基于正向數(shù)字化設(shè)計(jì)與交付的智能工廠建設(shè)

曾 崢

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

“數(shù)字化是大數(shù)據(jù)時代的戰(zhàn)略和運(yùn)營策略。將數(shù)碼科技融入企業(yè)的管理和運(yùn)作中的戰(zhàn)略，是為‘?dāng)?shù)字戰(zhàn)略’；把數(shù)碼科技載入企業(yè)各個流程的運(yùn)營策略，是‘?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型’。全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背后存在兩大驅(qū)動因素。其一，傳統(tǒng)運(yùn)營模式已無法滿足市場對個性化以及低成本的生產(chǎn)需求。其二，大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟為數(shù)字化提供絕佳的時機(jī)”[1]。

新工業(yè)革命的浪潮正在撲面而來，全世界都感受到了制造業(yè)的熱浪。德國的國家戰(zhàn)略“工業(yè) 4.0”、日本提出來的“社會 5.0”、美國的“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”，都是對工業(yè)的國家戰(zhàn)略地位的強(qiáng)力支撐。在這一輪工業(yè)浪潮中，由于數(shù)據(jù)作為全新的動力和引擎，使得這一輪工業(yè)革命跟以前有著很大的不同。它試圖改變傳統(tǒng)世界在資本、機(jī)器和社會分工上的固有體系，將人類智慧從資本和技術(shù)壟斷的束縛中解放出來。

我國關(guān)于國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要第五篇“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國”中明確指出，“加快建設(shè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會、數(shù)字政府，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革”。數(shù)字經(jīng)濟(jì)核心產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重將從7.8%提升到10%，增幅位列十四五社會發(fā)展二十項(xiàng)主要指標(biāo)第三位。綱要還列出了7大數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)和10個數(shù)字應(yīng)用場景，其中，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智慧能源、智能制造等也與中國石油和化工生產(chǎn)企業(yè)和勘察設(shè)計(jì)企業(yè)正在推動的數(shù)字化、智能化工作息息相關(guān)。

1 工程公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展特點(diǎn)

工程公司的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，打造“基于正向數(shù)字化設(shè)計(jì)和交付的智能工廠總承包業(yè)務(wù)能力”是兩化深度融合的主線。它又可拆分為“智能工廠工程數(shù)字化設(shè)計(jì)能力”“智能工廠工程數(shù)字化運(yùn)營管理能力”“智能工廠工程數(shù)字化施工管理能力”“智能工廠工程數(shù)字化交付能力”四個能力單元。

化工裝置具有投資規(guī)模大、建設(shè)周期長、多專業(yè)協(xié)作等特點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)是工廠生命周期中重要的階段，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下，各專業(yè)雖然也采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，但軟件相互獨(dú)立，且以紙質(zhì)文件或郵件形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和整合運(yùn)用。隨著項(xiàng)目大型化和復(fù)雜化程度越來越高，數(shù)據(jù)信息的傳遞數(shù)量級呈幾何倍數(shù)增長，上述設(shè)計(jì)模式表現(xiàn)出三大缺點(diǎn)：①人工錯誤率高，設(shè)計(jì)質(zhì)量得不到保證；②效率低下，影響項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度；③工程數(shù)據(jù)和文檔零散儲存，關(guān)聯(lián)性差，數(shù)據(jù)難以得到有效管理和運(yùn)用。

國內(nèi)石油化工勘察設(shè)計(jì)企業(yè)的工程設(shè)計(jì)數(shù)字化通常都經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助制圖-三維設(shè)計(jì)-集成設(shè)計(jì)與數(shù)字化交付三個階段。本文提出的三維集成設(shè)計(jì)平臺解決方案，是以行業(yè)主流的商業(yè)化集成設(shè)計(jì)平臺為基礎(chǔ)，通過對其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)接口、業(yè)務(wù)處理界面等的深度定制開發(fā)，打造了底層數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，同時數(shù)據(jù)接口和業(yè)務(wù)處理界面又兼具彈性的集成化數(shù)字化平臺。

