创新构建集成化设计与数字化交付平台助推智慧城市建设

孙丽丽

(中国石化工程建设有限公司,北京 100101)

智慧城市是中国城市发展的必然趋势和最高目标,其包含智慧能源、数字化工厂等多个系统信息。从物理工厂和数字化工厂同步建设目标入手,变革传统工程设计方法及信息交付模式,创新构建工艺和工程集成化设计平台,有效整合和使用全生命周期数据信息形成标准统一的工作流和信息流,建立以数据库为核心的工程数字化交付平台和以工程实体为目标的数字化工厂。结果表明,其能够有效减少数据冗余和误差,提高工作效率和工程质量,设计变更降低至0.5%、设计余量减少约50%、整体效率提高25%以上,大大节省和缩短了数字化工厂建设成本和周期,为深入推进智能工厂、智慧城市建设提供了参考。

关键词集成化设计;数字化交付;数字化工厂;智慧城市

0 引言

智慧城市是以新一代信息技术为基础,以物联化和互联化为动态感知、分析整合城市多方数据,使各部分协调配合,在城市经济、环境、能源、安全、管理等方面实现高效、便捷的运作模式,是一种促进人和城市之间和谐沟通交互的新型城市形态[1-3]

石油化工产业是我国的支柱产业之一,在国民经济发展中起着重要作用,与人们的衣食住行密不可分,肩负着提高人民生活质量的重任,是城市可持续发展过程中必不可少的元素,更是智慧城市创建过程中重要的推动力量。

近年来,以石化为代表的我国流程工业产业结构逐步优化,关键技术不断突破。尽管我国已成为世界上规模最大的流程工业制造国家,但在总体制造效能上与国际先进水平相比仍存在差距,主要体现在资源和能源利用效率亟需提升、安全和环保问题日益突出等方面,需要在资金流、物质流、能量流和信息流方面强化管控,突破经营决策层面、生产运行层面、能效安环层面及信息集成层面的制约瓶颈,积极完成高效化、绿色化和智能化制造的新目标,实现全局生产、管理及营销模式变革,推进流程工业向高端发展[4,5]。与此同时,随着信息化技术的不断进步,石化工程领域近年来在集成化设计等方面取得了新进展,特别是提出在信息化与工业化深度融合背景下,基于集成化设计和数字化交付推动数字化工厂和智能化工厂建设的基本思路,促使石化产业转型升级有了新助力和支撑。集成化设计基于并行工程思想,利用现代信息技术将传统工程设计过程中相对独立的阶段、活动及信息有效结合起来,创新集成工程设计方法和过程管理模式,减少设计过程的多次反复及变更偏差,最大限度地提高效率和降低成本。数字化交付是从研发和设计源头开始,集成工程建设全过程工厂大数据库交付,为数字化工厂建设探索出了最佳的实践路径。在数字化交付基础上,将物理工厂全部软件、硬件设施用数字化信息进行全方位描述和展示的数字化工厂,提升了信息的利用价值,实现了信息化与生产过程、工厂经营管理、产供体系、维修维护的深度融合;在数字化工厂基础上继续延伸构建的智能化工厂,具备高度“自动化、数字化、可视化、模型化、集成化”特征,通过上述技术变革和业务再造,使企业具有更加优异的感知、预测、优化和协同能力,带动了石化行业向智能化方向迈进,助推智慧城市建设与发展[6,7]

本研究重点从物理工厂和数字化工厂同步建设入手,变革传统工程设计方法、创新过程管理模式及信息交付方式,构建工艺和工程集成化设计平台,有效归并和利用EPC(工程总承包,即Engineering Procurement Construction)全生命周期数据信息,创立以数据库为核心的工程数字化交付平台和以工程实体(指构成工厂的设备、管道、仪表、电气、建筑物等)为目标的数字化工厂,旨在为智能工厂、智慧城市建设奠定基础并提供开放式平台。

