石油化工二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要 通過對(duì)不同基礎(chǔ)架構(gòu)的對(duì)比研究，確定了滿足總體目標(biāo)和主要功能需求的二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)軟件架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于多專業(yè)協(xié)同的核心功能架構(gòu)，最終完成了二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)的總體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 二維協(xié)同設(shè)計(jì);軟件架構(gòu);設(shè)計(jì)對(duì)象管理

國(guó)內(nèi)外業(yè)主對(duì)于數(shù)字化、智能化工廠發(fā)展方向的追求越來(lái)越迫切，數(shù)字化交付已被作為一項(xiàng)工程競(jìng)標(biāo)的門檻攔在各工程公司面前。數(shù)字化交付是數(shù)字化、智能化工廠的輸入和基礎(chǔ)，而從設(shè)計(jì)階段就采用數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)是滿足數(shù)字化交付要求的最佳途徑。這一方面促使工程公司在產(chǎn)品的交付上花大力氣去滿足數(shù)字交付的各種要求以免在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，另一方面，可以倒逼工程公司去考慮如何提升其工作效率、工作質(zhì)量，來(lái)進(jìn)一步提升公司的內(nèi)在競(jìng)爭(zhēng)力。

而在工程公司內(nèi)部，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中各專業(yè)間數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致專業(yè)間數(shù)據(jù)的不一致;各專業(yè)使用的專業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)軟件也越來(lái)越多，缺少一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理平臺(tái)，因此我們需要一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，來(lái)對(duì)所有的設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行管理，保證專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)不同設(shè)計(jì)文件間數(shù)據(jù)的一致性。

1功能要求

1.1 總體目標(biāo)

根據(jù)當(dāng)前石化工程建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際需求，可將協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)分為二維與三維兩個(gè)部分：二維設(shè)計(jì)平臺(tái)以工藝設(shè)計(jì)為核心，集成工藝、儀表、電氣、動(dòng)/靜設(shè)備、管道材料、其他具有一定工藝性的專業(yè)（暖通、給排水等）的二維邏輯設(shè)計(jì)，以及采購(gòu)詢價(jià)文件管理與供應(yīng)商返回?cái)?shù)據(jù)接收等，以建立項(xiàng)目中所有設(shè)計(jì)對(duì)象的二維屬性數(shù)據(jù)集為目標(biāo);三維設(shè)計(jì)平臺(tái)以配管三維模型設(shè)計(jì)為核心，集成結(jié)構(gòu)、建筑、給排水、消防、暖通、儀表、電氣、電信等專業(yè)的三維設(shè)計(jì)，以建立全廠三維模型為目標(biāo)。考慮到在實(shí)際項(xiàng)目中三維與二維設(shè)計(jì)基本同步開展，而非在二維數(shù)字化設(shè)計(jì)文件的基礎(chǔ)上開展三維設(shè)計(jì)，因此還需要開發(fā)二維與三維數(shù)據(jù)校驗(yàn)系統(tǒng)與工作程序，確保二三維一致性。

1.2 需要重點(diǎn)解決的問題

以往的平臺(tái)型設(shè)計(jì)軟件未實(shí)現(xiàn)真正的協(xié)同設(shè)計(jì)，除軟件本身功能不足以外，還有以下幾個(gè)問題需要解決：

（1）數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)的第一個(gè)關(guān)鍵步驟就是準(zhǔn)確而高效的數(shù)據(jù)輸入。鑒于目前的實(shí)際情況，將項(xiàng)目開始階段的設(shè)計(jì)輸入條件依靠人工輸入，在進(jìn)度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性上難以接受。

（2）版本與工況管理。石化設(shè)計(jì)是一個(gè)逐漸深化的過程，版次管理必不可少。除了需要支持所有數(shù)據(jù)的版次管理，對(duì)于工藝設(shè)計(jì)，工況的增減與工況參數(shù)的變化必須得到跟蹤、記錄與權(quán)限控制。

