數(shù)字交付與工廠運維銜接優(yōu)化方案研究

孫寶平

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

近年來，在“工業(yè)4.0”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等理念引領(lǐng)下，全球制造業(yè)掀起工廠信息化和智能化高潮，作為流程制造業(yè)的代表，石化行業(yè)身處其中。石化工廠生態(tài)圈中的企業(yè)積極參與智能工廠建設(shè)并形成共識，應(yīng)從工廠生命周期的起點就定義好智能工廠，工程建設(shè)數(shù)字化交付和工廠運維應(yīng)更緊密、更高效地銜接。本文以數(shù)字化交付與智慧工廠互通互聯(lián)為目標，識別問題并探討相關(guān)解決方案。

1 數(shù)字化工廠建設(shè)的發(fā)展與矛盾

1.1 數(shù)字化工廠建設(shè)的發(fā)展

1996年，《數(shù)字化生存》[1]一書預(yù)言了數(shù)字化時代，新一輪科技革命、信息革命引領(lǐng)生產(chǎn)力要素和生產(chǎn)關(guān)系轉(zhuǎn)向數(shù)字化重構(gòu)，經(jīng)濟活動逐步走向全面數(shù)字化。2011年，美國麻省理工斯隆管理學(xué)院第一次提出了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的概念，此后十年間，“工業(yè)4.0”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”以及“中國制造2025”等基于數(shù)字化的戰(zhàn)略在各國不斷出現(xiàn)，工業(yè)化與信息化相融合的理念深入人心，并在制造業(yè)、物流行業(yè)等領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展。石化行業(yè)作為流程制造業(yè)的代表，與離散制造業(yè)具有明顯的區(qū)別，工廠數(shù)字化、智能化的解決方案更加復(fù)雜，更加向工廠生命周期源頭延伸，其中工廠建設(shè)過程中的數(shù)字工廠規(guī)劃和數(shù)字化交付業(yè)務(wù)是極為重要的一個環(huán)節(jié)。國際石化公司如?？松梨?、殼牌、BP等在打造數(shù)字化工廠方面不遺余力，與工程服務(wù)企業(yè)如福陸、德西尼布以及沃利帕森等聯(lián)合建立數(shù)字化工程交付體系和標準，國內(nèi)石化行業(yè)也先后發(fā)布了《石油化工工程設(shè)計數(shù)字化交付標準》[2]及相關(guān)實施細則，數(shù)字化交付逐步形成框架和統(tǒng)一標準。從工程建設(shè)角度定義了核心概念，包括數(shù)字化(digitalization)、數(shù)字化交付(digital delivery)、數(shù)字化工廠(digital plant)，其中，數(shù)字化工廠定義為“由工程建設(shè)階段產(chǎn)生的數(shù)字化靜態(tài)信息、運行維護階段產(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”。數(shù)字化平臺運營商、軟件商如西門子、霍尼韋爾、?？怂箍怠VEVA等不斷提出連接數(shù)字化工程與數(shù)字化企業(yè)的解決方案。對于建設(shè)期數(shù)字化工廠和運維期數(shù)字化工廠的關(guān)系[3]如圖1所示，該圖表達了數(shù)字化交付對于數(shù)字化工廠的意義和關(guān)聯(lián)關(guān)系，其他的數(shù)字化交付平臺服務(wù)商也做了類似的研究[4]。