1 集成化设计与数字化交付背景与意义

数字化工厂建设实践表明,工程建设阶段的信息对生产企业运营期内的设备管理和智能生产起着至关重要的作用。传统模式下,工程建设期间项目各参建方缺乏统一信息标准、协同工作平台和严格的交付依据,有效信息传递时断时续,由此产生工艺设计与工程设计不协调、物资采购和施工管理不匹配等问题,严重阻碍了企业现代化和智能化建设进程。在工程建设阶段着手构建集成化设计和数字化交付协同交融平台,对数字化工厂及延伸构建的智能工厂具有积极促进作用。

1.1 变革设计模式,突破制约工作效率和工程质量提升的瓶颈

传统模式下,专业间没有规范统一的数据源和数据流,使得设计资料管理分散,容易产生数据盲点和信息孤岛,造成上下游设计信息不一致现象频发,尤其是当发生设计变更时,数据不能及时共享,影响设计交付质量,甚至产生设计错误。为解决上述问题,应构建全设计过程、全专业的集成化设计平台,实现设计过程中所有工程数据集中存储,形成单一数据源,降低查找和分享信息的成本,为实施智能化操作和实时管理提供便利,提高工作效率和工程质量。

1.2 建立工程数据库,提升工程项目执行能力

不同项目、业主、工程公司有不同的设计平台和海量的过程信息,由于没有统一规范和有效管理,造成信息重复利用率较低、数据挖掘深度不够,平台之间无法实现无缝衔接,联动和协同能力较弱;且当参建方按不同标准要求交付时,由于没有数据库辅助完成数据映射,难以保证数据交付质量,迫切需要建立工程数据库,使设计规范、工程数据和材料编码从数据库调取和分发,保证数据源的一致性,为优化设计、项目管理和企业决策等提供重要支撑,提升大型综合性工程项目建设执行能力与水平。

1.3 创新交付模式,满足智能工厂和智慧工厂建设需要

传统模式下,工程建设单位为石油化工企业建设实体化物理工厂时,参建各方没有统一的信息交换标准,交付信息大多是纸质化、离散化、非实时的静态数据,不利于数字化工厂建设,给生产操作和管理提升带来很大麻烦,难以实施操作优化、智能管理和持续改进,影响工厂效益提升,甚至一些不一致、不完整的信息还会危及工厂安全和环保状况。为此,急需创新满足数字化工厂建设的新型交付模式,重构工程建设全产业链信息交付新秩序。

1.4 实施同步建设,缩短智能工厂建设周期和节省成本

创新构建的集成化设计和数字化交付平台,可以实现物理工厂和数字化工厂同步建设,业主不需要反向三维建模、整理并关联数据及文档等重复性数字化工作,大幅降低了智能工厂建设成本和周期,能够保障信息更加准确,与工厂运维的衔接更为密切,有利于借助物联网技术和设备监控技术加强信息管理和服务,提高生产过程的可控性,优化生产计划与生产进度,实现智能工厂建设。

1.5 打造智慧工厂,助推智慧城市建设

作为城市建设的重要组成部分,石化工厂演化进程遵循了与城市发展相同的路径:数字化→智能化→智慧化,在数字化信息共享和数据仓库支撑下,智能工厂借助网络泛在、物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术实现智慧感知、及时反应和动态调控,提升对生产、安全、环保、能源的一体化管控和过程优化,既是石化工业内涵升级和新旧动能切换的有效途径,又是在智慧架构下驱动智慧城市建设的重要抓手。

2 集成化设计与数字化交付创新与实践

以集成化设计为源头的数字化交付平台管理创新与变革主要体现在4个方面:①变“文档驱动”为“数据驱动”管理模式;②变“文档为核心”为“工程实体为核心”的信息管理理念;③变“逆向”为“正向”的数字化工厂建设逻辑;④变“阶段性”为“全生命周期”的数据利用方法。这些管理创新与变革实现了项目EPC全过程各专业辅助设计和管理软件集成,形成了标准化工作流和信息流,实现了数字化工厂建设过程和项目实体工程合二为一,有助于促进企业管理水平提升,增强其核心竞争力。典型集成化设计与数字化交付流程见图1。

