孫冠華, 賀永金, 繆 云, 張澤果, 孫建斌
(1.航天長征化學(xué)工程股份有限公司,北京 101111;2.南京強(qiáng)思數(shù)字科技有限公司,江蘇南京 211899)
隨著中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,其作為國民經(jīng)濟(jì)“穩(wěn)定器”“加速器”的作用更加凸顯。2022年中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模已達(dá)50.2萬億元,同比增長10.32%[1]。在數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的強(qiáng)大趨勢下,大型項目實施數(shù)字化交付已趨于常態(tài)。
保證工廠三維建模的完整性,是實施數(shù)字化交付、建立數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)。部分?jǐn)?shù)字化交付項目采用EPC總承包的形式,通常要求各參與方使用同一種建模軟件,由EPC裝置院通過正向建模或反向翻模、整合裝置界區(qū)內(nèi)模型,設(shè)計總體院補(bǔ)充界區(qū)外部模型,最終形成完整廠區(qū)模型。對于非EPC項目,很難要求各參與方使用同一種建模軟件,模型的來源將變得更為復(fù)雜,種類也多種多樣。因此,如何保證數(shù)字化交付模型的完整性,成為一個必須考慮和解決的問題。
國內(nèi)外對三維模型數(shù)據(jù)整合的研究高度關(guān)注[2-8]。郝大輝等[9]在澳門某口岸項目中對Revit,Tekla,Civil 3D,Rhino等建模軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,進(jìn)而將項目內(nèi)多個單體建筑模型統(tǒng)一導(dǎo)入到Navisworks中,實現(xiàn)了項目建模預(yù)定目標(biāo);陳辰等[10]在某輸變電工程項目中,基于SuperMap平臺和行業(yè)通用格式,將包括Revit,CADworx在內(nèi)的不同三維格式模型進(jìn)行了整合,為電力仿真系統(tǒng)和電力數(shù)據(jù)協(xié)同分析打下了基礎(chǔ);康凱[11]結(jié)合SolidWorks軟件在工程項目中的整合實踐,歸納了該軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行整合時的途徑及輕量化方法;曹方等[12]根據(jù)高鐵車站建設(shè)項目,將3DS MAX和Revit軟件模型轉(zhuǎn)換為支持格式并在Web平臺上發(fā)布,實現(xiàn)了車站的集成展示和全方位可視化管理;SZTIPANOVITS等[13]為了集成各類出自不同框架和計算機(jī)語言的信息,通過引入建模軟件間的接口和工具構(gòu)建模型集成平臺,從而為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)建立基礎(chǔ)。
一方面,包括專利在內(nèi)的現(xiàn)有文獻(xiàn)涉及公建、民建BIM方面的整合研究較多,但對包含專業(yè)更多、占地更大、建設(shè)對象更加復(fù)雜的工業(yè)項目涉及較少;另一方面,現(xiàn)有文獻(xiàn)對整合深度往往局限于模型拼合卻沒有屬性信息的傳遞,而屬性信息是模型數(shù)據(jù)的內(nèi)在重要組成,它的完整接入也是實現(xiàn)數(shù)字化交付的重要一環(huán)。根據(jù)業(yè)內(nèi)現(xiàn)狀,工業(yè)項目的數(shù)據(jù)整合需求大且完成難度大,這些問題亟待被解決。AVEVA AIM平臺(簡稱AIM平臺)是工業(yè)數(shù)字化交付項目中應(yīng)用最廣的平臺之一[14],卻在整合方面的各類研究中鮮有提及。因此,本文以航天長征化學(xué)工程股份有限公司(以下簡稱航天工程公司)某化工氣化氣項目為例,對非EPC項目的數(shù)字化交付模型數(shù)據(jù)整合進(jìn)行探討,提出解決方案及優(yōu)化方向。
本案例項目以煤為生產(chǎn)原料,采用粉煤加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)粗合成氣;再通過變換、凈化、精制、壓縮、氨合成等工序得到產(chǎn)品液氨;液氨作為原料生產(chǎn)尿素;尿素繼續(xù)生產(chǎn)三聚氰胺和尿素硝銨溶液。項目總投資約53億元。目前,項目實施全廠性數(shù)字化交付,致力于打造數(shù)字工廠示范項目。
本項目除個別裝置(如氣化、零排放等)采用EPC或EP總包形式之外,其他均采用設(shè)計(E)、采購(P)、施工(C)分開招標(biāo)的執(zhí)行方案,因此項目涉及參與方更多更廣(多達(dá)數(shù)百家),數(shù)字化交付物的統(tǒng)一難度更大,涉及建模軟件眾多,具體如圖1所示。

