石化工程項目數字化交付淺析

伍友武 張 珂

中石化巴陵分公司己內酰胺部 湖南岳陽 414007

隨著軟件功能的日益強大，信息技術和互聯網技術的飛速發展，數字化轉型已成為企業提升競爭力的必然選擇。數字化交付是建設數字化工廠的核心基礎，確保實現設計、采購、施工、調試和運維等工程全生命周期各個階段的數據信息共享和安全管理，并最終達到實時互聯、協同作業、情景關聯和智能預測等數字化工廠卓越運營的標準。為規范石油化工企業數字化工廠的建設，國家住建部2018 年9月頒發了GB/ T51296-2018《石油化工工程數字化交付標準》，2019年3 月1 日起實施。隨后，中石化依據自身的特點和發展需要，對照上述標準，于2019 年10 月編制印發了《石油化工工程數字化交付執行細則》（試行），2020 年1 月1 日起開始試行。本文就石化工程項目數字化交付的定義、內容、工作要求，以及數字化交付平臺的技術要求、功能應用等問題進行探討。

1 數字化工廠的定義

1.1 三維模型

三維模型是工程數字化交付過程中建立的以工廠對象為基礎的全景、立體、仿真模型。圖1 為一例三維模型示意圖。

圖1 三維模型示例

1.2 數字化交付平臺

數字化交付平臺是用于承載和管理數字化交付信息，可與多種工程軟件集成并兼容多種文件格式的信息集成管理系統。

1.3 數字化交付

通過數字化交付平臺，將相關的設計資料、采購、施工及試車數據，以標準的數據格式提交給業主，即為數字化交付方式。

1.4 數字化工廠

數字化工廠是在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。它是一個以與物理工廠一一對應的三維模型為基礎，集成了與之關聯的設計、采購、施工和試車等數據的虛擬環境，且同時具備了工廠屬性和工程屬性，本質上是實現信息的集成和人機交互。

2 交付內容

數字化交付內容包括：項目設計、采購、施工、試車各階段產生的模型、資料文檔和工廠對象屬性等信息，以及工廠對象與資料文檔的關聯關系。涵蓋三維模型（交付竣工圖模型，要求與物理工廠一致）、智能P&ID（滿足PID 與三維模型的智能關聯）、非結構化文件、屬性數據及關聯關系等文件。交付物數據格式要求均采用國際化通用格式，以便與國際主流數據平臺進行銜接。圖2 列舉了需交付的數據類別。

