海外油田地面工程集成化實施方案探索

張大津 李默宇

摘要：隨著國際油價的持續回升，目前又迎來了海外油田地面工程發展的新時代，面對激烈的市場競爭環境，以設計為主導的工程公司需要通過集成化設計手段，提升設計理念，具備高效可靠的設計數據交付的能力，縮短項目設計周期，提高工程管理和創新能力。因此，進行工程集成化設計平臺的建設是目前必不可少的重要步驟，本文將從幾個方面說明油田地面工程向集成化方向發展的必然趨勢并以SmartPlant系列軟件為載體，探索集成化設計平臺建設的道路，同時采用元素系統的方法將系統集成，可維護性在集成化軟件中起著重要作用，元系統所采用的面向目標的知識表示和面向目標的推理機為系統的維護提供有利條件。

關鍵詞：海外油田；集成化；數據交付；工程管理

中圖分類號：TE4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0200-03

1 引言

近年來，隨著全球經濟一體化進程不斷深化，中石油根據國內市場的巨大需求，實施“走出去”的國際化經營戰略，在中亞、中東、北非、南美等地區投資或收購油田，參與當地的油氣資源開發，這為國內設計公司向海外市場拓展提供了有利條件。

機遇的到來往往伴隨著巨大的挑戰，為適應國內外市場的需求，面臨著組織機構從單一的勘察設計企業發展為工程技術服務企業，業務領域從單一的勘察設計發展到項目管理和工程總承包，市場范圍從以國內為主發展到國際和國內多元化市場的挑戰。在設計過程中，工程經驗往往是以符號模式表現，并且有的還具有不確定性，而數值分析則采用數值計算程序。這就給開發集成的軟件帶來了較大的困難，本文旨在就三大系統的集成做一嘗試性的探討。

為此，筆者在這里探討目前集成化設計的現狀與趨勢，以及利用SmartPlant系列產品進行集成化設計平臺建設的思路，希望能為今后的集成化設計發展提供一定的參考。

2 研究內容

利用神經元網絡分析方法對圍巖穩定性評價及初始支護的選擇，并用數值分析方法進行了支護可靠的驗算，提供了有效的支護數值計算設計方法。系統將對這兩部分加以補充和完善。

在此基礎上，完成監測專家子系統，包括監測方案設計、數據采集與整理、預測、結果分析與評價（量測結果分析與評價、預測結果分析與評價）、加固措施與設計修改等模塊，形成一個完整的油田工程設計系統。由于各子系統的程序設計語言各不相同，有的是基于符號推理的專家系統，有的是基于數值計算的算法程序。各子專家系統中的知識表達也各不相同，這就需要設計一種將各種不同語言、不同知識表達、集成的集成模塊，它既易于與不同語言接口，同時又便于處理不同的知識表達。

3 集成化設計發展趨勢

通用的集成結構，包括五級集成，如圖1。

（1） 表達方式集成：統一的界面和信息表達，確保能夠提供一個入口，一個“單一訪問實情的點”，可以快速的被同化和接受。（2）數據集成：統一并集合來自不同類型源的數據，提供單一可靠的正確來源。（3）應用軟件集成：適配器完成在應用系統間內，統一的信息傳遞。（4）業務處理集成：跨越式傳遞、協同、執行、增強的工作流程。對整個工作流程的再造，上升到項目管理層次，報告控制、資料控制、版本管理、進度管理等。（5）集成化組合應用軟件實施：新的應用系統可以利用更高集成度的集成庫。

從設計公司角度出發，為適應當前時代對于工程信息化、集成化、數字化的迫切需求，規范設計過程和行為以及提高設計質量和精度成為首要任務，一個基于統一的工程數據標準的，跨專業、跨軟件的協作化集成設計平臺環境成為行業發展的必然趨勢。

通過參加各方面的交流與調研，并查閱文獻，目前國內外設計工程公司的集成化之路多是自發或者由項目推動進行，大體分為下述三個方面：

3.1 海外市場的需求不斷提高

如今很多業主需要分包到內部及專業工程公司來進行工廠的設計、翻修設計及維護設計，因此，設計公司需具有高效的設計復用數據和“工業慣例”的能力，來縮短項目的設計周期。

但是目前設計工具應用大都局限于本專業層面，即各個設計環節之間處于獨立運行的狀態：在設計生命周期中，從上游專業產生的設計數據，通常還是需要人工傳遞和維護才能交付到下游專業。