图1 典型集成设计与数字交付流程

2.1 确立基本目标

以集成化设计为源头的数字化交付是对传统设计和建设模式的变革,通过对工厂全生命周期的信息管理,将工程建设阶段的数字化信息延伸到工厂运行维护阶段,实现数字化工厂标准化、数字化、集成化和可视化的“四化”目标。

(1)标准化是指在设计集成平台和数字化交付平台上,对工程实体分类和描述进行标准化定义,实现设计、建设阶段各信息系统,以及数字化交付平台与工厂运维信息系统的无缝链接。

(2)数字化是指应用信息技术,将设计建设阶段产生的各类信息转化为结构化数据或非结构化数据,并建立数据组织模型的过程,为工厂运行、维护、质量和安全管理提供准确而有效的信息支撑。

(3)集成化是指通过设计集成平台和数字化交付平台,将各种信息以工程实体为核心进行组织、集中存储和逻辑关联,形成数据库,实现与生产操作、设备管理、产品质量和环保安全等工厂运维系统、生产经营系统及生产运行系统等的高效集成。

(4)可视化是工厂设计信息的三维可视化,与生产状态、现场视频、经营信息等高度集成,实现物理工厂实时状态的桌面可视化,以及工厂模拟仿真与情景培训的可视化。

2.2 变革设计模式

创新设计模式是对传统设计模式的变革,两种设计模式差异对比情况如表1所示。

表1 传统模式与创新模式对比

传统模式创新模式交付文档基于纸质文件,不能形成数据库交付文档基于数据形成完整数据库手工重复输入工作量大,容易形成各自的“信息孤岛”信息共享、数据库管理、不同软件间数据自动传递文档分散管理,版本不易控制,设计数据不能实时共享文档集中管理,版本易控制,数据实时共享,同步更新没有平台化软件,协同工作程度低在集成化协同设计平台上,实现集成化、协同化和智能化设计设计变更多、返工多,工作效率低设计变更少,工作效率高,投资少,工程质量好难以实现数字化工厂建设数字化工厂自动建立

从表1可以看出,从交付文档介质、数据管理方法、文档版本控制方式、协同化设计状态、工作效率和质量及实现数字化工厂的难易程度来看,创新模式具有明显优势。仅以工艺流程图多功能使用为例,集成化设计为智能化使用奠定了基础。石油化工厂即使是其中某一套装置也是由复杂的化工操作单元组成,项目建设试运行过程中,常常需要提取其中某一系统流程(markup P&ID)进行专业化使用。采用智能设计较传统软件设计节省约40%的工时,既提高了功效又保证了质量。典型的智能软件应用如图2所示。

图2 典型的智能软件应用

2.3 创新技术路线

对于工厂全生命周期而言,设计集成化与信息数字化既是数字化交付的基础,又是数字化工厂建设的源头。通过大量比选和测试,从物理工厂工程建设开始,同步实现了对应数字化工厂建设的设计新模式,确立了以集成化设计为源头进行数字化工厂建设的技术路线,构建了集成化设计、数字化交付和数字化工厂建设总体架构,如图3所示。

2.4 重构设计过程的工作流和信息数据流

石油化工工程设计是典型的复杂流程工业设计,专业多、界面广、方法多样化,且与生产运维产生多界面和多层次接口关系。为实现众多专业和界面间的标准化、集成化、协同化和智能化,聚焦工程设计全流程,系统分析设计过程特征和软件特点,优化专业间资料关系,创新协同工作流程,形成标准的集成化设计工作流和信息数据流,如图4所示。

2.5 建立标准类库和以工程实体为核心的信息模型

(1)建立标准类库。定义工程实体的类别和属性既是实现数字交付的基础,又是集成化设计的关键,通过建立标准类库(是指描述工程实体的信息组织结构,包括工程实体类别、属性、专业文档类型及其关联关系)实现工程软件和数字化工厂平台数据级统一。将标准类库在数字化工厂平台和工程软件中定义,确保数据无论来源于哪个子系统,都基于同一标准工程实体类别和属性定义。根据该原则,定义的工程实体达400余种、建立其属性20 000余个,探索出工程实体分类原则和组织方式,实现了数据源和属性统一,典型的工程实体类别见表2。

