三維數字化工廠技術在石油企業中的應用

張 江，高玉山，寇肅鈺

（中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司基建工程部 陜西 西安 710018）

1 引言

石油企業為國家經濟社會發展和國防建設提供能源動力，一直都處于優先發展的地位。近年來，為了進一步提升我國石油企業在國際上的競爭力，國家大力倡導在石油企業中應用智能制造技術進一步提升產能，爭取將先進的技術貫穿到石油企業的工廠設計、工位建造、產品生產交付等環節，通過技術的持續進步打通各個環節之間的壁壘，從而實現全產業鏈智能化水平的提升[1]。隨著信息技術的發展，基于計算機三維建模和大數據超強運算能力的數字化工廠技術逐漸發展起來，打造數字化工廠成為了各級各類石油企業向智能制造轉型的關鍵。

2 三維數字化工廠的基本概念

工廠數字化是當前一段時間實體產業數字化組織與管理的一種有效手段，主要是通過以計算機、互聯網、大數據分析為代表的各種信息技術，對物理工廠的加工、制造、生產、交付、驗收等環節和流程進行虛擬重構，給管理者和使用者一種直觀的感受，能夠對工廠進行全方位的高效掌握。三維數字化工廠是利用三維可視技術打造全比例的數字化工廠，將工廠建設生產各個環節進行多角度在線監管，實現整個工廠全壽命周期的數字化管理[2-3]。

進行三維數字化工廠建設，涉及的主要技術包括數字化建模技術、優化仿真技術、虛擬現實技術和軟件之間的重組與集成技術等，具體見圖1。

圖1 三維數字化工廠建設主要技術

圖1 中，數字化建模技術主要是將各種裝備設備進行一定比例的縮放，并依據實際性能指標參數在計算機中實現，同時將生產環節考慮在內。對于個別對工作環境有一定要求的設備，比如對空調溫濕度和潔凈度等級有要求的設備，需要在建模過程中考慮到設備與環境之間的相互影響，將環境參數調到最優確保設備能夠可靠穩定運行。對于按照流水線工作的設備需要將工藝流程考慮在內，注意區分不同設備或者不同工序中的設備的投入時間先后關系，進行數字化建模時不能打亂時間順序，避免出現相互矛盾的情景，對于一些管理工作在其中發揮積極促進作用的施工工序，需要將生產管理過程進行建模，在不同設備或者不同工藝流程中加入不同的管理模式，將管理效益對生產率的促進作用進行體現。優化仿真技術主要是指對不同時間點投入的設備、對不同的工序之間的銜接以及對于不同工作流程中的管理效益進行在線調整，根據生產目標和工作計劃及時調整不同設備投入時間，減少設備待機等待時間，或者緊湊工序之間的銜接，避免出現相互等待的狀態出現，從時間優先級的層面提高工作效率。虛擬現實技術主要是基于各種傳感器和人體穿戴式感知設備對工作環境和設備狀態進行實時感知，對工作狀態進行在線監控，同時增強沉浸式體驗感，獲得一線工作的真實感受，便于對設備進行遠程指揮控制和對工序進行遠程啟停操作。軟件之間的重組與集成主要是需要對不同設備之間的接口關系進行協調，或者對不同工序的開始時間進行在線記錄，保證對設備的調用符合工序操作流程的要求，避免資源浪費。

3 基于三維數字化技術的石油企業工廠交付建設實現

基于三維數字化技術構建石油企業數字化工廠，達到建設、交付、使用、運維等相關維度信息和數據的集成共享，是具有創新意義的舉動，需要以靜態文檔數據、動態監控數據和架構化生產數據作為信息支撐。基于三維數字化技術實現石油企業工廠交付建設的基本思路如下。

3.1 數字化工廠交付建設實現的技術路線

基于數字化建模技術、優化仿真技術、虛擬現實技術和軟件之間的重組與集成技術等進行數字化工廠交付建設實現，需要將設計數據與BIM模型相融合，通過統一的編碼規則實現設計指標、BIM模型、施工記錄、工廠信息的無縫關聯，同時該系統需要具備全壽命周期的數據分布與運維能力。具體來說，數字化工廠交付建設實現的技術路線主要包括以下幾方面，見圖2。

