化工項目集成設計和數字化交付技術的研究

＊蔣 飛

（中國成達工程有限公司 四川 610041）

引言

隨著新一代信息技術迅猛發展，發達國家紛紛啟動“再工業化”戰略，重塑制造業新的競爭優勢。迎接挑戰，轉變發展方式，“智能制造”成為國家重點戰略，“信息化和工業化的深度融合”是實現這一戰略部署的核心主線。化工行業的未來發展方向是建設數字化和智能化工廠。

在化工裝置生命周期中，設計、采購、施工等數據信息是靜態的工廠數據，基于這些靜態數據加之運維過程中產生的實時動態數據，輔以三維工廠模型虛擬現實技術的運用，則共同構成了完整的數字化工廠。

1.傳統化工項目設計局限性分析

(1)傳統設計模式的局限性

工程項目尤其是化工項目，具有投資規模大、建設周期長、多專業協作等特點，工程設計是工廠生命周期中最重要的一個階段。傳統的設計模式中，各專業雖然也采用計算機輔助設計工具，但軟件相互獨立，且人工以紙質文件或郵件形式進行數據的傳遞和整合運用。

隨著項目大型化和復雜化程度越來越高，數據信息的傳遞數量級呈幾何倍數增長，上述設計模式表現出三大缺點：人工錯誤率高，設計質量得不到保證；效率低下，影響項目建設進度；工程數據和文檔零散儲存，關聯性差，數據難以得到有效管理和運用。

(2)傳統設計成品交付的局限性

化工項目過程中，會產生海量的數據和文檔，傳統的設計成品交付是以紙質媒介為載體向建設單位（業主）移交文檔，海量的設計數據記載在紙質上，交付過程繁雜，易錯率高，設計成果復用困難。隨著計算機技術的發展，交付手段一定程度得到了更新，電子化文件交付成為工程文檔交付的輔助方式。

電子化文件在設計完成后移交給業主使用，文件在移交后基本與設計方“脫鉤”，這些電子化文件一般為“只讀”文件，無法修改；并且文件相互獨立，關聯性差，數據質量得不到一致性驗證，信息查詢困難。所以，電子化≠數字化，工程公司交付的數據質量和關聯性制約著業主運營階段的數據使用效率。

2.工程公司的數字化交付目標

面對以上兩個挑戰，為打造工程公司核心競爭力，迎接國際市場挑戰，加快實現國際性工程公司的戰略步伐，跟隨國家總體“智能制造”戰略，工程公司應該構建以數據庫為核心的工程設計集成系統，用信息化、數字化和集成化等技術與手段構建協同工作平臺；在統一的平臺上進行全專業三維協同設計，實現三維工廠模型、工程文檔和屬性數據的關聯集成；從而提高設計質量，加快項目進度，最終實現工程數字化交付的目標。

3.集成設計和數字化交付技術原理

(1)化工項目建設過程中數據的內在關聯性

一般情況下，化工項目建設由多專業協作完成，涵蓋的主要專業有工藝系統、設備、管道、儀表、電氣、給排水、總圖、建筑、結構、暖通等。傳統設計方式存在天然“專業壁壘”現象，表現在：

①設計信息在各專業間的傳遞依靠人工，信息傳遞可靠性差，甚至出現信息傳遞不及時和錯誤。

②各專業設計采用各自專業軟件，項目執行過程中出現各種電子數據和文件，工廠信息存儲和管理在不同獨立的系統中，無形中形成一個個信息孤島，系統間缺乏有效的數據關聯。

例：工廠中一臺設備物料輸送泵，在它的整個生命周期中關聯了很多信息數據，比如工藝流程圖（工藝專業），產品規格書（機泵專業），三維模型（布置專業），采購合同（采購專業），維修信息（工廠運維）、并與連接它的管道、儀表產生關系。傳統設計方式中，這些信息各自孤立，數據存在于各個應用軟件或孤立的文檔中，信息在交付業主后，工程數據缺乏有效管理和更新，難以被業主重新利用和進行運維方面的應用搭建。無論是項目EPC執行過程，還是工廠運維管理，這些工廠信息數據的高效管理和運用將為企業帶來巨大價值，同時也對建設階段全方位收集和管理基礎工程數據提出了現實需求。

