流程工廠設計軟件的關鍵技術研究及展望

李士才， 唐衛清

（北京中科輔龍計算機技術股份有限公司，北京 100085）

流程工廠設計軟件的關鍵技術研究及展望

李士才， 唐衛清

（北京中科輔龍計算機技術股份有限公司，北京 100085）

首先分析了流程工廠所涉及的專業領域以及設計過程的特點，從而推導出目前流程工廠設計軟件需要的主要關鍵技術和功能要求。從流程工廠設計軟件的圖形平臺的相關技術、協同設計技術及要求、以及如何支持流程工廠全生命周期的管理3個方面探討了流程工廠軟件需要的主要技術和功能。然后分析了國內外主流流程工廠設計軟件的發展水平和采用的技術，并提出了國產流程工廠設計軟件和國外流程工廠設計軟件的差距。最后對國產流程工廠設計軟件的發展做了展望和具體的期望。

流程工廠；CAD；圖形平臺；協同設計

制造業是我國國民經濟的支柱產業，是經濟社會發展的重要依托，制造業直接體現了一個國家的生產力水平。根據在生產中使用的物質形態，制造業可劃分為離散制造和流程制造。

1） 離散制造：離散制造的產品往往由多個零件經過一系列并不連續的工序加工最終裝配而成，電子、汽車、機械、消費品、服裝加工等均屬于離散制造。

2） 流程制造：流程制造是指被加工對象不間斷地通過生產設備，通過一系列的加工裝置使原材料進行化學或物理變化，最終得到產品，石油、石化、化工、冶金、輕工、紡織等屬于流程制造。

流程工廠一般是指通過有步驟的化學或物理手段生產產品的工廠，存在于大量的行業，如石化、化工、石油、輕工、核工業、船舶、電力等行業，在國民經濟中起著十分重要的作用。流程工廠的生命周期包括設計、施工建設、運營、改造四個階段，目前流程工廠領域的設計與管理正在朝著協同化方向發展。

流程工廠設計軟件對流程工廠建設的作用集中體現為：加快建設進度和降低建設成本；提高生產效率；降低生產成本；優化產品結構；節能環保；設計更加舒適的工作環境。

設計一個流程工廠是多專業協同工作的過程，主要包括的專業有：（1）工藝專業制定PFD、P&ID、UID、工藝設備表；（2）管道專業根據P&ID、UID完成管道配管研究、管道應力分析、制定管道材料規格書及設計管道施工安裝圖等設計文件，并向其他專業提出相關專業設計條件；（3）設備專業根據工藝要求，完成相關設備的制造圖；（4）建筑專業完成道路、地溝、建筑物、樓梯等的設計；（5）結構專業完成工廠的結構設計及設備基礎設計等；（6）電氣專業完成工廠供電、照明、防雷、防靜電設計等；（7）自控專業根據工藝要求完成工廠的控制系統，包括儀表的選型，并給管道專業提出相關條件；（8）暖通空調專業完成采暖通風的流程圖及布置圖；（9）給排水專業完成公用工程給排水系統設計。

以上專業領域涉及上百種專業設計工具以及管理軟件。從傳統的手工繪圖到現代最先進的三維數字設計和管理，流程工廠設計軟件在設計過程中的價值集中體現在：減少設計圖紙錯誤，提高設計質量，降低工程成本；加快設計進度，提高設計復用率、提高設計效率，有效地控制管道安裝的質量和進度；自動生成符合工程采購及材料施工組織需要的各類材料報表；自動生成各種工程設計文件，減輕工程技術人員的工作量。

現代流程工廠的工廠規模、知識含量、技術含量、復雜化程度都越來越高，涵蓋流程工廠全生命周期的設計、施工到運營管理，是CAD軟件技術最重要的應用領域。可以說，在計算機技術已構成產業經濟發展最基本技術環境的今天，沒有先進的CAD軟件工具，就不可能建設高品質的現代化流程工廠。

流程工廠設計軟件是現代流程工廠從設計、施工到運營管理都不可缺少的基本技術工具，發展具有中國自主知識產權的流程工廠設計軟件，對提高中國流程工廠的技術水平和現代化程度，提升中國流程工廠的國際競爭力，具有十分重要的戰略意義。

本文詳細探討流程工廠設計軟件中需要的主要關鍵技術，最后對國內外現有的流程工廠設計軟件做簡要的分析，并展望國內流程工廠設計軟件發展趨勢。

1 流程工廠設計軟件中急需解決的關鍵技術

在流程工廠設計軟件中需要解決的關鍵技術有很多，目前最需要解決的關鍵技術體現在如下3個方面：

1） 流程工廠設計軟件的圖形平臺：目前的流程工廠設計領域在國內外沒有一家企業推出一個通用的適合流程工廠設計軟件的圖形平臺，打造具有完全自主知識產權的流程工廠設計軟件圖形平臺是大勢所趨。

