石油化工二维协同设计平台架构设计

摘 要 通过对不同基础架构的对比研究，确定了满足总体目标和主要功能需求的二维协同设计平台的基础软件架构。在此基础上，设计了适用于多专业协同的核心功能架构，最终完成了二维协同设计平台架构的总体设计。

关键词 二维协同设计;软件架构;设计对象管理

国内外业主对于数字化、智能化工厂发展方向的追求越来越迫切，数字化交付已被作为一项工程竞标的门槛拦在各工程公司面前。数字化交付是数字化、智能化工厂的输入和基础，而从设计阶段就采用数字化设计平台是满足数字化交付要求的最佳途径。这一方面促使工程公司在产品的交付上花大力气去满足数字交付的各种要求以免在未来竞争中处于劣势，另一方面，可以倒逼工程公司去考虑如何提升其工作效率、工作质量，来进一步提升公司的内在竞争力。

而在工程公司内部，传统的设计流程中各专业间数据孤岛现象严重，导致专业间数据的不一致;各专业使用的专业内设计软件也越来越多，缺少一个统一的数据存储和管理平台，因此我们需要一个统一的协同设计平台，来对所有的设计对象进行管理，保证专业间和专业内不同设计文件间数据的一致性。

1功能要求

1.1 总体目标

根据当前石化工程建设项目的实际需求，可将协同设计平台分为二维与三维两个部分：二维设计平台以工艺设计为核心，集成工艺、仪表、电气、动/静设备、管道材料、其他具有一定工艺性的专业（暖通、给排水等）的二维逻辑设计，以及采购询价文件管理与供应商返回数据接收等，以建立项目中所有设计对象的二维属性数据集为目标;三维设计平台以配管三维模型设计为核心，集成结构、建筑、给排水、消防、暖通、仪表、电气、电信等专业的三维设计，以建立全厂三维模型为目标。考虑到在实际项目中三维与二维设计基本同步开展，而非在二维数字化设计文件的基础上开展三维设计，因此还需要开发二维与三维数据校验系统与工作程序，确保二三维一致性。

1.2 需要重点解决的问题

以往的平台型设计软件未实现真正的协同设计，除软件本身功能不足以外，还有以下几个问题需要解决：

（1）数据的批量导入。数字化协同设计平台能够顺利运转的第一个关键步骤就是准确而高效的数据输入。鉴于目前的实际情况，将项目开始阶段的设计输入条件依靠人工输入，在进度和数据准确性上难以接受。

（2）版本与工况管理。石化设计是一个逐渐深化的过程，版次管理必不可少。除了需要支持所有数据的版次管理，对于工艺设计，工况的增减与工况参数的变化必须得到跟踪、记录与权限控制。

（3）设校审管理。设计工作至少需要经过设校审三个质量控制环节。因此，平台软件需要实现对这三个环节的全面管控。对单个数据变更的跟踪、记录与权限控制，是实现设校审管理的基础功能。如果设计软件没有对于单个数据的变更管理功能，所有输入的数据都默认为正确的，则只能作为数据仓库而无法成为真正的设计平台。

（4）条件管理。石化设计是多专业协同过程，专业间条件提交，包括签发、签收、时间节点、条件流向、条件变更、成品会签等，都需要通过设计平台进行管理。

（5）用户界面。各专业的设计人员已经习惯于在各自的工作界面中工作，这直接决定了设计人员的工作效率。因而要求协同设计平台的用户界面具有定制灵活性。

（6）专业设计软件的适用性。对于工艺、仪表、电气等专业，与其他专业的数据界面较多，二维逻辑设计工作内容占比较大，需要设计平台提供适用于这些专业的设计软件的数据接口。

（7）软件商技术支持。各软件商国内技术力量的强弱，对客户技术开发的支持力度，决定了基于二次开发的协同设计平台的开发进度与完善程度[1]。

2基础架构选择与测试

2.1 基础架构选择

在目前的石化工程设计软件市场中，主要有鹰图、AVEVA和COMOS三家软件商提供了较为全面的各专业设计软件，这些专业设计软件在现有的项目中已有不同程度的应用，同时他们也提供了各自的协同设计数据集成平台软件。

根据协同设计平台的总体目标，综合考虑需要重点解决的问题，我们对可行的二三维协同设计平台架构进行了梳理，最终选择了以COMOS软件为基础的架构。

图1 二三维协同设计平台COMOS基础架构

COMOS架构以西门子公司发行的COMOS设计软件作为基础架构，COMOS Platform担任整个协同设计平台的设计数据集成管理角色。其中，工艺专业可以使用COMOS P&ID模块进行管道仪表流程图的设计和设备、管道、仪表工艺数据的管理，并出版相关的数据表和一览表等设计文件。仪表专业可以使用COMOS I&C软件进行仪表规格数据的管理和规格书的输出，并进行相关的控制逻辑图的设计。电气专业可以使用COMOS Electrical模块进行电气负荷计算和接线图的设计。其他专业可以在COMOS中定制工作界面进行本专业二维设计数据的管理。在三维设计领域，由于西门子在石油化工设计方面没有通用的三维设计软件，但提供了西门子开发的COMOS/PDMS接口插件用于数据的匹配和传递，因此选择了AVEVA PDMS/E3D软件作为多专业三维布置设计软件。

与其他架构不同，在COMOS架构中，各专业使用的是COMOS软件的不同内部模塊，这些模块相当于面向不同专业的前端界面，其后台均使用COMOS Platform作为同一个后台数据库。因此在架构图中可以看到，除三维设计软件外，二维协同设计平台各专业的应用模块与协同设计数据集成管理模块之间是软件内部的数据传递，不需要进行跨软件的数据匹配和额外的定期传输过程，可以实现实时的设计数据交流，减少了在导入导出过程中发生错误的可能性。