(2)什么是集成設計和數字化交付技術

隨著網絡信息技術的發展，集成設計和數字化交付技術應勢而生。集成設計技術在統一的工廠設計平臺進行數據集成，各專業/系統實現數據共享和協同設計，按照實際的工作過程建立平臺數據流轉程序、保證專業間設計數據流向的正確。每個專業接受與本專業相關的上游數據，發布本專業設計數據，確保數據的正確性和一致性。針對上游專業更新的數據，平臺系統實現自動更新與本專業相關的數據，無需手工再次輸入，減少了二次輸入的人為錯誤。

數字化交付技術則是在集成設計基礎上，建立一個全面的化工裝置工程信息庫，包括工廠結構分解、工程對象屬性、工程文檔和工廠三維模型。數據、文檔和三維模型共存于一個系統平臺中，其間相互關聯，便于查詢和管理。

在工程完工后，工程總承包公司將EPC各階段收集的數據、文檔和三維模型和相互關聯關系，以計算機數據庫形式向業主實現工廠數字化移交。

圖1 以智能設計工具為基礎的集成設計和數字化交付技術

(3)集成設計和數字化交付的關系

本文討論的集成設計和數字化交付技術，主要應用于石油和化工裝置/工廠在設計（E）、采購（P）、施工（C）各階段產生的工程數據、文檔和三維模型的產生過程及其綜合管理。

在化工裝置/工廠的整個生命周期，EPC各階段產生大量的工程數據信息，通過構建一個統一的“數據倉庫”，將工程公司、分包商/供貨商在工程各階段產生數據信息進行收集、整理和運用。同時，這些數據信息移交給業主后，業主在“數據倉庫”上進行功能擴展，把工程數據信息應用到運營和維修上。

通過以上分析，集成設計是設計手段或方法，數字化交付則是集成設計的必然結果；再則，根據化工裝置數據特點，在實現數字化交付上，集成設計具有天然的數據關聯性，是實現數字化交付的最佳方法。因此，集成設計和數字化交付技術相輔相成，兩者合二為一，既是一種多專業協同設計方法，也是一種以信息數據為基礎的數字化工廠設計交付方案。

(4)集成設計和數字化交付技術要點

①制定設計標準，數據信息收集的規范化

數字化交付的基礎是統一的數據規范標準。工程公司要結合自身實踐經驗，在傳統工程設計規范的基礎上，以信息化的思維，對化工裝置工程數據、工程對象、交付內容、編碼規則、命名規則、交付內容、交付深度等及其間關系進行科學劃分和定義。

在包含多套裝置的大型化工項目中，多家工程公司/設計院、施工方共同參與，項目竣工后面臨海量信息數據的移交。因此，事先為這些信息數據的移交制訂統一的移交方式和規范顯得尤其重要。通過統一的文檔命名規則、工具軟件模板、工廠對象編碼規則，數據字典等配置，使項目數據和文檔的標準化得到有效控制。

②建立全專業三維協同設計平臺，實現多專業的統一性和協作性

全廠三維協同設計，全方位覆蓋工程項目設計涉及到的各專業，包括設備、管道、結構、建筑、暖通、電氣、儀表等多專業在同一個三維平臺進行協同設計、同步建模。在設計階段解決專業之間的碰撞，通過模型統計施工材料，抽取施工圖紙。逼真的三維可視化工廠模型實現了多專業工作平臺統一性和協作性，實現數字化工廠與真實工廠的一致性。

在三維協同設計平臺中，輔以大量結合工程實踐經驗的的軟件二次開發和智能化應用，為化工項目建設在提高設計效率和質量、材料管理、施工管理等環節提供了信息化管理數據支撐。

③建立化工項目集成設計和數字化交付平臺，實現工廠數字化交付

工程數據基于標準化的定義和主數據庫在該平臺上驗證和存儲，工程屬性、文檔和三維模型有機組織在一起，以數據倉庫的形式向業主實現數字化交付。

傳統的設計方式，工藝、系統、儀表、管道、設備、電氣等專業間數據重復錄入、缺乏關聯性，易產生人為錯誤。集成設計，各專業在集成設計平臺上按照設計流程協同工作，工程數據基于標準化的定義和主數據庫傳遞、校驗、存儲。極大地提高了工程設計數據質量，避免了設計返工。