（3）設(shè)校審管理。設(shè)計(jì)工作至少需要經(jīng)過設(shè)校審三個(gè)質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。因此，平臺(tái)軟件需要實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)環(huán)節(jié)的全面管控。對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)變更的跟蹤、記錄與權(quán)限控制，是實(shí)現(xiàn)設(shè)校審管理的基礎(chǔ)功能。如果設(shè)計(jì)軟件沒有對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)的變更管理功能，所有輸入的數(shù)據(jù)都默認(rèn)為正確的，則只能作為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)而無(wú)法成為真正的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

（4）條件管理。石化設(shè)計(jì)是多專業(yè)協(xié)同過程，專業(yè)間條件提交，包括簽發(fā)、簽收、時(shí)間節(jié)點(diǎn)、條件流向、條件變更、成品會(huì)簽等，都需要通過設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行管理。

（5）用戶界面。各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)習(xí)慣于在各自的工作界面中工作，這直接決定了設(shè)計(jì)人員的工作效率。因而要求協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的用戶界面具有定制靈活性。

（6）專業(yè)設(shè)計(jì)軟件的適用性。對(duì)于工藝、儀表、電氣等專業(yè)，與其他專業(yè)的數(shù)據(jù)界面較多，二維邏輯設(shè)計(jì)工作內(nèi)容占比較大，需要設(shè)計(jì)平臺(tái)提供適用于這些專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)接口。

（7）軟件商技術(shù)支持。各軟件商國(guó)內(nèi)技術(shù)力量的強(qiáng)弱，對(duì)客戶技術(shù)開發(fā)的支持力度，決定了基于二次開發(fā)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)進(jìn)度與完善程度[1]。

2基礎(chǔ)架構(gòu)選擇與測(cè)試

2.1 基礎(chǔ)架構(gòu)選擇

在目前的石化工程設(shè)計(jì)軟件市場(chǎng)中，主要有鷹圖、AVEVA和COMOS三家軟件商提供了較為全面的各專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，這些專業(yè)設(shè)計(jì)軟件在現(xiàn)有的項(xiàng)目中已有不同程度的應(yīng)用，同時(shí)他們也提供了各自的協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)軟件。

根據(jù)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的總體目標(biāo)，綜合考慮需要重點(diǎn)解決的問題，我們對(duì)可行的二三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行了梳理，最終選擇了以COMOS軟件為基礎(chǔ)的架構(gòu)。

圖1 二三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)COMOS基礎(chǔ)架構(gòu)

COMOS架構(gòu)以西門子公司發(fā)行的COMOS設(shè)計(jì)軟件作為基礎(chǔ)架構(gòu)，COMOS Platform擔(dān)任整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成管理角色。其中，工藝專業(yè)可以使用COMOS P&ID模塊進(jìn)行管道儀表流程圖的設(shè)計(jì)和設(shè)備、管道、儀表工藝數(shù)據(jù)的管理，并出版相關(guān)的數(shù)據(jù)表和一覽表等設(shè)計(jì)文件。儀表專業(yè)可以使用COMOS I&C軟件進(jìn)行儀表規(guī)格數(shù)據(jù)的管理和規(guī)格書的輸出，并進(jìn)行相關(guān)的控制邏輯圖的設(shè)計(jì)。電氣專業(yè)可以使用COMOS Electrical模塊進(jìn)行電氣負(fù)荷計(jì)算和接線圖的設(shè)計(jì)。其他專業(yè)可以在COMOS中定制工作界面進(jìn)行本專業(yè)二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理。在三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域，由于西門子在石油化工設(shè)計(jì)方面沒有通用的三維設(shè)計(jì)軟件，但提供了西門子開發(fā)的COMOS/PDMS接口插件用于數(shù)據(jù)的匹配和傳遞，因此選擇了AVEVA PDMS/E3D軟件作為多專業(yè)三維布置設(shè)計(jì)軟件。

與其他架構(gòu)不同，在COMOS架構(gòu)中，各專業(yè)使用的是COMOS軟件的不同內(nèi)部模塊，這些模塊相當(dāng)于面向不同專業(yè)的前端界面，其后臺(tái)均使用COMOS Platform作為同一個(gè)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。因此在架構(gòu)圖中可以看到，除三維設(shè)計(jì)軟件外，二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)各專業(yè)的應(yīng)用模塊與協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成管理模塊之間是軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞，不需要進(jìn)行跨軟件的數(shù)據(jù)匹配和額外的定期傳輸過程，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交流，減少了在導(dǎo)入導(dǎo)出過程中發(fā)生錯(cuò)誤的可能性。