圖2 數字化交付的數據分類

2.1 三維模型

使用三維建模設計軟件完成的工廠模型，涵蓋了總圖、配管、自控、電信、電氣、設備、給排水、消防、結構和暖通空調等專業，建模深度應滿足相關規范要求。

2.2 管道IDF文件

管道IDF 文件是指使用三維設計軟件生成的管道軸測圖數據文件。

2.3 智能P&ID圖

基于種子文件繪制的智能P&ID 文件，包含圖形文件、參考數據庫和相應的報表等。除此之外，還應提交與質量檢查相關的報告文件。

2.4 智能儀表設計

使用智能儀表設計軟件完成儀表索引表和儀表規格書的設計，并按交付要求輸出相關設計成品。

2.5 工廠對象屬性

針對每個類型的工廠對象，需要交付由智能設計工具生成的結構化的數據。

2.6 資料文檔

針對每個類型的工廠對象，需要交付非結構化的資料文檔。包含供應商按規范要求提交的三維模型、屬性數據和文檔資料，以及施工單位按規范要求提交的屬性數據和文檔資料。

圖3 展示了具體要交付的內容及交付后的部分功能應用。

圖3 交付內容及功能應用

3 交付工作要求

3.1 交付組織機構

為有序推進項目數字化交付工作，確保各項工作按交付進度保質保量完成，數字化交付團隊可按如圖4 所示的組織結構開展數字化交付項目的各項工作。

圖4 交付組織機構示意圖

3.2 交付工作流程

為保證數字化交付成品與物理工廠完整一致、準確無誤，應遵循如下交付流程：

(1) 編制交付管理規定、制度和方案，交付信息的統一標準等；

(2) 確定交付的工廠對象、數據信息等內容；

(3) 各責任單位按規定提交交付資料；

(4) 軟件承包商對所有交付的資料在交付平臺上進行信息集成處理，并組織質量審核，反饋需修改的意見；

(5) 各責任單位按反饋意見進行修改，修改完成后再提交；

(6) 經審核的最終準確無誤的數據，由軟件承包商通過數據處理和發布工具，發布至數字交付工程庫，以此作為最終交付數據。

圖5 簡要展示了交付工作的流程。

圖5 數字化交付工作流程

3.3 交付質量控制

建設單位或受委托的數字化交付服務單位要對參建單位交付的內容進行審核確認，確保交付數據的質量，主要包含以下幾個方面的內容：

(1) 一致性：設計單位需保證交付模型與交付圖紙的一致性，交付模型與竣工的物理工廠及竣工資料完全一致，包括輔助設施和地下工程等；

(2) 準確性：工廠對象屬性數據與關聯文件關聯關系的準確性。

(3) 合規性：交付內容是否滿足建設單位發布的相關規范和標準要求，包含編碼、命名、分類、數據格式和模型深度等；

(4) 完整性：已交付內容與項目交付規定內容的對比，基于項目物理工廠對象，檢查模型、屬性、關聯文檔資料的完整性。

4 交付平臺技術要求

交付平臺是數字化交付的核心基礎，必須滿足安全可靠、使用簡單、易于維護、性能穩定、可擴展、兼容性和集成性強的要求，確保各主要建設內容之間的數據能得到充分流轉和利用，為工廠大數據分析、基于大數據管理，以及建立數字化工廠提供數據支持，并不斷擴大數據資產價值。

4.1 數據庫要求

數據庫應采用混合架構，滿足大數據擴展應用，支持主流的數據庫，如Oracle、MySQL、MS SQL Server 等關系型數據庫，以及MONGODB 非關系型數據庫。支持數據采集、數據分析、數據提取和數據遷移等，保證數據庫系統效率不會隨數據量的增大和并發數增加而急劇降低。

4.2 系統靈便性

(1) 系統應具備靈活可配置特性，對于用戶的調整要求能隨機應變，盡量不動代碼開發或極少的代碼開發。針對用戶的審批流程變化、管理對象內容的變化，能盡快調整適應，在不影響生產進度的情況下快速完成更新、迭代和部署。

(2) 系統首頁、功能導航結構、記錄視圖和系統報表均要支持用戶自定義。

(3) 系統要具有一定的智能性，要針對設計行業的特點提出高效的解決方案，要求便于實施，盡量少的增加管理者、設計者的工作量，能自動完成重復性的工作。

(4) 系統要便于安裝，在今后服務器更換時能方便快速地恢復系統運行。

4.3 系統性能

(1) 平臺支持海量信息、多用戶并發，且初始加載速度快捷、場景瀏覽運行速度流暢穩定。

(2) 滿足企業對模型加載、數據查詢和展示的響應速度要求。

(3) 軟件應具備海量信息存儲管理功能，能有效地處理海量信息。

(4) 具有三維模型、文檔和數據的自動檢索關聯機制。

(5) 適應性強，能在主流配置計算機上流暢運行。

4.4 安全性

(1) 角色管理：系統對各級用戶分配不同角色，用戶根據角色對系統進行相應管理和操作。

(2) 權限管理：系統要根據不同用戶、不同角色，進行相應的權限限制和管理。

(3) 訪問日志管理：對用戶登錄、操作等活動要有日志紀錄。

(4) 數據傳輸安全：支持HTTPS 協議，保證數據在傳輸過程不丟失、不被篡改、不被破壞。

(5) 信息安全管理：滿足業主信息安全管理要求。

4.5 開放性

平臺應提供標準接口，以便和外部系統集成。外部系統包括但不限 于 DCS、MES、SIS、ERP、WMS等系統。

4.6 數據集成技術要求

平臺應提供多種接口或工具，以便集成不同來源的工程信息，包含但不限于：

(1) 三維引擎需具備集成多種三維設計軟件生成的三維模型和數據的能力，包括但不限于以下軟件：PDMS、SP3D、PDS、CADWorx、REVIT、3DMax 等。

(2) 具備集成智能P&ID 圖紙、數據的能力，包括但不限于以下軟件：AVEVA Diagrams、SmartPlant P&ID、AutoCAD P&ID、COMOS P&ID、INPower P&ID 等。