圖2 工程公司集成設計和數字化交付平臺

項目完工后，工程數據、文檔和模型有機組織在一起，以數據倉庫的形式向業主實現數字化交付。

4.集成設計和數字化交付技術實施成果

筆者任職的公司是一家國內最早由設計院改制而來的工程公司，堅持不懈走市場化道路，通過“走出去，引進來”大力拓展國際工程業務。在工程信息化建設方面也一直走在行業前沿，積極引進、消化、吸收和再創新國際先進的工程設計技術。早在2002年，從參與中海殼牌南海項目中就深刻認識到數字化技術是工程交付的發展方向；2012年，公司在執行沙特沙比克總承包項目時，引進集成設計技術，邁出從三維協同到數據集成的關鍵一步，該項目在14年順利完成數字化交付，公司也是國內最早實現化工裝置數字化交付的工程公司之一；其后，公司利用集成設計和數字化交付技術優勢，在萬華、華誼等多個大型化工集團項目中承擔數字化交付總體設計服務單位重要任務；最近，公司承接了巴斯夫湛江一體化項目的數字化總體設計工作。

總結眾多的數字化項目，分析集成設計和數字化交付技術在各個項目的執行情況，其主要優勢在以下兩個方面：

(1)設計方式的優化

表1 集成設計與傳統設計的對比

從設計方式來說，數字化集成設計與傳統設計最大的區別在于數據的統一性和一致性。集成設計中樞是數據倉庫平臺，各專業向以工程對象為核心紐帶，向數據倉庫平臺發布數據。過程中，各專業又按需所取，實現了不同專業間的數據同步和共享。

(2)交付方式的進步

從交付方式來說，數字化交付技術將EPC各階段工程數據以統一信息平臺的收集、整理并移交，為業主數字化工廠應用打下基礎。

過去的工程項目文檔資料的交付是原始低效的紙質文件。這種傳統的交付方式不僅交付過程復雜，總體效率較低，而且交付數據的后期復用也非常困難。

隨著信息技術的不斷發展，目前國內工程項目的主流交付方式是以電子文檔形式交付，包括設計圖紙、數據表、掃描文檔、廠商資料等等。這種電子文檔交付方式在一定程度上提高了數據的可重用性，但項目參與方的電子文檔質量參差不齊，數據一致性和關聯性很差，這種情況仍然限制了業主在運營階段對數據的復用。較之現行紙張或電子化交付方式，數字化交付極大地滿足了工廠運維對工程設計數據的應用需求；數字化交付工程數據與生產實時數據的后期集成，為智能工廠的實現提供了數據基礎。

表2 數字化交付與傳統工程文檔交付的對比

5.結論

在工廠全生命周期中，工程信息數據在專利商、工程公司、營運商之間無縫流轉，統一在數字化平臺上收集、記錄和修正，這將是不斷優化工程建造的寶貴財富。集成設計和數字化交付技術的應用前景廣闊，高度契合且積極踐行國家“智能制造”“兩化融合”的發展理念和國家戰略，將有越來越多的化工項目按此執行和交付，對智能工廠的建設具有重要推動作用。隨著新一代信息技術及智能化軟件在工程建設領域的廣泛應用，推進數字化設計、數字化交付、建設數字化智能工廠已成為化工產業發展的必然選擇。工程公司作為技術密集型行業，理應順應歷史發展需求進行服務方式的升級，集成設計和數字化交付將為工程公司轉變發展方式帶來深遠影響，也為化工行業實業工廠的數字化營運帶來無限可能。

6.存在的問題和改進方向

工程項目交付未來的發展方向是基于云技術的工作平臺，業主、工程公司、供應商等項目相關方在同一個平臺上共同完成設計和數字化交付工作。通過使用統一的平臺，數據創建過程完全可視；通過云技術實現數據的動態管理和無縫交付。未來的云工作平臺交付方式可以極大提升數據標準化程度及交付效率。但是由于工程各方IT基礎架構和軟硬件水平的制約，受限于項目實際情況和云平臺的技術成熟度不足，尤其是安全問題還沒有恰當地解決，云平臺方案實現難度較大。對此，工程公司應盡早規劃，進一步做好云平臺設計的技術儲備，與業主共同打造云上“數字工廠”，推進化工企業數字化轉型升級。