基于BIM的數字化交付與數字化工廠技術應用探索

文｜張鶴 陳馨

住房和城鄉建設部2018年9月11日發布的《石油化工工程數字化交付標準》對數字化工廠（digital plant）定義為：“由工程建設階段產生的數字化靜態信息、運營維護階段產生的數字化動態信息、基于工廠對象的關聯關系及信息管理平臺構成的綜合體”。具體來講，數字化工廠是匯集工程設計、采購、施工、建造、安裝全生命期的信息，形成企業靜態數字化資產，在此基礎上整合產品生產、產線運維數據，集成生產控制的自動化系統、制造執行的MES系統、生產管理的ERP 系統、設備狀態監測工具，在計算機虛擬環境中，搭建可同步運轉的數字虛擬工廠，實現對歷史數據的回溯、實時數據的管理和未來趨勢的預測。

數字化設計

在數字化設計實施當中，往往會采用不同的協同設計平臺與設計軟件，因此就會產生不同格式的模型與數據。目前市場上主流數字化設計軟件有Bentley 系列軟件，其軟件有OpenBuildings Designe、OpenPlant Modeler、ProStructures 等；Autodesk 系列軟件， 其軟件有Revit、Inventor 等；另外還包括AVEVA PDMS、Tekla structures 等專業設計軟件。在數字化交付的背景下，如何保證各平臺及軟件中產生的模型與數據的一致性與準確性，成為問題的關鍵。

圖1 數字化工廠實施路線

對此，可以通過搭建編碼平臺將工程設計中用到的材料、設備等物料的屬性進行統一梳理，確定其屬性及編碼規則，并定制于編碼平臺內，平臺內的物料編碼的原則是一物一碼，即一類物料具有其唯一的物料編碼。物料屬性被定制于編碼平臺當中，編碼平臺向各個設計平臺和軟件提供唯一編碼。

建立數字化元件庫將企業的數字化元件集中存儲與管理，設計人員從庫內調取元件完成設計內容。數字化元件庫與編碼平臺結合，為數字化設計提供模型與屬性，可以說編碼平臺和數字化元件庫是三維數字化設計的主數據，在構件級別對幾何模型精度與屬性信息進行了統一規定，是數字化設計的基礎，也是數字化交付模型與數據來源的有效保證。

數字化交付

區別于傳統工程以“卷冊”為核心的交付體系，數字化交付是指以“工廠對象”為核心，將工程設計、采購、施工、制造、安裝等階段產生的數據，進行結構化處理，建立以“工廠對象”為核心的網狀關系數據庫，存儲于工程數據中心，并基于統一的數據接口完成數據交付，為業主提供可靠的工程基礎數據，形成構建數字化工廠的企業靜態數據資產。

數字化交付的實現途徑如圖2 所示。

圖2 數字化交付原理

數字化交付的核心包括三維模型、數據、文檔及其關聯關系，因此，企業應建立交付標準應對三維模型、數據、文檔及其關聯關系做出規定。設計階段產生的模型、數據、設計圖紙、計算書，采購階段的裝箱清單、使用說明書、質量證明文件，施工階段的各種施工記錄、試驗報告、驗收報告等，均屬于交付的范疇。在數字化交付的條件下，不僅僅是將這些文檔轉成PDF 存儲起來，為便于文檔內容的索引，還需要處理文檔和工廠對象的關聯關系。數字化交付條件下需要完整的文檔編碼系統，來適應文檔分類管理與查詢的要求。

數字化交付的實施需要依托于系統或平臺來實現，將需要交付的模型、數據、文檔等，以標識碼作為工廠對象的唯一標識，在平臺中建立起模型、數據和文檔之間的網狀關聯關系，從而才能將各階段的模型、數據等轉換成可被直接應用的數據資產，此外，平臺應提供基礎的靜態數據服務。AssetWise 是一款優異的交付平臺，可以將ProjectWise 上的模型與數據無縫傳遞至平臺內，并且可以承載大體量的模型與數據，可勝任廠級項目的交付與靜態數據應用。

