矿井水处理项目数字化交付的探索和应用

杨晓娟(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

随着数字化和信息化的发展，“数字化工厂”的概念越来越被各行各业所接受，在石油石化、发电、汽车、航空航天、海事等行业，数字化建设经过多年的发展和应用，行业制定了一些列数字化移交规范，基本实现了生产运行数字化、资产管理信息化，建设一个真正意义的“数字化工厂”渐渐成为各行业所追逐的目标。随着相关行业对“数字化工厂”的探索越来越深，对于其他行业的数字化和信息化的发展也起着越来越积极的推动作用，尤其是矿井水处理行业，其工艺特点和石油化工、发电行业有较大的相似性，可以借鉴石油化工、发电行业的先进经验，探索出属于自己的一条“数字化交付”和“数字化工厂”道路。

1 数字化交付的意义

在传统的交付模式中，业主收到的资料一般有设计图纸、厂家资料、安装验收资料等种类繁多的电子文件和纸质文件，之所以要对如此多的资料进行收集和归档，最重要的还是为了能在运维过程中及时的调用。然而，在实际运营中，运营人员所针对的对象一般是运行过程中产生的动态数据，当需要与基础静态数据相结合时，往往需要花费大量的时间在各种繁杂的文件中进行检索。

与之相比，数字化交付贯穿工厂全生命周期的过程，最终交付的是一个在计算机系统中智能关联的虚拟工厂。该虚拟工厂打通了工厂全生命周期的数据流，为工厂的安全管理、运行、维护、改扩建、退役提供规范、合理、准确的数据支撑。

2 数字化交付的程序

区别于传统交付模式，数字化交付需要一个严谨的设计和交付过程，以“工厂对象”为核心，将工程设计、采购、施工、制造、安装等阶段的数据，进行结构化处理，建立网状关系数据库，存储于工厂数据中心，并基于统一数据接口完成数据交付[1]。其流程如图1所示。

图1 数字化交付程序图

2.1 制定数字化交付规范

建设方在项目前期开展大量工作，制定数字化交付的规范，以明确各方职责、交付范围、交付内容、交付方式等。

2.2 明确数字化交付范围和内容

各承包商确定各自的交付范围和交付内容。

2.3 开展数字化交付工作

各承包商确定软件平台、组建专业团队，有序开展工作，根据项目建设情况及时更新相关数据，分阶段向业主提供相关模型和信息。

2.4 数字化交付

贯穿工厂全生命周期，交付一个所有数据智能关联的虚拟工厂。

3 矿井水处理项目的数字化交付实践

3.1 项目概况

该项目为中煤能源集团某煤化工EPC项目的矿井水处理系统，包含4个水处理装置，分别为：循环水装置、脱盐水装置、浓盐水装置和回用水装置[2]。

项目涉及的专业有化学水处理、给排水、暖通、结构、建筑、总图、电气、热控等十余个专业。

3.2 数字化交付的规范

为了保证工程数据的一致性、准确性、完整性和关联性，该项目制定了一系列的数字化交付规范，主要有：《数字化交付内容统一规定》《主项编码一览表》《项目编码规定》等。

在这些规范中，对交付范围、工厂对象属性、三维模型、智能P&ID、电子文档等的交付要求进行了详细规定。

3.3 数字化交付的内容

该项目的交付内容主要有工程对象分类属性表、智能P&ID图纸、三维模型、非结构性文档，并建立各类工程数据之间的关联关系，通过结构化的组织和展示，最终交付一个以“工厂对象”为核心，包含设计、采购、施工、试车和项目管理的工程数据的静态数据集成平台。数字化交付内容关系图如图2所示。

图2 数字化交付内容关系图

3.4 数字化交付主要成果

3.4.1 工厂对象分类属性

传统设计中，各专业间传递设计数据多通过图纸、EXCEL表等方式进行，由于数据源不统一，容易出现数据错漏的问题。为解决这些问题，需要在统一的数据平台上进行数据管理和交互。该项目中采用AVEVA Engineering作为数据管理平台，以《工厂对象分类属性表》为模板，创建了所有工程对象类型和完备、规范的属性信息，并以工厂对象位号为链接，建立工程对象和属性信息间的逻辑关联，从而实现对整个项目的设计数据进行有效的管理[3]。

