化工项目集成设计和数字化交付技术的研究

＊蒋 飞

（中国成达工程有限公司 四川 610041）

引言

随着新一代信息技术迅猛发展，发达国家纷纷启动“再工业化”战略，重塑制造业新的竞争优势。迎接挑战，转变发展方式，“智能制造”成为国家重点战略，“信息化和工业化的深度融合”是实现这一战略部署的核心主线。化工行业的未来发展方向是建设数字化和智能化工厂。

在化工装置生命周期中，设计、采购、施工等数据信息是静态的工厂数据，基于这些静态数据加之运维过程中产生的实时动态数据，辅以三维工厂模型虚拟现实技术的运用，则共同构成了完整的数字化工厂。

1.传统化工项目设计局限性分析

(1)传统设计模式的局限性

工程项目尤其是化工项目，具有投资规模大、建设周期长、多专业协作等特点，工程设计是工厂生命周期中最重要的一个阶段。传统的设计模式中，各专业虽然也采用计算机辅助设计工具，但软件相互独立，且人工以纸质文件或邮件形式进行数据的传递和整合运用。

随着项目大型化和复杂化程度越来越高，数据信息的传递数量级呈几何倍数增长，上述设计模式表现出三大缺点：人工错误率高，设计质量得不到保证；效率低下，影响项目建设进度；工程数据和文档零散储存，关联性差，数据难以得到有效管理和运用。

(2)传统设计成品交付的局限性

化工项目过程中，会产生海量的数据和文档，传统的设计成品交付是以纸质媒介为载体向建设单位（业主）移交文档，海量的设计数据记载在纸质上，交付过程繁杂，易错率高，设计成果复用困难。随着计算机技术的发展，交付手段一定程度得到了更新，电子化文件交付成为工程文档交付的辅助方式。

电子化文件在设计完成后移交给业主使用，文件在移交后基本与设计方“脱钩”，这些电子化文件一般为“只读”文件，无法修改；并且文件相互独立，关联性差，数据质量得不到一致性验证，信息查询困难。所以，电子化≠数字化，工程公司交付的数据质量和关联性制约着业主运营阶段的数据使用效率。

2.工程公司的数字化交付目标

面对以上两个挑战，为打造工程公司核心竞争力，迎接国际市场挑战，加快实现国际性工程公司的战略步伐，跟随国家总体“智能制造”战略，工程公司应该构建以数据库为核心的工程设计集成系统，用信息化、数字化和集成化等技术与手段构建协同工作平台；在统一的平台上进行全专业三维协同设计，实现三维工厂模型、工程文档和属性数据的关联集成；从而提高设计质量，加快项目进度，最终实现工程数字化交付的目标。

3.集成设计和数字化交付技术原理

(1)化工项目建设过程中数据的内在关联性

一般情况下，化工项目建设由多专业协作完成，涵盖的主要专业有工艺系统、设备、管道、仪表、电气、给排水、总图、建筑、结构、暖通等。传统设计方式存在天然“专业壁垒”现象，表现在：

①设计信息在各专业间的传递依靠人工，信息传递可靠性差，甚至出现信息传递不及时和错误。

②各专业设计采用各自专业软件，项目执行过程中出现各种电子数据和文件，工厂信息存储和管理在不同独立的系统中，无形中形成一个个信息孤岛，系统间缺乏有效的数据关联。

例：工厂中一台设备物料输送泵，在它的整个生命周期中关联了很多信息数据，比如工艺流程图（工艺专业），产品规格书（机泵专业），三维模型（布置专业），采购合同（采购专业），维修信息（工厂运维）、并与连接它的管道、仪表产生关系。传统设计方式中，这些信息各自孤立，数据存在于各个应用软件或孤立的文档中，信息在交付业主后，工程数据缺乏有效管理和更新，难以被业主重新利用和进行运维方面的应用搭建。无论是项目EPC执行过程，还是工厂运维管理，这些工厂信息数据的高效管理和运用将为企业带来巨大价值，同时也对建设阶段全方位收集和管理基础工程数据提出了现实需求。