數字化工廠

建立數字化工廠平臺，以三維模型為載體，將數字化交付的各階段數據整合并可視化地展示出來，從而構建出與現實工廠完全一致的數字化模型。在數字化模型的基礎上，整合基礎自動化模型、過程控制模型、工藝參數模型，構建與實際生產流程、設備和工藝一致的數字孿生模型。進一步以數字化平臺為基礎，通過信息交換獲取企業的生產管理（MES）、能源管理（EMS）、設備管理、物流管理等信息化系統的信息，采用不同的圖層和場景展現不同業務數據，更直觀的協助企業各級調度管理人員及時掌控企業生產運營信息，滿足公司各級管理人員需要。

數字化工廠平臺的實現途徑如圖3。

圖3 數字化工廠實施途徑

圖4 數字化工廠信息展示

在三維數字化工廠平臺中，工廠的各個車間、設備、部件、管道、儀表、閥門等的運行參數與BIM 模型進行關聯和綁定，可以實時查詢其設計參數和運行參數。可以以圖層的形式管理不同類型的數據和BIM 模型的顯示狀態，如專門顯示儀表信息的儀表層，同時還有人員層、設備層、巡檢層、報警層、監控層、建筑層、管線層、物流層等。在不同的數據層的基礎上，定制工廠的數字化運維需求，如：工廠綜合展示、資產的透明化管理、智能設備運維信息集成、全場物流調度管理、智能管網安全監控管理、浸入式培訓操作考核、應急演練仿真、三維生產工藝監控和模擬等。

項目案例

項目概況

多年前，中冶京誠工程技術有限公司EPC總承包濟源高速線材生產線項目，為業主交付了實體工廠，在全球信息化環境的影響下，業主對生產線運營有了新的需求。基于BIM 技術構建虛擬的數字孿生工廠，整合生產過程、設備狀態、物流、能源等各種信息，將數字工廠與現實工廠相結合，實現三維可視化全過程管理。

項目任務

數字化模型是數字化工廠的基礎，建立數字孿生工廠，首先需要重構數字化模型。雖然濟源高線由京誠公司設計施工，但由于時間久遠資料缺失，且工廠多次改造，加大了重構數字化模型的難度，如何復現已有工廠，是京誠公司面臨的第一項任務。高線生產線流程復雜、信息多元、數據眾多，如何將構建的數字化模型與數據有效結合？是公司面臨的第二項任務。有了全新的交付模式和交付內容，如何能更好的將交付物為業主所用，提升企業綜合運營效率，提高企業的管理和運維水平，這是公司面臨的第三項任務。

在役工廠三維數字化重構

為真實還原現實工廠，京誠公司應用了在役工廠數字化重構技術，將實景建模與二維圖紙建模相結合，利用無人機拍攝照片分組導入實景建模工具，從而生成三維數字實景模型。同時，利用已有二維圖紙將其轉化為三維數字化模型，在建模過程中還應用了公司自主研發的CERI 數字化設計工具軟件集，極大的提高了建模效率，高效的將現實世界以數字化的方式表達，構建了滿足數字化工廠需求的數字化模型。

數字化工廠與數據資產的再交付

依托AssetWise 平臺進行開發與定制，建立適合于冶金工程的工程數據中心InfoWiseTM，搭建起濟源高線項目的數據倉庫，有效收集和整合項目的相關數據，構建以“對象”為核心的“網狀”數據模型，并通過統一接口生成數字化資產進行統一交付。

孿生工廠提升工廠運維

基于iTwin 平臺打造數字孿生工廠平臺，集成工廠現有制造執行系統、能源調度系統等各系統信息，突破原有IT 數據架構，解決信息孤島問題，挖掘利用結構與非結構數據，整合車間內各種系統，完成高線車間全流程質量控制與運維管理。例如將數字孿生工廠應用于車間生產調度管控、工藝仿真監控、設備運維管理、管網安全監控、故障報警與處置、人員模擬培訓等。

基于iTwin 平臺的開放性、可信性、安全性和強適應性，打造標準化的數字孿生平臺，并根據不同的業務需求，個性化定制數字孿生鋼鐵工廠、數字孿生水廠、數字孿生建筑等產品，從而滿足不同客戶的個性化功能需求。

工程設計、采購、施工、建造、安裝等階段產生的各種工程數據是數字化工廠的原始基礎，是實體工廠的真實反映，通過數字化交付工作，構建與現實工廠完全一致的數字化工廠，在完整的數字孿生應用場景中，構建具備自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等能力的新型生活和生產方式，實現數字化向智能化邁進。