數字化協同設計及交付應用研究

胡耀義 趙國洪 嚴紫含 李 烈

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售河北分公司, 河北 唐山 063000

0 前言

油氣田工程建設與生產運行涵蓋了地下勘探與開發、地面建設、生產運行和檢維修的全過程,而工程設計的核心目的、規范、標準、方法和結果,均主要用于指導物理實體工程的建設與后期運行管理[1-7]。隨著近年來企業數字化轉型的迫切要求和工程設計工具的不斷更新發展,人們對面向智能油氣田建設市場的數字化交付要求也在不斷攀升。在此背景下,基于二三維數字化交付的全專業二三維數字化協同設計的新設計理念正快速形成,設計成果在用于指導物理實體工程建設的同時,面臨著智能油氣田數字孿生體建設和應用的新課題[8-13],如何做好在此背景下的二三維數字化協同設計成果的交付及應用,不僅成為工程設計公司數字化轉型、智能化發展需要解決的迫切問題,也成為工程設計公司增強數字化交付能力的新訴求。

工程實踐中,需要對以下問題提出解決方案:1)通過二三維數字化協同設計輸出的成果,具備以電子形式進行數字檔案交付的能力,但這種基于檔案的數字化交付能力無法適應未來油氣田的數字化轉型和智能化發展;2)通過二三維協同設計形成的設計成果達到了建設物理實體工程的設計深度和要求,但建設期數字孿生體的交付是面向智能油氣田數據生態建設的重點內容之一;3)面向智能油氣田的數字化交付起于數字化協同設計,貫穿業務鏈和數據鏈,止于數據資產管理生命周期的結束，這將對數據資產化的程度和管理深度提出新的要求;4)在工程設計項目組織管理環節,面向未來智能油氣田的二三維關聯交付要求,將對傳統設計的目的、方法和設計組織形式提出巨大挑戰,且帶來工作量和成本的增加。

1 傳統設計的目的與特點

1.1 目的

一次完整的油氣田工程設計通常由前期階段和設計階段構成：前期階段一般指初步設計及以前組織開展的規劃、預可研、可研、初設等；設計階段通常指施工圖設計或詳細設計、施工組織設計等。每個設計階段都有特定的目的和任務,由淺入深、由粗到細,將一個工程的系統布局、總體方案、設計方案、設計細節、工程量與投資、施工組織方法等[14-20]逐步且完整地呈現在決策者和參建者面前。盡管每個階段的目的、任務、組織方式、技術資源配置、使用的設計工具、參建單位都不同,但工程設計所有工作的交付成果都將建設一個技術經濟合理的物理實體工程作為目標。

1.2 特點

20世紀80年代興起并迅速發展的計算機輔助設計,將延續了幾十年的“手工設計(計算器計算)+人工制圖+人工描圖”的工作模式,轉變為基于單一計算機軟件的工程設計,將絕大部分繁瑣的手工計算和人工制圖等工作交給計算機完成,提高了設計效率和設計質量。盡管如此,計算機輔助設計仍屬于二維設計二維交付的初級階段。

20世紀90年代以來,隨著我國油氣田勘探與開發的井噴式發展和對外交流的擴大,工程設計行業加快了設計工具的升級和優化,工程設計公司逐步形成了AUTODESK、AVEVA和SP等為主導的三維設計體系,并形成了三維設計二維交付的成果交付特點。盡管設計單位在軟件配置完整性、基礎工作推進程度、平臺深化應用、人才結構的快速轉化與培養、軟件定制與研發組織能力等方面存在一定差距,但總體而言,三維設計的組織是以部分專業參與的、部分項目實施的、部分專業之間協同的三維設計為主,成果交付仍面向物理實體工程建設與運行,亦存在一定程度的數據交付。