圖1 工程數(shù)字化與運維數(shù)字化架構(gòu)設(shè)計示意

在實踐方面，石油化工企業(yè)在建設(shè)數(shù)字化企業(yè)方面做了大量投入。中國石化集團公司早在“十二五”期間在九江石化、鎮(zhèn)海煉化、茂名石化、燕山石化開展石化智能工廠試點建設(shè)，建成投用了諸多數(shù)字管理平臺，如煉化一體化全流程優(yōu)化平臺、安全環(huán)保監(jiān)測管理系統(tǒng)、能源管理與優(yōu)化系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，這一階段被稱為石化智能工廠(1.0)[5]。在“十三五”期間乃至進入“十四五”后，智能工廠在1.0的基礎(chǔ)上不斷進階，各個石化基地均在建設(shè)階段既要布置數(shù)字化交付，解決數(shù)字化工廠“倒置”于物理工廠之后的問題，也強化了數(shù)字化交付數(shù)據(jù)的利用。孫麗麗[6-7]等提出，數(shù)字化交付是從研發(fā)和設(shè)計源頭開始，集成工程建設(shè)全過程的大數(shù)據(jù)庫交付，在數(shù)字化交付基礎(chǔ)上，將物理工廠全部軟件、硬件設(shè)施用數(shù)字化信息進行全方位描述和展示的數(shù)字化工廠，提升信息的利用價值，實現(xiàn)信息化與生產(chǎn)過程、工廠經(jīng)營管理、產(chǎn)供體系、維修維護的深度融合。吳青[8]綜合了各方觀點，認為進階的智能煉化企業(yè)應(yīng)具有自動化、數(shù)字化、可視化、模型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綠色化八大特征。

1.2 目前數(shù)字化工廠存在的主要問題

從數(shù)字化交付到智能工廠建設(shè)，各個環(huán)節(jié)投入很大，對石化行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展起到了明顯的推動作用。但發(fā)展過程中也存在一些問題，從國內(nèi)已有的數(shù)字化交付和數(shù)字化工廠的案例來看，在數(shù)字化建設(shè)方面的效益不明顯，大數(shù)據(jù)的價值還沒有充分挖掘和體現(xiàn)。問題歸納為如下幾點：

1)“信息孤島”問題。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各企業(yè)智能化建設(shè)的側(cè)重點不同[9]，有的側(cè)重全廠和裝置級的生產(chǎn)管控，有的側(cè)重生產(chǎn)模型與財務(wù)模型的聯(lián)動優(yōu)化；有的側(cè)重安全生產(chǎn)與應(yīng)急管理，直至智能化的設(shè)備完整性管理。但各個應(yīng)用之間的壁壘還比較明顯，一方面受限制于統(tǒng)一工廠數(shù)據(jù)庫建設(shè)和數(shù)據(jù)前臺、中臺和后臺的整體規(guī)劃，另一方面受有形的工廠管理部門間的職能劃分，智能工廠建設(shè)還未發(fā)揮對工廠管理的引領(lǐng)作用。

2)“數(shù)據(jù)成災(zāi)”問題。通常工業(yè)大數(shù)據(jù)存在著4V特征[10]，即：大規(guī)模(volume)、速度快(velocity)、類型多(variety)和價值性(value)，在石化領(lǐng)域，隨著數(shù)字化交付的完善，產(chǎn)生體量龐大的工廠數(shù)據(jù)庫，同時隨著智能工廠建設(shè)的深入和在線數(shù)據(jù)監(jiān)控采集能力的提升，也產(chǎn)生類型多樣的實時數(shù)據(jù)。數(shù)字化交付數(shù)據(jù)和企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對存儲構(gòu)成一定壓力，更主要的是數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用不足，交付數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)最終變成了相對“靜態(tài)”的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)價值發(fā)揮不足。

“信息孤島”和“數(shù)據(jù)成災(zāi)”問題影響了工廠高質(zhì)量運維和發(fā)展，分析原因，主要為數(shù)字化交付和智能工廠建設(shè)銜接不夠緊密，工程數(shù)據(jù)和工廠數(shù)據(jù)交互不足，數(shù)據(jù)之間缺少一條能夠起到串聯(lián)作用的“線”，通過對國內(nèi)外已有數(shù)字化工廠的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有的集中在工廠全生命周期的前端，研究和總結(jié)數(shù)字化交付；有的集中在工廠運維階段，研究和總結(jié)數(shù)字化工廠運行。二者如何做好銜接和數(shù)據(jù)交互，相關(guān)的研究和實踐較少。在該環(huán)節(jié)上，以設(shè)計院為核心的工程服務(wù)企業(yè)應(yīng)發(fā)揮更大作用。

