現(xiàn)場裝置布置情況，尤其是設(shè)備、管道、儀表、閥門的構(gòu)成，為生產(chǎn)運維、現(xiàn)場管理提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)需對設(shè)備檢修更換時，可單選平臺中的模型查看相應(yīng)信息，并對同廠家的同類設(shè)備進行預(yù)判檢查，應(yīng)用平臺的截圖功能可直接與施工單位交底，準(zhǔn)確清晰，不僅不用花費大量的時間翻閱海量的資料，而且可以預(yù)判同類型設(shè)備是否也需要檢修，而不是等到事故發(fā)生后才去檢修，為安全生產(chǎn)運維提供了強有力的保障，從而顯著提高經(jīng)濟效益。

4.2 社會效益

數(shù)字化平臺是智能工廠的核心，是數(shù)字工廠模型的載體，在油氣田地面工程建設(shè)中，數(shù)字化、智能化、智慧化工廠成為必然趨勢，大量三維復(fù)雜場景和智能圖檔需要有效的集成關(guān)聯(lián)，數(shù)字化工廠移交系統(tǒng)平臺在實際運用中發(fā)揮了起承轉(zhuǎn)合的作用，有助于油氣田地面工程建設(shè)的順利開展。

數(shù)字工廠是數(shù)據(jù)和實物資產(chǎn)間的全新紐帶，如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動一樣，數(shù)字工廠將會改變數(shù)據(jù)與物理工廠的互動[3]。數(shù)字工廠是智能工廠的一項關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施[4]，它為我們搭建了一個廣闊的技術(shù)平臺，將持續(xù)催生出尚不為人所知的新應(yīng)用、新的商業(yè)模式，甚至新的產(chǎn)業(yè)[5]。

數(shù)字化也是國家積極鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)方向，可促進油田產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，與我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相統(tǒng)一[6]。

5 結(jié)束語

為了能夠使工廠運維期更好地繼承建設(shè)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，需要在工程建設(shè)前對數(shù)據(jù)的內(nèi)容和形式做出規(guī)定，以減少信息的遺失和截流，充分發(fā)揮信息化的社會效益。將工程中產(chǎn)生的、計算機能夠處理且運行維護需要使用的數(shù)據(jù)，以便于系統(tǒng)實施的方式移交給業(yè)主/運行方，使其在得到一個物理工廠的同時得到一個數(shù)字工廠。

數(shù)據(jù)移交是油氣田地面工程業(yè)主投資使用的重要組成部分，其最佳實現(xiàn)方式是盡早建立數(shù)據(jù)“合作”環(huán)境。為在油氣田地面工程的數(shù)據(jù)移交、互用、分析上形成共識，規(guī)范化數(shù)據(jù)移交方法，需在工程建設(shè)前期制定各項統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為運維期的數(shù)據(jù)利用打下堅實的基礎(chǔ)。