图3 集成化设计与数字化交付平台建设总体架构

图4 集成化设计标准工作流和数据流

表2 典型的工程实体类别示例

类别中文名称英文名称描述C01 设备equipment C01-01 容器vessel包括过滤器 C01-02 反应器reactor包括固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器、管式反应器、环管反应器、干燥器、吸附器等 C01-03 塔column C01-03-01板式塔tray column C01-03-02填料塔packed column C01-04 热交换器heat exchanger C01-04-01管壳式换热器shell and tube heat exchanger C01-04-02板式换热器plate heat exchanger C01-05 空冷器air cooler包括干式空冷器和湿式空冷器 C01-06 电加热器electrical heater C01-07 工业炉furnace包括裂解炉、焚烧炉等 C01-08 泵pump

(2)建立以工程实体为核心的信息模型。传统信息管理以文档为中心,存在“信息孤岛”,有用数据不方便检索,难以自动关联相关信息。以工程实体为核心的信息管理模式代替了以文档为核心的信息管理模式,实现了智能关联和同步管理,更加高效和便捷。创新的信息管理模式如图5所示。

图5 以工程实体为核心的信息管理模式

2.6 建立集成化设计平台

辅助设计工具在设计平台上集成,有助于实现数据信息和文档文件的自动发布与更新,信息在多专业、多部门、多参与方间共享与传递,保证了协同工作的正确性和有效性。创新的集成设计平台实现了工艺设计平台与工程设计平台双向集成,以及多专业三维协同设计平台集成,中间资料和成品文件可根据需要定制化自动生成。集成化设计平台提高了设计效率和工程质量,实现了交付信息的自动采集,为数字化工厂建设奠定了基础。集成化设计平台上典型工程实体模型如图6所示。

图6 集成化设计平台典型工程实体模型

2.7 建立数字化交付平台

在传统文档交付模式下,企业建立数字化工厂需要进行反向三维建模、数据手工录入及关联等重复性劳动,工作效率低下,加上数据来源复杂,难以保证数字化工厂建设质量。在创新的以集成化设计为源头同步建设物理工厂与数字化工厂智能设计方法和工作模式的引领下,基于标准类库和以工程实体为核心的信息模型,采用数字化工厂信息总线方式进行信息集成,在工程实施过程中形成数字化交付平台,为建立数字化工厂打下了坚实基础,建立的数字化交付平台技术架构如图7所示。

从图7可以看出,通过数字化交付平台的建立,自动集成了设计建设全过程数据信息,实现了以工程实体为核心的信息管理和智能关联,达到工程建设期无缝、快捷、低成本数字化工厂建设。借助数字化移交,企业可以获得和物理工厂一致的数字化工厂,有助于确保信息质量,降低数字化工厂建设成本和周期。

2.8 编制数字化交付规定

在集成化设计和数字化交付创新与实践中,总结并提炼形成相应标准规定,对规范集成化设计和数字化交付内容、深度和质量具有重要指导意义。一些典型的标准规定如表3所示。

表3 集成化设计和数字化交付标准规定

序号标准规定名称序号标准规定名称1《项目数字化交付策略》9《项目文档交付内容规定》2《项目数字化交付总体执行计划》10《项目采购信息交付内容规定》3《项目工厂对象分类及属性移交规范》11《项目施工信息交付内容规定》4《项目文档编码规定》12《项目数据交付规定》5《设备编码和命名规范》13《项目数字化交付管理程序》6《三维模型设计内容及建模要求》14《数字化交付质量审核方案》7《智能P&ID设计内容及应用要求》15《数字化交付平台技术要求》8《供货商数字化交付要求》16《数字化交付验收方案》