圖1 項目裝置單元分布概況及涉及建模軟件Fig.1 Overview of the distribution of project equipment units and involving modeling software
模型數(shù)據(jù)通常來源于各裝置EPC承包方。各承包方提供整個裝置范圍內(nèi)的三維模型,但對于非EPC總承包項目來說,模型來源不限于設(shè)計院,還有部分設(shè)備供應(yīng)商。模型數(shù)據(jù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)范和規(guī)定,主要有GB/T 51296—2018《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》[15]、GB/T 40209—2021《制造裝備集成信息模型通用建模規(guī)則》[16],以及針對項目發(fā)布的《數(shù)字化交付三維模型統(tǒng)一規(guī)定》等。一般來講,項目統(tǒng)一規(guī)定的要求要嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)。本項目中,設(shè)計院提供設(shè)計向建模的界面模型。所謂界面模型,是一種簡化的設(shè)備模型,用于專業(yè)之間相關(guān)信息的傳遞,并不用于設(shè)備的內(nèi)部設(shè)計;其管口位置、方向、支座位置、連接尺寸等準(zhǔn)確無誤,設(shè)備外觀為大致示意。與之對應(yīng)的稱之為機(jī)械模型,屬于產(chǎn)品設(shè)計模型,能夠準(zhǔn)確反映設(shè)備外形尺寸,并包含設(shè)備零部件及內(nèi)部構(gòu)造等信息,可用于指導(dǎo)機(jī)械制造加工和進(jìn)行仿真培訓(xùn)等。一般來講,設(shè)計方需要保證各類設(shè)備界面模型的完整性,而對于業(yè)主提出建模要求的設(shè)備,則由具備實施條件的廠家提供機(jī)械模型,由設(shè)計院和數(shù)字化總體院進(jìn)行整合。
為了進(jìn)行項目三維模型的數(shù)據(jù)整合,根據(jù)設(shè)備的復(fù)雜程度和重要性高低,將業(yè)主采購的設(shè)備供應(yīng)商分為2類:一類是常規(guī)(非成套)設(shè)備,其主要包括單體設(shè)備及工藝流程不復(fù)雜、重要程度不高的撬裝設(shè)備(如泵、罐體、加藥裝置等)。另一類是成套設(shè)備,主要指工藝流程復(fù)雜、重要程度較高或涉及專利、專有設(shè)備的設(shè)備機(jī)組,如壓縮機(jī)組、脫硫脫硝裝置等。
常規(guī)(非成套)設(shè)備,除特殊要求外,由設(shè)計院提供界面模型,各設(shè)計院模型最終由數(shù)字化總體院在數(shù)字化交付平臺進(jìn)行整合,供應(yīng)商無需提供三維模型。對于業(yè)主提出機(jī)械建模要求的常規(guī)設(shè)備,則由設(shè)計院在PDMS中用機(jī)械模型替換原有界面模型。如無法導(dǎo)入PDMS軟件,則機(jī)械模型通過相關(guān)設(shè)計單位校核無誤后由數(shù)字化總體院在AIM平臺中進(jìn)行整合。成套設(shè)備供應(yīng)商提供的三維模型由關(guān)聯(lián)設(shè)計院校核工廠對象位號、總體坐標(biāo)及對接點方位等信息,無誤后由數(shù)字化總體院在AIM平臺進(jìn)行整合。對于無法最終進(jìn)入平臺的模型,則通過Review軟件單獨進(jìn)行瀏覽,本研究通過實踐優(yōu)化,使模型數(shù)據(jù)展示于統(tǒng)一平臺,避免數(shù)據(jù)需單獨瀏覽的情況發(fā)生。項目模型數(shù)據(jù)整合流程如圖2所示。

