數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究

■ 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 楊嘉楠

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 楊智慧 武永進(jìn)

在工程建設(shè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作中，設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的數(shù)字化工作因起步早、基礎(chǔ)好、效果顯著，走在了采購(gòu)業(yè)務(wù)、施工業(yè)務(wù)數(shù)字化的前面。常用的流程虛擬仿真設(shè)計(jì)軟件、設(shè)備計(jì)算軟件、儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)計(jì)算軟件、電氣設(shè)計(jì)計(jì)算軟件等都是方案設(shè)計(jì)階段或系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段典型的二維數(shù)字化設(shè)計(jì)工具，多專(zhuān)業(yè)三維工廠設(shè)計(jì)軟件、BIM軟件等則是工程設(shè)計(jì)階段或布置設(shè)計(jì)階段典型的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工具。數(shù)字化設(shè)計(jì)成果是數(shù)字化工廠建設(shè)的基礎(chǔ)，也是數(shù)字化工廠建設(shè)的核心?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的支撐，就沒(méi)有數(shù)字化工廠。本文圍繞數(shù)字化集成設(shè)計(jì)頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)規(guī)劃與建設(shè)這一主題，結(jié)合對(duì)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)工作的研究、認(rèn)識(shí)和實(shí)踐成果，介紹數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)的思路和方法，分享數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用成果，希望能夠?qū)こ淘O(shè)計(jì)企業(yè)提質(zhì)增效和數(shù)字化工作有所幫助。

數(shù)字化設(shè)計(jì)工具應(yīng)用面臨的問(wèn)題

數(shù)字化設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用，在保證工程可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面起到了重要的保障作用。但是，很多企業(yè)在應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)工具時(shí)還存在不少問(wèn)題，設(shè)計(jì)的綜合效能還需進(jìn)一步提高。

一是各專(zhuān)業(yè)、各階段數(shù)字化設(shè)計(jì)工具之間獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)、階段之間高效協(xié)同與數(shù)據(jù)共享。

二是各專(zhuān)業(yè)虛擬仿真設(shè)計(jì)成果、設(shè)計(jì)計(jì)算成果等大都隨各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件存儲(chǔ)在設(shè)計(jì)人員個(gè)人賬號(hào)中，難以形成公司的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)，無(wú)法支持公司實(shí)現(xiàn)成果高效復(fù)用與共享。

三是數(shù)字化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同設(shè)計(jì)工作規(guī)范、對(duì)外數(shù)字化設(shè)計(jì)成果交付工作規(guī)范等數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作尚未健全，協(xié)同工作效率和工作質(zhì)量還需進(jìn)一步提高。

四是缺少統(tǒng)一的工程主數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，數(shù)字化設(shè)計(jì)成果對(duì)工程建設(shè)全生命周期的數(shù)字化支持作用需要進(jìn)一步提高。

上述這些問(wèn)題是很多工程設(shè)計(jì)公司或工程建設(shè)公司所面臨的共性問(wèn)題。破解這些問(wèn)題的有效措施就是以各類(lèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件工具為基礎(chǔ)，建設(shè)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同單位、不同專(zhuān)業(yè)、不同階段的高效協(xié)同與共享，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)數(shù)字化資產(chǎn)的有效管理和高效應(yīng)用，助力企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展中實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，進(jìn)一步增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)研究

本文涉及到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布置設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)數(shù)字化資產(chǎn)三個(gè)全局性的概念。為了便于理解，下面對(duì)這三個(gè)全局性的概念作一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)明。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)之稱(chēng)，借用了三維設(shè)計(jì)模式下一些軟件服務(wù)商對(duì)設(shè)計(jì)階段劃分的一種稱(chēng)謂。系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決的是工程邏輯問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的是傳統(tǒng)模式下方案設(shè)計(jì)階段的工作內(nèi)容；布置設(shè)計(jì)以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為依據(jù)，解決的是工程對(duì)象空間布局的科學(xué)性和合理性等方面的問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的是傳統(tǒng)模式下詳細(xì)設(shè)計(jì)或施工圖設(shè)計(jì)階段的工作內(nèi)容。在油氣田地面工程設(shè)計(jì)中，也有將系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)稱(chēng)為工藝設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)的，工程設(shè)計(jì)數(shù)字化資產(chǎn)泛指與工程對(duì)象有關(guān)的圖紙、模型、文檔和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的集合。

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)和建設(shè)要點(diǎn)

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)，就是通過(guò)集成設(shè)計(jì)技術(shù)手段，促進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)“一提一降”“一降一增”和“一提一增”，即提高效率降低成本、降低成本增加效益、提高質(zhì)量增加效益。主要措施包括：

一是通過(guò)集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)，為各專(zhuān)業(yè)、各階段數(shù)字化設(shè)計(jì)工具建立協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)接口，進(jìn)一步減少跨專(zhuān)業(yè)、跨階段之間數(shù)據(jù)錯(cuò)誤流轉(zhuǎn)情況的發(fā)生，進(jìn)一步提高協(xié)同工作和數(shù)據(jù)共享的支持能力以及模型、圖紙和數(shù)據(jù)版本的管控水平。

