油田站场设计阶段数字化交付技术应用

李舰

大庆油田设计院有限公司

国家《中国制造2025》宏伟战略的推出，加速了智能化工厂的不断发展，越来越多的石油化工企业开始向数字化转型，数字化交付是加速数字化转型、智能化发展的必要手段。

数字化交付是以工程对象为核心，对工程项目建设阶段产生的静态信息进行数字化创建直至移交的工作过程。数字化交付可实现对资产数据的统一管理，实现真正意义上的全面管控[1-2]。通过数字化手段实现以更低的成本辅助工程建设、安全、生产运维和管理，相比传统工程项目交付方式，数字化交付不仅交付数据，同时交付价值。数字化工厂是通过数字化交付形成的无形资产，它不仅是一个数据集成的平台，更是一个信息浏览的端口、数据应用的平台、辅助决策的工具，支持施工、运营、维护、扩建、检修和维修，为更科学、更高效的工程建设和生产运行创造条件。

数字化交付具有自身业务特点，前期探索中已积累了一定的数据基础，现需制定一套更为完整、科学、合理的数字化交付标准体系和实施方法。大庆油田自2018 年起，在全专业协同设计的基础上，开始了对数字化交付相关技术的研究和探索。本文依托数字化交付典型站场南I-1 联合站扩改建工程，对设计阶段数字化交付相关技术进行探讨。

1 数字化交付总体技术方案

全生命周期的数字化交付涵盖了设计、采购、施工等阶段，数字化交付整体技术路线如图1 所示。在工程设计期，数字化交付通过全专业三维协同设计的方式，以站场设施为核心对工程项目设计、采购与施工建设阶段产生的数据信息进行移交，并依托可视化综合信息平台实现工艺、电力、自控、配管等专业工程信息自动传递[3]；工程建设期，大庆油田通过油田自建的“基建运行管理系统”、“智慧工地系统”接口，实现三维模型、设计图纸、采购文件、施工记录全面关联集成。

图1 大庆油田数字化交付整体技术路线Fig.1 Overall technical route for digital delivery in Daqing Oilfield

全专业三维协同设计是设计阶段数字化交付的方法和前端，大庆油田设计院采用的协同设计是工艺、电力、自控等专业利用COMOS 软件完成系统设计，并将数据传递到PDMS（工厂三纺布置设计管理系统）软件，配管、电力、自控等专业以COMOS上的设计数据为依据，在PDMS软件上完成布置设计并和Solidworks、Revit 模型合模后形成最终的站场三维模型。协同设计成果包括智能P&ID、三维模型、设计文档和属性，通过系统交付的形式，在交付平台上集成与关联交付给业主。

设计阶段数字化交付的实施成果是后续采购、施工阶段数字化交付以及项目全生命周期运维管理的数字基座。在设计交付阶段，通过对三维模型和智能P&ID 进行解析，实现以工程对象为核心的二三维联动以及设计属性的关联。在文档关联方面，通过建立关联关系表格，实现文档与三维模型、数据、属性的关联。最终设计文档中涉及的每个工程对象都能一致地对应所在的三维模型、智能P&ID和设计属性。

2 技术标准

标准的建立是数字化交付的依据和准则，对照Q/SY 01015—2022《油气田地面工程数字化交付规范》，在设计阶段建立的数字化交付相关标准主要有《数字化交付策略》《工程对象类及属性定义》《数字化交付编码规定》《设计阶段数字化交付内容规定》，并对针对质量管理建立了《数字化交付质量管理方案》。

《数字化交付策略》是数字化交付管理体系的总则，包含交付原则、交付内容、交付形式和交付过程。通过建立交付策略，统筹策划了数字化交付工作，实现了以工厂对象为核心的标准化移交，保证了数字化信息的一致、准确和完整。《工程对象类及属性定义》是数字化交付的基础规范，包含交付信息和交付基础等内容。通过定义油田站场的工程对象类别及属性，明确了设计交付阶段工程对象所属类别以及工程对象所需交付属性的内容、级别和来源。《数字化交付编码规定》是油田站场工程对象位号、设计文件等相关工程材料编制编码的依据，通过对位号、图纸文件等工程材料编制唯一编码，保证各个系统间数据高效传递。《设计阶段数字化交付内容规定》规范和指导了油田站场设计阶段的数字化交付方法，明确设计文档的交付范围、编号、格式和属性以及三维模型和智能P&ID 的设计内容、深度、绘制要求。在《数字化交付质量管理方案》中规定了设计阶段质量审核范围、审核流程、质量检测点、质量管理的保障措施，保障了设计阶段交付成果的质量。