另外，在COMOS架構(gòu)中，西門子還提供了COMOS與Bentley三維設(shè)計(jì)軟件的接口插件，擴(kuò)大了該架構(gòu)的適用性。

2.2 基礎(chǔ)架構(gòu)測(cè)試

我們從協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的目標(biāo)和各專業(yè)的需求出發(fā)，在專業(yè)軟件的適用性和平臺(tái)功能的支持性上，對(duì)COMOS架構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)。

在設(shè)校審管理、條件管理等協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)核心質(zhì)量管理流程的支持程度上，COMOS架構(gòu)可以支持文件、數(shù)據(jù)及單個(gè)數(shù)據(jù)的形式，相較于其他架構(gòu)更為全面。在用戶界面的開發(fā)定制上也較為方便。

3當(dāng)前架構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)對(duì)象的分類和復(fù)用

石油化工二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心是圍繞工廠各設(shè)計(jì)對(duì)象的數(shù)據(jù)和文件管理，因此首先需要設(shè)計(jì)一套各設(shè)計(jì)對(duì)象的分類系統(tǒng)。在綜合考慮了Q/SH 0102-2014《中石化物料分類與代碼》中對(duì)石油化工設(shè)備和材料的分類體系及GB/T 51296-2018《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)數(shù)字化交付的工廠對(duì)象分類要求后，我們?cè)O(shè)計(jì)和整理了一套石油化工設(shè)計(jì)對(duì)象分類系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)對(duì)象分為四個(gè)級(jí)別，上一級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)象是其所涵蓋的下一級(jí)子對(duì)象的共有屬性的集合，下一級(jí)對(duì)象在繼承其上一級(jí)對(duì)象的屬性基礎(chǔ)上，還含有額外的其自身特有的屬性。所有這些屬性按照專業(yè)分工歸屬于不同的設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行管理。

在這樣的分類系統(tǒng)下，二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中的對(duì)象可以通過繼承的方式復(fù)用上一級(jí)對(duì)象的屬性，減少了總的屬性數(shù)量，也便于管理同類設(shè)計(jì)對(duì)象的共有屬性。同時(shí)，通過COMOS軟件的特有功能，可以實(shí)現(xiàn)同一父對(duì)象下不同子對(duì)象類型之間的快速切換。

在COMOS軟件中，是以項(xiàng)目的形式進(jìn)行全局的管理。項(xiàng)目可以分為兩大類，一類稱為工程項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)的是設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際項(xiàng)目;另一類則是基礎(chǔ)對(duì)象項(xiàng)目，在這類項(xiàng)目中，我們可以對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行分類，添加不同的屬性，定制不同的使用界面。每一個(gè)工程項(xiàng)目都需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)對(duì)象項(xiàng)目作為參考，在工程項(xiàng)目中創(chuàng)建的設(shè)計(jì)對(duì)象就會(huì)以相應(yīng)的基礎(chǔ)對(duì)象項(xiàng)目中的對(duì)象模板進(jìn)行創(chuàng)建。

3.2 工作層模式

COMOS軟件提供了一種工作層的模式，在該模式下，子工作層僅保存相對(duì)其父工作層有修改的文件和數(shù)據(jù)，并可以快速查看上下工作層之間的差異之處。

為了充分利用工作層模式的優(yōu)勢(shì)，我們?cè)诠こ添?xiàng)目中設(shè)計(jì)了以各設(shè)計(jì)階段劃分工作層的使用模式。通過這種模式，可以保存不同設(shè)計(jì)階段的最終數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)文件，同時(shí)也避免了在不同設(shè)計(jì)階段之間大量轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的過程。在基礎(chǔ)對(duì)象項(xiàng)目中，我們以公司級(jí)對(duì)象參考層作為頂層的工作層，各工程項(xiàng)目的對(duì)象參考層則作為其子工作層進(jìn)行創(chuàng)建。在這種模式下，已形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)對(duì)象和文檔模板可以在公司級(jí)對(duì)象參考層中進(jìn)行定制和保存，各工程項(xiàng)目的對(duì)象參考層則可以在繼承公司級(jí)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)對(duì)象和文檔模板的基礎(chǔ)上，對(duì)本工程項(xiàng)目中的特殊和個(gè)性化需求進(jìn)行定制和修改，而不會(huì)影響其他工程項(xiàng)目的使用。

