張 江，高玉山，寇肅鈺

（中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司基建工程部 陜西 西安 710018）

1 引言

石油企業(yè)為國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國防建設(shè)提供能源動(dòng)力，一直都處于優(yōu)先發(fā)展的地位。近年來，為了進(jìn)一步提升我國石油企業(yè)在國際上的競爭力，國家大力倡導(dǎo)在石油企業(yè)中應(yīng)用智能制造技術(shù)進(jìn)一步提升產(chǎn)能，爭取將先進(jìn)的技術(shù)貫穿到石油企業(yè)的工廠設(shè)計(jì)、工位建造、產(chǎn)品生產(chǎn)交付等環(huán)節(jié)，通過技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步打通各個(gè)環(huán)節(jié)之間的壁壘，從而實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈智能化水平的提升[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)三維建模和大數(shù)據(jù)超強(qiáng)運(yùn)算能力的數(shù)字化工廠技術(shù)逐漸發(fā)展起來，打造數(shù)字化工廠成為了各級(jí)各類石油企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

2 三維數(shù)字化工廠的基本概念

工廠數(shù)字化是當(dāng)前一段時(shí)間實(shí)體產(chǎn)業(yè)數(shù)字化組織與管理的一種有效手段，主要是通過以計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析為代表的各種信息技術(shù)，對(duì)物理工廠的加工、制造、生產(chǎn)、交付、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)和流程進(jìn)行虛擬重構(gòu)，給管理者和使用者一種直觀的感受，能夠?qū)S進(jìn)行全方位的高效掌握。三維數(shù)字化工廠是利用三維可視技術(shù)打造全比例的數(shù)字化工廠，將工廠建設(shè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行多角度在線監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠全壽命周期的數(shù)字化管理[2-3]。

進(jìn)行三維數(shù)字化工廠建設(shè)，涉及的主要技術(shù)包括數(shù)字化建模技術(shù)、優(yōu)化仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和軟件之間的重組與集成技術(shù)等，具體見圖1。

圖1 三維數(shù)字化工廠建設(shè)主要技術(shù)

圖1 中，數(shù)字化建模技術(shù)主要是將各種裝備設(shè)備進(jìn)行一定比例的縮放，并依據(jù)實(shí)際性能指標(biāo)參數(shù)在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將生產(chǎn)環(huán)節(jié)考慮在內(nèi)。對(duì)于個(gè)別對(duì)工作環(huán)境有一定要求的設(shè)備，比如對(duì)空調(diào)溫濕度和潔凈度等級(jí)有要求的設(shè)備，需要在建模過程中考慮到設(shè)備與環(huán)境之間的相互影響，將環(huán)境參數(shù)調(diào)到最優(yōu)確保設(shè)備能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于按照流水線工作的設(shè)備需要將工藝流程考慮在內(nèi)，注意區(qū)分不同設(shè)備或者不同工序中的設(shè)備的投入時(shí)間先后關(guān)系，進(jìn)行數(shù)字化建模時(shí)不能打亂時(shí)間順序，避免出現(xiàn)相互矛盾的情景，對(duì)于一些管理工作在其中發(fā)揮積極促進(jìn)作用的施工工序，需要將生產(chǎn)管理過程進(jìn)行建模，在不同設(shè)備或者不同工藝流程中加入不同的管理模式，將管理效益對(duì)生產(chǎn)率的促進(jìn)作用進(jìn)行體現(xiàn)。優(yōu)化仿真技術(shù)主要是指對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)投入的設(shè)備、對(duì)不同的工序之間的銜接以及對(duì)于不同工作流程中的管理效益進(jìn)行在線調(diào)整，根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)和工作計(jì)劃及時(shí)調(diào)整不同設(shè)備投入時(shí)間，減少設(shè)備待機(jī)等待時(shí)間，或者緊湊工序之間的銜接，避免出現(xiàn)相互等待的狀態(tài)出現(xiàn)，從時(shí)間優(yōu)先級(jí)的層面提高工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是基于各種傳感器和人體穿戴式感知設(shè)備對(duì)工作環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控，同時(shí)增強(qiáng)沉浸式體驗(yàn)感，獲得一線工作的真實(shí)感受，便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮控制和對(duì)工序進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停操作。軟件之間的重組與集成主要是需要對(duì)不同設(shè)備之間的接口關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)，或者對(duì)不同工序的開始時(shí)間進(jìn)行在線記錄，保證對(duì)設(shè)備的調(diào)用符合工序操作流程的要求，避免資源浪費(fèi)。

