以設(shè)計(jì)為源頭的數(shù)字孿生工廠建設(shè)研究

李蕾

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，新一代信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)加速融合，世界各國(guó)都在紛紛行動(dòng)，如美國(guó)提出的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”、德國(guó)提出的“工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃”等，都將發(fā)展智能制造作為本國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵舉措[1]。數(shù)字孿生技術(shù)也成為了全球制造業(yè)一個(gè)熱門研究課題?！吨袊?guó)制造2025》也提出以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。中國(guó)石化行業(yè)也迎來(lái)了加速向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展的歷史機(jī)遇，將新一代信息技術(shù)和石化工業(yè)技術(shù)深度融合，以推動(dòng)智能工廠建設(shè)成為國(guó)內(nèi)石化行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[2]。

1 數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生一詞可追溯到由Michael Grieves教授2003年在密歇根大學(xué)關(guān)于產(chǎn)品生命周期管理(PLM)的演講中提出的“物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化表達(dá)”[3-4]。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限性，并未有相關(guān)的研究和應(yīng)用。后來(lái)業(yè)界提出了數(shù)字孿生的定義： 在虛擬空間中創(chuàng)建物理對(duì)象的高保真虛擬模型，以模擬其在現(xiàn)實(shí)世界中的行為并提供反饋[3-4]。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)于數(shù)字化工廠接受度最高的定義是： 將真實(shí)的工廠映射到計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，形成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)工廠相對(duì)應(yīng)，可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。數(shù)字化工廠定義與數(shù)字孿生定義有著異曲同工的描述。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生在各個(gè)行業(yè)越來(lái)越多的被采用，尤其在離散行業(yè)已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中。數(shù)字孿生模型[5]如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生模型示意

圖1呈現(xiàn)的是物理工廠與虛擬工廠之間的映射，體現(xiàn)了集成、全面和交互的特征。物理工廠中數(shù)以千計(jì)的傳感器持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)的運(yùn)營(yíng)和環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字化平臺(tái)，利用分析技術(shù)開展算法模擬進(jìn)而開展實(shí)時(shí)的分析，識(shí)別異常情況進(jìn)而開展優(yōu)化，最終物理工廠將在人工干預(yù)的情況下根據(jù)優(yōu)化結(jié)果采取實(shí)際行動(dòng)。是從物理工程到數(shù)字工程，再?gòu)臄?shù)字工廠回到物理工廠的過(guò)程。

從數(shù)字孿生層次結(jié)構(gòu)來(lái)看，可按照顆粒度分為單元級(jí)(設(shè)備)、系統(tǒng)級(jí)(裝置)和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)(企業(yè))。打造數(shù)字孿生工廠也將會(huì)從不同的層級(jí)建立孿生體，由多個(gè)設(shè)備級(jí)集成構(gòu)成裝置級(jí)，通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)的互聯(lián)協(xié)同形成企業(yè)或跨企業(yè)級(jí)孿生[4]。數(shù)字孿生分層模型如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生分層模型示意

2 國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生工廠建設(shè)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和工業(yè)化產(chǎn)業(yè)升級(jí)變革，全球掀起了以信息技術(shù)推動(dòng)智能制造發(fā)展的第四次工業(yè)革命，進(jìn)入“工業(yè)4.0”時(shí)代。工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)云、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬制造技術(shù)、人工智能技術(shù)等一大批新一代信息技術(shù)為數(shù)字孿生工廠的建設(shè)提供了良好的技術(shù)支撐。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外離散制造業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用相對(duì)成熟，流程工業(yè)數(shù)字孿生工廠建設(shè)也取得了一定的進(jìn)步。

2.1 國(guó)外數(shù)字孿生工廠建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，數(shù)字孿生工廠在汽車、航空航天、工程機(jī)械等離散制造業(yè)的應(yīng)用相對(duì)成熟，價(jià)值凸顯。美國(guó)波音公司基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制和虛擬制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的無(wú)紙化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，縮短了70%的研制周期，降低了50%的研制成本。西門子構(gòu)建的安貝格數(shù)字化工廠，將企業(yè)現(xiàn)實(shí)和虛擬世界結(jié)合，從產(chǎn)品研發(fā)、管理、生產(chǎn)到物流配送實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程數(shù)字化，大幅縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，顯著提高了生產(chǎn)效率，成為“工業(yè)4.0”概念的最佳實(shí)踐[6]。

