油田站場設計階段數字化交付技術應用

李艦

大慶油田設計院有限公司

國家《中國制造2025》宏偉戰略的推出，加速了智能化工廠的不斷發展，越來越多的石油化工企業開始向數字化轉型，數字化交付是加速數字化轉型、智能化發展的必要手段。

數字化交付是以工程對象為核心，對工程項目建設階段產生的靜態信息進行數字化創建直至移交的工作過程。數字化交付可實現對資產數據的統一管理，實現真正意義上的全面管控[1-2]。通過數字化手段實現以更低的成本輔助工程建設、安全、生產運維和管理，相比傳統工程項目交付方式，數字化交付不僅交付數據，同時交付價值。數字化工廠是通過數字化交付形成的無形資產，它不僅是一個數據集成的平臺，更是一個信息瀏覽的端口、數據應用的平臺、輔助決策的工具，支持施工、運營、維護、擴建、檢修和維修，為更科學、更高效的工程建設和生產運行創造條件。

數字化交付具有自身業務特點，前期探索中已積累了一定的數據基礎，現需制定一套更為完整、科學、合理的數字化交付標準體系和實施方法。大慶油田自2018 年起，在全專業協同設計的基礎上，開始了對數字化交付相關技術的研究和探索。本文依托數字化交付典型站場南I-1 聯合站擴改建工程，對設計階段數字化交付相關技術進行探討。

1 數字化交付總體技術方案

全生命周期的數字化交付涵蓋了設計、采購、施工等階段，數字化交付整體技術路線如圖1 所示。在工程設計期，數字化交付通過全專業三維協同設計的方式，以站場設施為核心對工程項目設計、采購與施工建設階段產生的數據信息進行移交，并依托可視化綜合信息平臺實現工藝、電力、自控、配管等專業工程信息自動傳遞[3]；工程建設期，大慶油田通過油田自建的“基建運行管理系統”、“智慧工地系統”接口，實現三維模型、設計圖紙、采購文件、施工記錄全面關聯集成。

圖1 大慶油田數字化交付整體技術路線Fig.1 Overall technical route for digital delivery in Daqing Oilfield

全專業三維協同設計是設計階段數字化交付的方法和前端，大慶油田設計院采用的協同設計是工藝、電力、自控等專業利用COMOS 軟件完成系統設計，并將數據傳遞到PDMS（工廠三紡布置設計管理系統）軟件，配管、電力、自控等專業以COMOS上的設計數據為依據，在PDMS軟件上完成布置設計并和Solidworks、Revit 模型合模后形成最終的站場三維模型。協同設計成果包括智能P&ID、三維模型、設計文檔和屬性，通過系統交付的形式，在交付平臺上集成與關聯交付給業主。

設計階段數字化交付的實施成果是后續采購、施工階段數字化交付以及項目全生命周期運維管理的數字基座。在設計交付階段，通過對三維模型和智能P&ID 進行解析，實現以工程對象為核心的二三維聯動以及設計屬性的關聯。在文檔關聯方面，通過建立關聯關系表格，實現文檔與三維模型、數據、屬性的關聯。最終設計文檔中涉及的每個工程對象都能一致地對應所在的三維模型、智能P&ID和設計屬性。

2 技術標準

標準的建立是數字化交付的依據和準則，對照Q/SY 01015—2022《油氣田地面工程數字化交付規范》，在設計階段建立的數字化交付相關標準主要有《數字化交付策略》《工程對象類及屬性定義》《數字化交付編碼規定》《設計階段數字化交付內容規定》，并對針對質量管理建立了《數字化交付質量管理方案》。

《數字化交付策略》是數字化交付管理體系的總則，包含交付原則、交付內容、交付形式和交付過程。通過建立交付策略，統籌策劃了數字化交付工作，實現了以工廠對象為核心的標準化移交，保證了數字化信息的一致、準確和完整。《工程對象類及屬性定義》是數字化交付的基礎規范，包含交付信息和交付基礎等內容。通過定義油田站場的工程對象類別及屬性，明確了設計交付階段工程對象所屬類別以及工程對象所需交付屬性的內容、級別和來源。《數字化交付編碼規定》是油田站場工程對象位號、設計文件等相關工程材料編制編碼的依據，通過對位號、圖紙文件等工程材料編制唯一編碼，保證各個系統間數據高效傳遞。《設計階段數字化交付內容規定》規范和指導了油田站場設計階段的數字化交付方法，明確設計文檔的交付范圍、編號、格式和屬性以及三維模型和智能P&ID 的設計內容、深度、繪制要求。在《數字化交付質量管理方案》中規定了設計階段質量審核范圍、審核流程、質量檢測點、質量管理的保障措施，保障了設計階段交付成果的質量。