2 數字化協同設計的目的與特點

2.1 目的

2017年末,中國石油工程建設有限公司西南分公司提出了一種“數字化/智能化油氣田業務鏈和縱向數據鏈的架構模型”[10],其業務鏈包括勘探、鉆采、開發、地面建設工程和運行過程的生產經營管理業務,數據鏈包括橫向數據流的傳遞和縱向數據流的傳遞。該模型中有兩項內容與數字化設計相關:一是業務鏈中,設計、采購、施工及相關企業在智能油氣田產業鏈中的業務位置和數字化交付關系;二是數據鏈中,業務鏈的層級和逐步向上分層交付的路徑和目標。通過該模型,可以找到各參建企業在智能油氣田建設中的業務鏈和數據鏈位置以及數字化交付系統的完整結構,并揭示出建設方的數據資產管理和數據應用需求是決定產業鏈所有企業的數字化交付內容、格式、方式和數據標準的關鍵性因素,數字化協同設計也不例外。

2.2 特點

面向智能油氣田數字化交付的數字化設計,是一種以“全專業二三維數字化協同設計”為基礎、滿足物理實體工程建設和運行要求、有助于油氣田數據資產化管理、可推動油氣田數據生態與應用生態形成的新的設計體系,其特點可總結如下。

1)站在橫向業務鏈數字化交付視角,數字化設計與傳統設計一樣,居于工程建設的龍頭地位,其作用是交付設計成果、指導物理實體工程建設、推動數字化協同建設和建設期數字孿生體的形成和交付。

2)站在縱向數據鏈數字化交付視角,數字化設計與采購、施工、制造等企業一樣,居于智能應用的數據鏈底層,是數據的制造者和提供者,所交付的數據范圍、內容、格式、路徑要滿足數字化交付的要求，以及可視化、智能化應用的數據需求。

3)在國家和行業尚未對數字檔案顆粒度及相關數據標準提出新的要求前,傳統設計文件的電子版交付,是面向數字化交付的數字化設計成果交付的一個組成部分,但不是全部內容。

4)工程設計公司數字化設計的交付范圍、內容和深度,取決于面向智能油氣田數字化交付數據的顆粒度;同時,工程設計公司數字化設計的跨平臺交付能力,取決于異構平臺之間的適配能力和協同設計作業體系的完整性。

綜上,面向智能油氣田的數字化協同設計一方面從傳統設計的單一維度向多維度方向發展,并從傳統設計的流程作業向協同作業轉變,且技術規范與標準向標準化的數據庫方向演變;另一方面數字化協同設計從傳統設計的單一專業軟件向軟件集成、數據同源與共享的平臺化方向發展,且數字化設計人才需要從參與傳統設計的專業技術人才向同時還具備計算機工程技術的人才方向傾斜。

3 數字化協同設計及交付應用的意義

智能油氣田建設是物理油氣田建設內容的拓展和延伸,其本質是實現企業的提質增效,而這一過程中,數字化協同設計成果既是實現智能油氣田數字孿生體構建的基礎,也是保障智能油氣田生產運行的條件,數字化協同設計及交付應用的意義主要表現在以下方面。

1)二三維協同設計是全專業參與的協同設計,該項工作將通過數字化手段為工程建設過程中解決錯、漏、碰、缺等問題提供原始幾何模型、業務模型和數據模型,可有效提高油氣田建設的效率,降低油氣田建設的成本。

2)數字化設計使工程設計團隊、建造團隊和運維團隊具備了協同工作的基礎,提供的高質量原始數據占據智能油氣田數據生態中的重要位置,尤其是全專業參與的、基于統一平臺的二三維一體化協同設計,其成果是智能油氣田數據生態建設的重要原生數據。

3)基于數字化全專業三維協同設計成果和數據編碼,實現氣田設計、采購、施工地面建設工程橫向業務鏈的貫通,形成設計、采購、施工三位一體的數字化協同建造,將為智能油氣田建設提供高質量的原生數據,并交付建設期數字孿生體。

4)建設期數字孿生體加載生產運行(含檢維修)仿真模型、業務模型和數據后,將成為智能油氣田運行期的數字孿生體,其成果可實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態,并通過優化和指令來調控物理實體對象的行為。

數字化協同設計信息是數字化交付的重要組成部分,智能油氣田數字孿生體的構建和應用是數字化交付的本質。數字孿生體構建的核心是實現幾何模型、仿真模型、業務模型和數據模型的融合,其目標指向油氣田的生產優化和智能決策,且體現油氣田的全生命周期管理過程信息,保證物理油氣田信息與數字孿生體信息的一致,這意味著數字孿生體不應該僅是物理實體的數字鏡像,更要實現對于物理實體的反向驅動,成為對物理實體全面感知、主動管理、業務協同、趨勢預測和智能決策的載體。