圖2 各參與方模型數(shù)據(jù)整合流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of model data integration process for each participant
隨著這些年計算機(jī)軟件的不斷完善和專業(yè)人員技術(shù)能力的不斷提高,三維建模在各個行業(yè)應(yīng)用廣泛。各類軟件不僅可滿足設(shè)計需求,同時不斷完善可視化效果、校核計算、快速出圖等功能,大大提高了設(shè)計效率及準(zhǔn)確性[17]。由于本項目為非EPC項目,既有裝置設(shè)計院,又有設(shè)備供應(yīng)商,同時還有個別總承包單位,因此三維建模軟件類型更為多樣。對于裝置設(shè)計院,項目要求統(tǒng)一采用PDMS軟件;設(shè)備成套供應(yīng)商所采用的建模軟件主要有SolidWorks,CADWorx,Pro/E,UG,3DS MAX等;而總承包單位則主要采用Revit及PDMS軟件。
上述軟件不單涉及化工行業(yè),還包括公建、民建、動畫渲染、機(jī)械制造等各個領(lǐng)域,能夠?qū)С龅哪P蛿?shù)據(jù)格式不一,各格式數(shù)據(jù)不能直接連通。表1列出了項目涉及的三維建模軟件需導(dǎo)出格式及配套數(shù)據(jù)要求。打通各自的信息孤島,是保證數(shù)字化交付信息完整性的重要一環(huán)。本文通過對各類模型數(shù)據(jù)的測試驗證,力求探索出一套包含上述數(shù)據(jù)類型的完整的整合方法。

表1 項目涉及三維建模軟件及相應(yīng)整合需求
將表1中各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,需完成2個方面內(nèi)容的導(dǎo)入,即模型文件和屬性信息。各類建模軟件出自于不同廠家,可導(dǎo)出的格式類型各不相同,需要思考如何順利導(dǎo)入到AIM平臺并保證模型數(shù)據(jù)不產(chǎn)生偏差和缺失,解決該難點的核心思路是將各類模型轉(zhuǎn)換為平臺可直接處理的格式(包括RVM,IFC,DWG,等),再導(dǎo)入平臺。屬性數(shù)據(jù)主要包括模型的位號、類別、從屬關(guān)系、設(shè)計參數(shù)等,主要通過AIM平臺相應(yīng)Gateway對模型自帶信息進(jìn)行提取處理,得到平臺可用的XML格式屬性文件,當(dāng)模型屬性信息無法被平臺提取時,采用建模軟件中參數(shù)賦予或單獨填寫數(shù)據(jù)模板等形式,間接形成屬性文件,再將相應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺。簡而言之,最終需要得到的是RVM/IFC/DWG+XML的模型數(shù)據(jù),其整合流程如圖3所示。

圖3 各類型模型數(shù)據(jù)整合流程圖Fig.3 Flow chart for data integration of various types of models
3.2.1 PDMS數(shù)據(jù)整合
由于PDMS與AIM平臺同屬AVEVA公司旗下產(chǎn)品,因此將PDMS數(shù)據(jù)導(dǎo)入AIM平臺相對便捷。數(shù)據(jù)主要包括RVM格式的三維模型及XML格式的屬性文件,其中,前者可在PDMS中直接導(dǎo)出,后者通過Gateway進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)導(dǎo)出為可以直接導(dǎo)入AIM平臺的XML文件。導(dǎo)出數(shù)據(jù)前應(yīng)保證PDMS中PBS層級結(jié)構(gòu)及位號嚴(yán)格按照數(shù)字化統(tǒng)一規(guī)定要求,保證位號能夠順利被平臺提取。PDMS建模數(shù)據(jù)及進(jìn)入AIM平臺效果如圖4所示。