3 全专业协同设计

3.1 主要工作内容

全专业三维协同设计是实施数字化交付的前提条件，包含工艺、电力、自控专业的系统设计协同和配管、电力、通信、自控等专业的布置设计协同。通过对设计成果进行二三维校验和布置协同校验，保障了二三维数据的一致性和模型的完整性。全专业三维协同设计为数字化交付提供了重要的原生数据，提高了数字化交付的质量和效率。

系统设计依托COMOS 软件，采用数据库技术，使工艺专业与自控专业在同一平台上、同一数据库内完成系统设计，并传递数据到布置设计阶段[4]。在布置设计阶段，COMOS 软件通过二三维数据传递的方式向AVEVA PDMS 软件传递数据，配管、电力、自控、通信等专业在PDMS 上接收数据后开展三维设计[5]。土建、暖通、给排水等专业使用Revit 软件进行三维设计，机械专业使用Solidworks 软件进行模型建模工作。各专业模型完成后，通过模型处理软件进行模型合模。

3.2 二三维校验

二三维校验是对系统设计和布置设计的设计成果进行一致性检查。校验时先对每张需要校验的图纸编号并建立图纸查询，再打开相应软件完成不同软件间的数据传递，数据完成流转后对二三维数据进行校验、匹配关联，对于有问题的数据返回相关设计人修改（图2）。二三维校验增强了工艺专业和配管等专业间的数据流转，保证了二三维数据的一致和准确性，提高了校核效率和设计质量[6]。

图2 二三维校验过程Fig.2 Process of two and three dimensional checking

3.3 布置协同校验

布置协同校验是对协同设计阶段多专业绘制的三维模型进行校验核查。校验时将多专业不同格式的三维模型导入模型融合软件后修正模型的坐标信息，进一步检查模型是否有碰撞并形成校验报告（图3）。布置协同校验保障了模型的准确性和完整性，及时地发现错、漏、碰、缺等问题，有效降低了施工成本，保证了施工质量。

图3 布置协同校验过程Fig.3 Process of layout collaborative checking

4 设计阶段数字化交付

4.1 技术路线

设计阶段数字化交付包含设计交付前平台基础定制、文档交付、工程对象解析、二三维核验和关联关系定制五个步骤。以工程对象为核心，将满足交付深度和质量要求的智能P&ID、三维模型、设计图纸、文档和属性信息上传交付平台并完成数据、信息间的关联，实现工程数据与工厂三维模型的有机结合，为后续采购、施工阶段数字化交付以及项目全生命周期运维管理打造数字基座，设计阶段数字化交付技术路线见图4。

图4 设计阶段数字化交付技术路线Fig.4 Design stage digital delivery technical route

4.2 设计交付前平台基础设置

从设计交付角度出发，需根据大庆油田数字化交付相关规定完成平台交付基础的定制，主要包括类库和属性的定义以及WBS 分解结构（图5）。类库是描述工程对象的信息组织结构，包括了工程对象类、属性文档等，同类别的工程对象具有相同的属性定义。在实施数字化交付前需根据《工程对象类及属性定义》在交付平台上完成相应设置。WBS分解结构是反映工程对象的树状结构，项目按照WBS 分解立项。按照区域、单元的编号将管道、阀门、设备和仪表位号等自动引用到对应区域并确定引用深度[7]。

图5 设计交付前平台基础设置Fig.5 Basic platform settings before design delivery

4.3 工程对象解析和二三维核验

COMOS P&ID 和三维模型中的工程对象以及工程对象所带的属性均有各自的定义方式[8]。工程对象解析是将原始数据中的工程对象及属性转换成数字化交付平台类库的呈现方式。通过编制解析文件，将导出的图纸、模型文件转化成解析成果文件，上传平台后进行解析、验证，核验二三维校验结果。通过工程对象解析实现以工程对象为核心的二三维联动。