流程工業(yè)過(guò)程是發(fā)生物質(zhì)-能量的流動(dòng)/流變的過(guò)程，既有時(shí)間、空間、幾何形狀變化，又有涉及物理-化學(xué)變化的狀態(tài)、成份、性質(zhì)變化，工藝參數(shù)眾多而又互相關(guān)聯(lián)、互相作用、互相制約。目前，對(duì)于煉化工廠設(shè)備層級(jí)的數(shù)字孿生應(yīng)用有長(zhǎng)足發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，國(guó)外已經(jīng)將設(shè)備層級(jí)的數(shù)字孿生需求融入到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)源頭的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)。裝置層級(jí)數(shù)字孿生由于涉及復(fù)雜多變的物質(zhì)流、能量流和信息流，是復(fù)雜的大型系統(tǒng)，而且裝置品種繁多其內(nèi)在的變化過(guò)程難以模型化和數(shù)字化，工藝模型是實(shí)現(xiàn)裝置層級(jí)數(shù)字孿生的關(guān)鍵，國(guó)外如Aspen，KBC等公司模擬優(yōu)化軟件可以實(shí)現(xiàn)典型裝置的工藝孿生模擬和優(yōu)化，與物理裝置形成映射的數(shù)字孿生裝置仍在研究和探索之中。對(duì)于企業(yè)層級(jí)的數(shù)字孿生，目前如西門子、霍尼韋爾、AVEVA等國(guó)外公司提出了利用工程設(shè)計(jì)、建設(shè)階段數(shù)字化交付成果與生產(chǎn)運(yùn)行階段資產(chǎn)運(yùn)維系統(tǒng)集成，助力企業(yè)資產(chǎn)管理和設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)等方案，但在實(shí)際數(shù)字孿生工廠建設(shè)中，企業(yè)級(jí)數(shù)字孿生目前尚缺乏成熟案例。

2.2 國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生工廠建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

近十年，隨著信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步，石化工程領(lǐng)域在集成化設(shè)計(jì)等方面取得了新進(jìn)展。中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司自2013年開始依托某天然氣凈化廠項(xiàng)目基于集成化設(shè)計(jì)的數(shù)字化工廠建設(shè)，成功實(shí)踐了物理工廠和數(shù)字化工廠的同步建設(shè)，為國(guó)內(nèi)首例在工程建設(shè)期開始進(jìn)行數(shù)字孿生工廠建設(shè)的最佳實(shí)踐案例?；谠擁?xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)編制的GB/T 51296—2018《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》，填補(bǔ)了石化行業(yè)數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)空白，規(guī)范了工程建設(shè)過(guò)程的數(shù)字化交付工作，為石化行業(yè)數(shù)字孿生工廠建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[7]。

從2010年起，國(guó)內(nèi)少數(shù)石化企業(yè)已開始了智能工廠的試點(diǎn)探索，形成了“智能工廠1.0”，主要以煉化企業(yè)信息系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用為核心；從2015年以來(lái)，更多的國(guó)內(nèi)企業(yè)以部分智能優(yōu)化技術(shù)為核心，以降低工廠成本和提高工廠的效益為目標(biāo)，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程開展智能優(yōu)化研發(fā)，形成了“智能工廠2.0”[8-9]；當(dāng)前，進(jìn)一步將智能化向生產(chǎn)過(guò)程控制側(cè)延伸，形成工廠的數(shù)字孿生并利用孿生工廠通過(guò)智能算法和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化智能化和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策智能化，形成智能“工廠3.0”。

