打造數(shù)字孿生工廠 實(shí)現(xiàn)三維可視化全過程管理

■ 中冶京誠工程技術(shù)有限公司 張鶴 陳馨 朱志斌

2018年住房和城鄉(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)》將數(shù)字化工廠（digital plant）定義為：“由工程建設(shè)階段產(chǎn)生的數(shù)字化靜態(tài)信息、運(yùn)營維護(hù)階段產(chǎn)生的數(shù)字化動態(tài)信息、基于工廠對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系及信息管理平臺構(gòu)成的綜合體。”具體來講，數(shù)字化工廠是匯集工程設(shè)計、采購、施工、建造、安裝全生命周期的信息，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)測工具，在計算機(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)對歷史數(shù)據(jù)的回溯、實(shí)時數(shù)據(jù)的管理和未來趨勢的預(yù)測。

數(shù)字化設(shè)計

在數(shù)字化設(shè)計實(shí)施過程中，往往會采用不同的協(xié)同設(shè)計平臺與設(shè)計軟件，產(chǎn)生不同格式的模型與數(shù)據(jù)。目前，市場上主流數(shù)字化設(shè)計軟件有Bentley系列軟件OpenBuildings Designer、OpenPlant Modeler、ProStructures等，Autodesk系列軟件Revit、Inventor等，還有AVEVA PDMS、Tekla structures專業(yè)設(shè)計軟件。在數(shù)字化交付的背景下，如何保證各平臺及軟件中產(chǎn)生的模型與數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性，成為了解決問題的關(guān)鍵。

可搭建編碼平臺將工程設(shè)計中運(yùn)用到的材料、設(shè)備等物料的屬性進(jìn)行統(tǒng)一梳理，確定其屬性及編碼規(guī)則，并定制于編碼平臺內(nèi)，平臺內(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。物料屬性被定制于編碼平臺當(dāng)中，編碼平臺向各個設(shè)計平臺和軟件提供唯一編碼。建立數(shù)字化元件庫，將企業(yè)的數(shù)字化元件集中存儲與管理，設(shè)計人員從庫內(nèi)調(diào)取元件完成設(shè)計內(nèi)容。數(shù)字化元件庫與編碼平臺結(jié)合，為數(shù)字化設(shè)計提供模型與屬性，可以說編碼平臺和數(shù)字化元件庫是三維數(shù)字化設(shè)計的主數(shù)據(jù)，在構(gòu)件級別對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)計的基礎(chǔ)，也是數(shù)字化交付模型與數(shù)據(jù)來源的有效保證。

數(shù)字化交付

區(qū)別于傳統(tǒng)工程以“卷冊”為核心的交付體系，數(shù)字化交付是指以“工廠對象”為核心，將工程設(shè)計、采購、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“工廠對象”為核心的網(wǎng)狀關(guān)系數(shù)據(jù)庫，存儲于工程數(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)對三維模型、數(shù)據(jù)、文檔及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。設(shè)計階段產(chǎn)生的模型、數(shù)據(jù)、設(shè)計圖紙、計算書，采購階段的裝箱清單、使用說明書、質(zhì)量證明文件，施工階段的各種施工記錄、試驗(yàn)報告、驗(yàn)收報告等，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存儲起來，便于文檔內(nèi)容的索引，還需要處理文檔和工廠對象的關(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)來適應(yīng)文檔分類管理與查詢的要求。

數(shù)字化交付的實(shí)施需要依托于系統(tǒng)或平臺來實(shí)現(xiàn)，將需要交付的模型、數(shù)據(jù)、文檔等以標(biāo)識碼作為工廠對象的唯一標(biāo)識，在平臺中建立起模型、數(shù)據(jù)和文檔之間的網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)關(guān)系，才能將各階段的模型、數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)換成可被直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。此外，平臺應(yīng)提供基礎(chǔ)的靜態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)。Bentley AssetWise是一款優(yōu)異的交付平臺，可以將ProjectWise上的模型與數(shù)據(jù)無縫傳遞到平臺上，并且可以承載大體量的模型與數(shù)據(jù)，可以勝任廠級項(xiàng)目的交付與靜態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)用。

數(shù)字化工廠

建立數(shù)字化工廠平臺，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，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)自動化模型、過程控制模型、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)字化平臺為基礎(chǔ)，通過信息交換獲取企業(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景展現(xiàn)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，更直觀地協(xié)助公司各級調(diào)度管理人員及時掌控企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營信息，滿足公司各級管理人員需要。

數(shù)字化交付原理

數(shù)字化工廠實(shí)施途徑

在三維數(shù)字化工廠平臺中，工廠的各個車間、設(shè)備、部件、管道、儀表、閥門等運(yùn)行參數(shù)與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和綁定，可以實(shí)時查詢其設(shè)計參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)?？梢砸詧D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，以及人員層、設(shè)備層、巡檢層、報警層、監(jiān)控層、建筑層、管線層、物流層等。在不同數(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)透明化管理、智能設(shè)備運(yùn)維信息集成、全場物流調(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。