2 數(shù)字化工程與智能工廠的銜接優(yōu)化方案

2.1 工程階段建立以數(shù)據(jù)庫為源的“數(shù)字繼承”

自21世紀以來，國內(nèi)石化行業(yè)各工程設(shè)計和總承包企業(yè)陸續(xù)開展三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，依托三維模型平臺開展多專業(yè)合作，完成設(shè)備布置、管道布置、儀表布置和碰撞檢查等工作，在交付二維設(shè)計圖紙的同時，也提供給業(yè)主可參考的三維設(shè)計模型，隨著參與專業(yè)的增多，三維協(xié)同設(shè)計逐步完善，形成數(shù)字工廠模型。2018年《石油化工工程設(shè)計數(shù)字化交付標準》，進一步助推了數(shù)字孿生工廠的誕生。數(shù)字工廠現(xiàn)階段“數(shù)字孿生”工廠的本質(zhì)是數(shù)字工廠與物理工廠平行建設(shè)，但兩個孿生工廠之間，總會存在一定差異，降低了數(shù)字工廠的可靠性，因此“數(shù)字孿生”并非工廠建設(shè)的理想狀態(tài)，從工程建設(shè)的組織上，“數(shù)字孿生”向“數(shù)字繼承”進階，如圖2所示。數(shù)字工廠與物理工廠從并行轉(zhuǎn)向順序誕生，真正做到數(shù)據(jù)同源，準確的數(shù)據(jù)才能為未來的工廠應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

圖2 “數(shù)字孿生”向“數(shù)字繼承”進階示意

關(guān)于數(shù)據(jù)同源問題，近年在工程設(shè)計和總承包企業(yè)逐漸得到重視并重點解決，基于集成化設(shè)計的數(shù)字交付迅速發(fā)展，在設(shè)計方面，配管等專業(yè)三維設(shè)計與施工順序展開比較成熟完善，而下游土建結(jié)構(gòu)安裝等專業(yè)仍處于發(fā)展階段，采購信息和施工信息與設(shè)計信息的關(guān)聯(lián)也處于發(fā)展中。施工過程中的材料管理、焊接管理均應(yīng)始于數(shù)據(jù)平臺，終于物理實體，這些過程管控的資料在工廠運維階段都將作為檢修和質(zhì)量安全管理的重要依據(jù)。比如設(shè)備、管道的焊接信息，焊接質(zhì)量檢測點的分布和檢測結(jié)果，可作為設(shè)備管道生命周期管理的重要輸入，作為設(shè)備完整性管理算法的條件之一。

2.2 提升交付數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)字化交付在解決數(shù)據(jù)同源的問題后，另一個關(guān)鍵提升方案是，將運行階段的數(shù)據(jù)必須或為有價值的正資產(chǎn)。這些數(shù)據(jù)在運行階段必須成為有價值的正資產(chǎn)，參與到工廠運維與管理中。從實踐看，目前的數(shù)字交付物，很大一部分數(shù)據(jù)沒有得到應(yīng)用，只是“檔案數(shù)據(jù)”，這些“檔案數(shù)據(jù)”要么沒有找到應(yīng)用場景，要么處于在數(shù)字化交付數(shù)據(jù)庫的底層，不便于檢索應(yīng)用。工程數(shù)據(jù)庫從“數(shù)據(jù)”到“應(yīng)用”的轉(zhuǎn)化路徑，是將數(shù)字化交付銜接起來的最佳方案。數(shù)字化交付工程交付數(shù)據(jù)庫到工廠運維應(yīng)用轉(zhuǎn)化流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字化交付工程數(shù)據(jù)庫到工廠運維應(yīng)用轉(zhuǎn)化示意