3.3 設(shè)計(jì)對(duì)象不同專業(yè)卡片

在設(shè)計(jì)對(duì)象的分類系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)對(duì)象的屬性由不同的專業(yè)進(jìn)行歸口管理，而不同專業(yè)除了自己管理的屬性外，還需要接收和查看其他專業(yè)管理的屬性。

因此，在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的架構(gòu)中，我們?yōu)橥辉O(shè)計(jì)對(duì)象設(shè)計(jì)了不同專業(yè)的屬性卡片。在各專業(yè)的屬性卡片中，本專業(yè)對(duì)于其中的屬性擁有完全的控制權(quán)。其中歸屬于本專業(yè)的屬性，由本專業(yè)設(shè)計(jì)人員直接填寫，需要從其他專業(yè)接收的屬性則通過設(shè)置靜態(tài)鏈接從相關(guān)專業(yè)獲取。

3.4 設(shè)計(jì)質(zhì)量管理流程的集成

在當(dāng)前的石油化工設(shè)計(jì)中，采用的是多專業(yè)分工合作的方式，因此涉及不同專業(yè)間的條件提交和會(huì)簽流程，這些流程和各專業(yè)內(nèi)部的校審流程組成了設(shè)計(jì)質(zhì)量管理流程的主要部分。二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)作為多專業(yè)協(xié)同工作的平臺(tái)，也需要對(duì)這些設(shè)計(jì)質(zhì)量管理流程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和集成。

在COMOS基礎(chǔ)架構(gòu)中，軟件提供了基礎(chǔ)的流程管理功能，可以對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行流轉(zhuǎn)和批注。我們參照公司的質(zhì)量管理體系梳理了各流程的邏輯圖，在COMOS軟件提供的功能基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的質(zhì)量管理流程，為協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中數(shù)據(jù)和文件的質(zhì)量管理提供保證。

3.5 二三維間協(xié)同

受制于國(guó)內(nèi)石油化工設(shè)計(jì)項(xiàng)目的現(xiàn)狀，在設(shè)計(jì)過程中，二維的邏輯設(shè)計(jì)與三維的布置設(shè)計(jì)之間處于深度交叉的狀態(tài)，無(wú)法按照二維邏輯設(shè)計(jì)基本完善后再進(jìn)行三維布置設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行。而二維邏輯設(shè)計(jì)是指導(dǎo)三維布置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，需要保證三維與二維之間的一致性。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了二維與三維設(shè)計(jì)對(duì)象之間的數(shù)據(jù)傳遞流程，通過雙方的數(shù)據(jù)傳遞，在60%、90%等設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行一致性的校驗(yàn)，保證二三維設(shè)計(jì)對(duì)象的一致性。

4結(jié)束語(yǔ)

通過研究、測(cè)試和對(duì)比，我們確立了以COMOS架構(gòu)為基礎(chǔ)的二維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)。該架構(gòu)滿足了數(shù)據(jù)集中管理、專業(yè)間協(xié)同、設(shè)計(jì)質(zhì)量管理流程等協(xié)同平臺(tái)的功能需求，并為各設(shè)計(jì)專業(yè)提供了定制化的工作界面。

在此架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制開發(fā)和各專業(yè)的深化應(yīng)用，可以逐步實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的核心目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]方世滿.安慶石化虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（6）：56-57.

作者簡(jiǎn)介

吳曦（1985-），男，安徽省黃山人;學(xué)歷：碩士，職稱：中級(jí)工程師，現(xiàn)就職單位：中石化上海工程有限公司，研究方向：化工設(shè)計(jì)及數(shù)字化設(shè)計(jì)。