從信息流角度講，采集、傳遞和加工處理三個環節，目前僅僅只更新了信息采集的方式，傳遞方式并沒有根本性改變，后期的設計數據加工處理的可靠性也受傳遞方式穩定性的制約。

3.2 國際化進程不斷推進

由于工程技術領域的不斷變革和國際化進程的不斷推進，大型的國際工程公司近年來也進行了集成化設計改革。

美國福陸公司始創于1912年，財富500強排名第124位，排名世界第一的工程公司，業務范圍覆蓋石油、天然氣，化工、石化等領域。作為一個大型國際化公司，盡管已經實現了多地協同工作，并搭建了相對穩定的信息化平臺，但在2002初，福陸公司也意識到原有的設計工作模式很難再進一步提升設計質量，這種情況很大程度上制約了今后公司整體實力的提升。

因此，從2004年開始，分五年開始實施集成化戰略方案，其內容包括對工作流的梳理、集成化方案評估、集成環境開發、領航項目應用等階段。

截止2010年，集成環境基本建成，并包含自主開發的自動化插件、管道支吊架數據庫及各類符號，同時，將整個公司的圖紙及文件模板進行了重新的梳理，達到了強化基礎工作的作用，公司的國際化進程得到了進一步的推進。

3.3 向總承包轉型的瓶頸不斷凸顯

目前以設計為主導的工程公司目前普遍面臨著組織機構從單一的勘察設計企業發展為國際工程技術服務企業，業務領域從單一的勘察設計發展到項目管理和工程總承包，市場范圍從以國內為主發展到國際和國內多元化市場的挑戰。

而集成化設計可以提高公司EPC項目效益、EPC項目管理水平、公司材料管理、控制水平，有助推動設計系統軟件的應用和基礎工作的開展。

從項目細節出發，集成化所包含的版次管理使設計人員避免預估和設計材料表的錯誤、材料可追溯性、材料平衡、應用材料預測預留功能、為項目降低了風險，完整的材料狀態使項目動態掌握信息，降低了項目費用和進度風險，有效輔助施工進度控制，提高了工作效率和數據質量。

結合上述工程公司的集成化設計情況，前后對比可以看出，整體集成化設計方案實施后，取得的益處是顯而易見的也是全方位的，如全面的自動標注進一步減少出圖時間、項目運行的一致性、數據流的穩定傳遞有效的降低了費用支出、各軟件的整體實施降低了項目的風險等等。

4 集成化設計理念

集成化設計需要設計理念的更新，采用集成化設計理念，這不僅對設計階段有益處，利用計算機管理對采購過程、施工階段和工廠今后的運營維護進行一定的規劃，且一定的作用。

面向海外市場，面對轉型挑戰，我們的設計理念必須有一個根本性的改觀。

隨著計算機實時信息技術的發展，石油天然氣行業的上游提出“數字化油田”的概念，相應地，下游的油氣田地面工程建設領域也需要集成化設計，完成數字化交付，以更好地控制項目進度和成本。

為建設集成化設計平臺，首要任務是明確發展方向和設計理念，即以點帶面，與專業公司緊密協作，以計算機軟件帶動基礎工作，以配管帶動其他專業，推進國際化進程，逐步把現有設計流程提升到全新的標準化、流程化、集成化的“三維設計數據流轉工作模式”。

以工藝為推動力、以高度集成提高業務核心競爭力、利用信息資源形成核心創造力的“三位一體”開拓模式，實現SPP&ID;、SPM、SPI、SP3D對工程項目的規劃、決策和支撐作用。

5 集成系統結構

系統采用并行分層結構進行集成，它模擬人類專家群體的工作，實現決策自動化。由于油田工程中涉及到眾多領域知識，眾多的功能和任務，涉及到多種描述形式的知識的處理和使用。對這樣復雜的知識系統最有效的處理方法是將其分割為若干單一的領域知識系統（子系統）。按所要完成的任務和功能來劃分。處于復雜系統同一水平或同一層次的子系統是相互關聯的，它們協調工作和集成將完成某一復雜任務，同一水平的子系統既是區別的代表不同的領域專家，具有不同的領域知識，但又是聯系的，它們要共同合作完成一個任務。

6 元系統設計

元系統作為大規模知識集成環境的核心，應具有相當的智能以管理、控制、協調、維護眾多的子系統，這樣的功能通過建立專家系統來實現。現以總控元系統為例來考查其結構，其余元系統稍加變動即可，總控元系統結構。它是由人機界面、元知識庫、數據庫、推理機構、靜態黑板、子系統的接口、學習機和解釋機等基本部分組成。