3 应用成效

3.1 形成数字化工厂系列成果

以某石化项目为例,应用创新的集成化设计和数字化交付平台在工程设计阶段,自动对工程数据、工程文档、设计模型及工程建设信息等EPC项目管理全过程信息进行集成,实现了信息智能关联和数字化交付,并建立了数字化工厂平台。在工厂运行期间,在这一平台中,工艺模拟、设计数据与工程模型及项目建设期各类信息数据与工厂运营数据自动关联并持续优化。数字化工厂建设典型成果如图8所示。

图7 数字化交付平台和数字化工厂技术架构

图8 数字化工厂建设典型成果

从图8可以看出,在数字化工厂建设平台上,基于模型和数据库可以对设备、单元、装置和全厂的生产运营实时数据趋势进行查看、提取和分析,能够保证工厂运营的安全与高效,成为石化企业智能化发展的应用示范。

3.2 经济和社会效益显著

集成化设计、数字化交付及数字化工厂建设,创新了工程设计模式和信息交付模式变革,实现了多专业、多软件、多参建方、多界面的数字化协同工作平台,引领了石化行业工程设计模式的创新和变革,为数字化工厂及智能工厂建设奠定了坚实基础,经济效益和社会效益十分显著。

(1)创新管理模式,实施工程设计和项目管理全过程集成化,优化了工作流、数据流和信息流,减少了协同过程中的重复录入和错误,使工程变更降低到0.5%以下,材料统计更加精准,仅以管道和钢材设计余量为例,较常规设计减少了约50%,工程设计整体效率提高了25%以上。

(2)实施数字化交付,为客户数字化工厂建设节省了60%以上的工作量。以某石化项目为例,仅数字化工厂建设一项就为企业节省了约4 000万元以上的投资成本。

(3)实现了数字化工厂平台运行,使资料更加完备、查找更加高效、控制更加精准、操作更加优化、运维更加科学。以某石化项目为例,该平台对工厂首次检维修提供了重要支撑,为企业节省了约70%的改造方案编制时间,减少了约50%的人力投入,从源头上杜绝了作业过程的人为失误,为智能化工厂建设奠定了基础。

(4)引领了石油化工工程数字化交付技术发展。在以集成化设计为源头的工程数字化交付平台构建和数字化工厂建设实践基础上,编制完成了《石油化工工程数字化交付标准》国家标准,填补了国内在数字化交付领域的空白。

4 结语

综上所述,从物理工厂和数字化工厂同步建设入手,设立标准化、数字化、集成化、可视化目标,对以集成化设计和数字化交付平台为基础的数字化工厂建设进行创新与实践,构建了从工程设计初期策划建设数字化工厂的新模式,完成了从“文档驱动”到“数据驱动”、“文档为核心”到“工程实体为核心”、“逆向”到“正向”数字化建设、“阶段性”向“全过程”信息管理的4个转变,实现了信息化与生产过程、经营管理、产供体系、维修维护的高度融合。集成化设计和数字化交付平台构建为智能工厂建设创新了一条最佳实践路径,为企业数据仓库完善提供了支撑,也为智慧城市建设提供了基础和平台。

智慧城市是中国城市发展的必然趋势和最高目标,智能工厂作为智慧城市的重要组成部分,为城市能源、环保、安全等提供了强有力的实体保障。信息化与工业化高度融合是实现这一目标的关键,伴随着VR等技术在工艺、设备、安全、环保、质量等数据可视化场景的广泛应用,“清洁、安全、智能、高效”的智慧工厂模式必然会进一步助推“安全、便捷、高效、绿色”的智慧城市新形态的出现。

参考文献:

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DOI10.6049/kjjbydc.2018GC0178

中图分类号F291.1

文献标识码:A

文章编号:1001-7348(2018)24-0086-07

收稿日期2018-08-15

作者简介孙丽丽(1961-),女,山东烟台人,中国石化工程建设有限公司总经理、教授、高级工程师,全国工程勘察设计大师,研究方向为炼化工程。

(责任编辑:王敬敏)