數字化工廠移交系統在油氣田工程建設中的研究和應用

張鋒 江飛 董江潔 李英杰 王偉 王佳佳 崔新強

1新疆油田公司采氣一廠

2新疆油田公司

數字化移交是在先進的管理理念的指導下，形成一套完整、切合油氣田地面建設工程實際業務的集成規劃軟件系統，通過應用互聯網、物聯網、大數據以及云計算等技術，整合油氣田地面工程建設資源，優化油氣田地面工程建設業務流程和信息，為工程建設管理人員提供及時、有效的數據，為系統管理人員提供一個功能強大、操作方便的信息化處理平臺，使油氣田地面建設工程更加有效、規范、迅速和系統[1]，同時通過數字化移交為生產單位的各種生產系統（例如管道與場站完整性管理系統）提供完整的基礎數據，真正實現數據的全生命周期流轉和使用。

1 研究內容

根據油氣田工程運維期各業務領域的運行數據需求（例如管道與場站完整性運行管理）和統一的業務主數據，研究工程建設期信息模型技術規范和信息模型管理規范等內容，以便指導工程數字化全過程管理和數字化移交。

結合EPC項目和業主實際需要，收集和整理涵蓋設計、采購、施工各階段的各類資料和數據，統一相關標準和要求，形成完整的數字工程資料倉庫和數據倉庫，這些倉庫是數字化管理和移交的基礎和前提。

按照油氣田地面工程建設的各階段，研究油氣田地面工程數字化全過程管理技術：方案設計數字化管理、勘查設計數字化管理、概預算數字化管理、采購數字化管理、設備數字化管理、施工數字化管理、監理數字化管理、竣工驗收數字化管理等。

（1）方案設計數字化管理：需要考慮如何與工程技術研究院現有的設計協同管理系統集成，以推送文件并獲取成果文件。

（2）勘查設計數字化管理：兼容各類設計軟件；移交所有設計文件、三維模型等，為實現工廠模塊化預制做好準備。

（3）概預算數字化管理：需要考慮如何與概預算部門現有的系統集成，以推送或獲取需要的數據。

（4）采購數字化管理：根據設計移交內容，可在平臺完成工程量采購，需要考慮如何與現有系統進行集成。

（5）設備數字化管理：可在平臺查看設備的設計資料，查看設備的采購和施工進度。

（6）施工數字化管理：在平臺上完成現場施工管理，實現施工階段的文件資料、數據的采集和移交。

（7）監理數字化管理：在平臺上完成監理管理、現場監理。

（8）竣工驗收數字化管理：在平臺上移交竣工驗收所需資料。

與油氣田地面工程建設數字化全過程管理相關的設計、施工數字化移交技術包括數字化工廠建模技術、三維可視化技術、信息安全技術和系統集成技術等。

2 系統關鍵技術

2.1 建設期一體化管理

從油田的全生命周期的“閉環管理”出發，實現EPC各單位協同工作、基于統一數據標準的數字化移交、基于大數據平臺的數字化管理，亦即在項目之初就搭建一個各方都能參與的數據共享平臺，所有參與方均在同一環境下工作（圖1）。

圖1 數據共享平臺Fig.1 Data sharing platform

云服務是平臺建設中的基礎設施部分，使用云平臺，將項目參與各方連接起來，解除企業間的通信障礙。

2.2 采用先進的國際標準

引用先進的國際標準作為平臺建設的理論依據。基礎設施行業目前有兩個最主要的國際標準：針對流程工廠中工藝的ISO15926 和針對建筑模型的IFC。依據這兩個標準制定油氣田地面建設工程的業務主數據引用庫（RDL），使地面工程全生命周期內的所有系統能夠進行無縫數據交換。

2.3 先進的工程集成設計系統

如圖2所示，工程設計經歷了圖板設計、二維CAD 設計、三維CAD 設計，以及集成設計系統等多個階段，由于設計是后續所有工作的源頭，因此，設計階段所采用的技術手段也就決定了后續工作中能否直接利用其成果進行數字化管理。

當前，各設計系統軟件廠商都推出了先進的集成設計系統，為工程數字化設計提供了非常好的手段。集成設計系統的主要優點包括：

（1）更加直觀的設計使計算機自動完成工程的錯、漏、碰、缺檢查，減少現場施工過程的返工。

（2）集成設計平臺的布置設計按照1∶1 進行場站設計，使材料統計更加精確、數量更加準確，確保后續的概、預算更加準確、精細。

（3）相比較于傳統的紙質文件僅能從圖面上獲取信息，設計集成系統具有更加豐富和詳細的設計數據。例如：系統的拓撲關系、設計屬性等，這些數據存放于數據庫系統中，一方面，可以在計算機協助下進行更加智能和高效的統計和分析工作；另一方面，這些數據可以直接傳遞給下游的采購、施工、調試及生產部門，確保了數據入口的單一性，保證數據的唯一性和一致性。