3 全專業協同設計

3.1 主要工作內容

全專業三維協同設計是實施數字化交付的前提條件，包含工藝、電力、自控專業的系統設計協同和配管、電力、通信、自控等專業的布置設計協同。通過對設計成果進行二三維校驗和布置協同校驗，保障了二三維數據的一致性和模型的完整性。全專業三維協同設計為數字化交付提供了重要的原生數據，提高了數字化交付的質量和效率。

系統設計依托COMOS 軟件，采用數據庫技術，使工藝專業與自控專業在同一平臺上、同一數據庫內完成系統設計，并傳遞數據到布置設計階段[4]。在布置設計階段，COMOS 軟件通過二三維數據傳遞的方式向AVEVA PDMS 軟件傳遞數據，配管、電力、自控、通信等專業在PDMS 上接收數據后開展三維設計[5]。土建、暖通、給排水等專業使用Revit 軟件進行三維設計，機械專業使用Solidworks 軟件進行模型建模工作。各專業模型完成后，通過模型處理軟件進行模型合模。

3.2 二三維校驗

二三維校驗是對系統設計和布置設計的設計成果進行一致性檢查。校驗時先對每張需要校驗的圖紙編號并建立圖紙查詢，再打開相應軟件完成不同軟件間的數據傳遞，數據完成流轉后對二三維數據進行校驗、匹配關聯，對于有問題的數據返回相關設計人修改（圖2）。二三維校驗增強了工藝專業和配管等專業間的數據流轉，保證了二三維數據的一致和準確性，提高了校核效率和設計質量[6]。

圖2 二三維校驗過程Fig.2 Process of two and three dimensional checking

3.3 布置協同校驗

布置協同校驗是對協同設計階段多專業繪制的三維模型進行校驗核查。校驗時將多專業不同格式的三維模型導入模型融合軟件后修正模型的坐標信息，進一步檢查模型是否有碰撞并形成校驗報告（圖3）。布置協同校驗保障了模型的準確性和完整性，及時地發現錯、漏、碰、缺等問題，有效降低了施工成本，保證了施工質量。

圖3 布置協同校驗過程Fig.3 Process of layout collaborative checking

4 設計階段數字化交付

4.1 技術路線

設計階段數字化交付包含設計交付前平臺基礎定制、文檔交付、工程對象解析、二三維核驗和關聯關系定制五個步驟。以工程對象為核心，將滿足交付深度和質量要求的智能P&ID、三維模型、設計圖紙、文檔和屬性信息上傳交付平臺并完成數據、信息間的關聯，實現工程數據與工廠三維模型的有機結合，為后續采購、施工階段數字化交付以及項目全生命周期運維管理打造數字基座，設計階段數字化交付技術路線見圖4。

圖4 設計階段數字化交付技術路線Fig.4 Design stage digital delivery technical route

4.2 設計交付前平臺基礎設置

從設計交付角度出發，需根據大慶油田數字化交付相關規定完成平臺交付基礎的定制，主要包括類庫和屬性的定義以及WBS 分解結構（圖5）。類庫是描述工程對象的信息組織結構，包括了工程對象類、屬性文檔等，同類別的工程對象具有相同的屬性定義。在實施數字化交付前需根據《工程對象類及屬性定義》在交付平臺上完成相應設置。WBS分解結構是反映工程對象的樹狀結構，項目按照WBS 分解立項。按照區域、單元的編號將管道、閥門、設備和儀表位號等自動引用到對應區域并確定引用深度[7]。

圖5 設計交付前平臺基礎設置Fig.5 Basic platform settings before design delivery

4.3 工程對象解析和二三維核驗

COMOS P&ID 和三維模型中的工程對象以及工程對象所帶的屬性均有各自的定義方式[8]。工程對象解析是將原始數據中的工程對象及屬性轉換成數字化交付平臺類庫的呈現方式。通過編制解析文件，將導出的圖紙、模型文件轉化成解析成果文件，上傳平臺后進行解析、驗證，核驗二三維校驗結果。通過工程對象解析實現以工程對象為核心的二三維聯動。

