数字化工厂与协同设计

刘效禹

摘      要：介绍了当前工程公司引入数字化工厂概念之后，设计质量和项目管理水平上的提高。详细介绍了数字化工厂的定义、目的和作用。同时通过对数字化工厂构架的介绍，重点说明了其运作模式和搭建流程。最后通过分析国内数字化工厂的应用现状，给出搭建数字化工厂构架的建议和将来的工作方向。

关  键  词：数字化工厂;项目管理;协同设计;全生命周期

中图分类号：TN915       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）09-2173-04

Abstract： The improvement and deepening of the design quality and project management level after the introduction of the concept of digital factory in the current engineering company were introduced， and the definition， purpose and function of the digital factory were also introduced in detail. At the same time， through the introduction of the digital factory architecture， the operation mode and construction process were discussed. Finally， by analyzing the application status of domestic digital factory， the suggestions and future work direction of building digital factory framework were put forward.

Key words： Digital factory; Project management; Collaborative design; Life cycle

随着时代的发展，对于工程项目的要求越来越高，传统工程公司的工作模式受到了巨大的挑战。先进的设计技术、全面的管理水平已经成为制约工程公司快速发展的重要因素。随着工程公司项目管理水平的提高，计算机信息化的发展与推广以及工程公司对项目精细化管理的需求的增加，数字化工厂概念被越来越多的工程公司所接受，并逐步应用到实际管理当中。对于工程公司而言，数字化工厂不仅仅是一种给客户的最终交付物，更加重要的是，数字化工厂是一种全新的项目管理模式与理念，即是对项目数据、信息的全生命周期下的一体化集成管理。数字化工厂管理模式的运用，不仅能将阶段性的决策、建设、改造阶段的工厂信息串联起来，而且在工厂建设阶段，能起到缩短建设周期，节约建设投资的重要作用。数字化工厂对于工程公司以及工厂所有者（即业主）有着不同的意义与作用，本文主要针对其对工程公司的作用为对象展开。

1  数字化工厂[1]

1.1  数字化工厂的定义

工厂的生命周期即是从工厂建厂前的决策与准备阶段至工厂报废或关闭的整个时间段，可以大致分为如下阶段：最初制定计划→可行性研究→项目批准→招投标→初步设计→详细设计→现场施工→竣工验收→开车试运行→投产→工厂运行维护→资产管理→资产报废→工厂关闭。

数字化工厂，广义上指以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。对于工程公司而言，数字化工厂即是以软件为依托，为工厂建立一个全面的电子化数据仓库平台，数据库全面涵盖了工厂设计、改造、更新等各个阶段，能够在整个工程从工程设计开始到工厂退役之间的过程中，有效的管理工厂[2]。

1.2  数字化工厂的优点

项目控制是对工程项目进行科学管理的重要手段，而数字化工廠则为项目控制提供了一种行之有效的运行模式，即以软件为依托，将项目管理转为对数据以及信息的管理，将工作程序转为软件规则驱动下的工作流程，以达到对整个项目的控制。较比传统的项目管理及运行模式，数字化工厂有着以下优点：

（1）涵盖了工厂整个生命周期的数据信息（从决策到设计、施工、改造），对所有数据进行一体化集成管理，是工厂重要的信息资产。

（2）工程信息的有效性、完整性、准确性、可溯性。

（3）有效管理工厂各阶段信息，从而降低工程费用、提高质量和可靠性、缩短项目周期、解决工厂整个生命周期中的安全和环境问题。

1.3  数字化工厂的构架

数字化工厂的数据主体分为两个部分，一部分是工厂本身的设计技术数据（即各专业的设计图纸、文表、计算书以及设计过程中各个专业之间的委托等），另一部分则是过程中产生的大量的文档信息（设计协议、客户提供的文件、项目计划书等各类相关文档文件）。

1.3.1  设计技术数据构架

如果把数字化工厂单纯的理解为设计文件的电子版交付，这样的想法是不正确的，数字化工厂的构架是建立在一体化协同设计的基础上，具体就是各专业协同下的三维设计。下面将以Intergraph（鹰图）公司的软件产品为例，简述三维协同设计构架的建立及工作流程（这里选取Intergraph公司的产品是因为Intergraph是目前国际上比较先进的工程设计及管理解决方案提供商，并且国内外许多工程公司都在使用其产品，使用范围比较广泛，有普遍性。）

三维协同设计是以三维设计软件为基础，串联使用其进行设计的所有相关专业以及部分不使用三维软件进行设计，但是与其有数据流交换的相关专业，达到各专业在同一平台下进行设计与数据交换的设计模式。这里需要说明的是，三维软件的主要使用专业是管道专业、储运专业、给排水专业，这三个专业建模的同时也是设计的过程，并且最后应用软件输出相应的设计文件。结构专业、自控专业、电气等专业在三维协同设计概念下也需要在三维环境建模，但现阶段由于受软件功能以及使用深度的限制，依然是以二维设计为主，对软件应用较好的公司可以做到使用所建立的三维模型输出部分设计文件，如结構的节点图、仪表、电气的电缆量等。工艺专业是上游专业，在协同设计平台下，为保证设计数据的一致性，其他相关专业的设计数据都直接来源于工艺专业（这里主要指管道专业和自控专业）。材控及采购专业是设计的下游环节，数据输入为其他所有专业设计文件中的材料及设备部分，这里管道专业、自控专业、电气专业的设计数据可以通过自身设计软件通过平台直接输入至材控专业进行管理。这样，就通过数据流的连接关系构成了三维协同设计的基本构架，如图1所示。

