化工工程正向设计和数字化交付的实践与思考

■ 东华工程科技股份有限公司 史骐

习近平总书记指出：“加快数字中国建设，就是要适应我国发展新的历史方位，全面贯彻新发展理念，以信息化培育新动能，用新动能推动新发展，以新发展创造新辉煌。”2020年7月，住建部等13部委联合发布《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，立足于推进建筑业工业化、数字化、智能化转型升级，加快建造方式转变，推进建筑业高质量发展。随着技术的不断发展和国家政策的不断推进，工程建设企业纷纷向数字化转型，建设数字化工厂或者利用数字化技术对产品进行赋能，已经成为行业的共识。本文简要介绍石化化工类工程公司的正向设计原理，探讨工程设计数据流的线上流程，研究正向设计的优势和存在的难点、对数字化交付的影响，并给出一些建议和解决方案。

数字化交付的概念

近年来，大型化工企业都在致力于数字化工厂建设，建设数字化工厂需要的数据大部分由工程公司和供应商提供，包括三维模型、智能PID、智能仪表数据以及建设期各类电子化的图纸文档资料，也就是现在的数字化交付概念。

数字化交付的核心是将工程项目建设期的各项成果数据以及数据之间的关联关系最大限度地保留并形成以位号为核心的数据库。以采用鹰图SP系列软件进行化工工程设计和数字化交付为例，交付的主要数据是智能PID、工厂三维模型、智能仪表数据等，这些数据是各个专业分别设计和发布的，数据之间没有联系，而建立数字化工厂的一个最重要目标就是要将各类数据、图表、文档等建立起关联，方便在数字化工厂平台中调用。

数字化交付存在的问题

在化工行业工程公司常规的设计方法中，需要在数字化交付前重新建立各种关联，一方面是因为在关联时经常会发现大量的位号、数据不一致等问题，大量的修改和关联工作会占用大量的人力和工时。另一方面是因为关联工作的结果是由计算机识别，所以任何微小的偏差都会造成关联的失败，如位号细微的差别（字母大小写、符号不一致）、数据前后对应的数量的不一致以及缺失等，如果业主在数字化交付时建立较为完整的数据检查机制，工程公司就要花费大量人力和工时配合修改，具体项目案例如表1所示。即使业主没有要求，后续的数字化工厂建设方和数据集成商也需要完成上述同样的工作，需耗费大量人力，还可能造成进度拖延。

表1 某项目（非正向设计）数字化交付业主检查问题反馈

基于以上数字化交付痛点，我们在工程设计中尝试采用正向设计，以从根本上解决这个问题。

正向设计的优势

这里的正向设计是指石化化工工程设计领域利用上游工艺专业智能P&ID图纸，作为下游三维设计工作数据源的一种设计方法。提供的智能PID不只是图形，还包含了大量的设备管道数据。与传统的线下纸质或者线上电子版的条件不同，正向设计采用智能P&ID实现真正的数据传递，极大地提高了下游专业数据准确性，也提高了下游工作效率。下游专业调用数据进行设计的过程中自然而然地建立起数据关联，在提高质量的同时，省却了布置管道专业大量手动关联的时间和精力。我们在尝试正向设计的过程中，同时也对全专业建模的职责范围和顺序进行梳理，最大的变化是让设备建模和结构建模工作回到真正的责任专业，不再由布置管道专业来负责，提高了建模的准确性和权威性，真正实现了全专业三维模型协同设计。化工工程正向设计与传统设计的流程区别如图1所示。

图1 化工工程正向设计与传统设计的流程区别

正向设计也让布置管道专业从繁琐的设备管道材料数据录入和核对中解放出来，有时间真正做方案设计和优化，更加注重布置方案合理性，优化管道走向和分布，从而取得更大的效益。正向设计完成后，包含了关联性的三维模型可以直接发布至数字化交付平台，高质量完成数字化交付工作。正向设计相对传统设计方法的优劣如表2所示。

表2 传统设计和正向设计的优劣

正向设计的难点

正向设计虽然具有诸多优点，但现实中推行正向设计却困难重重。从图1中可以看出，正向设计流程变长、接口增多，也增加了设计管理的复杂性，根据多个项目的实施经验看，目前有以下几个主要难点：

