基于BIM的数字化交付与数字化工厂技术应用探讨

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中冶京诚工程技术有限公司

张鹤陈馨朱志斌

2018年9月11日中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《石油化工工程数字化交付标准》对数字化工厂（digital plant）定义为：“由工程建设阶段产生的数字化静态信息、运营维护阶段产生的数字化动态信息、基于工厂对象的关联关系及信息管理平台构成的综合体”。具体来讲，数字化工厂是汇集工程设计、采购、施工、建造、安装全生命期的信息，形成企业静态数字化资产，在此基础上整合产品生产、产线运维数据，集成生产控制的自动化系统、制造执行的MES系统、生产管理的ERP系统、设备状态监测工具，在计算机虚拟环境中，搭建可同步运转的数字虚拟工厂，实现对历史数据的回溯、实时数据的管理和未来趋势的预测。

图1 数字化工厂实施路线

1数字化设计

在数字化设计实施当中，往往会采用不同的协同设计平台与设计软件，也就会产生不同格式的模型与数据。目前市场上主流数字化设计软件有Bentley系列软件，其软件有OpenBuildings Designe、OpenPlant Modeler、ProStructures等；Autodesk系列软件，其软件有Revit、Inventor等；另外还包括AVEVA PDMS、Tekla structures专业设计软件。在数字化交付的背景下，如何保证各平台及软件中产生的模型与数据的一致性与准确性，成了问题的关键。

可搭建编码平台将工程设计中用到的材料、设备等物料的属性进行统一梳理，确定其属性及编码规则，并定制于编码平台内，平台内的物料编码的原则是一物一码，即一类物料具有其唯一的物料编码。物料属性被定制于编码平台当中，编码平台向各个设计平台和软件提供唯一编码。建立数字化元件库将企业的数字化元件集中存储与管理，设计人员从库内调取元件完成设计内容。数字化元件库与编码平台结合，为数字化设计提供模型与属性，可以说编码平台和数字化元件库是三维数字化设计的主数据，在构件级别对几何模型精度与属性信息进行了统一规定，是数字化设计的基础，是数字化交付模型与数据来源的有效保证。

2数字化交付

区别于传统工程以“卷册”为核心的交付体系，数字化交付是指以“工厂对象”为核心，将工程设计、采购、施工、制造、安装等阶段产生的数据，进行结构化处理，建立以“工厂对象”为核心的网状关系数据库，存储于工程数据中心，并基于统一的数据接口完成数据交付，为业主提供可靠的工程基础数据，形成构建数字化工厂的企业静态数据资产。

数字化交付的实现途径如下图所示：

图2 数字化交付原理

数字化交付的核心包括三维模型、数据、文档及其关联关系，因此，企业应建立交付标准应对三维模型、数据、文档及其关联关系做出规定。设计阶段产生的模型、数据、设计图纸、计算书，采购阶段的装箱清单、使用说明书、质量证明文件，施工阶段的各种施工记录、试验报告、验收报告等，均属于交付的范畴。在数字化交付的条件下，不仅仅是将这些文档转成PDF存储起来，为便于文档内容的索引，还应需要处理文档和工厂对象的关联关系。数字化交付条件下需要完整的文档编码系统，来适应文档分类管理与查询的要求。

数字化交付的实施需要应依托于系统或平台来实现，将需要交付的模型、数据、文档等，以标识码作为工厂对象的唯一标识，在平台中建立起模型、数据和文档之间的网状关联关系，从而才能将各阶段的模型、数据等转换成可被直接应用的数据资产，此外，平台应提供基础的静态数据服务。Bentley AssetWise是一款优异的交付平台，可以将ProjectWise上的模型与数据无缝传递至平台内，并且可以承载大体量的模型与数据，可胜任厂级项目的交付与静态数据应用。