3 基于三維數(shù)字化技術(shù)的石油企業(yè)工廠交付建設(shè)實(shí)現(xiàn)

基于三維數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建石油企業(yè)數(shù)字化工廠，達(dá)到建設(shè)、交付、使用、運(yùn)維等相關(guān)維度信息和數(shù)據(jù)的集成共享，是具有創(chuàng)新意義的舉動(dòng)，需要以靜態(tài)文檔數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和架構(gòu)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為信息支撐?；谌S數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)石油企業(yè)工廠交付建設(shè)的基本思路如下。

3.1 數(shù)字化工廠交付建設(shè)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

基于數(shù)字化建模技術(shù)、優(yōu)化仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和軟件之間的重組與集成技術(shù)等進(jìn)行數(shù)字化工廠交付建設(shè)實(shí)現(xiàn)，需要將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與BIM模型相融合，通過統(tǒng)一的編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)、BIM模型、施工記錄、工廠信息的無縫關(guān)聯(lián)，同時(shí)該系統(tǒng)需要具備全壽命周期的數(shù)據(jù)分布與運(yùn)維能力。具體來說，數(shù)字化工廠交付建設(shè)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線主要包括以下幾方面，見圖2。

圖2 數(shù)字化工廠交付建設(shè)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

3.2 數(shù)字化工廠交付建設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字化工廠交付建設(shè)系統(tǒng)主要采用多級(jí)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)連入相應(yīng)的設(shè)備，以及現(xiàn)場人員、材料、設(shè)備等信息，通過工業(yè)互聯(lián)適配接口，基于各管理系統(tǒng)建立平臺(tái)的IaaS層（基礎(chǔ)層），依托DaaS層（數(shù)據(jù)層）的RAY_DMT大數(shù)據(jù)平臺(tái)和自有的數(shù)據(jù)抽提組件，植入業(yè)務(wù)規(guī)則、專用算法、行業(yè)模型等信息后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集整理，提供至PaaS層（平臺(tái)層），PaaS層包含入口服務(wù)、數(shù)字孿生服務(wù)、業(yè)務(wù)流編排、過程資產(chǎn)沉淀、行業(yè)知識(shí)管理、生態(tài)能力聚合，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用快速組合和業(yè)務(wù)編排，再推送至SaaS層（軟件層），基于Ray_BDV大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)構(gòu)建前端的應(yīng)用功能，包含資產(chǎn)監(jiān)控、運(yùn)行監(jiān)控、安全應(yīng)急、資產(chǎn)設(shè)備、培訓(xùn)考試等能力，并應(yīng)用到現(xiàn)場。數(shù)字化工廠交付建設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

圖3 數(shù)字化工廠交付建設(shè)系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)

3.3 數(shù)字化工廠交付建設(shè)系統(tǒng)功能層級(jí)劃分

數(shù)字化工廠交付建設(shè)系統(tǒng)主要包括設(shè)備級(jí)功能、車間級(jí)功能、工廠級(jí)功能3部分，各部分具備不同的功能。

具體來說，設(shè)備級(jí)功能側(cè)重于各種儀器設(shè)備的原理講解、拆裝示范、運(yùn)行狀態(tài)模擬及控制。為了實(shí)現(xiàn)這類功能，需要對(duì)系統(tǒng)組成設(shè)備進(jìn)行高精度建模，重點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的參數(shù)性能、運(yùn)行原理進(jìn)行精確模擬，結(jié)合實(shí)際工作場景進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。同時(shí)將動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息與設(shè)備固有原理性質(zhì)聯(lián)系起來，基于原理與進(jìn)行設(shè)備在線工況模擬，這樣才能方便工作人員實(shí)時(shí)檢查設(shè)備工作狀態(tài)，并且基于數(shù)字化工廠交付建設(shè)系統(tǒng)開展設(shè)備工作原理培訓(xùn)，便于員工深入了解掌握，能夠起到沉浸式培訓(xùn)的效果。