一是正向设计从工艺智能PID开始，也就是从数据源头开始，智能PID为下游专业的设计提供数据和依据。智能化PID不只是图纸绘制，还有大量的设备管道数据的录入，工艺专业工作量增加较大，智能PID软件的学习也需要花费时间，使得工艺专业设计人员有一定的抵触心理。

二是就像现在很多人仍然喜欢看纸质图纸一样，下游专业仍然觉得纸质版或者电子版实体条件更为实际。按照工程公司设计管理规定，仍然还需要实体条件，这也是造成正向设计难以开展的重要原因。正向设计流程给传统的设计条件接口管理和专业间的协作流程带来巨大的影响，工程公司相应的设计管理制度都需要调整。

三是正向设计对于工艺专业发布的智能PID图纸质量要求极高。下游专业依据工艺提供的数据进行设计，数据如果错了，下游专业难以发现，也无法矫正，可能一错到底。即使发现问题，也需要工艺修改数据并发布，下游才能继续开展设计工作。如果数据质量不高，导致反复修改，可能造成下游专业三维建模工作根本无法开展，甚至影响进度。

四是国内项目整体建设周期非常短，留给工程公司的设计时间本来就不多，再加上工程公司获得工艺包和外部资料后，还需要工艺专业人员进行消化和修改，并进行工程化的转换，工艺专业还需要在初期给各个专业提供大量的条件，这时根本无法提供高质量的智能PID，更多时候在项目设计结束时，工艺才能完成相关完善的PID。此时三维建模已基本结束，只能后关联。

做好正向设计的几点建议

当前，工程项目周期越来越短、质量要求越来越高，推广正向设计工作不会一蹴而就，需要合适的时机和条件。笔者根据数字化项目工作多年的经验，提出以下几点建议：

一是选择合适的项目。进行正向设计的工程项目最好有基础工程设计阶段，有相对完整的工艺PID图纸，并且PID图纸经过业主方审查，这样的PID转换为智能PID相对质量较高。同时在项目执行阶段初期，要与业主充分沟通，尤其是有数字化交付要求的业主，要充分论述正向设计在数字化交付方面巨大的优势，尽早确定最终的工艺方案，为工艺专业争取更多时间，便于分批提供给下游专业高质量的智能PID。

二是项目进度计划优化。项目的进度计划管理应根据正向设计的特点作出相应调整，工艺专业在绘制智能PID和数据录入时增加了不少的工作量，在计划执行上需要更多的时间，或者需要投入更多的人力。对于下游专业，正向设计对布置管道设计工作有着正向增益，相对可以压缩一定的时间。专业之间做好对接和策划工作，对于项目的30%、60%、90%模型审查阶段，工艺应该提供和发布不同版本和不同深度要求的智能PID，满足布置管道专业的设计需求。

三是管理规定调整。正向设计部分条件完全可以走数据流传递到下游，这与传统设计流程完全不同，但现在的工程公司都有一整套的作业流程和管理规定，数字化的正向设计对传统流程具有颠覆性，需要及时调整相关作业文件和管理规定，在制度上提供保障。当然正像前面所述的那样，需要选择合适的项目，在执行层面也不能“一刀切”，需要寻找合适的时机，可以先在部分项目进行试点，为项目和参与人员提供激励和政策倾斜措施，鼓励采用正向设计。

四是领导决心和设计团队执行力。对于大多数人来说，多年来的设计习惯和设计思维已经根深蒂固了，要改变传统的流程是相当困难的事情，但就像当年甩开绘图板用计算机CAD画图一样，转型阵痛不可避免，不能适应就要被淘汰。因此，领导层要有足够的决心和眼光，适时推进正向设计。对于项目团队来说，正向设计属于部分人增加工作量，但也为下游人员提供了便利，减轻了工作量，避免了过去繁重的手动关联性工作，带来项目整体质量和效率提升。专业之间多一点理解、多一点奉献精神，最终将带来公司整体的提升，从而整体获益。

正向设计流程的数据全部在线上传递，给上下游专业和部门都带来了深远的影响，也是对传统设计理念和设计流程的颠覆。现在可能还没有多少人感受到这种影响，一方面是正向设计在石化化工工程设计行业的真正运用少之又少；另一方面是大多数人还没有认识到正向设计在数字化交付中的巨大收益。这种收益不只是对业主而言，对于工程公司来说，正向设计也带来了设计质量和整体效益的提升，给数字化交付工作也带来了巨大的便利。总之，正向设计未来大有可为。