圖4 PDMS模型數(shù)據(jù)整合效果Fig.4 Diagram of PDMS model data integration effect
3.2.2 Revit數(shù)據(jù)整合
使用Revit建模的參與方,需將模型導(dǎo)出為IFC格式,通過AIM平臺專用的IFC Gateway進(jìn)行處理后導(dǎo)入平臺,同時,模型所對應(yīng)的位號信息統(tǒng)一填入“Object ID”欄中,通過參數(shù)賦予由Gateway進(jìn)行提取,再由交付平臺建立位號與相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中,設(shè)備類可直接選中設(shè)備,在屬性框中“Object ID”欄定義位號;土建類需定義位號的土建內(nèi)容 → 創(chuàng)建組 → 確定 → 選中組 →屬性框中“Object ID”欄定義位號。Revit建模數(shù)據(jù)及導(dǎo)入AIM平臺效果如圖5所示。

圖5 Revit模型數(shù)據(jù)整合效果Fig.5 Diagram of Revit model data integration effect
3.2.3 SolidWorks,UG及Pro/E數(shù)據(jù)整合
PDMS支持導(dǎo)入STEP格式文件,用SolidWorks,UG及Pro/E導(dǎo)出STEP格式文件,然后依托PDMS的MEI接口將STEP格式的模型導(dǎo)入PDMS,再通過自研插件自動將每個sube層級轉(zhuǎn)換為equi層級,并將成套設(shè)備拆分成單個的管道、設(shè)備、儀表等。轉(zhuǎn)換完成后,在PDMS內(nèi)對其進(jìn)行方向和位置的校對調(diào)整,再將模型導(dǎo)出為RVM格式。位號屬性則由參與方填寫總體院統(tǒng)一制定的表格,由專用插件處理后形成config文件,形成位號信息清單并建立工廠對象間的從屬關(guān)系。SolidWorks模型數(shù)據(jù)整合前后效果如圖6所示。

圖6 Solidworks模型數(shù)據(jù)整合效果Fig.6 Diagram of Solidworks model data integration effect
3.2.4 CADWorx數(shù)據(jù)整合
CADWorx常用導(dǎo)出格式為DWG,針對該格式的模型數(shù)據(jù),通過AIM平臺專用工具GCT(gateway configuration tool)進(jìn)行處理,將DWG格式三維模型轉(zhuǎn)換為XGL文件,然后導(dǎo)入平臺。CADWorx中包含的位號信息則需要將塊名稱定義為相應(yīng)的位號名稱,通過配置GCT中mapping files文件對相應(yīng)塊內(nèi)容進(jìn)行提取,最后由Gateway處理后形成XML屬性文件。CADWorx模型數(shù)據(jù)整合前后效果如圖7所示。

圖7 CADWorx模型數(shù)據(jù)整合效果Fig.7 Diagram of CADWorx model data integration effect
3.2.5 3DS MAX數(shù)據(jù)整合
將3DS MAX繪制模型以ascii編碼的形式導(dǎo)出為STL格式文件,然后導(dǎo)入至AVEVA E3D中,在macro file路徑下面生成相應(yīng)的MAC格式文件,再將MAC文件拖入E3D或者PDMS的commond窗口進(jìn)行導(dǎo)入,并執(zhí)行2項操作:一方面通過移動對模型進(jìn)行重新定位,賦予其絕對坐標(biāo)值;另一方面在E3D或PDMS中對各工廠對象定義位號,并定義從屬關(guān)系。接下來,將完善好的模型導(dǎo)出為RVM文件,同時通過Gateway處理形成XML屬性文件。3DS MAX模型數(shù)據(jù)整合前后效果如圖8所示。