在應(yīng)用場景方面，除工藝儀表數(shù)據(jù)在生產(chǎn)運維平臺上(DCS、LIMS、SIS、PIMS等)得到較好應(yīng)用外，尚應(yīng)發(fā)揮三維模型工廠和采購施工全過程數(shù)據(jù)的價值。其中，三維模型工廠在已有監(jiān)控、培訓(xùn)等應(yīng)用的基礎(chǔ)上，作為在線作業(yè)票管理、設(shè)備、管道、閥門、模擬維修管理等應(yīng)用的基礎(chǔ)，以在線實時培訓(xùn)、事前培訓(xùn)降低現(xiàn)場作業(yè)安全風險，通過在線審批、系統(tǒng)標記增強部門間、班組間協(xié)同合作，提高工廠安全生產(chǎn)管理水平。而采購施工等建設(shè)全過程數(shù)據(jù)，應(yīng)在備品備件調(diào)用、補充和包括腐蝕監(jiān)測在內(nèi)的設(shè)備、管道完整性管理等方面發(fā)揮作用。用于工廠運維的數(shù)字化交付數(shù)據(jù)越多，越能夠提升數(shù)字化交付水平，還能夠促進工廠一體化數(shù)字管理水平，有效治理“信息孤島、數(shù)據(jù)成災(zāi)”等問題。對于從工程數(shù)據(jù)到工廠應(yīng)用的銜接，重要課題是應(yīng)用數(shù)據(jù)到工程數(shù)據(jù)的反饋，一方面是運維數(shù)據(jù)對工程數(shù)據(jù)的更新、修正和補充，另一方面是通過物聯(lián)網(wǎng)手段將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)抓回運維系統(tǒng)，再反饋給工程數(shù)據(jù)庫，始終保持底層數(shù)據(jù)庫的準確，擁有全面高質(zhì)量的大數(shù)據(jù)，是智慧工廠的基礎(chǔ)。

2.3 提高工程數(shù)據(jù)反饋率

當數(shù)字化工廠交付后，數(shù)據(jù)信息從工程公司流向石化工廠，但信息僅在工程公司與工廠之間進行了一次單向流動，并不能發(fā)揮數(shù)字化交付的全部價值。對于不少企業(yè)來說，工廠或裝置投入運行后，即形成一個相對封閉的運維系統(tǒng)，在運行過程中，所做的經(jīng)常性的裝置優(yōu)化，性能調(diào)整、PID整定等，依靠于工廠工藝、儀表專家和操作技術(shù)人員的經(jīng)驗，或者依靠企業(yè)集團的專家體系[11]，企業(yè)與設(shè)計院的互動不多，工廠生產(chǎn)過程中一些不適用的控制參數(shù)漸漸脫離自動控制，裝置自動控制率降低，裝置效能優(yōu)化只局限于局部優(yōu)化。建議在工廠建設(shè)階段就考慮接口預(yù)留，工廠運行階段向工程服務(wù)企業(yè)反饋裝置生產(chǎn)信息，由此，前建設(shè)階段的工藝、儀表、設(shè)備等設(shè)計和計算后續(xù)都可以進行再優(yōu)化，遠程診斷，從工程到工廠數(shù)據(jù)流動如圖4所示。

圖4 從工程建設(shè)到工廠實際數(shù)據(jù)流動示意

3 工程服務(wù)企業(yè)的改進提升

從數(shù)字化工程到數(shù)字化工廠，所需的改進和跨越不少，從建設(shè)方、工程服務(wù)方，到數(shù)字化平臺服務(wù)商，都扮演著重要角色。對于工程設(shè)計、工程總承包企業(yè)來說，由于承擔著為工廠打造優(yōu)質(zhì)基因，為工廠賦予數(shù)字化生命力的角色，在數(shù)字化鏈條上所做的改進提升工作尤為重要。

3.1 數(shù)字化交付優(yōu)先的工程交付體系

目前，工程設(shè)計企業(yè)和總承包企業(yè)在數(shù)字化交付方面已基本成熟，為推動數(shù)字化交付走向深入，形成更準確、更集成的數(shù)字交付物，有如下建議：