2） 協同設計：由于流程工廠設計涉及的專業多，各專業間需要互提各種設計條件，必要時還需要參照其他專業的三維設計模型進行設計，這勢必使得協同設計成為流程工廠設計軟件的必備功能。

3） 流程工廠全生命周期的管理：在設計、施工、運營、改擴建等流程工廠全生命周期的各個階段，都要求流程工廠的相關數據得到有效傳遞，這就需要形成支持流程工廠全生命周期的數據模型，并實現數據的有效管理。

下面針對上述3個問題進行詳細闡述。

1.1 流程工廠設計軟件的圖形平臺

流程工廠設計軟件與機械設計軟件相比有非常大的不同，主要體現在如下幾個方面：

1） 流程工廠的三維模型不需要精細圖形表達，圖1是一個流程工廠的三維模型，圖2是局部構件的三維模型。從圖2中可以看出閥門的三維模型不需要和實際的閥門曲面完全一樣。流程工廠中的構件，主要做到構件間能通過外形相互區分就可以了。流程工廠中構件核心數據在于其工程屬性以及構件的分類。通過圖3中所示的18種基本體素就可以表達流程工廠中的構件。

圖1 流程工廠三維模型

圖2 局部流程工廠三維模型

圖3 基本體素

2） 一個中等偏大規模的流程工廠三維模型規模如下：1000條左右的管線；4.1萬個構件（一個閥門、一個管件、一個設備、一根柱等都算一個構件）；87800多個基本體素；1000萬個三角面片。這就要求圖形平臺的顯示和處理能力要強。

3） 具有大量結構化的工程屬性數據：三維流程工廠模型中非常重要的數據就是附屬在構件上的工程屬性，這些屬性是結構化的。如果沒有這些工程屬性，僅僅保存了幾何外形，則該模型等于沒用。

4） 具有很強的拓撲連接關系：流程工廠中的三維管道模型是通過管子、閥門、管件等構件相互連接實現設備間的物料傳遞，所以流程工廠三維模型中的構件必須通過拓撲連接關系進行連接形成流程工廠的拓撲模型。

基于上述流程工廠設計軟件和三維模型的特點，能支持上述特色要求的三維圖形平臺主要需要有如下特點：

1） 需要支持的幾何圖元是有限的：二維幾何圖形僅僅需要支持點、線段、圓、圓弧、橢圓、多段線、填充、文字；三維幾何體需要支持圖 3中的所有體素；三維網格面；標注包括尺寸標注、引線標注、半徑標注、直徑標注、角度標注。

2） 三維幾何體的操作支持交、并、差、平面切割。

3） 對三維幾何體的底層表達不做特殊要求，可以是面模型，也可以是體模型，只要能計算三維幾何體的體積和表面積等參數即可。

4） 顯示模式需要支持線框、真實感、消隱三種顯示模式。

5） 支持材質、紋理、貼圖、透明等的顯示。

6） 支持多步Undo/Redo操作。

7） 同時支持圖形數據和非圖形數據的存儲，并支持這兩種數據間建立關聯關系。

8） 需要支持的核心算法有：計算體積、面積、長度，求交算法，投影算法，三維圖形的消隱算法（生成矢量化的消隱圖），取得三維圖形的輪廓邊算法，三角剖分，碰撞檢查算法，正交圖形包圍盒和非正交圖形最小包圍盒。

9） 渲染引擎支持紋理和貼圖。

10） 渲染引擎支持生成漫游動畫。

11） 大規模數據處理能力：三角面片處理能力達到3000萬個，交互旋轉時達到10幀/秒。具有二次開發接口。

12） 移動設備的支持：支持iOS、Android、Windows 8等移動操作系統。

根據上述需求和特點，能夠全面支持流程工廠設計軟件圖形平臺的基本架構，如圖4所示：

圖4 支持流程工廠設計軟件的圖形平臺架構

1.2 協同設計

在當今各專業間協同要求越來越強烈的今天，流程工廠設計軟件支持協同設計已經是迫在眉睫的事情。在流程工廠設計軟件中的協同主要包括兩種類型的協同：文檔的協同、設計過程的協同。其中文檔協同在國內外有很多公司有各自的產品，這里不做討論，本節主要討論設計過程的協同。

由于流程工廠中涉及到工藝、設備、管道、建筑、結構、暖通、給排水、自控、電氣、總圖等20多個專業，每個專業都有各自的設計工具，涉及的軟件種類有100種以上，要實現這些軟件間較為完整的協同，就要實現這些軟件之間的數據協同。