3.4.2 智能P&ID图纸

该项目中采用AVEVA Diagrams绘制智能P&ID图纸，通过制定P&ID的编码规则、定制标准图框、创建标准图例库，能够使P&ID图纸标准化、规范化。

在绘图的过程中，数据库中会自动生成相应的数据对象，以文件夹结构进行存放。数据库能够保存项目中所有P&ID的数据，能够实现整个项目二维逻辑模型的定义。对于跨越多张图纸的管道，Diagrams的智能跨图连接符号可以实现自动跳转，方便查看与检查。P&ID图纸绘制完成后还可以对其进行一致性检查，以保证数据的完整性和一致性，提高设计质量。

对一致性检查完毕的P&ID图纸进行发布后，可以与三维模型、工厂对象分类属性通过位号进行关联，共享系统管理和报表生成功能。

3.4.3 三维模型

该项目采用 PDMS作为多专业三维协同设计的平台，通过元件库和材料等级为整个管道系统建立详细的管道模型，并基于管道模型自动生成布置图、轴测图和材料清单；通过与管道应力分析程序集成，进行管道应力分析；通过与支吊架设计软件的集成，并结合管道应力分析结果，进行实体支吊架详细设计；根据项目要求进行管道保温设计。

在二维设计中，水处理行业并没有“材料等级”的概念，因此，在数字化交付的工作中，首先要做的就是材料等级的梳理，然后根据材料等级创建元件库和等级库，最后通过调用材料等级来开展管道建模工作。

该项目设备模型有3种建模方式：(1)厂家提供符合交付要求的三维模型，可直接导入到PDMS中；(2)没有厂家模型的部分，能够用基本体搭建的，如罐体，使用PDMS直接建模；(3)没有厂家模型的复杂设备，使用达索的3DE平台建模。

土建模型使用PDMS土建模块建立，主要用于其他专业的定位参考、碰撞检查和布置出图。

该项目还对各类仪表、仪表阀、控制阀、操作柱、配电箱以及电气和仪表电缆桥架等进行了建模。

3.4.4 非结构性文档

该项目收集了项目建设过程中的电子文档资料，包括设计阶段、采购阶段和施工阶段的电子文档。设计阶段的模型、数据、图纸、计算书，采购阶段的安装清单、使用说明书、质量证明文件，施工阶段的各种施工记录、实验报告、验收报告等均属于交付的范畴。为便于检索，将数据进行处理并与工程对象关联，分阶段上传至NET平台[4]。

3.4.5 可视化静态数据资产中心

经过以上几个步骤，所有工程对象及信息通过数据库技术，按照工厂对象位号与模型、P&ID图纸、非结构性文档自动关联，实现一维数据、二维图形、三维模型的有机融合，最终形成一个可视化静态数据资产中心。能够在同一个界面中查询模型、图纸、文档及工程对象属性，并且所有信息都是相互关联的，可以相互跳转。可视化静态数据资产中心导航树如图3所示。

图3 可视化静态数据资产中心导航树

在资产中心的导航树中可以查看全厂的所有数据，也可以单独查看某个装置的数据。

导航树以5个维度来组织数据。

(1)可以按三维模型浏览，展开后能在导航树上按照工厂对象的位号来查看具体对象。

(2)可以按模型结构浏览资产，该结构与PDMS中的保持一致，该项目是按专业来构建模型结构的。

(3)可以按资产类型查看工厂对象，该部分是按照《工厂对象分类属性表》来分类的。

(4)可以按项目的阶段来查看非结构性文档，分为采购阶段、设计阶段、施工阶段。每个阶段中按照交付要求将文档分类关联。

(5)可按文档类型来浏览非结构性文档。

除了能在导航树中直接查看数据外，还可以在位号一览页直观地看到与该位号相关联的所有信息，如属性表、P&ID图纸、文档、三维模型等信息。

另外，可视化静态数据资产中心还提供了便捷的搜索功能，可以通过详细搜索和模糊搜索查看工厂对象及其相关联的所有信息。同时，可以根据需要生成报表。

4 结语

该矿井水处理项目交付的静态数据集成平台集成了工程建设过程中产生的设计、采购、施工和项目管理中的工程数据，通过智能P&ID、三维模型和智能文档等方式，建立了工程数据的全关联，可以通过导航树查看、三维模型导航、智能查找和智能报表等多种方式展现。为工厂的安全管理、运行、维护、改扩建、退役提供了规范、合理、准确的数据支撑[5]。

在未来的工作中，我们将致力于推进BIM相关工作向行业进行推广，使更多的专业在三维环境中进行协同设计，提高设计质量和效率；同时，将延伸“数字化交付”的链条，将运维管理纳入的“数字化交付”范畴，在目前已经完成的静态数据资产可视化集成的基础上，将运营期的动态数据也进行集成，构建企业可视化数据资产中心，并与智能化运维相结合，为业主提供数字化、智能化运营管理模式。