目前，國(guó)內(nèi)煉化工廠設(shè)備層級(jí)的數(shù)字孿生已在生產(chǎn)側(cè)有一定的應(yīng)用，但并未從設(shè)計(jì)源頭開展數(shù)字孿生工廠設(shè)計(jì)，現(xiàn)正在開展相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定研究和試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)踐。先以典型裝置的動(dòng)、靜、電、儀設(shè)備為切入點(diǎn)并結(jié)合工藝過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警、預(yù)測(cè)和優(yōu)化等研究，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)字孿生體構(gòu)建和應(yīng)用。再以典型工藝裝置為切入點(diǎn)進(jìn)行裝置級(jí)數(shù)字孿生課題研究，研發(fā)形成映射、監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、仿真、優(yōu)化數(shù)字孿生裝置，突破生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化和運(yùn)行管控的關(guān)鍵技術(shù)，完成該裝置數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)踐。對(duì)于企業(yè)層級(jí)的數(shù)字孿生需要在設(shè)備級(jí)和裝置級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建，目前仍在探索和規(guī)劃中。

2.3 國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生工廠建設(shè)存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)煉化工廠數(shù)字孿生構(gòu)建過(guò)程中在標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)、模型、平臺(tái)等方面存在以下問(wèn)題：

1)標(biāo)準(zhǔn)方面。缺乏數(shù)字孿生工廠一以貫之的通用共性標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用實(shí)施指南。不同階段不同領(lǐng)域所采用的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題嚴(yán)重，各個(gè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)間缺乏關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)庫(kù)彼此無(wú)法兼容，信息共享困難，數(shù)字化交付數(shù)據(jù)價(jià)值發(fā)揮受限，數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)互通的成本很高。

2)數(shù)據(jù)方面。缺乏從設(shè)計(jì)源頭結(jié)合孿生工廠需求開展的數(shù)字孿生工廠設(shè)計(jì)，描述物理工廠所需的現(xiàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)采集不夠，無(wú)法形成支撐數(shù)字孿生工廠的模擬、診斷、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的數(shù)據(jù)底座；過(guò)程控制層各系統(tǒng)數(shù)據(jù)相對(duì)分散，不足以支撐工控側(cè)的智能應(yīng)用。

3)模型方面。創(chuàng)建高保真的三維模型和工藝模型是構(gòu)建數(shù)字孿生工廠的核心，目前設(shè)計(jì)交付三維模型的顆粒度還未達(dá)到與物理工廠對(duì)象的一一對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)交付三維模型格式封閉且不統(tǒng)一影響多跨場(chǎng)景的應(yīng)用；工業(yè)機(jī)理、工藝模型尤其是反應(yīng)機(jī)理模型缺少實(shí)驗(yàn)和研究數(shù)據(jù)的支撐，真實(shí)反饋物理工廠運(yùn)行的模型準(zhǔn)確度不夠，適應(yīng)工廠變化的修正模型的及時(shí)性不夠。這些都將制約工廠進(jìn)行工藝和設(shè)備的分析、診斷、預(yù)測(cè)、優(yōu)化等應(yīng)用。

4)平臺(tái)方面。不同階段和不同領(lǐng)域的平臺(tái)協(xié)同還有待研究和開發(fā)，平臺(tái)建設(shè)還不能滿足工程建設(shè)期數(shù)字孿生與生產(chǎn)運(yùn)維期孿生及時(shí)協(xié)同。工程建設(shè)期的工程數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)、直接應(yīng)用到生產(chǎn)運(yùn)維期各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程的信息變更難以持續(xù)更新與維護(hù)。

3 以設(shè)計(jì)為源頭的數(shù)字孿生工廠建設(shè)方案

在充分調(diào)研和分析煉化企業(yè)數(shù)字孿生工廠建設(shè)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究如何從設(shè)計(jì)源頭開展數(shù)字化設(shè)計(jì)，挖掘數(shù)字化交付應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)孿生平臺(tái)發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值。本文從設(shè)計(jì)源頭打造全量全要素?cái)?shù)據(jù)底座，建立工藝孿生模型和三維孿生模型，以及搭建多領(lǐng)域一體化協(xié)同平臺(tái)幾方面提出數(shù)字孿生工廠建設(shè)的方法和路徑。