車間級(jí)功能主要是體現(xiàn)設(shè)備的接口關(guān)系和資源的動(dòng)態(tài)流動(dòng)，需要在所有單個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)上組成分系統(tǒng)，建立各個(gè)分系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過相互之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表明上下游生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)流動(dòng)，同時(shí)輔助以各種能源供應(yīng)、數(shù)據(jù)流流動(dòng)等信息，展示系統(tǒng)各個(gè)車間之間的工作關(guān)系及能量消耗情況。將產(chǎn)品檢驗(yàn)化驗(yàn)信息及生產(chǎn)計(jì)劃的更新嵌入分系統(tǒng)關(guān)聯(lián)接口之間，通過不同工序的時(shí)間序列銜接，表明整個(gè)工廠產(chǎn)品流水線生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程。這一級(jí)別的功能需要對(duì)大容量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行在線支持，分系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)用單個(gè)設(shè)備的性能參數(shù)，同時(shí)所有的生產(chǎn)流水更新按照時(shí)間序列進(jìn)行，這些都需要對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行在線讀取，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)需要滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。

工廠級(jí)功能主要關(guān)注某型產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有效整理水平，同時(shí)輔助以全廠工位信息的三維演示和總體信息的在線支持。與以往紙質(zhì)化圖表的展示效果不同，工廠級(jí)功能需要將全廠所有型號(hào)的設(shè)備生產(chǎn)制造串聯(lián)起來，能夠分類別查詢。對(duì)于單類產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，除了基于車間級(jí)功能標(biāo)識(shí)清楚其制造過程之外，工廠級(jí)功能更多地關(guān)注產(chǎn)品市場的整體變化情況，通過大數(shù)據(jù)預(yù)測功能顯示整個(gè)產(chǎn)品上下游產(chǎn)業(yè)鏈的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)對(duì)工廠生產(chǎn)能力進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，便于生產(chǎn)管理者做出正確的決策。

4 結(jié)論

三維數(shù)字化工廠技術(shù)對(duì)于石油企業(yè)的交付和建設(shè)過程意義重大。首先，它提供了動(dòng)態(tài)演示功能，能夠?qū)崟r(shí)在線顯示整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)過程以及其中的原理性知識(shí)；其次，它能夠進(jìn)行輔助教學(xué)和培訓(xùn)，能夠提供形象化的演示，便于新員工培訓(xùn)和生產(chǎn)過程的運(yùn)維；最后，它為企業(yè)科學(xué)決策提供了支撐，能夠基于結(jié)構(gòu)化的資產(chǎn)和資源流動(dòng)管理體系，預(yù)測全產(chǎn)業(yè)鏈的資源流動(dòng)情況，確保企業(yè)管理者及時(shí)掌握最新的市場變化。本文中，作者分析了三維數(shù)字化工程的基本概念，指出三維數(shù)字化工程建設(shè)主要涉及到數(shù)字化建模技術(shù)、優(yōu)化仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和軟件之間的重組與集成技術(shù)等，對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行了概述性分析，在此基礎(chǔ)上從技術(shù)路線、基本架構(gòu)和功能層級(jí)劃分等角度分析了三維數(shù)字化石油企業(yè)工廠交付建設(shè)的實(shí)現(xiàn)途徑。將來，可以圍繞物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)對(duì)數(shù)字化工廠技術(shù)進(jìn)行有效地?cái)U(kuò)展，以擴(kuò)大其適用范圍。