另外，在COMOS架构中，西门子还提供了COMOS与Bentley三维设计软件的接口插件，扩大了该架构的适用性。

2.2 基础架构测试

我们从协同设计平台的目标和各专业的需求出发，在专业软件的适用性和平台功能的支持性上，对COMOS架构进行了测试和评价。

在设校审管理、条件管理等协同设计平台核心质量管理流程的支持程度上，COMOS架构可以支持文件、数据及单个数据的形式，相较于其他架构更为全面。在用户界面的开发定制上也较为方便。

3当前架构的设计要点

3.1 设计对象的分类和复用

石油化工二维协同设计平台的核心是围绕工厂各设计对象的数据和文件管理，因此首先需要设计一套各设计对象的分类系统。在综合考虑了Q/SH 0102-2014《中石化物料分类与代码》中对石油化工设备和材料的分类体系及GB/T 51296-2018《石油化工工程数字化交付标准》中对数字化交付的工厂对象分类要求后，我们设计和整理了一套石油化工设计对象分类系统。

在该系统中，设计对象分为四个级别，上一级设计对象是其所涵盖的下一级子对象的共有属性的集合，下一级对象在继承其上一级对象的属性基础上，还含有额外的其自身特有的属性。所有这些属性按照专业分工归属于不同的设计专业进行管理。

在这样的分类系统下，二维协同设计平台中的对象可以通过继承的方式复用上一级对象的属性，减少了总的属性数量，也便于管理同类设计对象的共有属性。同時，通过COMOS软件的特有功能，可以实现同一父对象下不同子对象类型之间的快速切换。

在COMOS软件中，是以项目的形式进行全局的管理。项目可以分为两大类，一类称为工程项目，对应的是设计过程中的实际项目;另一类则是基础对象项目，在这类项目中，我们可以对设计对象进行分类，添加不同的属性，定制不同的使用界面。每一个工程项目都需要设置对应的基础对象项目作为参考，在工程项目中创建的设计对象就会以相应的基础对象项目中的对象模板进行创建。

3.2 工作层模式

COMOS软件提供了一种工作层的模式，在该模式下，子工作层仅保存相对其父工作层有修改的文件和数据，并可以快速查看上下工作层之间的差异之处。

为了充分利用工作层模式的优势，我们在工程项目中设计了以各设计阶段划分工作层的使用模式。通过这种模式，可以保存不同设计阶段的最终数据和设计文件，同时也避免了在不同设计阶段之间大量转移数据的过程。在基础对象项目中，我们以公司级对象参考层作为顶层的工作层，各工程项目的对象参考层则作为其子工作层进行创建。在这种模式下，已形成标准化的设计基础对象和文档模板可以在公司级对象参考层中进行定制和保存，各工程项目的对象参考层则可以在继承公司级设计基础对象和文档模板的基础上，对本工程项目中的特殊和个性化需求进行定制和修改，而不会影响其他工程项目的使用。

3.3 设计对象不同专业卡片

在设计对象的分类系统中，设计对象的属性由不同的专业进行归口管理，而不同专业除了自己管理的属性外，还需要接收和查看其他专业管理的属性。

因此，在协同设计平台的架构中，我们为同一设计对象设计了不同专业的属性卡片。在各专业的属性卡片中，本专业对于其中的属性拥有完全的控制权。其中归属于本专业的属性，由本专业设计人员直接填写，需要从其他专业接收的属性则通过设置静态链接从相关专业获取。

3.4 设计质量管理流程的集成

在当前的石油化工设计中，采用的是多专业分工合作的方式，因此涉及不同专业间的条件提交和会签流程，这些流程和各专业内部的校审流程组成了设计质量管理流程的主要部分。二维协同设计平台作为多专业协同工作的平台，也需要对这些设计质量管理流程进行实现和集成。

在COMOS基础架构中，软件提供了基础的流程管理功能，可以对设计文件进行流转和批注。我们参照公司的质量管理体系梳理了各流程的逻辑图，在COMOS软件提供的功能基础上，开发了相应的质量管理流程，为协同设计平台中数据和文件的质量管理提供保证。

3.5 二三维间协同

受制于国内石油化工设计项目的现状，在设计过程中，二维的逻辑设计与三维的布置设计之间处于深度交叉的状态，无法按照二维逻辑设计基本完善后再进行三维布置设计的流程进行。而二维逻辑设计是指导三维布置设计的基础，需要保证三维与二维之间的一致性。因此，我们设计了二维与三维设计对象之间的数据传递流程，通过双方的数据传递，在60%、90%等设计节点，进行一致性的校验，保证二三维设计对象的一致性。

4结束语

通过研究、测试和对比，我们确立了以COMOS架构为基础的二维协同设计平台架构。该架构满足了数据集中管理、专业间协同、设计质量管理流程等协同平台的功能需求，并为各设计专业提供了定制化的工作界面。

在此架构的基础上进行定制开发和各专业的深化应用，可以逐步实现协同设计平台提高设计效率和设计质量的核心目标。

参考文献

[1]方世满.安庆石化虚拟现实仿真模拟培训系统的初步设计[J].电子技术与软件工程，2020（6）：56-57.

作者简介

吴曦（1985-），男，安徽省黄山人;学历：硕士，职称：中级工程师，现就职单位：中石化上海工程有限公司，研究方向：化工设计及数字化设计。