數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付的技術(shù)探討

文｜中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 張鶴 曹建寧 王永濤 韋彬

0引言

數(shù)字化工廠（DF）是實(shí)現(xiàn)智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)，而數(shù)字化交付是構(gòu)建數(shù)字化工廠的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付已成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域之中的熱門話題，眾多的工程企業(yè)尤其是設(shè)計(jì)院，正在謀求以數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付為突破，從而實(shí)現(xiàn)新時(shí)代下企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2018年9月11日住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)數(shù)字化工廠（digital plant）定義如下：“由工程建設(shè)階段產(chǎn)生的數(shù)字化靜態(tài)信息、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段產(chǎn)生的數(shù)字化動(dòng)態(tài)信息、基于工廠對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系及信息管理平臺(tái)構(gòu)成的綜合體”。具體來(lái)講，數(shù)字化工廠是匯集工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、建造、安裝全生命期的信息，形成企業(yè)靜態(tài)數(shù)字化資產(chǎn)，在此基礎(chǔ)上整合產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)線運(yùn)維數(shù)據(jù)，集成生產(chǎn)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)、制造執(zhí)行的MES系統(tǒng)、生產(chǎn)管理的ERP系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)工具，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，搭建可同步運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)字虛擬工廠，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回溯、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理和未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。數(shù)字化工廠是實(shí)現(xiàn)智能工廠的必經(jīng)之路，應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)，構(gòu)建全廠的數(shù)字化模型，整合工程建設(shè)各階段數(shù)據(jù)，接入實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建與實(shí)際工廠一致的數(shù)字孿生工廠。

1數(shù)字化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是工程信息的源頭，對(duì)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)來(lái)講更是如此，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的模型與信息是數(shù)字化交付的基礎(chǔ)。對(duì)設(shè)計(jì)院來(lái)講，尤其是大型綜合設(shè)計(jì)院，其業(yè)務(wù)類型較多，或兼具工程設(shè)計(jì)與非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)的能力，因此其在數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)施當(dāng)中，往往會(huì)采用不同的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)與設(shè)計(jì)軟件，也就會(huì)產(chǎn)生不同格式的模型與數(shù)據(jù)。

目前市場(chǎng)上主流數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件有Bentley系列軟件，其軟件有Open building designer、Openplant modeler、Prostructures

等；Autodesk系列軟件，其軟件有Revit、Inventor等；另外還包括AVEVA PDMS、Tekla structures專業(yè)設(shè)計(jì)軟件。在數(shù)字化交付的背景下，如何保證各平臺(tái)及軟件中產(chǎn)生的模型與數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性，成了問(wèn)題的關(guān)鍵。編碼平臺(tái)是將工程設(shè)計(jì)中用到的材料、設(shè)備等物料的屬性進(jìn)行了統(tǒng)一梳理，確定其屬性及編碼規(guī)則，并定制于編碼平臺(tái)內(nèi)，平臺(tái)內(nèi)的物料編碼的原則是一物一碼，即一類物料具有其唯一的物料編碼。例如煉鐵設(shè)備中，熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)備的補(bǔ)償器，其屬性包括了：補(bǔ)償器名稱、補(bǔ)償器形式、通徑、軸向位移、橫向位移、波紋管材質(zhì)、介質(zhì)溫度、波紋管長(zhǎng)度，其屬性被定制于編碼平臺(tái)當(dāng)中，如圖2所示。

圖1 數(shù)字化工廠實(shí)施路線

圖2 編碼平臺(tái)

數(shù)字化元件庫(kù)將企業(yè)的數(shù)字化元件集中存儲(chǔ)與管理，設(shè)計(jì)人員從庫(kù)內(nèi)調(diào)取元件完成設(shè)計(jì)內(nèi)容。數(shù)字化元件入庫(kù)時(shí)需滿足企業(yè)相關(guān)的BIM模型標(biāo)準(zhǔn)，如此保證了元件模型的準(zhǔn)確性。數(shù)字化元件的模型幾何精度應(yīng)根據(jù)使用需求進(jìn)行規(guī)定，幾何精度指的是模型外觀與實(shí)際的近似程度，比如一臺(tái)電機(jī)，是否需要把散熱結(jié)構(gòu)按照實(shí)際完全建模，還是以近似圓柱體進(jìn)行代替，或者一臺(tái)自動(dòng)扶梯的每個(gè)梯級(jí)是否需要按照實(shí)際進(jìn)行建模，理論上來(lái)講，建模的細(xì)致程度是無(wú)窮盡的，三維軟件中可以參照對(duì)象進(jìn)行完全建模，但這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，并且過(guò)于細(xì)致的模型對(duì)瀏覽速度造成極大影響，降低工作效率。

數(shù)字化元件庫(kù)內(nèi)的條目和編碼平臺(tái)內(nèi)的條目應(yīng)是對(duì)應(yīng)的，即數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用的構(gòu)件都具有其唯一的屬性與編碼。數(shù)字化元件庫(kù)與編碼平臺(tái)結(jié)合，為數(shù)字化設(shè)計(jì)提供模型與屬性，可以說(shuō)編碼平臺(tái)和數(shù)字化元件庫(kù)是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的主數(shù)據(jù)，在構(gòu)件級(jí)別對(duì)幾何模型精度與屬性信息進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定，是數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是數(shù)字化交付模型與數(shù)據(jù)來(lái)源的有效保證。