4.4 文档及属性上传交付平台

文档交付是在数字化交付平台对应层级及目录树下将初设、施工图设计阶段产生的设计文档、文档属性上传平台交付给用户。将全专业文档结合文件编码目录整理上传到平台相应位置，根据文件编码规定填写属性表格，上传至交付平台后交付给用户（图6）。文档交付实现了文档按照专业、类别、区域单元等多种方式的快速检索。

图6 文档交付Fig.6 Document delivery

4.5 文档关联

文档关联是将设计文档与智能P&ID 和三维模型进行关联。具体是为收集的各专业设计文件编制文件编码，在确定了工程项目的关联关系范围后，将编制的关联关系表格上传平台完成关联（图7）。通过文档关联完成智能P&ID、三维模型和文档的联动，实现了基于虚拟资产文档管理，创建了一种面向资产角度对文档的描述，更加自然、真实反映文档存储及管理的本质，提供了快捷、高效访问文档的手段[9]。

图7 关联关系定制Fig.7 Associated relationship setting

4.6 配套管理

随着对数字化交付认识的不断深入，在总结不同类型站场数字化交付实施经验的基础上，通过对设计阶段数字化交付做法的探索和改进，实现全面提升交付质量和交付效率（图8），主要表现在以下两个方面：一是自主编制软件，提升工作自动化程度；自主开发档案号转文件编码工具，辅助数字化交付项目文档管理人员将档案号快速转化为文件编码。二是编制交付实施手册，规范实施流程，明确工作内容，提升人员业务水平。

图8 辅助软件和实施手册Fig.8 Assist software and implementation manuals

5 工程数字化交付实施

南I-1 联合站扩改建工程是大庆油田首座伴随式数字化交付转油站，全站主要由工艺、电力系统组成，采用“三合一”处理工艺，按照数字化油田标准建设。工程设计阶段采用多专业协同设计，同步开展二三维校验及布置协同校验。设计交付阶段对交付精度和模型绘制深度进行了升级，如仪表专业根据项目情况分类筛选，仪表代码关联更加精准；室内管架及室外管廊均采用Revit 建模，可辅助及时发现电力、仪表、配管共架时的碰撞问题，模型更加精细；补充管墩埋地部分模型和弧板支吊架库并避免与管线之间的碰撞，模型更加规范、完整（图9）。该工程复用了标准化设计成果，对标准化设计快速转化为交付成果的技术进行了探索。

图9 南Ⅰ-1联合站扩改建工程三维模型Fig.9 3D model of the expansion and reconstruction project of NanI-1 Multi-purpose Station

通过对该工程实施数字化交付，完成了文档、智能P&ID、三维模型、属性及材料等信息的交付；保证了数据的同源、一致和完整；实现了基于工程对象的设计文件在线预览、多专业模型整合、三维模型展示、设计数据预览、文件检索、在线协同审查等功能；设计阶段交付的三维模型是全生命周期数字化交付的数据基座，在采购施工发生变更后可作为竣工模型的输入条件，在采购和施工过程中同样得到深度应用，例如可利用三维模型定制开发4D 施工进度管理功能，为项目现场施工进度计划的编制实施及变更提供重要依据，在项目建造前期指导施工、中期把控施工、后期校核施工，推动建设项目精细化管理[10]。

6 结束语

设计阶段数字化交付是数字化交付实施的第一步，设计交付的成果为油田站场生产运维、设备资产管理、故障维修、虚拟巡查巡检、智能运维可视化提供坚实保障。大庆油田现阶段在设计交付方面具备一定的基础，下一步将针对不同类型站场明晰交付目标，制定不同的交付策略和规则，形成相应的交付管理办法，明确各类站场设计阶段交付流程，提高设计阶段数字化交付效率；将针对不同形式的交付成果，例如标准化设计成果如何与现行的设计交付做法有效结合，多平台间的同类设计成果如何匹配融合以及橇装设备数字化交付实施和管理方法等方面进行进一步的研究，为全生命周期的数字化建设及油田站场的智能化运维奠定基础。