4.4 文檔及屬性上傳交付平臺

文檔交付是在數字化交付平臺對應層級及目錄樹下將初設、施工圖設計階段產生的設計文檔、文檔屬性上傳平臺交付給用戶。將全專業文檔結合文件編碼目錄整理上傳到平臺相應位置，根據文件編碼規定填寫屬性表格，上傳至交付平臺后交付給用戶（圖6）。文檔交付實現了文檔按照專業、類別、區域單元等多種方式的快速檢索。

圖6 文檔交付Fig.6 Document delivery

4.5 文檔關聯

文檔關聯是將設計文檔與智能P&ID 和三維模型進行關聯。具體是為收集的各專業設計文件編制文件編碼，在確定了工程項目的關聯關系范圍后，將編制的關聯關系表格上傳平臺完成關聯（圖7）。通過文檔關聯完成智能P&ID、三維模型和文檔的聯動，實現了基于虛擬資產文檔管理，創建了一種面向資產角度對文檔的描述，更加自然、真實反映文檔存儲及管理的本質，提供了快捷、高效訪問文檔的手段[9]。

圖7 關聯關系定制Fig.7 Associated relationship setting

4.6 配套管理

隨著對數字化交付認識的不斷深入，在總結不同類型站場數字化交付實施經驗的基礎上，通過對設計階段數字化交付做法的探索和改進，實現全面提升交付質量和交付效率（圖8），主要表現在以下兩個方面：一是自主編制軟件，提升工作自動化程度；自主開發檔案號轉文件編碼工具，輔助數字化交付項目文檔管理人員將檔案號快速轉化為文件編碼。二是編制交付實施手冊，規范實施流程，明確工作內容，提升人員業務水平。

圖8 輔助軟件和實施手冊Fig.8 Assist software and implementation manuals

5 工程數字化交付實施

南I-1 聯合站擴改建工程是大慶油田首座伴隨式數字化交付轉油站，全站主要由工藝、電力系統組成，采用“三合一”處理工藝，按照數字化油田標準建設。工程設計階段采用多專業協同設計，同步開展二三維校驗及布置協同校驗。設計交付階段對交付精度和模型繪制深度進行了升級，如儀表專業根據項目情況分類篩選，儀表代碼關聯更加精準；室內管架及室外管廊均采用Revit 建模，可輔助及時發現電力、儀表、配管共架時的碰撞問題，模型更加精細；補充管墩埋地部分模型和弧板支吊架庫并避免與管線之間的碰撞，模型更加規范、完整（圖9）。該工程復用了標準化設計成果，對標準化設計快速轉化為交付成果的技術進行了探索。

圖9 南Ⅰ-1聯合站擴改建工程三維模型Fig.9 3D model of the expansion and reconstruction project of NanI-1 Multi-purpose Station

通過對該工程實施數字化交付，完成了文檔、智能P&ID、三維模型、屬性及材料等信息的交付；保證了數據的同源、一致和完整；實現了基于工程對象的設計文件在線預覽、多專業模型整合、三維模型展示、設計數據預覽、文件檢索、在線協同審查等功能；設計階段交付的三維模型是全生命周期數字化交付的數據基座，在采購施工發生變更后可作為竣工模型的輸入條件，在采購和施工過程中同樣得到深度應用，例如可利用三維模型定制開發4D 施工進度管理功能，為項目現場施工進度計劃的編制實施及變更提供重要依據，在項目建造前期指導施工、中期把控施工、后期校核施工，推動建設項目精細化管理[10]。

6 結束語

設計階段數字化交付是數字化交付實施的第一步，設計交付的成果為油田站場生產運維、設備資產管理、故障維修、虛擬巡查巡檢、智能運維可視化提供堅實保障。大慶油田現階段在設計交付方面具備一定的基礎，下一步將針對不同類型站場明晰交付目標，制定不同的交付策略和規則，形成相應的交付管理辦法，明確各類站場設計階段交付流程，提高設計階段數字化交付效率；將針對不同形式的交付成果，例如標準化設計成果如何與現行的設計交付做法有效結合，多平臺間的同類設計成果如何匹配融合以及橇裝設備數字化交付實施和管理方法等方面進行進一步的研究，為全生命周期的數字化建設及油田站場的智能化運維奠定基礎。