二是通過(guò)集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)，建立涵蓋各專(zhuān)業(yè)、各階段設(shè)計(jì)成果的工程設(shè)計(jì)數(shù)字化資產(chǎn)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)資產(chǎn)的集中管控和高效共享與復(fù)用。

三是站在工程建設(shè)全生命周期協(xié)同共享的高度，進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)字化設(shè)計(jì)產(chǎn)品對(duì)采購(gòu)、施工和交付等階段數(shù)字化應(yīng)用的支持能力，降低各階段的勞動(dòng)成本，提升設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)字化技術(shù)服務(wù)方面的競(jìng)爭(zhēng)力。

四是建立健全數(shù)字化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同設(shè)計(jì)工作規(guī)范、對(duì)外數(shù)字化設(shè)計(jì)成果交付工作規(guī)范等數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作，保障多專(zhuān)業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)工作高效率、高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)。

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以工業(yè)工程設(shè)計(jì)或石油天然氣地面工程設(shè)計(jì)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)容規(guī)劃、邏輯關(guān)系和總體架構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明和探討。

根據(jù)油氣田地面工程或工業(yè)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)的特征和集成需要，我們分別設(shè)計(jì)了1個(gè)EPCHO數(shù)字化支持架構(gòu)圖和1個(gè)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)圖，見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、交付、運(yùn)營(yíng)數(shù)字化支持架構(gòu)圖

圖2 數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1是以工程云平臺(tái)為支撐的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、交付和運(yùn)營(yíng)全過(guò)程數(shù)字化運(yùn)行支持架構(gòu)圖。該架構(gòu)以數(shù)字化設(shè)計(jì)成果為基礎(chǔ)，以工程數(shù)字化對(duì)象為核心，貫穿E、P、C、H、O全過(guò)程。圖2是工業(yè)工程或油氣田地面工程數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的典型架構(gòu)圖，該架構(gòu)對(duì)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要內(nèi)容、支持關(guān)系等進(jìn)行了初步規(guī)劃。

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容與工作要點(diǎn)

如圖2所示，數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由工藝集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)、3D工程集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)和數(shù)字化設(shè)計(jì)資源管理平臺(tái)三部分構(gòu)成。

工藝集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)

選擇合適的工藝集成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)平臺(tái)，基于統(tǒng)一工藝集成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)流程模擬計(jì)算、設(shè)備與單體計(jì)算、電氣設(shè)計(jì)、儀表自動(dòng)控制等多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)物料平衡表自動(dòng)繪制，實(shí)現(xiàn)PFD和P&ID的半自動(dòng)輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)的半自動(dòng)提資，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙、模型、文檔和設(shè)計(jì)參數(shù)的集成管理，支持與三維設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和二、三維設(shè)計(jì)校驗(yàn)的功能需要，支持非標(biāo)設(shè)備采購(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表半自動(dòng)生成，支持?jǐn)?shù)字化交付的標(biāo)準(zhǔn)化輸出。

3D工程集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)

選擇合適的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，支持管道、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、電氣、儀表等專(zhuān)業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，支持基于三維設(shè)計(jì)成果的工程材料數(shù)字化管理與控制的應(yīng)用需要，支持基于三維設(shè)計(jì)成果的5D施工管理數(shù)據(jù)需要，支持以工程對(duì)象為核心的數(shù)字化交付需要，支持與工藝設(shè)計(jì)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和二、三維設(shè)計(jì)一致性校驗(yàn)的功能需要。

數(shù)字化設(shè)計(jì)資源管理平臺(tái)

數(shù)字化設(shè)計(jì)資源包括數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源、數(shù)字化設(shè)計(jì)成果資源和設(shè)計(jì)計(jì)算軟件Licese庫(kù)。其中，基礎(chǔ)資源庫(kù)包括工程主數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、工程建設(shè)材料編碼庫(kù)、元件庫(kù)、模板庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范庫(kù)等；成果資源庫(kù)包括設(shè)計(jì)模型庫(kù)、圖紙庫(kù)、文檔庫(kù)、設(shè)計(jì)參數(shù)庫(kù)等；設(shè)計(jì)計(jì)算軟件Licese庫(kù)包括流程模擬計(jì)算軟件、設(shè)備計(jì)算軟件、儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)計(jì)算軟件、電氣設(shè)計(jì)計(jì)算軟件、三維設(shè)計(jì)軟件等。

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作建設(shè)

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作主要包括數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)工作規(guī)范編制、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)成果交付標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字化設(shè)計(jì)資源管理規(guī)范編制與完善工作，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、元件庫(kù)、等級(jí)文件庫(kù)、模板庫(kù)等資源的有效積累。