3.1 打造工廠全量全要素?cái)?shù)據(jù)底座

全量數(shù)據(jù)就是要覆蓋所有工廠對(duì)象，全要素就是所有描述工廠對(duì)象的屬性要齊全。設(shè)計(jì)是工廠全生命周期源頭，在設(shè)計(jì)階段就要盡可能結(jié)合孿生工廠建設(shè)需求確定全量和全要素的范圍，并從設(shè)計(jì)源頭開展數(shù)據(jù)治理，以工廠對(duì)象類庫(kù)為基礎(chǔ)，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。為了保證各專業(yè)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與交付數(shù)據(jù)的同源，需要通過(guò)集成化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)，利用平臺(tái)中的真實(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行數(shù)字化交付，才能最終保障數(shù)字化交付的質(zhì)量和效率，使清潔準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)在工廠全生命周期內(nèi)自動(dòng)的流動(dòng)。

為了更好地描述物理工廠形成數(shù)字孿生工廠，全量全要素?cái)?shù)據(jù)的采集是必不可少的。制定建設(shè)數(shù)字孿生工廠的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，打通跨領(lǐng)域各系統(tǒng)數(shù)據(jù)是所有工作的重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工過(guò)程中充分利用信息技術(shù)手段根據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)準(zhǔn)確收集所需的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字化交付傳遞給下游系統(tǒng)，更大程度發(fā)揮數(shù)字化交付的價(jià)值。

工藝設(shè)計(jì)人員通過(guò)iProcess工藝設(shè)計(jì)集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)，為下游專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，其他專業(yè)設(shè)計(jì)人員通過(guò)iEngineering工程設(shè)計(jì)集成平臺(tái)和三維協(xié)同設(shè)計(jì)拼圖，實(shí)現(xiàn)了全專業(yè)的集成化協(xié)同設(shè)計(jì)，確保了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同源，信息同根，同時(shí)也為供貨商的深化設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)源。

設(shè)備供貨商的交付信息是構(gòu)建設(shè)備級(jí)孿生的重要來(lái)源。但在制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展階段供貨商的數(shù)字化水平和能力參差不齊，大部分企業(yè)還未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的制造，在生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中并不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，因此高效高質(zhì)量供貨商數(shù)據(jù)采集成為了工作中的難點(diǎn)。為了解決這一難題，一方面制造企業(yè)正在加快自身的數(shù)字化進(jìn)程，逐步實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的數(shù)字化；另一方面建立了設(shè)計(jì)與供貨商跨領(lǐng)域的供貨商數(shù)字化管理協(xié)同平臺(tái)，將設(shè)計(jì)數(shù)字化平臺(tái)與之有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與供貨商數(shù)據(jù)的共享和傳遞，保證供貨商數(shù)據(jù)高效采集和有效管理。

隨著信息化數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)二維碼掃描的方式可以及時(shí)采集施工過(guò)程的活動(dòng)信息，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞┕す芾硐到y(tǒng)，大幅提高了施工數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量，提高了施工管理的水平，同時(shí)設(shè)計(jì)提供的PCF/IDF大幅提高了施工單位開展管道深化設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

基于工程建設(shè)期的靜態(tài)數(shù)據(jù)底座，將物理工廠邊緣感知設(shè)備采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與工程期的靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可視化，再通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和智能算法等技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和裝置的預(yù)測(cè)、優(yōu)化和診斷。如泵群狀態(tài)監(jiān)測(cè)，機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)警，靜設(shè)備的腐蝕監(jiān)測(cè)、儀表、電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)警，安全環(huán)保專業(yè)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警等。

3.2 構(gòu)建數(shù)字孿生工廠模型

構(gòu)建孿生工廠模型是孿生工廠建設(shè)的核心。其中，模型包括： 三維模型、工藝模型和控制模型等。三維模型主要是描述物理工廠對(duì)象的外形和物理屬性；工藝模型和控制模型是描述物理工廠對(duì)象和物質(zhì)運(yùn)行的行為和狀態(tài)。這3個(gè)模型疊加才能真正構(gòu)成1個(gè)有生命的孿生工廠，才有了預(yù)測(cè)和診斷物理工廠狀態(tài)和故障的基礎(chǔ)，并與物理工廠形成反饋控制物理工廠的操作，指導(dǎo)物理工廠的優(yōu)化。