流程工廠中設計過程的協同主要體現在如下幾個方面：

1） 互提設計條件：在流程工廠的設計過程中各專業間要進行設計條件的互提，設計條件主要以文檔的形式體現，并有相應的審批流程。

2） 空間的占位管理：不同專業間相互參考其他專業的三維模型，例如配管專業在設計過程中需要參考建筑專業的三維模型，這樣就可以在配管設計的過程中避免管道和建筑構件的碰撞問題，同時要求被參考的建筑三維模型可以是局部建模模型，建筑模型可以不是以整體方式參考。

3） 遠程異地協作：解決不同設計部門、不同專業或者同一項目的不同設計企業共同完成同一個設計項目的協同難題。

4） 移動協同和基于云計算的協同。

要實現上述的協同功能，流程工廠設計軟件必須在如下方面實現協同設計：

1） 不僅支持文件級的協同，還要支持數據級的協同：文件級協同設計處理的數據粒度僅僅到文件，實現多人在不同時刻操作同一文件的目的。文件級協同設計的優點就是可以處理異構系統間的協同設計問題；數據級協同實現設計數據的集中數據庫管理，協同設計系統的操作粒度達到對象級別，多專業間基于專業內對象數據的協同，這樣可以極大提高協同設計的效率，在任何設計階段都可以和其他設計人員進行數據共享。

2） 支持數據按照對象的方式存儲到網絡

服務器中，并實現實時存儲。

3） 支持多人同時操作網絡服務器中的模型信息，達到對象級操作。

4） 支持對象級的數據鎖定和解鎖機制。

5） 在網絡數據庫中支持對象級的版本管理。

6） 支持標準化的工作流模板，用戶通過很小的修改就可以適用用戶的特定需求。

7） 支持設計任務管理和項目管理。

8） 支持移動終端上的模型瀏覽等操作。

9） 支持基于云計算的異地協同工作。

為了支持數據級的協同，需要從數據模型的底層進行支持，北京中科輔龍計算機技術股份有限公司開發的Coolink協同工作支撐平臺就可以解決該數據協同的問題，其具體的數據模型如圖5所示：

圖5 數據級協同的數據模型

1.3 流程工廠的全生命周期管理

現代數字化的流程工廠需要數據貫穿流程工廠的全生命周期，包括設計、施工、運營、改擴建等幾個階段，要求相關的數據能夠實現有效傳遞。這就給流程工廠設計軟件的數據模型提出了更高的要求，需要在該數據模型中不僅要支持設計數據，而且要提供對施工和運營數據的支持，同時在其上提供綜合的管理數據的功能，最終達到設計和管理的數據共享，實現設計和管理內容的一致和統一。

流程工廠的全生命周期管理對流程工廠設計軟件的具體要求如下：

1） 支持從設計、施工到運營的流程工廠全生命周期的數據模型：在設計、施工、運營這3個階段各自所關心的數據的內容是不同的，同時由于3個階段的分工非常明確，所以不同階段為下一階段提供的數據必定是經過處理后的數據，從而各個階段間的數據傳遞過程包括了數據的裁剪、過濾，甚至包括數據的轉換。

2） 構建支持ISO 15926標準的流程工廠全生命周期的數據模型。

3） 保證信息在各個應用程序間的一致性，不同專業間的完整性，異地間的可存取性。

4） 實現多種應用程序的數據的互聯、互通和共享。

5） 支持數字化移交。

6） 支持全生命周期的變更管理。

7） 支持流程工廠的資產管理。

針對上述具體的要求，流程工廠全生命周期管理的基本架構如圖6所示：

圖6 流程工廠全生命周期管理的基本架構

2 國內外流程工廠設計軟件的分析

目前國內外有很多三維流程工廠設計軟件，國外軟件主要有：Intergraph公司的 PDS和SmartPlant、Bentley公司的OpenPlant、AVEVA公司的PDMS等。國內軟件主要有：北京中科輔龍計算機技術股份有限公司的 PDSOFT 3DPiping、長沙優易軟件開發有限公司的AutoPDMS、長沙思為軟件有限公司的Pdmax、上海易用科技有限公司的WinPDA、上海尤里卡數據系統中心的PDES等。

Intergraph公司的 SmartPlant集成了工廠設計中的幾個主要專業設計工具，同時提供了統一的工廠數據模型表達。SmartPlant?Foundation是整個工廠生命周期中數據共享和數據重復使用的中心；提供全球性的、并行的工程設計能力，允許多個專業在同一個關系數據庫上同時進行工作，這時所有對模型所做修改在所有用戶之間實時共享；具有先進的變更管理工具；具有先進的關系管理系統，智能管理對象間的相互關系，當模型被修改時，相應的部分會自己做出相應的變化[1]。