圖8 3DS MAX模型數(shù)據(jù)整合效果Fig.8 Diagram of 3DS MAX model data integration effect
3.2.6 Navisworks數(shù)據(jù)整合
Navisworks并非建模軟件,但通過該軟件可以重新整合NWD及NWC格式的模型數(shù)據(jù)。首先,通過插件Codemill IFC Exporter將上述2種格式文件導(dǎo)入Navisworks(schema version選擇IFC2×3),然后再將其以IFC格式導(dǎo)出。由于此時文件中沒有相應(yīng)位號信息,因此不能如Revit一般進(jìn)行屬性提取,而是需要將IFC再次導(dǎo)入至E3D中,余下所需步驟與上文STL文件導(dǎo)入E3D后操作相同,最終形成可導(dǎo)入平臺的RVM和XML文件。Navisworks模型數(shù)據(jù)整合前后效果如圖9所示。

圖9 Naviswork模型數(shù)據(jù)整合效果Fig.9 Diagram of Naviswork model data integration effect
本研究通過直接或間接導(dǎo)入平臺的形式,將本項目涉及的所有類型模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合,尤其是如圖10 a)所示的各類無法直接導(dǎo)入平臺的數(shù)據(jù),通過模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和調(diào)配,讓項目中的廠前區(qū)、中水回用、污水處理、煙氣脫硫、硝銨裝置、循環(huán)水場等區(qū)域及裝置的模型完成整合,同時也讓諸多成套設(shè)備(磨煤機(jī)組、壓縮機(jī)組等)的機(jī)械模型導(dǎo)入到平臺。據(jù)AIM平臺模型匹配數(shù)量的報表顯示,全廠設(shè)備類的模型匹配量由70%提升至95%以上,全廠模型整合效果如圖10 b)所示。剩余需單獨瀏覽模型為勘察單位地基建模,導(dǎo)入后失去分層展示的功能性。與此同時,模型屬性信息也通過各種形式導(dǎo)入至平臺,有效解決了數(shù)據(jù)完整性的問題。通過整合,現(xiàn)全廠有效模型數(shù)據(jù)量已達(dá)89 000余條,包含設(shè)備、管道、儀表、特殊管件及建(構(gòu))筑物等重要工廠對象,單一對象具備唯一位號及參數(shù)屬性,這些靜態(tài)數(shù)據(jù)一方面可以方便業(yè)主進(jìn)行運(yùn)維管理,同時還可以對接AVEVA公司的PI,ERM等系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù),形成數(shù)字工廠的數(shù)據(jù)底座,實現(xiàn)一系列智能應(yīng)用[19]。