設(shè)備和工廠三維模型在工程建設(shè)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)同步建設(shè)并交付，并將隨著設(shè)計(jì)和供貨商數(shù)字化能力的不斷提升以及模型庫(kù)的不斷積累，模型顆粒度會(huì)根據(jù)智能化發(fā)展的需求不斷細(xì)化，模型的質(zhì)量和交付的實(shí)時(shí)性也將會(huì)不斷提高，建模的成本將會(huì)大幅下降，三維模型的建立已經(jīng)不再是構(gòu)建孿生工廠的瓶頸。

設(shè)備故障診斷模型是構(gòu)建設(shè)備級(jí)孿生的核心技術(shù)，在煉油化工裝置的大型關(guān)鍵機(jī)組和泵等設(shè)備自身運(yùn)行的診斷模型制造商擁有更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)有成熟的實(shí)踐應(yīng)用。但結(jié)合工藝過(guò)程的預(yù)警診斷模型目前還在立項(xiàng)研究當(dāng)中，儀表設(shè)備結(jié)合工藝過(guò)程的診斷模型以及電氣設(shè)備的故障診斷模型仍在探索當(dāng)中。

工藝模型是構(gòu)建孿生裝置和工廠的核心關(guān)鍵技術(shù)[10]，是目前制約孿生工廠構(gòu)建的重要因素。由于煉化工廠生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)將石化原料通過(guò)物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)等實(shí)現(xiàn)不同形式物質(zhì)與能量的相互轉(zhuǎn)換與傳遞，裝置品種眾多，生產(chǎn)工藝流程一般都很長(zhǎng)，物質(zhì)流、能量流、信息流耦合關(guān)系十分復(fù)雜，采用深度融合機(jī)理建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的混合建模方法是對(duì)復(fù)雜石化生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)建模的熱點(diǎn)研究方向之一?；旌夏Ｐ途C合了工藝機(jī)理和流程信息，避免了單純機(jī)理模型收斂性和穩(wěn)定性差，單純數(shù)據(jù)模型不能滿足工況變化和非線性等的弊端，建模過(guò)程中能有效降低模型復(fù)雜度和改善模型性能，在石化工業(yè)受到了廣泛的關(guān)注[11]。對(duì)于工藝模型建立后的交付方式以及如何打通設(shè)計(jì)、生產(chǎn)模型應(yīng)用的銜接斷點(diǎn)也將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

3.3 搭建數(shù)字孿生平臺(tái)

為適應(yīng)石化工程多專業(yè)、管理多維度、協(xié)調(diào)多界面、運(yùn)行多子系統(tǒng)的開放復(fù)雜巨系統(tǒng)管理，構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的一體化協(xié)同平臺(tái)，將研發(fā)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、交付、生產(chǎn)運(yùn)維應(yīng)用、遠(yuǎn)程服務(wù)各環(huán)節(jié)通過(guò)平臺(tái)協(xié)同工作是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生工廠的關(guān)鍵，最終實(shí)現(xiàn)工廠的全生命周期數(shù)據(jù)同源、信息同根、消除孤島、精準(zhǔn)管理、高質(zhì)量、高效率的高效益。

1)構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的交付應(yīng)用一體化平臺(tái)。在煉化企業(yè)端，按照“數(shù)據(jù)+平臺(tái)+應(yīng)用”的模式，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為核心，以數(shù)字化交付和過(guò)程控制層數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，打造“物理工廠數(shù)字化、現(xiàn)場(chǎng)管理可視化、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)智能化”的智能工廠。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是以企業(yè)為中心構(gòu)建面向過(guò)程監(jiān)控、生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)決策的一體化應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)“平臺(tái)+工業(yè)智能APP”的新業(yè)務(wù)架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)客戶的信息化、數(shù)字化、智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型。

2)提升一體化數(shù)字孿生平臺(tái)多跨場(chǎng)景應(yīng)用的支撐能力。不斷提升數(shù)字孿生平臺(tái)服務(wù)能力，突破三維模型多跨場(chǎng)景應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)微服務(wù)方式為平臺(tái)提供三維服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)基于同源的數(shù)字化交付三維模型的孿生應(yīng)用，包括工廠生產(chǎn)可視化、安全環(huán)保監(jiān)控可視化及仿真操作應(yīng)用等多跨場(chǎng)景應(yīng)用。