2 內(nèi)外兼修 串聯(lián)產(chǎn)業(yè)各方的建設(shè)理念

當(dāng)今國內(nèi)信息化水平較高的大型石油/天然氣化工企業(yè)及煤化工企業(yè)的信息化一般采用過程控制、生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營管理三個層面的信息化以及支撐它們的信息基礎(chǔ)設(shè)施。但過程控制層的工藝優(yōu)化不足，先進(jìn)控制系統(tǒng)使用不普遍，控制接口及協(xié)議老舊，數(shù)據(jù)傳輸速率低，傳輸通道凌亂重復(fù)；生產(chǎn)執(zhí)行層由于實(shí)時數(shù)據(jù)的延誤而導(dǎo)致管控不力，缺乏過程控制層的某些管控模塊；經(jīng)營管理層缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐。

為優(yōu)化上述問題，在工廠設(shè)計(jì)建設(shè)階段，從設(shè)計(jì)開始，工藝專業(yè)就應(yīng)針對當(dāng)今先進(jìn)控制系統(tǒng)技術(shù)下的高自動化、高智能化要求，對流程及控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化；自動化控制及電氣專業(yè)根據(jù)工藝專業(yè)的控制參數(shù)及條件、利用先進(jìn)控制系統(tǒng)的理念，優(yōu)化實(shí)時控制系統(tǒng)的接口及協(xié)議；信息化專業(yè)利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)建立信息高速公路以匯聚、整合、傳輸及存儲過程控制、生產(chǎn)執(zhí)行及經(jīng)營管理的數(shù)據(jù)及信息。

數(shù)字化設(shè)計(jì)和交付技術(shù)應(yīng)貫穿整個EPC過程。在工廠營運(yùn)階段，數(shù)字化交付的模型，工藝、設(shè)備及控制參數(shù)應(yīng)與MES系統(tǒng)有機(jī)集成，而MES系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)及時反饋到數(shù)字化交付模型中，使數(shù)字化交付模型在整個工廠生命周期內(nèi)對工廠的運(yùn)維、升級改造及擴(kuò)建起支撐作用。

化工行業(yè)智能工廠建設(shè)宜采用“頂層總體設(shè)計(jì)，分步實(shí)施”的方式，破除系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)溝壑，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、相互融合，裝置儀控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、企業(yè)經(jīng)營系統(tǒng)和多元生態(tài)系統(tǒng)之間的相互協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操控層面的先進(jìn)控制、工藝技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)及人員效能提升、生產(chǎn)和經(jīng)營業(yè)務(wù)的閉環(huán)優(yōu)化管理。

根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)，宜構(gòu)建集生產(chǎn)、車間操作、能源、設(shè)備、安全、環(huán)境、應(yīng)急指揮和質(zhì)量管控系統(tǒng)為一體的協(xié)同智能生產(chǎn)管控平臺。項(xiàng)目信息化和智能制造的總體架構(gòu)以數(shù)字化設(shè)計(jì)交付為基礎(chǔ)，以先進(jìn)控制系統(tǒng)為核心，以MES系統(tǒng)為支撐，按智能控制、智慧生產(chǎn)(操作)、智能運(yùn)營和智能決策三層架構(gòu)，滿足多系統(tǒng)協(xié)同工作。重點(diǎn)建設(shè)自動化儀控系統(tǒng)、先進(jìn)控制與實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)、實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、能源管理系統(tǒng)(EMS)、設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)(EAM)、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LIMS)、操作仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(OTS)、智能物流系統(tǒng)、安環(huán)綜合管控與安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)(SES)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)(ERP)等內(nèi)容。并利用工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)，全面提升企業(yè)智能感知的能力，打造以數(shù)據(jù)整合為核心的集成平臺，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的整體協(xié)同和優(yōu)化，加強(qiáng)企業(yè)精細(xì)管理和安穩(wěn)運(yùn)行，促進(jìn)企業(yè)業(yè)務(wù)變革和綠色發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)智能制造的目標(biāo)。

數(shù)字化工廠是智能工廠建設(shè)的重要基礎(chǔ)。圍繞“數(shù)據(jù)”這一核心，從工程項(xiàng)目建設(shè)階段開始，就應(yīng)構(gòu)建集成工廠靜態(tài)建設(shè)數(shù)據(jù)與動態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)為一體的數(shù)字化工廠平臺作為智能工廠的有機(jī)組成部分。在工程項(xiàng)目建設(shè)階段，數(shù)字化交付就是串聯(lián)工程設(shè)計(jì)、建造與工廠運(yùn)營階段數(shù)字化工廠平臺的紐帶。