圖10 各類模型數(shù)據(jù)整合效果Fig.10 Integration effect of various types of model data
1)通過類比實測摸索最佳途徑
在對本項目整合路徑探討的過程中,并非事先知曉轉(zhuǎn)換效果是否合乎預(yù)期、是否屬于最佳解決方案,因此需通過不斷嘗試摸索,尋求最佳途徑。比如3DS MAX可以導(dǎo)出SolidWorks (.SLDPRT,.SLDASM)、STEP(.STP,.STEP)、StereoLitho (.STL)、Pro/E (.PRT)等軟件兼容的中轉(zhuǎn)格式,通過實測發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)換為STL格式后視覺效果最好、文件大小適中,且不存在數(shù)據(jù)丟失的問題,因此選用STL格式而不選取應(yīng)用更多的STEP格式。再如SolidWorks導(dǎo)出的STEP及SAT格式均可被PDMS接收,通過實測,STEP較SAT格式大小相差很小,且導(dǎo)入效果相同,因此通過綜合考量選用更為廣泛的STEP格式作為整合的中間格式,這與文獻(xiàn)[11]中的建議相左,但更適用于本項目的執(zhí)行。通過上百次的橫、縱向測試,得出最佳途經(jīng),將所執(zhí)行的具體操作匯總編制成本項目數(shù)字化交付《模型數(shù)據(jù)處理操作手冊》,供相關(guān)參與方參照執(zhí)行。
2)使用插件及接口實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換
在模型數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的過程中,信息孤島間需要一座連接的橋梁,而各類插件和接口就能起到這樣的作用。比如STEP文件導(dǎo)入PDMS,通過采用MEI export接口完成,無需使用E3D軟件(E3D支持導(dǎo)入STEP文件)來進(jìn)行這步操作,讓沒有E3D軟件的供應(yīng)商亦能實現(xiàn)整合工作;同時,通過MEI export接口導(dǎo)入后,STEP模型是作為整體在PDMS中顯示的,利用自研插件將模型進(jìn)行拆分并命名,將模型子部件與位號建立一一對應(yīng)關(guān)系,從而使數(shù)據(jù)完整性和一致性得以實現(xiàn);再如NWD及NWC格式的模型數(shù)據(jù),則采用Codemill IFC Exporter插件導(dǎo)入Navisworks,完成格式轉(zhuǎn)換后方可導(dǎo)入E3D,實現(xiàn)整合工作。
3)運(yùn)用數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成屬性賦予
屬性信息和模型文件同等重要[18]。對于AIM平臺來說,除AVEVA公司旗下PDMS,E3D以外,其他大多數(shù)建模軟件的屬性信息無法直接提取,因此,需要設(shè)計方探索有效途徑解決該問題。通過測試實踐得到:對于Revit和CADWorx,可通過參數(shù)賦予的方式,在原建模軟件中指定位置填寫屬性,再將平臺數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行針對性配置,讓模型與屬性信息建立的關(guān)聯(lián)關(guān)系能夠被提取;對于SolidWorks,3DS MAX等軟件,由總體院提供屬性填寫模板,供應(yīng)商按要求填寫后處理為Config文件,將該文件導(dǎo)入平臺后,得到位號及模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
4)利用CAD轉(zhuǎn)三維坐標(biāo)點快速校對模型位置
快速校對各方所提供模型定位的工作十分重要。在CAD中,將道路輪廓線及裝置區(qū)紅線定義為單一圖層,并稍加完善,使道路及裝置區(qū)線條封閉,定義其中2個點的坐標(biāo)實現(xiàn)定位,再通過Netload命令加載二、三維轉(zhuǎn)換插件生成txt文件,導(dǎo)入PDMS生成對應(yīng)的Pannel模型,保存的RVM格式模型導(dǎo)入到Navisworks中即可形成可快速校準(zhǔn)其他模型的總圖模型。
為了擴(kuò)大數(shù)字化交付項目可接納建模軟件類型,降低投標(biāo)方準(zhǔn)入門檻,降低項目實施費用,本文基于AVEVA AIM平臺,對整合多行業(yè)、多類型三維模型數(shù)據(jù)的技術(shù)方法進(jìn)行研究,主要結(jié)論如下。
1)對Revit,SolidWorks,CADWorx,3DS MAX,Pro/E,UG等在內(nèi)的近10款主流軟件整合效果進(jìn)行對比分析,得出最佳路徑。并在3DS MAX和SolidWorks的整合實踐中對原有文獻(xiàn)論述進(jìn)行了驗證并提出優(yōu)化意見。
2)利用插件及接口實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換,從而使某些沒有特定軟件的供應(yīng)商亦能實現(xiàn)整合工作,使模型數(shù)據(jù)的信息孤島得以打通;同時可使整合工作的部分繁瑣步驟得以簡化,減少大量人工工作。
3)借助數(shù)據(jù)導(dǎo)入實現(xiàn)屬性賦予,保障了模型文件轉(zhuǎn)換整合過程中位號及模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,同時,運(yùn)用自研插件,提高了轉(zhuǎn)換后屬性數(shù)據(jù)的保真效果。
4)項目模型數(shù)據(jù)完整度由70%提升至95%以上,提高了交付效果,減少了參與方的翻模工作。
本文所提優(yōu)化方法提高了數(shù)字化交付的可行性,可供業(yè)內(nèi)公司參考借鑒。目前,項目還處于建設(shè)階段,仍需要提升數(shù)字化交付平臺自身的兼容性,并在數(shù)據(jù)整合過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,進(jìn)一步提高整個行業(yè)的數(shù)字化交付能力水平。