圖2 資料在線共享查看Fig.2 Material online view-sharing

2.4 三維可視化技術`

在傳統的項目實施過程中，設計院提供給下游的圖紙均為二維格式，另外由于設計院所使用的設計工具過于復雜，造成后期的施工、監理以及業主無法直接參與前期的設計過程，也無法直接利用三維模型進行后期的施工管理。因此，采用一種易于用戶使用的三維可視化技術為所有用戶在通用環境（無需安裝特定軟件）下使用成為一種必然趨勢（圖3）。

3 應用效果

3.1 文件自動歸檔

參建單位協同工作，基于統一數據標準的數字化移交和大數據平臺的數字化管理，參考普通紙質文件資料的歸檔要求，在數字化工廠移交系統中建立相應的文件目錄，文件產生之后即上傳至數字化工廠移交系統平臺，一方面可以有效地進行資料整理和共享，另一方面在項目竣工驗收完成后，所有文件自動歸檔，最終形成有序的電子文檔進行移交歸檔。

3.2 高效的數據采集

根據油氣田工程運維期各業務領域的運行數據需求（例如管道與場站完整性運行管理）和統一的業務主數據，制定數字化移交標準，在設計階段按照標準對三維模型、智能P&ID 進行數據屬性填寫，通過數字化工廠移交系統對三維模型、智能P&ID 的數據進行解析收集，為工程建設管理人員提供及時有效的數據[2]。

3.3 關聯關系

圖3 三維可視化二三維聯動Fig.3 3D Visulation and 2D and 3D association

油氣田工程實施期間會產生大量的文件，其通過數字化工廠移交系統平臺自動歸檔。這些文件包含設計文件、采購文件和施工文件，每個文件的內容涉及一個或者多個模型對象。數字化工廠移交系統平臺可將指定模型的相關設計文件、采購文件和施工文件進行關聯，同時在查看模型時也會顯示簡要的設計屬性、采購屬性和施工屬性，是一個功能強大、操作方便的信息處理平臺（圖4～圖6）。

3.4 數據整合校驗

圖4 三維模型對象的關聯關系Fig.4 Incidence relation of 3D model object

圖5 三維模型智能推薦關聯關系Fig.5 Intelligent recommendation incidence relation of 3D model

圖6 對象關聯關系Fig.6 Object incidence relation

油氣田工程周期較長，參建方較多，數據量較大，數據來源也同樣涉及多個單位、多個部門。把數字化工廠移交系統平臺歸檔的文件、采集的數據，進行文件與模型的關聯，三維模型與二維圖紙的關聯，屬性表格與模型、圖紙的關聯，達到文件、模型、圖紙、屬性相互對應，以便在后期運維中提供更完整的數據信息。為了確保關聯關系的準確性，數字化工廠移交系統平臺內置了數據校驗機制，一方面協助進行更加智能和高效的統計和分析工作；另一方面，這些數據直接傳遞給下游的采購、施工、調試及生產部門，從而保證數據的唯一性和一致性。

4 效益評價

4.1 經濟效益

油氣田工程的數字化工廠建設，利用數字化工廠移交系統平臺強大的數據收集和處理功能，促進管理模式的調整，降低溝通成本，提高獲取數據及信息的效率及質量。通過系統模型模擬現場裝置布置情況，尤其是設備、管道、儀表、閥門的構成，為生產運維、現場管理提供了強有力的數據支撐。當需對設備檢修更換時，可單選平臺中的模型查看相應信息，并對同廠家的同類設備進行預判檢查，應用平臺的截圖功能可直接與施工單位交底，準確清晰，不僅不用花費大量的時間翻閱海量的資料，而且可以預判同類型設備是否也需要檢修，而不是等到事故發生后才去檢修，為安全生產運維提供了強有力的保障，從而顯著提高經濟效益。

4.2 社會效益

數字化平臺是智能工廠的核心，是數字工廠模型的載體，在油氣田地面工程建設中，數字化、智能化、智慧化工廠成為必然趨勢，大量三維復雜場景和智能圖檔需要有效的集成關聯，數字化工廠移交系統平臺在實際運用中發揮了起承轉合的作用，有助于油氣田地面工程建設的順利開展。

數字工廠是數據和實物資產間的全新紐帶，如同互聯網改變了人與人的互動一樣，數字工廠將會改變數據與物理工廠的互動[3]。數字工廠是智能工廠的一項關鍵基礎設施[4]，它為我們搭建了一個廣闊的技術平臺，將持續催生出尚不為人所知的新應用、新的商業模式，甚至新的產業[5]。

數字化也是國家積極鼓勵發展的產業方向，可促進油田產業結構升級，與我國可持續發展戰略相統一[6]。

5 結束語

為了能夠使工廠運維期更好地繼承建設過程產生的數據，需要在工程建設前對數據的內容和形式做出規定，以減少信息的遺失和截流，充分發揮信息化的社會效益。將工程中產生的、計算機能夠處理且運行維護需要使用的數據，以便于系統實施的方式移交給業主/運行方，使其在得到一個物理工廠的同時得到一個數字工廠。

數據移交是油氣田地面工程業主投資使用的重要組成部分，其最佳實現方式是盡早建立數據“合作”環境。為在油氣田地面工程的數據移交、互用、分析上形成共識，規范化數據移交方法，需在工程建設前期制定各項統一技術規定、統一數據標準，為運維期的數據利用打下堅實的基礎。