傳統(tǒng)的數(shù)字化交付更多地關(guān)注提升交付物的數(shù)字化/結(jié)構(gòu)化程度。未來數(shù)字化交付的發(fā)展方向一是要以智能工廠建設(shè)對靜態(tài)數(shù)據(jù)的需求為導(dǎo)向，使數(shù)字化交付真正產(chǎn)生價(jià)值；二是要將數(shù)字化交付與工程EPC過程相融合，不搞兩張皮，降低成本、提高效率，這樣，數(shù)字化交付才能真正為行業(yè)生產(chǎn)模式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型服務(wù)。降本增效是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)律、也是優(yōu)勝劣汰的規(guī)律，任何與這一規(guī)律背道而馳的行為和產(chǎn)品終將被現(xiàn)實(shí)所拋棄。這也是“基于正向數(shù)字化設(shè)計(jì)與交付的智能工廠建設(shè)”解決方案中“正向”兩字的含義之一，“正向”，一方面意味著時間上與工程EPC過程同步執(zhí)行，不搞后集成與數(shù)字化重建，保證工程數(shù)據(jù)交付的完整性、一致性、準(zhǔn)確性；另一方面意味著執(zhí)行方式是正向的，不搞為了數(shù)字化而數(shù)字化。

3 深耕數(shù)據(jù) 構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)的解決方案

3.1 數(shù)字化交付解決方案

數(shù)字化交付平臺主要由3個模塊組成：數(shù)據(jù)集成模塊、三維模型集成模塊和文檔集成模塊。平臺的整體架構(gòu)見圖1。

圖1 數(shù)字化交付平臺架構(gòu)

數(shù)據(jù)集成模塊以SPF作為數(shù)據(jù)集成平臺，以SPE生態(tài)的SPID、SI、S3D作為設(shè)計(jì)工具，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和文檔，并發(fā)布至SPF平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。其發(fā)布的數(shù)據(jù)和文檔可以在集成平臺中保留文檔和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。除生態(tài)內(nèi)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)(文檔)發(fā)布外，還可以用數(shù)據(jù)表的形式向集成平臺上傳非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和文檔，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及文檔和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過對SPF內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和Mapping表的配置，可實(shí)現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的比對、整合，最終形成一套完整的工廠信息庫進(jìn)行數(shù)字化移交。通過SPE生態(tài)內(nèi)設(shè)計(jì)軟件直接向SPF集成平臺發(fā)布的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，關(guān)聯(lián)關(guān)系完整準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)檢查和整合便捷，對比其他集成平臺的數(shù)據(jù)上傳方式質(zhì)量優(yōu)勢明顯。

三維模型集成模塊基于三維集成設(shè)計(jì)平臺，其以工廠三維布置軟件S3D為核心，通過與各專業(yè)軟件接口的二次開發(fā)以及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的建立，實(shí)現(xiàn)S3D與其他專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)三維模型的集成設(shè)計(jì)。雖然S3D除設(shè)備和管道外也有其他專業(yè)的設(shè)計(jì)模塊，但功能不夠完善，不能滿足其他專業(yè)的設(shè)計(jì)需求和使用習(xí)慣。三維集成設(shè)計(jì)平臺可將結(jié)構(gòu)的Tekla模型、建筑及其水暖電的Revit模型、總圖的Civil 3D模型，電氣的博超模型等導(dǎo)入S3D中，直接利用了這些專業(yè)的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行三維集成設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中可以檢查各專業(yè)設(shè)計(jì)間的相互影響，及時發(fā)現(xiàn)問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時，還可形成滿足數(shù)字化交付要求的全廠模型，解決了行業(yè)內(nèi)存在的為了數(shù)字化交付而在S3D中重復(fù)建模的設(shè)計(jì)問題。

在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，還可使用基于國產(chǎn)數(shù)字化交付平臺定制開發(fā)的數(shù)字化工程BIM平臺實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商、施工承包商交付文檔、數(shù)據(jù)的云端上傳、自動關(guān)聯(lián)、過程檢查和動態(tài)監(jiān)測。

由于智能化模塊的設(shè)計(jì)包含了智能巡檢系統(tǒng)，在三維模型設(shè)計(jì)時對智能巡檢系統(tǒng)安裝空間、運(yùn)行通道、輔助設(shè)施等也加以了考慮。同時，由于施工過程中會與設(shè)計(jì)不可避免的產(chǎn)生少量誤差，或設(shè)計(jì)變更沒有在竣工模型中完全更新，會造成交付模型與現(xiàn)場實(shí)際不一致。這種情況會給工廠基于交付模型的智能化應(yīng)用帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此，在項(xiàng)目開車后，會視情況對工廠進(jìn)行一次完整的激光掃描，根據(jù)掃描結(jié)果對模型進(jìn)行檢查和修正，實(shí)現(xiàn)模型和工廠實(shí)際的一致性，精度在5mm至20mm不等。