2數(shù)字化交付

區(qū)別于傳統(tǒng)工程以“卷冊(cè)”為核心的交付體系，數(shù)字化交付是指以“工廠對(duì)象”為核心，將工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、制造、安裝等階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，建立以“工廠對(duì)象”為核心的網(wǎng)狀關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)于工程數(shù)據(jù)中心，并基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口完成數(shù)據(jù)交付，為業(yè)主提供可靠的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成構(gòu)建數(shù)字化工廠的企業(yè)靜態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

數(shù)字化交付的實(shí)現(xiàn)途徑如圖3所示：

工廠對(duì)象是指構(gòu)成工廠的設(shè)備、管道、儀表、電氣和建（構(gòu)）筑物等具有編號(hào)可獨(dú)立識(shí)別的工程實(shí)體，位號(hào)即工廠對(duì)象的識(shí)別編號(hào)，每個(gè)工廠對(duì)象具有唯一的位號(hào)。例如某化工廠內(nèi)設(shè)備位號(hào)T1218表示第12車間（或工段）的第18號(hào)塔。設(shè)備位號(hào)在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)不得重復(fù)，唯一存在，所有工藝圖上設(shè)備位號(hào)均需一致。目前化工行業(yè)基于數(shù)字化設(shè)計(jì)開(kāi)展的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)過(guò)程中的二維和三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)基于位號(hào)的結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)集成及多專業(yè)協(xié)同，同時(shí)采用與數(shù)字化交付配套的文檔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于位號(hào)的非結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)文檔、供應(yīng)商文檔關(guān)聯(lián)，在交付時(shí)向業(yè)主整體移交數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)字化交付的核心包括三維模型、數(shù)據(jù)、文檔及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此，企業(yè)應(yīng)建立交付標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對(duì)三維模型、數(shù)據(jù)、文檔及其關(guān)聯(lián)關(guān)系做出規(guī)定。設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的模型、數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算書(shū)，采購(gòu)階段的裝箱清單、使用說(shuō)明書(shū)、質(zhì)量證明文件，施工階段的各種施工記錄、試驗(yàn)報(bào)告、驗(yàn)收?qǐng)?bào)告等，均屬于交付的范疇。在數(shù)字化交付的條件下，不僅僅是將這些文檔轉(zhuǎn)成PDF存儲(chǔ)起來(lái)，為便于文檔內(nèi)容的索引，還應(yīng)需要處理文檔和工廠對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系。數(shù)字化交付條件下需要完整的文檔編碼系統(tǒng)，來(lái)適應(yīng)文檔分類管理與查詢的要求。

3數(shù)字化工廠

圖3 數(shù)字化交付原理

圖4 數(shù)字化工廠實(shí)施途徑

建立數(shù)字化工廠平臺(tái)，以三維模型為載體，將數(shù)字化交付的各階段數(shù)據(jù)整合并可視化地展示出來(lái)，從而構(gòu)建出與現(xiàn)實(shí)工廠完全一致的數(shù)字化模型。在數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，整合基礎(chǔ)自動(dòng)化模型、過(guò)程控制模型、工藝參數(shù)模型，構(gòu)建與實(shí)際生產(chǎn)流程、設(shè)備和工藝一致的數(shù)字孿生模型。進(jìn)一步，以數(shù)字化平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)信息交換獲取企業(yè)的生產(chǎn)管理（MES），能源管理（EMS），設(shè)備管理，物流管理等信息化系統(tǒng)的信息，采用不同的圖層和場(chǎng)景展現(xiàn)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，更直觀的協(xié)助公司各級(jí)調(diào)度管理人員及時(shí)掌控企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)信息，滿足公司各級(jí)管理人員需要。

數(shù)字化工廠平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)途徑如圖4：

在三維數(shù)字化工廠平臺(tái)中，工廠的各個(gè)車間、設(shè)備、部件、管道、儀表、閥門等的運(yùn)行參數(shù)與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和綁定，可以實(shí)時(shí)查詢其設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。可以以圖層的形式管理不同類型的數(shù)據(jù)和BIM模型的顯示狀態(tài)，如專門顯示儀表信息的儀表層，同時(shí)還有人員層、設(shè)備層、巡檢層、報(bào)警層、監(jiān)控層、建筑層、管線層、物流層等。在不同的數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上，定制工廠的數(shù)字化運(yùn)維需求，如：工廠綜合展示、資產(chǎn)的透明化管理、智能設(shè)備運(yùn)維信息集成、全場(chǎng)物流調(diào)度管理、智能管網(wǎng)安全監(jiān)控管理、浸入式培訓(xùn)操作考核、應(yīng)急演練仿真、三維生產(chǎn)工藝監(jiān)控和模擬等。

圖5 數(shù)字化工廠信息展示

4 結(jié)語(yǔ)

工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、建造、安裝等階段產(chǎn)生的各種工程數(shù)據(jù)是數(shù)字化工廠的原始基礎(chǔ)，是實(shí)體工廠的真實(shí)反映，通過(guò)數(shù)字化交付工作，構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)工廠完全一致的數(shù)字化工廠，在完整的數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景中，構(gòu)建具備自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等能力的新型生活和生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化向智能化邁進(jìn)。