数字化工厂与数字化交付的技术探讨

文｜中冶京诚工程技术有限公司 张鹤 曹建宁 王永涛 韦彬

0引言

数字化工厂（DF）是实现智能工厂的关键技术，而数字化交付是构建数字化工厂的一个重要环节。数字化工厂与数字化交付已成为现代工程设计领域之中的热门话题，众多的工程企业尤其是设计院，正在谋求以数字化工厂与数字化交付为突破，从而实现新时代下企业的数字化转型。

2018年9月11日住房和城乡建设部发布的《石油化工工程数字化交付标准》对数字化工厂（digital plant）定义如下：“由工程建设阶段产生的数字化静态信息、运营维护阶段产生的数字化动态信息、基于工厂对象的关联关系及信息管理平台构成的综合体”。具体来讲，数字化工厂是汇集工程设计、采购、施工、建造、安装全生命期的信息，形成企业静态数字化资产，在此基础上整合产品生产、产线运维数据，集成生产控制的自动化系统、制造执行的MES系统、生产管理的ERP系统、设备状态监测工具，在计算机虚拟环境中，搭建可同步运转的数字虚拟工厂，实现对历史数据的回溯、实时数据的管理和未来趋势的预测。数字化工厂是实现智能工厂的必经之路，应用数字化设计，构建全厂的数字化模型，整合工程建设各阶段数据，接入实际生产数据，构建与实际工厂一致的数字孪生工厂。

1数字化设计

设计是工程信息的源头，对三维数字化设计来讲更是如此，三维数字化设计阶段产生的模型与信息是数字化交付的基础。对设计院来讲，尤其是大型综合设计院，其业务类型较多，或兼具工程设计与非标设备设计的能力，因此其在数字化设计实施当中，往往会采用不同的协同设计平台与设计软件，也就会产生不同格式的模型与数据。

目前市场上主流数字化设计软件有Bentley系列软件，其软件有Open building designer、Openplant modeler、Prostructures

等；Autodesk系列软件，其软件有Revit、Inventor等；另外还包括AVEVA PDMS、Tekla structures专业设计软件。在数字化交付的背景下，如何保证各平台及软件中产生的模型与数据的一致性与准确性，成了问题的关键。编码平台是将工程设计中用到的材料、设备等物料的属性进行了统一梳理，确定其属性及编码规则，并定制于编码平台内，平台内的物料编码的原则是一物一码，即一类物料具有其唯一的物料编码。例如炼铁设备中，热风炉系统设备的补偿器，其属性包括了：补偿器名称、补偿器形式、通径、轴向位移、横向位移、波纹管材质、介质温度、波纹管长度，其属性被定制于编码平台当中，如图2所示。

图1 数字化工厂实施路线

图2 编码平台

数字化元件库将企业的数字化元件集中存储与管理，设计人员从库内调取元件完成设计内容。数字化元件入库时需满足企业相关的BIM模型标准，如此保证了元件模型的准确性。数字化元件的模型几何精度应根据使用需求进行规定，几何精度指的是模型外观与实际的近似程度，比如一台电机，是否需要把散热结构按照实际完全建模，还是以近似圆柱体进行代替，或者一台自动扶梯的每个梯级是否需要按照实际进行建模，理论上来讲，建模的细致程度是无穷尽的，三维软件中可以参照对象进行完全建模，但这需要耗费大量的时间，并且过于细致的模型对浏览速度造成极大影响，降低工作效率。

数字化元件库内的条目和编码平台内的条目应是对应的，即数字化设计应用的构件都具有其唯一的属性与编码。数字化元件库与编码平台结合，为数字化设计提供模型与属性，可以说编码平台和数字化元件库是三维数字化设计的主数据，在构件级别对几何模型精度与属性信息进行了统一规定，是数字化设计的基础，是数字化交付模型与数据来源的有效保证。

2数字化交付

区别于传统工程以“卷册”为核心的交付体系，数字化交付是指以“工厂对象”为核心，将工程设计、采购、施工、制造、安装等阶段产生的数据，进行结构化处理，建立以“工厂对象”为核心的网状关系数据库，存储于工程数据中心，并基于统一的数据接口完成数据交付，为业主提供可靠的工程基础数据，形成构建数字化工厂的企业静态数据资产。

数字化交付的实现途径如图3所示：

工厂对象是指构成工厂的设备、管道、仪表、电气和建（构）筑物等具有编号可独立识别的工程实体，位号即工厂对象的识别编号，每个工厂对象具有唯一的位号。例如某化工厂内设备位号T1218表示第12车间（或工段）的第18号塔。设备位号在整个系统内不得重复，唯一存在，所有工艺图上设备位号均需一致。目前化工行业基于数字化设计开展的工程设计项目，设计过程中的二维和三维设计数据已实现基于位号的结构性数据集成及多专业协同，同时采用与数字化交付配套的文档系统实现了基于位号的非结构性设计文档、供应商文档关联，在交付时向业主整体移交数据库。

数字化交付的核心包括三维模型、数据、文档及其关联关系，因此，企业应建立交付标准应对三维模型、数据、文档及其关联关系做出规定。设计阶段产生的模型、数据、设计图纸、计算书，采购阶段的装箱清单、使用说明书、质量证明文件，施工阶段的各种施工记录、试验报告、验收报告等，均属于交付的范畴。在数字化交付的条件下，不仅仅是将这些文档转成PDF存储起来，为便于文档内容的索引，还应需要处理文档和工厂对象的关联关系。数字化交付条件下需要完整的文档编码系统，来适应文档分类管理与查询的要求。

3数字化工厂

图3 数字化交付原理

图4 数字化工厂实施途径

建立数字化工厂平台，以三维模型为载体，将数字化交付的各阶段数据整合并可视化地展示出来，从而构建出与现实工厂完全一致的数字化模型。在数字化模型的基础上，整合基础自动化模型、过程控制模型、工艺参数模型，构建与实际生产流程、设备和工艺一致的数字孪生模型。进一步，以数字化平台为基础，通过信息交换获取企业的生产管理（MES），能源管理（EMS），设备管理，物流管理等信息化系统的信息，采用不同的图层和场景展现不同业务数据，更直观的协助公司各级调度管理人员及时掌控企业生产运营信息，满足公司各级管理人员需要。

数字化工厂平台的实现途径如图4：

在三维数字化工厂平台中，工厂的各个车间、设备、部件、管道、仪表、阀门等的运行参数与BIM模型进行关联和绑定，可以实时查询其设计参数和运行参数。可以以图层的形式管理不同类型的数据和BIM模型的显示状态，如专门显示仪表信息的仪表层，同时还有人员层、设备层、巡检层、报警层、监控层、建筑层、管线层、物流层等。在不同的数据层的基础上，定制工厂的数字化运维需求，如：工厂综合展示、资产的透明化管理、智能设备运维信息集成、全场物流调度管理、智能管网安全监控管理、浸入式培训操作考核、应急演练仿真、三维生产工艺监控和模拟等。

图5 数字化工厂信息展示

4 结语

工程设计、采购、施工、建造、安装等阶段产生的各种工程数据是数字化工厂的原始基础，是实体工厂的真实反映，通过数字化交付工作，构建与现实工厂完全一致的数字化工厂，在完整的数字孪生应用场景中，构建具备自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等能力的新型生活和生产方式，实现数字化向智能化迈进。