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)成果簡(jiǎn)介

本文以油氣田地面工程數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)為例，對(duì)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容和工作要點(diǎn)以及數(shù)字化集成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作建設(shè)等進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。其他工業(yè)工程數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)、市政公用工程數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)和建筑工程數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)的基本思路和技術(shù)路線相類(lèi)似，它們需要集成的設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件可能不同，選擇的集成平臺(tái)可能也不盡相同。

經(jīng)過(guò)幾年的持續(xù)推進(jìn)，中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司的數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)已基本建成。該系統(tǒng)包括工藝集成設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、多專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、BIM子系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。其中，工藝集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)與公司所用的兩個(gè)多專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即AVEVA系列產(chǎn)品、SP3D系列產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)級(jí)集成。數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)在公司提質(zhì)增效和國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)開(kāi)發(fā)工作中，發(fā)揮著重要的支撐作用。

工藝集成設(shè)計(jì)子系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

油氣田地面工程工藝集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇的是以西門(mén)子COMOS FEED平臺(tái)為基礎(chǔ)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)大量的二次開(kāi)發(fā)完成的集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)（圖3）。該系統(tǒng)主要具有以下七大功能：一是實(shí)現(xiàn)了11款國(guó)際知名流程模擬計(jì)算軟件與30余款設(shè)備單體計(jì)算軟件的集成；二是實(shí)現(xiàn)了工藝、電氣、儀表自控、設(shè)備計(jì)算等專(zhuān)業(yè)的集成設(shè)計(jì)；三是實(shí)現(xiàn)了90余類(lèi)設(shè)備參數(shù)表的標(biāo)準(zhǔn)化或模板化定制；四是實(shí)現(xiàn)了90余類(lèi)非標(biāo)設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)的半自動(dòng)提資；五是建立了統(tǒng)一的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)和文檔庫(kù)；六是實(shí)現(xiàn)了與三維設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)共享和二、三維設(shè)計(jì)的一致性校驗(yàn)；七是支持?jǐn)?shù)字化交付的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、圖紙和文檔的輸出等。

圖3 油氣田地面工程工藝集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

多專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

多專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)以成熟度和集成度較高的商品化產(chǎn)品為依托，支持管道、設(shè)備、電氣、總圖等專(zhuān)業(yè)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，支持引力分析計(jì)算與三維模型的高度協(xié)同，支持材料統(tǒng)計(jì)、材料控制和工廠化預(yù)制，支持與工藝集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成等，如圖4—圖6所示。

圖4 多專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用成果示意圖

圖5 材料自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與工廠化預(yù)制成果示意圖

圖6 二、三維設(shè)計(jì)一致性校驗(yàn)成果示意圖

中國(guó)石油工程建設(shè)公司在該系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作中，主要開(kāi)展了材料編碼、元件庫(kù)、模型庫(kù)、等級(jí)文件庫(kù)等基礎(chǔ)工作的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作，開(kāi)展了基礎(chǔ)工作的共建共用工作，以及非管道專(zhuān)業(yè)等級(jí)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用工作，實(shí)現(xiàn)了防腐保溫等關(guān)聯(lián)材料的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了公司范圍內(nèi)資源和成果共享。

BIM 子系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

BIM系統(tǒng)主要完成的是民用建筑或廠房等工程的三維設(shè)計(jì)，主要包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道等專(zhuān)業(yè)，可支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)三維建模與工廠設(shè)計(jì)三維建模數(shù)據(jù)集和模型級(jí)協(xié)同與共享。

為了保障數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，中國(guó)石油工程建設(shè)公司初步形成了適應(yīng)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)所需要的標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)工作體系，包括產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同設(shè)計(jì)工作規(guī)范等。數(shù)字化集成系統(tǒng)的建成和上線，進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)工作效率和工作質(zhì)量，促進(jìn)了企業(yè)提質(zhì)增效，對(duì)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)起到了積極的促進(jìn)作用。

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展過(guò)程中起著決定性作用。因此，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)必然會(huì)對(duì)工程建設(shè)企業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化發(fā)展起到一定的示范和引領(lǐng)作用。

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為“一個(gè)拓展、一個(gè)融合”。一個(gè)拓展，就是數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的服務(wù)范圍由面向工程建造過(guò)程服務(wù)，向工程建設(shè)全生命周期服務(wù)進(jìn)行拓展，包括工程建設(shè)投資咨詢(xún)服務(wù)、工廠生產(chǎn)運(yùn)行、工廠維護(hù)等。一個(gè)融合，就是數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)與其他技術(shù)相融合。一是工藝設(shè)計(jì)階段的虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)及其成果與成本估算技術(shù)相融合相集成，進(jìn)一步提高投資估算工作效率和工作質(zhì)量；二是將虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)及其成果與自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，提高生產(chǎn)運(yùn)行與控制的自動(dòng)化和智能化水平；三是數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)及其成果與GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低工程維修成本，進(jìn)一步提高工程檢維修管理水平。