(2)什么是集成设计和数字化交付技术

随着网络信息技术的发展，集成设计和数字化交付技术应势而生。集成设计技术在统一的工厂设计平台进行数据集成，各专业/系统实现数据共享和协同设计，按照实际的工作过程建立平台数据流转程序、保证专业间设计数据流向的正确。每个专业接受与本专业相关的上游数据，发布本专业设计数据，确保数据的正确性和一致性。针对上游专业更新的数据，平台系统实现自动更新与本专业相关的数据，无需手工再次输入，减少了二次输入的人为错误。

数字化交付技术则是在集成设计基础上，建立一个全面的化工装置工程信息库，包括工厂结构分解、工程对象属性、工程文档和工厂三维模型。数据、文档和三维模型共存于一个系统平台中，其间相互关联，便于查询和管理。

在工程完工后，工程总承包公司将EPC各阶段收集的数据、文档和三维模型和相互关联关系，以计算机数据库形式向业主实现工厂数字化移交。

图1 以智能设计工具为基础的集成设计和数字化交付技术

(3)集成设计和数字化交付的关系

本文讨论的集成设计和数字化交付技术，主要应用于石油和化工装置/工厂在设计（E）、采购（P）、施工（C）各阶段产生的工程数据、文档和三维模型的产生过程及其综合管理。

在化工装置/工厂的整个生命周期，EPC各阶段产生大量的工程数据信息，通过构建一个统一的“数据仓库”，将工程公司、分包商/供货商在工程各阶段产生数据信息进行收集、整理和运用。同时，这些数据信息移交给业主后，业主在“数据仓库”上进行功能扩展，把工程数据信息应用到运营和维修上。

通过以上分析，集成设计是设计手段或方法，数字化交付则是集成设计的必然结果；再则，根据化工装置数据特点，在实现数字化交付上，集成设计具有天然的数据关联性，是实现数字化交付的最佳方法。因此，集成设计和数字化交付技术相辅相成，两者合二为一，既是一种多专业协同设计方法，也是一种以信息数据为基础的数字化工厂设计交付方案。

(4)集成设计和数字化交付技术要点

①制定设计标准，数据信息收集的规范化

数字化交付的基础是统一的数据规范标准。工程公司要结合自身实践经验，在传统工程设计规范的基础上，以信息化的思维，对化工装置工程数据、工程对象、交付内容、编码规则、命名规则、交付内容、交付深度等及其间关系进行科学划分和定义。

在包含多套装置的大型化工项目中，多家工程公司/设计院、施工方共同参与，项目竣工后面临海量信息数据的移交。因此，事先为这些信息数据的移交制订统一的移交方式和规范显得尤其重要。通过统一的文档命名规则、工具软件模板、工厂对象编码规则，数据字典等配置，使项目数据和文档的标准化得到有效控制。

②建立全专业三维协同设计平台，实现多专业的统一性和协作性

全厂三维协同设计，全方位覆盖工程项目设计涉及到的各专业，包括设备、管道、结构、建筑、暖通、电气、仪表等多专业在同一个三维平台进行协同设计、同步建模。在设计阶段解决专业之间的碰撞，通过模型统计施工材料，抽取施工图纸。逼真的三维可视化工厂模型实现了多专业工作平台统一性和协作性，实现数字化工厂与真实工厂的一致性。

在三维协同设计平台中，辅以大量结合工程实践经验的的软件二次开发和智能化应用，为化工项目建设在提高设计效率和质量、材料管理、施工管理等环节提供了信息化管理数据支撑。

③建立化工项目集成设计和数字化交付平台，实现工厂数字化交付

工程数据基于标准化的定义和主数据库在该平台上验证和存储，工程属性、文档和三维模型有机组织在一起，以数据仓库的形式向业主实现数字化交付。

传统的设计方式，工艺、系统、仪表、管道、设备、电气等专业间数据重复录入、缺乏关联性，易产生人为错误。集成设计，各专业在集成设计平台上按照设计流程协同工作，工程数据基于标准化的定义和主数据库传递、校验、存储。极大地提高了工程设计数据质量，避免了设计返工。