AVEVA公司的PDMS是一體化多專業集成流程工廠設計數據庫平臺。PDMS以數據庫為核心，不會發生數據和圖形不統一的設計故障；修改三維模型后，相應的圖紙標注自動更新。PDMS支持實時碰撞檢查；同一項目、同一空間的任何專業模型均參與碰撞分析。支持全球異地協同設計，可將不同地點的本地設計模型通過互聯網進行同步，進行實時異地協同設計[2]。

Bentley公司的三維工廠設計軟件OpenPlant是基于 ISO 15926數據模型開發的；AssetWise是一個信息建模、信息管理的平臺，也是一個提供信息交互和在線服務的平臺，包括：信息收集、變更管理、記錄管理，這是一個閉環，保證信息的完整性和一致性[3]。

從上述3家國外公司的軟件產品看，這3家國外的流程工廠軟件產品都具有如下特點：

1） 三維流程工廠設計基于的圖形平臺都是自主研發的圖形平臺（Intergraph和AVEVA的產品是采用自己的圖形引擎[4-5]，Bentley采用的是自己的Microstation圖形平臺）；

2） 都支持異地協同設計和數據級的協同設計；

3） 都具有基于ISO 15926標準的流程工廠全生命周期數據模型。

在國內的流程工廠設計軟件中，北京中科輔龍計算機技術股份有限公司開發的 PDSOFT系列軟件是中國市場占有率第一的流程工廠設計軟件，PDSOFT系列軟件以配管設計為核心產品，現在已經形成了配管相關專業的設計軟件產品，如支吊架設計、暖通空調設計、電纜橋架設計等專業設計工具，同時形成了具有項目管理、文檔管理、任務管理、流程管理等功能的文件級協同設計工具，該產品立足中國市場，滿足了國內各類工程設計的要求，符合國內工程用戶的設計習慣，支持國內外各類設計標準。

3 流程工廠設計軟件的展望

流程工廠設計軟件所涉及的行業都是國民經濟的支柱產業，通過發展具有完全自主知識產權的三維流程工廠設計軟件既可以全面提高中國流程工廠的設計效率和設計質量，并實現包括設計、施工、運營所有數據全生命周期的數字化智能工廠，又可以保障中國流程工廠數字化資產的安全。根據流程工廠軟件的發展趨勢，中國自主知識產權的流程工廠軟件必須具有以下特點：

1） 建立在完全自主知識產權的三維圖形平臺基礎上，形成包括多專業設計工具三維流程工廠設計系統；

2） 流程工廠軟件的數據必須貫穿流程工廠全生命周期，保證數據的一致性、完整性和共享性；

3） 必須支持多人異地協同工作，并實現數據級協同設計。

[1] Intergraph Corporation. SmartPlant? Enterprise[OL]. http://www.intergraph.com/ppm/spe.aspx

[2] AVEVA Group. AVEVA PDMS?[OL]. http://www. aveva.com/en/Products_and_Services/Product_Finder. aspx#open:34CB3956-1861-4715-AB4C-F62E8D68A F64

[3] Bentley Systems. Bentley OpenPlant: Plant Design Engineering in an Interoperable World[OL]. http://www. bentley.com/en-US/Products/OpenPlant/.

[4] Franz Kufner. SmartPlant Enterprise介紹[R]. SPE 2007-08 Update Shanghai May-Chinese.ppt. 2007.5

[5] AIA H. Edward Goldberg. Plant and Piping Software Design (AEC in Focus Column) [OL]. 2007.3.1. http://www.cadalyst.com/aec/plant-and-piping-softwar e-design-aec-focus-column-3529.

Research of Key Technology in Process Plant Design Software

Li Shicai, Tang Weiqing
( 1. Beijing Zhongke Fulong Computer Technology Co., Ltd, Beijing 100085, China )

The characteristics of business and design process are analyzed in process plant. The key technology and functional requirements of process plant design software is derived. Three key technologies of process plant design software are introduced. One is graphics platform technology, another is collaborative design, and the last one is life cycle management of process plant. The technology used in current process plant design systems is analyzed, and the difference between local plant design software and international plant design system are introduced. The suggestion for china’s future products is proposed at last.

process plant; CAD; graphics platform; collaborative design

TP 311.52

A

2095-302X (2013)05-0076-06

2013-03-25；定稿日期：2013-04-26

2012年國家重大科技成果轉化項目（數字化三維工廠設計和管理系統研發及產業化）

李士才（1971 -），男，河北易縣人，高級工程師，主要研究方向為CAD、計算機圖形學、軟件建模、協同設計。

E-mail：lishicai@fulong.com.cn