案例分析

本文以中冶京誠工程技術(shù)有限公司EPC總承包的濟(jì)源高速線材生產(chǎn)線項(xiàng)目為例，就其BIM數(shù)字化交付與數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)用展開探討。

數(shù)字化工廠信息展示

項(xiàng)目概況

多年前，中冶京誠工程技術(shù)有限公司（以下簡稱“中冶京誠”）EPC總承包濟(jì)源高速線材生產(chǎn)線項(xiàng)目為業(yè)主交付了實(shí)體工廠。在全球信息化環(huán)境的影響下，業(yè)主對生產(chǎn)線運(yùn)營又提出了新的需求。為此，中冶京誠基于BIM技術(shù)構(gòu)建虛擬的數(shù)字孿生工廠，整合生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)、物流、能源等信息，將數(shù)字工廠與現(xiàn)實(shí)工廠相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三維可視化全過程管理。

項(xiàng)目任務(wù)

在役工廠數(shù)字孿生構(gòu)建技術(shù)路線

web端工程數(shù)據(jù)中心

廠房模型

數(shù)字工廠應(yīng)用

數(shù)字化模型是數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)，建立數(shù)字孿生工廠，首先需要重構(gòu)數(shù)字化模型。雖然濟(jì)源高線由中冶京誠設(shè)計施工，但由于時間久遠(yuǎn)、資料缺失，且工廠多次改造，加大了重構(gòu)數(shù)字化模型的難度，如何復(fù)現(xiàn)已有工廠，成為亟待解決的首要任務(wù)。此外，由于高線生產(chǎn)線流程復(fù)雜、信息多元、數(shù)據(jù)眾多，如何將構(gòu)建的數(shù)字化模型與數(shù)據(jù)有效結(jié)合；有了全新的交付模式和交付內(nèi)容，如何能更好地將交付物為業(yè)主所用，提升企業(yè)綜合運(yùn)營效率，提高企業(yè)的管理和運(yùn)維水平，也是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)需要完成的重要任務(wù)。

在役工廠三維數(shù)字化重構(gòu)

為真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)工廠，中冶京誠應(yīng)用在役工廠三維數(shù)字化重構(gòu)技術(shù)，將實(shí)景建模與二維圖紙建模相結(jié)合，利用無人機(jī)拍攝照片分組導(dǎo)入實(shí)景建模工具，從而生成三維數(shù)字實(shí)景模型。同時，利用已有二維圖紙將其轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字化模型，在建模過程中還應(yīng)用了中冶京誠自主研發(fā)的CERI數(shù)字化設(shè)計工具軟件集，極大地提高了建模效率，高效地將現(xiàn)實(shí)世界以數(shù)字化的方式表達(dá)，構(gòu)建了滿足數(shù)字化工廠需求的數(shù)字化模型。

數(shù)字化工廠與數(shù)據(jù)資產(chǎn)的再交付

中冶京誠依托Bentley AssetWise平臺進(jìn)行開發(fā)與定制，建立適合于冶金工程的工程數(shù)據(jù)中心InfoWiseTM，搭建起濟(jì)源高線項(xiàng)目的數(shù)據(jù)倉庫，有效收集和整合項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建以“對象”為核心的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型，并通過統(tǒng)一接口生成數(shù)字化資產(chǎn)進(jìn)行統(tǒng)一交付。

構(gòu)建數(shù)字孿生工廠，提升運(yùn)維能力

中冶京誠基于Bentley iTwin平臺打造數(shù)字孿生工廠平臺，集成工廠現(xiàn)有制造執(zhí)行系統(tǒng)、能源調(diào)度系統(tǒng)等各系統(tǒng)信息，突破原有IT數(shù)據(jù)架構(gòu)，解決信息孤島問題，挖掘利用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，整合車間內(nèi)各種系統(tǒng)，完成高線車間全流程質(zhì)量控制與運(yùn)維管理。例如，將數(shù)字孿生工廠應(yīng)用于車間生產(chǎn)調(diào)度管控、工藝仿真監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)維管理、管網(wǎng)安全監(jiān)控、故障報警與處置、人員模擬培訓(xùn)等。

基于iTwin平臺的開放性、可信性、安全性和強(qiáng)適應(yīng)性，打造標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字孿生平臺，并根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，個性化定制數(shù)字孿生鋼鐵工廠、數(shù)字孿生水廠、數(shù)字孿生建筑等產(chǎn)品，從而滿足不同客戶的個性化功能需求。

總的來說，工程設(shè)計、采購、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，將有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化向智能化邁進(jìn)。