1)從交付標準建設(shè)入手，使其參與建立數(shù)字交付物優(yōu)先的交付體系。數(shù)據(jù)庫交付、三維交付優(yōu)先于紙介紙交付和二維交付，對于設(shè)計方，設(shè)備管道鋼結(jié)構(gòu)制造加工方和現(xiàn)場施工方，均以三維交付物為實施依據(jù)，在三維平臺上集成各階段工作，確保數(shù)字交付物為唯一數(shù)據(jù)源。

2)研究交付物的開放性。創(chuàng)造條件為企業(yè)對運維數(shù)據(jù)向工程數(shù)據(jù)進行更新、反饋，設(shè)計開放、便捷和操作性強的數(shù)據(jù)界面。

3)需研究交付物的技術(shù)秘密保護和知識產(chǎn)權(quán)共享，使工廠在應(yīng)用數(shù)字化交付成果時，工程服務(wù)企業(yè)的權(quán)益得到保護。

3.2 交付平臺和智能工廠運維平臺的應(yīng)用

目前，工程服務(wù)企業(yè)在工廠設(shè)計建設(shè)過程承擔了數(shù)字化拿總和數(shù)字化交付職責，而全廠運維系統(tǒng)的建設(shè)通常由第三方服務(wù)商規(guī)劃和建設(shè)，二者缺乏統(tǒng)籌，造成銜接不暢。建議如下幾方面：

1)負責數(shù)字化拿總和交付的設(shè)計、總承包企業(yè)，應(yīng)發(fā)揮自身對工廠數(shù)據(jù)和運維深入了解的優(yōu)勢，負責統(tǒng)籌企業(yè)運維平臺規(guī)劃和建設(shè)，使得工程階段的原生的靜態(tài)數(shù)據(jù)，在工程運維階段得到更全面應(yīng)用。

2)以數(shù)字化交付為數(shù)據(jù)后臺，構(gòu)建數(shù)據(jù)量適宜的數(shù)據(jù)中臺和針對性強的數(shù)據(jù)前臺，識別不同類型的交付信息判別并分類，面向不同智能的工廠用戶，定義數(shù)據(jù)標簽的展開和折疊方案，在數(shù)據(jù)中臺的支撐下，定制數(shù)據(jù)前臺，使得交付數(shù)據(jù)應(yīng)用更加便捷。

3.3 在線設(shè)計回訪和遠程診斷

1)工程設(shè)計和總承包企業(yè)應(yīng)深化與工廠的合作，將工程交付后相對封閉的工廠，優(yōu)化調(diào)整并延伸為工程服務(wù)企業(yè)對交付工廠和裝置的全面在線回訪和在線診斷，通過回訪和診斷共享專家資源，為企業(yè)創(chuàng)造價值，積累經(jīng)驗，不斷提升設(shè)計水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動下的共贏。

2)工程服務(wù)企業(yè)應(yīng)考慮將在線回訪、在線診斷與工程設(shè)計、總承包打包，提高附加值，降低工廠運維階段的二次投入。以一攬子服務(wù)為基礎(chǔ)，布置數(shù)據(jù)交換的軟件接口和通信接口，做好規(guī)劃。工程總承包企業(yè)獲得工廠運行數(shù)據(jù)，開展二次優(yōu)化并且多次迭代，拓展了業(yè)務(wù)范圍。將迅速提高工程水平，成為咨詢和工程一體的工程企業(yè)。

4 結(jié)束語

本文在研究調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了石化工廠建設(shè)的數(shù)字化交付和智能運維發(fā)展中存在的問題，重點研究數(shù)字交付與運維的銜接方案，工程服務(wù)企業(yè)的服務(wù)不應(yīng)止于交付，而是貫穿于工廠全生命周期，打造更具技術(shù)含量的數(shù)字服務(wù)價值鏈，為石化企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做出貢獻。