3)建立基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生平臺(tái)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一體化數(shù)字孿生平臺(tái)，將大量工業(yè)技術(shù)原理、行業(yè)知識(shí)，基礎(chǔ)工藝，模型工具規(guī)則化、軟件化、模塊化，提升平臺(tái)的業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、技術(shù)等服務(wù)能力。吸引更多的第三方應(yīng)用開發(fā)可以基于平臺(tái)針對(duì)特定工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行不同的工業(yè)APP開發(fā)，進(jìn)而構(gòu)建成基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。實(shí)現(xiàn)“模型+數(shù)據(jù)”驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)管理優(yōu)化、能耗與排放管理、生產(chǎn)安全管理優(yōu)化及全流程系統(tǒng)性產(chǎn)供銷一體化，滿足跨行業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理優(yōu)化、質(zhì)量管理等行業(yè)應(yīng)用訴求。

4 數(shù)字孿生工廠建設(shè)的建議

數(shù)字孿生工廠建設(shè)有以下幾點(diǎn)建議：

1)做好頂層設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃。從工廠全生命周期數(shù)字化角度在工程初期做好頂層設(shè)計(jì)，采取總體規(guī)劃-標(biāo)準(zhǔn)先行-分步實(shí)施-全面推進(jìn)的方式進(jìn)行實(shí)施。智能工廠建設(shè)從生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和經(jīng)營(yíng)管理層逐漸下沉到過(guò)程控制層，不但面向管理同時(shí)面向生產(chǎn)操作，全面實(shí)現(xiàn)工廠的數(shù)字化，智能化。

2)以一體化孿生平臺(tái)為依托構(gòu)建工程建設(shè)新模式。以全專業(yè)設(shè)計(jì)集成化為源頭完善集成化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成高效規(guī)范的工作程序。推廣應(yīng)用一批集成化成果，進(jìn)一步提升標(biāo)準(zhǔn)化程度和設(shè)計(jì)效率。推進(jìn)設(shè)計(jì)與供貨商交付的過(guò)程協(xié)同，設(shè)計(jì)與施工的協(xié)同，工程設(shè)計(jì)與智能工廠設(shè)計(jì)協(xié)同。

3)深化數(shù)字化交付內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)更高水平的石化工程數(shù)字孿生。以智能工廠建設(shè)需求為導(dǎo)向，深化數(shù)字化交付內(nèi)容。將數(shù)字化交付向工廠運(yùn)維、生產(chǎn)優(yōu)化延伸，探索工藝模型交付的方式，將數(shù)字化交付與設(shè)備資產(chǎn)管理集成，數(shù)字化交付與智能工廠生產(chǎn)優(yōu)化集成，數(shù)字化交付三維模型與生產(chǎn)操作集成。

4)加快桌面工廠關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，為企業(yè)提供優(yōu)質(zhì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)服務(wù)。加強(qiáng)“產(chǎn)學(xué)研”合作，與高校和科研單位合作研發(fā)基于自主產(chǎn)權(quán)的核心煉化裝置工藝模型，實(shí)現(xiàn)裝置操作參數(shù)的調(diào)控與優(yōu)化。打通桌面工廠與實(shí)體工廠的數(shù)據(jù)交互流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)分析—優(yōu)化反饋的閉環(huán)遠(yuǎn)程服務(wù)。

5)加強(qiáng)數(shù)字化復(fù)合型人才培養(yǎng)。數(shù)字化工廠建設(shè)的整個(gè)過(guò)程涉及石化領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)、信息化技術(shù)知識(shí)、工程管理知識(shí)等內(nèi)容，需要建立充滿活力的選才、育才、成才、聚才的工作機(jī)制，建立分層、分級(jí)復(fù)合型人才培養(yǎng)通道，培養(yǎng)一批數(shù)字化建設(shè)專業(yè)技術(shù)和管理人才隊(duì)伍，提供優(yōu)越的創(chuàng)新環(huán)境，激發(fā)科技人員潛能，最大限度發(fā)揮人才的創(chuàng)造力與主觀能動(dòng)性，打造懂工藝、懂控制、懂IT的復(fù)合人才[2]。

安全與環(huán)保