7 集成化設計初步方案規劃

國內各設計公司的發展情況各有優勢和特點，通過深入分析技術要點，確保有計劃部署和有步驟實施，預計整體集成化設計平臺的建設預計分為三個階段，如表1所示。

實施步驟如下：

7.1 準備階段

（1）SPI按照自控專業需求，完成初步的二次開發并正式投入實際項目應用。（2）SPP&ID;準備階段的工作，數據收集整理具備代表性項目的P&ID;，組織工藝與儀表專業討論控制回路，及儀表符號的表示方式。（3）SP3D圍繞三維配管，開展領航項目，在領航項目中進行了設備、管道、儀表、結構、電纜橋架、暖通風道的三維模型建立，并生成管口方位圖、設備布置圖、管道布置圖、儀表條件圖、樓面開孔條件圖、單線圖等項目所需條件及成品，并進行碰撞檢查及生成綜合材料表等相關表格、并測試邏輯支吊架的使用情況。（4）推廣SPP&ID;，完成管理員的高級課程培訓，組織培訓Oracle數據庫、XML及VB開發相關內容，由鷹圖公司協助完成二次開發，提高SPP&ID;的應用水平，總結歸納SPP&ID;對工藝流程的影響及再造，匯總完成相關使用手冊。（5）提高SP3D應用深度，通過在項目中的應用，深化細化成品文件，進行二次開發。（6）利用SPRD建立公司級別的管道等級數據庫，進行SPRD到SP3D的集成測試。

7.2 應用階段

全面推廣SPP&ID;、SP3D、SPI等軟件。

將SPI、SP3D、SPP&ID;三款軟件在項目上進行全面推廣，理清上下游數據傳遞流程，為集成化做好準備。

同時，著手探索SPI及SP3D的Automation開發，完成部分典型配管的自動化配管，開始探索泵、壓縮機及分離器的模塊化設計。

消除結構專業設計軟件與三維設計之間的技術壁壘，合理運用第三方結構軟件（如StruCad、Tekla等）與SmartPlant系列軟件的映射接口，形成有效協同關系。

7.3 推廣階段

SPP&ID;的工藝數據通過SPF傳遞到SPI軟件，進行儀表設計。

SPI軟件建立儀表幾何數據，通過SPF傳遞到SP3D軟件，用于建立儀表元件模型。

SPP&ID;的工藝數據通過SPF傳遞到SP3D軟件。

SP3D管道設計時直接點選SPP&ID;，管線可讀取管線數據用于指導配管設計。

SPP&ID;圖紙上的閥門等元件直接關聯到SP3D材料數據庫選用材料。

設計集成化的初步探索，保證數據能夠通過Foundation平臺流暢傳遞，初步實現“數據流”工作模式，在系統集成環境建立成功的同時完成系統的基礎客戶化，因此，該階段對技術人員數量的需求也將達到峰值。

Material和Construction兩款軟件與SPF集成。

綜合以上計劃方案，根據各階段軟件的投入與應用情況，初步制定了人員投入、硬件配置需求投入計劃，按照年份提前申報該計劃，以滿足集成化平臺管理和維護需要，可以有效地控制公司的集成化平臺運營成本。

8 結語

相信按照階段規劃步步推進，各項目標逐一落實，全新的“數據流”工作模式投入實際項目應用，屆時多專業工程數據將實現共享及交換，通過設計校驗，設計精度得到提高。從概念設計到正式投產，對工程數據的全生命周期的管理水平將進一步加強，提升“數字化油田”的易用性及復用性。集成化的穩步推進能夠有效夯實分公司的各項基礎工作，從“專業協同”的角度不斷深化和細化工作流程，工藝、管道、儀表等專業的技術規格書以及控制文件，消除專業間的技術壁壘。并從智能工程的角度出發，提出以元系統進行油田工程智能的集成方法，并用C++語言開發了元系統的原型。經實踐，筆者認為這是一種切實可行的集成方法，當然關于這方面的研究，還有很多工作要做，如關于提高元系統運行效率的及接口標準化等問題尚待研究。標準化和規范化的設計流程將助力設計公司的國際化進程，而隨著生產力與核心競爭力不斷提升，更將高效率、高質量地完成更多的海外油田地面工程項目，為打開海外市場提供保障，為國家能源戰略保駕護航。