■ 中冶京誠(chéng)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(yíng)維護(hù)階段產(chǎn)生的數(shù)字化動(dòng)態(tài)信息、基于工廠對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系及信息管理平臺(tái)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(jì)、采購(gòu)、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(dòng)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(cè)工具，在計(jì)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(duì)歷史數(shù)據(jù)的回溯、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理和未來趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

數(shù)字化設(shè)計(jì)

在數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，往往會(huì)采用不同的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)與設(shè)計(jì)軟件，產(chǎn)生不同格式的模型與數(shù)據(jù)。目前，市場(chǎng)上主流數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jì)軟件。在數(shù)字化交付的背景下，如何保證各平臺(tái)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(tái)將工程設(shè)計(jì)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(tái)內(nèi)，平臺(tái)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(tái)當(dāng)中，編碼平臺(tái)向各個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)和軟件提供唯一編碼。建立數(shù)字化元件庫(kù)，將企業(yè)的數(shù)字化元件集中存儲(chǔ)與管理，設(shè)計(jì)人員從庫(kù)內(nèi)調(diào)取元件完成設(shè)計(jì)內(nèi)容。數(shù)字化元件庫(kù)與編碼平臺(tái)結(jié)合，為數(shù)字化設(shè)計(jì)提供模型與屬性，可以說編碼平臺(tái)和數(shù)字化元件庫(kù)是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的主數(shù)據(jù)，在構(gòu)件級(jí)別對(duì)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(jì)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(cè)”為核心的交付體系，數(shù)字化交付是指以“工廠對(duì)象”為核心，將工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、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(duì)象”為核心的網(wǎng)狀關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)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(duì)三維模型、數(shù)據(jù)、文檔及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的模型、數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算書，采購(gòu)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(bào)告、驗(yàn)收?qǐng)?bào)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(chǔ)起來，便于文檔內(nèi)容的索引，還需要處理文檔和工廠對(duì)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(tái)來實(shí)現(xiàn)，將需要交付的模型、數(shù)據(jù)、文檔等以標(biāo)識(shí)碼作為工廠對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)，在平臺(tái)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(tái)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(tái)，可以將ProjectWise上的模型與數(shù)據(jù)無(wú)縫傳遞到平臺(tái)上，并且可以承載大體量的模型與數(shù)據(jù)，可以勝任廠級(jí)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(tái)，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(dòng)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(tái)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(chǎng)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(jí)調(diào)度管理人員及時(shí)掌控企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)信息，滿足公司各級(jí)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(tái)中，工廠的各個(gè)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(shí)查詢其設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。可以以圖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(bào)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(chǎng)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(chéng)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(chéng)工程技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中冶京誠(chéng)”）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(duì)生產(chǎn)線運(yùn)營(yíng)又提出了新的需求。為此，中冶京誠(chéng)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(chéng)設(shè)計(jì)施工，但由于時(shí)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(yíng)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(chéng)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(wú)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(shí)，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(chéng)自主研發(fā)的CERI數(shù)字化設(shè)計(jì)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(chéng)依托Bentley AssetWise平臺(tái)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(cāng)庫(kù)，有效收集和整合項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建以“對(duì)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(chéng)基于Bentley iTwin平臺(tái)打造數(shù)字孿生工廠平臺(tái)，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(bào)警與處置、人員模擬培訓(xùn)等。

基于iTwin平臺(tái)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(tái)，并根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，個(gè)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(gè)性化功能需求。

總的來說，工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、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(chǎng)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)。