3数字化工厂

建立数字化工厂平台，以三维模型为载体，将数字化交付的各阶段数据整合并可视化地展示出来，从而构建出与现实工厂完全一致的数字化模型。在数字化模型的基础上，整合基础自动化模型、过程控制模型、工艺参数模型，构建与实际生产流程、设备和工艺一致的数字孪生模型。进一步，以数字化平台为基础，通过信息交换获取企业的生产管理（MES），能源管理（EMS），设备管理，物流管理等信息化系统的信息，采用不同的图层和场景展现不同业务数据，更直观的协助公司各级调度管理人员及时掌控企业生产运营信息，满足公司各级管理人员需要。

数字化工厂平台的实现途径如下图：

图3 数字化工厂实施途径

在三维数字化工厂平台中，工厂的各个车间、设备、部件、管道、仪表、阀门等的运行参数与BIM模型进行关联和绑定，可以实时查询其设计参数和运行参数。可以以图层的形式管理不同类型的数据和BIM模型的显示状态，如专门显示仪表信息的仪表层，同时还有人员层、设备层、巡检层、报警层、监控层、建筑层、管线层、物流层等。在不同的数据层的基础上，定制工厂的数字化运维需求，如：工厂综合展示、资产的透明化管理、智能设备运维信息集成、全场物流调度管理、智能管网安全监控管理、浸入式培训操作考核、应急演练仿真、三维生产工艺监控和模拟等。

图4 数字化工厂信息展示

4项目案例

4.1项目概况

多年前，中冶京诚工程技术有限公司EPC总承包济源高速线材生产线项目，为业主交付了实体工厂，在全球信息化环境的影响下，业主对生产线运营有了新的需求。基于BIM技术构建虚拟的数字孪生工厂，整合生产过程、设备状态、物流、能源等各种信息，将数字工厂与现实工厂相结合，实现三维可视化全过程管理。

4.2项目任务

数字化模型是数字化工厂的基础，建立数字孪生工厂，首先需要重构数字化模型。虽然济源高线由京诚公司设计施工，但由于时间久远资料缺失，且工厂多次改造，加大了重构数字化模型的难度，如何复现已有工厂，这是我们面临的第一项任务。高线生产线流程复杂、信息多元、数据众多，如何将构建的数字化模型与数据有效结合？这是我们面临的第二项任务。有了全新的交付模式和交付内容，如何能更好的将交付物为业主所用，提升企业综合运营效率，提高企业的管理和运维水平，这是我们面临的第三项任务。

4.3在役工厂三维数字化重构

为真实还原现实工厂，应用了在役工厂数字化重构技术，将实景建模与二维图纸建模相结合，利用无人机拍摄照片分组导入实景建模工具，从而生成三维数字实景模型。同时，利用已有二维图纸将其转化为三维数字化模型，在建模过程中还应用了公司自主研发的CERI数字化设计工具软件集，极大的提高了建模效率，高效的将现实世界以数字化的方式表达，构建了满足数字化工厂需求的数字化模型。

4.4数字化工厂与数据资产的再交付

依托Bentley AssetWise平台进行开发与定制，建立适合于冶金工程的工程数据中心InfoWise^TM，搭建起济源高线项目的数据仓库，有效收集和整合项目的相关数据，构建以“对象”为核心的“网状”数据模型，并通过统一接口生成数字化资产进行统一交付。

4.5孪生工厂构建，提升工厂运维

基于Bentley iTwin平台打造数字孪生工厂平台，集成工厂现有制造执行系统、能源调度系统等各系统信息，突破原有IT数据架构、解决信息孤岛问题、挖掘利用结构与非结构数据，整合车间内各种系统，完成高线车间全流程质量控制与运维管理。例如将数字孪生工厂应用于车间生产调度管控、工艺仿真监控、设备运维管理、管网安全监控、故障报警与处置、人员模拟培训等。

基于iTwin平台的开放性、可信性、安全性和强适应性，打造标准化的数字孪生平台，并根据不同的业务需求，个性化定制数字孪生钢铁工厂、数字孪生水厂、数字孪生建筑等产品，从而满足不同客户的个性化功能需求。