3.2 智能工廠解決方案

智能工廠解決方案整體架構(gòu)采用目前先進(jìn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺微服務(wù)架構(gòu)打造數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務(wù)中臺。企業(yè)信息化建設(shè)的底層核心是數(shù)據(jù)治理。通過分析資產(chǎn)管理系統(tǒng)和多個智能化應(yīng)用系統(tǒng)的需求，對項(xiàng)目數(shù)字化交付底層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)籌考慮和設(shè)計(jì)，保證項(xiàng)目數(shù)字化交付各平臺數(shù)據(jù)庫與各智能化系統(tǒng)之間的適配性。這也正是基于正向數(shù)字化設(shè)計(jì)與交付的智能工廠建設(shè)模式帶來的好處。傳統(tǒng)的脫節(jié)的工廠信息化建設(shè)模式需要花費(fèi)大量的時間和精力進(jìn)行數(shù)據(jù)的梳理、重構(gòu)和統(tǒng)籌且難以保證其完整性、準(zhǔn)確性、一致性。項(xiàng)目工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺示意圖見圖2。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

數(shù)字化交付的數(shù)據(jù)是智能工廠數(shù)據(jù)中臺的一部分(數(shù)字化交付平臺+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺)，數(shù)據(jù)中臺是業(yè)務(wù)中臺的基石。為保證平臺的順利對接，在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，將對雙邊數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。如智能化模塊之一的主數(shù)據(jù)系統(tǒng)與數(shù)字化交付的分類和編碼體系的對應(yīng)，可使數(shù)字化交付的數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于設(shè)備管理、物流倉儲等。

以設(shè)備管理系統(tǒng)為例，數(shù)字化交付無縫地為設(shè)備管理系統(tǒng)提供了完整、一致、準(zhǔn)確的工程建設(shè)期靜態(tài)數(shù)據(jù)，并通過設(shè)備管理系統(tǒng)在設(shè)備全生命周期不斷地更新和回歸。這些數(shù)據(jù)如何分類、如何編碼、如何定義、需要哪些、如何在不同的系統(tǒng)之間按照業(yè)務(wù)邏輯通過接口傳遞，就是通過數(shù)據(jù)中臺底層數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)來完成的，這可以從一個截面印證基于正向數(shù)字化設(shè)計(jì)與交付的智能工廠建設(shè)模式的合理性和優(yōu)越性。數(shù)字化交付與設(shè)備管理系統(tǒng)關(guān)系示意圖見圖3。

圖3 數(shù)字化交付與設(shè)備管理系統(tǒng)關(guān)系

4 結(jié)語

“據(jù)麥肯錫的研究發(fā)現(xiàn)，全球有50%的化工企業(yè)仍沒有明確的數(shù)字化戰(zhàn)略和路線圖，有許多企業(yè)并不了解數(shù)字化可以為自己帶來價(jià)值，從而缺乏商業(yè)信心去創(chuàng)建新的數(shù)字化轉(zhuǎn)型策略”。

“我國化工行業(yè)數(shù)字化的先行者都集中在銷售端，大多數(shù)中國企業(yè)雖有數(shù)字化的熱情，但似乎缺乏實(shí)施相應(yīng)戰(zhàn)略的準(zhǔn)備，大多數(shù)中國企業(yè)在數(shù)字化運(yùn)營體系建設(shè)、管理與能力、生態(tài)圈發(fā)展上均存在較大改善空間”。

“數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)該聚焦的三大成功要素：①根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑；②構(gòu)建數(shù)字化管理機(jī)制和理念能力；③打造支持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型的產(chǎn)業(yè)/社會生態(tài)圈”。

在“數(shù)字中國”和信息化與工業(yè)化深度融合的大背景下，石化和能源行業(yè)智能工廠的建設(shè)方興未艾。工程公司如何發(fā)揮自身在工程技術(shù)和工程數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢，通過與業(yè)主、智能工廠集成商、供應(yīng)商等多方的合作，主動參與到智能工廠的建設(shè)、運(yùn)維中去，是工程公司信息化建設(shè)更高層次的實(shí)踐和發(fā)展方向。