以SmartPlant Foundation为数据连接及管理平台，构建协同设计的构架，即数字化工厂的设计技术数据构架[3，4]。

1.3.2  文档信息数据构架

数字化工厂文档信息的管理同样以SmartPlant Foundation为数据连接及管理平台。区别于传统的档案式的管理，数字化工厂的管理模式是以数据库为基础，可以做到文档与文档之间的关联以及文档与设计数据之间的关联。例如：某项目P&ID图选中某一设备（10LAA10AC001除氧器），然后可以浏览此设备所在的3D模型、相关文档等，如图2。同时还可以做到文档与工作流的结合，例如审批管理，如图3。

通过设计技术数据构架与文档信息数据构架相结合，最终建立数字化工厂的整体构架。这也是现在绝大多数工程公司在数字化工厂领域的最终目标。

2  国内数字化工厂的应用现状

数字化工厂概念在国际工程公司领域应用较为广泛，但因为国内工程公司引入较晚，并且开发力及使用程度各有差别，导致国内工程公司对数字化工厂的应用有较大差异，大致可分为以下三个级别：

一级：

对于数字化工厂仅仅是概念性的引入，无整体构架或部分构架，仅将其当作最终的电子版交付物。

独立使用三维设计软件，其他专业仍然使用传统的二维设计流程，专业间的数据传递仍以传统的委托形式达到。

无统一的数据信息连接及管理平台，无法达到对工厂数据的全生命周期管理。

无材料代码体系，工厂数据中材料控制流程无法实现[5]。（注：这里特意提到材料代码体系是因为材料控制是对于工程公司来说非常重要的环节，也是数字化工厂管理流程中的重要组成部分。）

二级：

能正确看待数字化工厂概念，有部分工厂构架。

有较为完整的材料代码体系。

除三维设计软件外，使用构架内部分二维设计软件，能达到某些专业间的数据流传递。比较常见的是通过材料代码体系建立材料专业与三维模型，三维模型与材控专业之间的联系，打通材料控制的重要流程。

虽打通部分流程，但依然没有统一的数据信息连接及管理平台，无法达到对工厂数据的全生命周期管理。

三级：

有较为完整的数字化工厂构架。

有较为完整的材料代码体系。

从上游工艺专业开始，能做到各专业间的数据流传递，并且通过软件的规则驱使，保证有效数据的唯一性与一致性。

数据信息通过统一的平台进行管理，做到对工厂信息的全生命周期管理。

现在大多数国内的工程公司暂时还处于一级与二级的使用阶段，数字化工厂构架并不完善或严重缺失，为了促进国内工程公司的国际化，使其能够与国际同行同台共舞，搭建完整的数字化工厂构架并且应用到实际的项目管理与操作当中应是各工程公司应该考虑的问题。

3  搭建数字化工厂构架的建议

数字化工厂构架的搭建任重而道远，需要做好长期的筹划与策划，而且需要项目的检验从而不断的完善，最终形成适合自己公司的工作流程与构架体系。在此给出几点本人对于搭建数字化工厂构架的建议：

（1）首先需要建立一个良好稳定的，有能力的开发小组

一个强有力的小组领导者。开发小组的领导者需要对国内外数字化工厂领域有所了解，并且能够制定公司在这方面未来的蓝图及发展方向，关键时刻能顶住压力做出决策;

一个由信息、设计、材控等专业为核心，以计划进度、费控、文档、财务等专业为辅助成员的开发应用组织;

（2）需要充分合理的利用外部有效资源，避免闭门造车

利用好软件厂商技术人员的技术支持与前瞻引导;

选择有较丰富技术方案和经验的咨询实施服务商，充分利用服务商的优良资源。以很少的人力与财力的投入，缩短开发应用周期;

（3）做好筹划与策划

搭建好具有长期性和稳定性的构架，是取得成功和效果的基础，制定分阶段目标，逐步抓落实是取得成功和效果的关键;

依据公司战略和核心业务，充分研究并参考国内外同行的经验和构架，建立自己的构架和运作模式;

筹划和搭建构架的实施阶段，不能急于求成，更不能跟风总是改变计划，达不到长期指导的效果，如同造船一样，只有骨架搭的牢固，船才能结实;

阶段性的落实分阶段目标，一步一个脚印。同时要有一定的心里准备，数字化工厂构架的建立意味着一定程度上的变革，设计理念的变革、设计程序的变革、专业分工的变革等等，凡是变革就会遇到阻力，技术人员需要时间来认识和转变观念，要做好在压力下工作和在压力下决策的准备。

4  结束语

近几年，数字化工厂概念的引入在工程公司领域引起了一定的变革，在借鉴国外同行先进经验的基础上也丰富了自己的管理方法和手段，并且一定程度上达到了提高设计质量、缩短建设周期、节省项目投资的目的。但是在实际的运作流程与设计理念上和国外工程公司还有着明显差距。所以，在今后几年里，还需要在现有的基础上重视数字化工厂构架的搭建，完善自己的体系与工作流程，努力实现项目设计与管理的优质化、集成化。

参考文献：

[1] 肖龙. 浅谈油气地面建设工程数字化交付[J]. 化工管理， 2018（36）： 218-219.

[2] 樊军锋. 智能工厂数字化交付初探[J]. 石油化工自动化， 2017，53 （03）： 15-17.

[3] 余勤锋. 石化工程企业设计集成系统的构建[J]. 现代化工， 2015，35 （08）： 6-10.

[4] 李其锐. 基于设计集成系统海洋平台项目复用及模块化设计的应用[J]. 中国勘察设计， 2013 （09）： 97-100.

[5] 颜毅. 材料代码在工程项目中的应用[J]. 油气田地面工程， 2011， 30 （09）： 84.