(3) 具備接收多種格式圖紙的能力，包括但不限于以下格式：DWG、SVG。

(4) 具備接收多種格式文件的能力，包括但不限于以下格式：DOCX/ DOC、XLXS/ XLS、PPTX/ PPT、PDF、TXT、MP4、JPEG、BMP、GIF、PNG。

(5) 具備配置化集成多源數據的能力，包括但不限于EXCEL、CSV、XML、數據庫（Oracle、MYSQL等）、JSON、文本文件等。

5 交付平臺功能要求

5.1 平臺基礎功能要求

（1）平臺門戶：平臺建立項目管理門戶主頁，實現統一身份認證和單點登錄。通過門戶主頁能夠查看和跳轉到企業其他辦公系統。

（2）用戶管理：平臺具備完善的用戶體系，可根據需要創建企業組織架構和用戶，用戶在不同的項目中可以有不同的角色，基于角色不同配置對應的權限。

（3）流程管理：系統需自帶或能集成成熟的工作流程，可預制一些行業通用的流程模板，同時支持用戶自定義流程模板用于配置流程審批角色。支持工作流程可視化，在運行的過程中能夠隨時查看流程進度。

此外，還應具備角色管理、權限管理、操作日志、運行日志、組織管理和報表管理等功能。

5.2 工程項目管理要求

系統要具備電子簽章、數據流轉、項目協同、立項管理、設計管理、采購管理、供應商管理、費用管理、合同管理、進度管理、變更管理、風險管理、項目主數據管理、竣工驗收、竣工檔案管理、數據分析及展示等功能。

5.3 生產運行管理要求

系統要具備生產調度優化決策、生產物流管理、生產計劃管理、物料平衡、操作優化、計量管理、能耗管理、生產過程實時監控、統計報表、智能巡檢、仿真培訓、應急管理和電子交接班等功能。

5.4 設備運維管理要求

系統要支持靈活的設備分類結構，通過自定義設備分類結構、維護分類屬性，能夠適應工廠設備的管理需求；支持從數字化移交系統快速同步數據，快速建立設備管理系統的基本臺賬；支持對設備庫存、狀態、變更、報廢和停用等業務的管理；能夠建立設備全壽期綜合信息臺賬，包括設計信息、采購信息、施工安裝與調試信息、運維維保信息、異動變更信息、關聯資料信息和關聯備品備件信息等；支持建立設備管理的故障庫，支持對巡檢維保的操作步驟管理，支持建立設備運維保障專家庫，為設備維保維修提供遠程協助；對工單、維保、點巡檢、備品備件、關聯關系等進行管理。

5.5 安全管理要求

對直接作業、風險識別、事故環境、人員定位、電子圍欄、實時監測數據、視頻監控、報警信息、數據標牌、虛擬巡檢和安防數據等均可實現可視化管理。

5.6 三維可視化看板要求

內置三維可視化引擎，要求平臺內置國產自主三維可視化引擎，支持廣泛的三維模型格式；系統提供強大的數據采集和集成能力，工業標準支持OPC、BACNet、Modbus 等協議大類下的五六種協議類型；HTTP 信息化接口支持RESTful、WebService、XMPP 等協議；物聯網即時通訊協議支持MQTT 協議；數據庫接口支持ODBC；視頻流支持RTMP 協議（包含可以轉為RTMP 的其他協議）。

支持多種物理鏈路，如串口類：RS485、RS422、RS232。TCP/ IP 網絡：5 類、超5 類網線、6 類網線，以及光纖、WIFI、GPRS/ 3G/ 4G、寬帶。專用接口類:NB-IOT、LORA、藍牙Mash、ZigBee。

支持二次開發，提供前端三維交互UI 擴展接口API、數據采集接口協議、數據訂閱協議和監控報警規則擴展接口，可依據后期需求進行二次開發。

6 結語

數字化交付是建設數字化工廠、智能工廠的核心基礎。目前，我國石化企業的數字化建設尚處于初始階段，由于各企業的基礎水平、目標任務等參差不齊，造成了數字化交付的深度、水平差異較大。近幾年，中石化下屬企業鎮海煉化、九江石化、茂名石化等已率先進行了數字化建設的試點，取得了顯著成效，積累了豐富的經驗，為后續即將開展數字化建設工作的企業提供了寶貴的經驗。數字化建設必將加速推動我國石化企業向世界一流能源化工企業邁進。