文|张鹤 陈馨
住房和城乡建设部2018年9月11日发布的《石油化工工程数字化交付标准》对数字化工厂(digital plant)定义为:“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。
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,因此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OpenBuildings Designe、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 等专业设计软件。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,成为问题的关键。
图1 数字化工厂实施路线
对此,可以通过搭建编码平台将工程设计中用到的材料、设备等物料的属性进行统一梳理,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。物料属性被定制于编码平台当中,编码平台向各个设计平台和软件提供唯一编码。
建立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,也是数字化交付模型与数据来源的有效保证。
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2 所示。
图2 数字化交付原理
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。
数字化交付的实施需要依托于系统或平台来实现,将需要交付的模型、数据、文档等,以标识码作为工厂对象的唯一标识,在平台中建立起模型、数据和文档之间的网状关联关系,从而才能将各阶段的模型、数据等转换成可被直接应用的数据资产,此外,平台应提供基础的静态数据服务。AssetWise 是一款优异的交付平台,可以将ProjectWise 上的模型与数据无缝传递至平台内,并且可以承载大体量的模型与数据,可胜任厂级项目的交付与静态数据应用。
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,更直观的协助企业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3。
图3 数字化工厂实施途径
图4 数字化工厂信息展示
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。
多年前,中冶京诚工程技术有限公司EPC总承包济源高速线材生产线项目,为业主交付了实体工厂,在全球信息化环境的影响下,业主对生产线运营有了新的需求。基于BIM 技术构建虚拟的数字孪生工厂,整合生产过程、设备状态、物流、能源等各种信息,将数字工厂与现实工厂相结合,实现三维可视化全过程管理。
数字化模型是数字化工厂的基础,建立数字孪生工厂,首先需要重构数字化模型。虽然济源高线由京诚公司设计施工,但由于时间久远资料缺失,且工厂多次改造,加大了重构数字化模型的难度,如何复现已有工厂,是京诚公司面临的第一项任务。高线生产线流程复杂、信息多元、数据众多,如何将构建的数字化模型与数据有效结合?是公司面临的第二项任务。有了全新的交付模式和交付内容,如何能更好的将交付物为业主所用,提升企业综合运营效率,提高企业的管理和运维水平,这是公司面临的第三项任务。
为真实还原现实工厂,京诚公司应用了在役工厂数字化重构技术,将实景建模与二维图纸建模相结合,利用无人机拍摄照片分组导入实景建模工具,从而生成三维数字实景模型。同时,利用已有二维图纸将其转化为三维数字化模型,在建模过程中还应用了公司自主研发的CERI 数字化设计工具软件集,极大的提高了建模效率,高效的将现实世界以数字化的方式表达,构建了满足数字化工厂需求的数字化模型。
依托AssetWise 平台进行开发与定制,建立适合于冶金工程的工程数据中心InfoWiseTM,搭建起济源高线项目的数据仓库,有效收集和整合项目的相关数据,构建以“对象”为核心的“网状”数据模型,并通过统一接口生成数字化资产进行统一交付。
基于iTwin 平台打造数字孪生工厂平台,集成工厂现有制造执行系统、能源调度系统等各系统信息,突破原有IT 数据架构,解决信息孤岛问题,挖掘利用结构与非结构数据,整合车间内各种系统,完成高线车间全流程质量控制与运维管理。例如将数字孪生工厂应用于车间生产调度管控、工艺仿真监控、设备运维管理、管网安全监控、故障报警与处置、人员模拟培训等。
基于iTwin 平台的开放性、可信性、安全性和强适应性,打造标准化的数字孪生平台,并根据不同的业务需求,个性化定制数字孪生钢铁工厂、数字孪生水厂、数字孪生建筑等产品,从而满足不同客户的个性化功能需求。
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。