圖2 數字化工廠交付建設實現的技術路線

3.2 數字化工廠交付建設系統架構

數字化工廠交付建設系統主要采用多級串聯式結構進行實現。平臺連入相應的設備，以及現場人員、材料、設備等信息，通過工業互聯適配接口，基于各管理系統建立平臺的IaaS層（基礎層），依托DaaS層（數據層）的RAY_DMT大數據平臺和自有的數據抽提組件，植入業務規則、專用算法、行業模型等信息后，將數據進行歸集整理，提供至PaaS層（平臺層），PaaS層包含入口服務、數字孿生服務、業務流編排、過程資產沉淀、行業知識管理、生態能力聚合，實現業務應用快速組合和業務編排，再推送至SaaS層（軟件層），基于Ray_BDV大數據可視化平臺構建前端的應用功能，包含資產監控、運行監控、安全應急、資產設備、培訓考試等能力，并應用到現場。數字化工廠交付建設系統架構見圖3。

圖3 數字化工廠交付建設系統基礎架構

3.3 數字化工廠交付建設系統功能層級劃分

數字化工廠交付建設系統主要包括設備級功能、車間級功能、工廠級功能3部分，各部分具備不同的功能。

具體來說，設備級功能側重于各種儀器設備的原理講解、拆裝示范、運行狀態模擬及控制。為了實現這類功能，需要對系統組成設備進行高精度建模，重點是對設備的參數性能、運行原理進行精確模擬，結合實際工作場景進行運行狀態監控。同時將動態監控信息與設備固有原理性質聯系起來，基于原理與進行設備在線工況模擬，這樣才能方便工作人員實時檢查設備工作狀態，并且基于數字化工廠交付建設系統開展設備工作原理培訓，便于員工深入了解掌握，能夠起到沉浸式培訓的效果。

車間級功能主要是體現設備的接口關系和資源的動態流動，需要在所有單個設備的基礎上組成分系統，建立各個分系統之間的關聯關系，通過相互之間的拓撲結構表明上下游生產數據的動態流動，同時輔助以各種能源供應、數據流流動等信息，展示系統各個車間之間的工作關系及能量消耗情況。將產品檢驗化驗信息及生產計劃的更新嵌入分系統關聯接口之間，通過不同工序的時間序列銜接，表明整個工廠產品流水線生產的動態過程。這一級別的功能需要對大容量數據庫進行在線支持，分系統實時調用單個設備的性能參數，同時所有的生產流水更新按照時間序列進行，這些都需要對大數據進行在線讀取，數據庫的建設需要滿足實時數據傳輸、大容量數據存儲的功能。

工廠級功能主要關注某型產品生產過程中所產生的數據有效整理水平，同時輔助以全廠工位信息的三維演示和總體信息的在線支持。與以往紙質化圖表的展示效果不同，工廠級功能需要將全廠所有型號的設備生產制造串聯起來，能夠分類別查詢。對于單類產品的生產過程，除了基于車間級功能標識清楚其制造過程之外，工廠級功能更多地關注產品市場的整體變化情況，通過大數據預測功能顯示整個產品上下游產業鏈的動態變化，同時對工廠生產能力進行實時統計，便于生產管理者做出正確的決策。

4 結論

三維數字化工廠技術對于石油企業的交付和建設過程意義重大。首先，它提供了動態演示功能，能夠實時在線顯示整個企業的生產過程以及其中的原理性知識；其次，它能夠進行輔助教學和培訓，能夠提供形象化的演示，便于新員工培訓和生產過程的運維；最后，它為企業科學決策提供了支撐，能夠基于結構化的資產和資源流動管理體系，預測全產業鏈的資源流動情況，確保企業管理者及時掌握最新的市場變化。本文中，作者分析了三維數字化工程的基本概念，指出三維數字化工程建設主要涉及到數字化建模技術、優化仿真技術、虛擬現實技術和軟件之間的重組與集成技術等，對這些技術進行了概述性分析，在此基礎上從技術路線、基本架構和功能層級劃分等角度分析了三維數字化石油企業工廠交付建設的實現途徑。將來，可以圍繞物聯網和5G通信技術對數字化工廠技術進行有效地擴展，以擴大其適用范圍。