4 數字化協同設計及交付應用的重點

數字化技術催生了企業發展的新業態、新模式,已成為全球經濟發展的重要驅動力和經濟高質量發展的重要引擎。數字化轉型和智能化發展是油氣工業不可逆轉的發展趨勢,而基于數字化協同設計的交付應用是數字化轉型的基礎工作。由于面向智能油氣田數字化交付的數字化協同設計在目的、范圍、內容、深度、軟件工具選擇、數據交付標準和設計組織方法等方面均發生了相應變化,工程設計公司的數字化設計規劃與組織也應進行調整和適配。

1)基于數字化協同設計目的開展業務規劃和體系建設,包括設計管理體系、工藝設計體系、設計計算體系、三維模型設計體系、材料管理體系和成果交付體系等。各體系的規劃、設計、驗證、優化和深化應用需以業務為導向、以軟件為基礎、以交付為目的進行總體布局和建設。

2)基于數字化協同設計目的構建基礎設施與支撐環境,包括軟件部署和取用方法、硬件環境、數據庫(標準庫、知識庫、編碼庫、模型庫、模板庫、元件庫、支吊架庫等)及配套支撐條件等,需建立在以軟件、知識和數據為核心的協同環境之上。

3)全專業參與的二三維數字化協同設計意味著所有專業設計工具的統一化和體系化,以及大量的專業庫表標準化和IT定制,同時設計工具的改造和變化也帶來了設計從業者適應性與用工成本再評估的問題。

4)全專業協同設計的組織包括設計各專業之間業務的協同和數據的協同。其挑戰在于,這是一種全新的生產組織關系,需要對傳統設計組織模式進行重構,重構過程又是一種基于IT的實踐,需要提高企業軟件開發能力和應用水平。

5)與以往傳統設計模式相比,數字化協同設計大大減少了中間提交資料的環節,使得設計人員在統一的環境、平臺和標準下作業,確保了設計數據的一致性、時效性和高質量。數字化設計工作的項目策劃和實施落實,需體現數字化協同設計面向智能油氣田的數字化交付。

6)隨著數字化油氣田向智能油氣田的延伸和發展,不僅數字化交付的內涵發生了深刻改變,而且數字化交付的目標、范圍和任務也發生了轉移,新形勢下的數字化交付應解決交付目標、范圍和規則的一致性問題。

全專業二三維協同設計的目標就是要實現設計成果的高效應用和價值傳遞,以滿足工程建設、生產運行、設備管理、安全與應急管理等業務的提質增效。而設計成果的使用方式直接決定了數據潛在價值釋放與應用用戶的體驗。在屬性數據交付層面,需要交付結構化的,可直接被數字化交付平臺識別,與數字化交付標準保持一致的可靠數據;在文檔數據交付層面,既需要考慮檔案交付,也要關注檔案數據交付的碎片化問題,緊跟檔案管理對數據形式要求發展的前瞻性和可用性;在模型數據交付層面,要綜合考慮數據資產化、數字孿生體等對數字化設計模型精度、模型解析及復用，以及對數據二三維關聯交付的規范性、完整性、準確性和時效性問題。

5 結論

1)沒有三維模型就沒有數字化，沒有數字化就沒有智能化,發展全專業二三維關聯交付數字化協同設計能力,需要兼顧協同設計技術水平的提升和協同設計成果交付水平的提升,并與IT配套技術協調發展。

2)面向智能油氣田數字化交付的二三維數字化協同設計,既是物理實體工程建設的引領者,也是油氣田智能管理的高質量數據提供者之一,數字化交付既要面向檔案交付,又要面向智能油氣田的應用。

3)全專業二三維關聯交付協同設計成果交付的三維模型可作為數字孿生體幾何模型,二維數據可作為數字孿生體幾何屬性。數字孿生體的應用可構建基于過程信息共享的協同建設機制,促進工程建設質量和效率的提升。