图2 工程公司集成设计和数字化交付平台

项目完工后，工程数据、文档和模型有机组织在一起，以数据仓库的形式向业主实现数字化交付。

4.集成设计和数字化交付技术实施成果

笔者任职的公司是一家国内最早由设计院改制而来的工程公司，坚持不懈走市场化道路，通过“走出去，引进来”大力拓展国际工程业务。在工程信息化建设方面也一直走在行业前沿，积极引进、消化、吸收和再创新国际先进的工程设计技术。早在2002年，从参与中海壳牌南海项目中就深刻认识到数字化技术是工程交付的发展方向；2012年，公司在执行沙特沙比克总承包项目时，引进集成设计技术，迈出从三维协同到数据集成的关键一步，该项目在14年顺利完成数字化交付，公司也是国内最早实现化工装置数字化交付的工程公司之一；其后，公司利用集成设计和数字化交付技术优势，在万华、华谊等多个大型化工集团项目中承担数字化交付总体设计服务单位重要任务；最近，公司承接了巴斯夫湛江一体化项目的数字化总体设计工作。

总结众多的数字化项目，分析集成设计和数字化交付技术在各个项目的执行情况，其主要优势在以下两个方面：

(1)设计方式的优化

表1 集成设计与传统设计的对比

从设计方式来说，数字化集成设计与传统设计最大的区别在于数据的统一性和一致性。集成设计中枢是数据仓库平台，各专业向以工程对象为核心纽带，向数据仓库平台发布数据。过程中，各专业又按需所取，实现了不同专业间的数据同步和共享。

(2)交付方式的进步

从交付方式来说，数字化交付技术将EPC各阶段工程数据以统一信息平台的收集、整理并移交，为业主数字化工厂应用打下基础。

过去的工程项目文档资料的交付是原始低效的纸质文件。这种传统的交付方式不仅交付过程复杂，总体效率较低，而且交付数据的后期复用也非常困难。

随着信息技术的不断发展，目前国内工程项目的主流交付方式是以电子文档形式交付，包括设计图纸、数据表、扫描文档、厂商资料等等。这种电子文档交付方式在一定程度上提高了数据的可重用性，但项目参与方的电子文档质量参差不齐，数据一致性和关联性很差，这种情况仍然限制了业主在运营阶段对数据的复用。较之现行纸张或电子化交付方式，数字化交付极大地满足了工厂运维对工程设计数据的应用需求；数字化交付工程数据与生产实时数据的后期集成，为智能工厂的实现提供了数据基础。

表2 数字化交付与传统工程文档交付的对比

5.结论

在工厂全生命周期中，工程信息数据在专利商、工程公司、营运商之间无缝流转，统一在数字化平台上收集、记录和修正，这将是不断优化工程建造的宝贵财富。集成设计和数字化交付技术的应用前景广阔，高度契合且积极践行国家“智能制造”“两化融合”的发展理念和国家战略，将有越来越多的化工项目按此执行和交付，对智能工厂的建设具有重要推动作用。随着新一代信息技术及智能化软件在工程建设领域的广泛应用，推进数字化设计、数字化交付、建设数字化智能工厂已成为化工产业发展的必然选择。工程公司作为技术密集型行业，理应顺应历史发展需求进行服务方式的升级，集成设计和数字化交付将为工程公司转变发展方式带来深远影响，也为化工行业实业工厂的数字化营运带来无限可能。

6.存在的问题和改进方向

工程项目交付未来的发展方向是基于云技术的工作平台，业主、工程公司、供应商等项目相关方在同一个平台上共同完成设计和数字化交付工作。通过使用统一的平台，数据创建过程完全可视；通过云技术实现数据的动态管理和无缝交付。未来的云工作平台交付方式可以极大提升数据标准化程度及交付效率。但是由于工程各方IT基础架构和软硬件水平的制约，受限于项目实际情况和云平台的技术成熟度不足，尤其是安全问题还没有恰当地解决，云平台方案实现难度较大。对此，工程公司应尽早规划，进一步做好云平台设计的技术储备，与业主共同打造云上“数字工厂”，推进化工企业数字化转型升级。