导读
作为我国制造业的重要组成部分，以钢铁工业、石化工业为代表的流程制造业，既是我国经济 会发展的支柱产业，又是实体经济的基石，相应产值约占全国规模以上工业总产值的47%。智能化发展是流程制造业顺应时代发展的必然趋势，而数字化交付则是未来流程行业工程设计、建设以及运维的必然发展方向。
? 然而，流程行业的工厂建设现有哪些困难？
? 如何为流程行业的企业打下智能化建设的坚实基础？
01
流程行业工厂高效建设之困
流程行业包括石油、化工、冶金、建材、造纸等行业，流程制造过程为物质流在能量流的驱动和作用下，按照设定的“程序”例如生产作业指令等，沿着特定的“流程 络”做动态有序的运行，并实现多目标优化，不只是生产产品。其特点是产品种类固定、批量大、生产设备投资高且按照产品配置，并且涉及大量的物理化学变化，如石化厂的反应装置涉及三四百摄氏度的高温，炼钢炼铁则需要高达1500到1700摄氏度的高温。
大量能源的集中使用造成石油、化工、冶金等流程行业的生产具有易燃易爆易腐蚀等特点，厂区输送能源的管道纵横，大型反应塔高耸入云，各类反应容器、换热器、蒸发器、加热炉、储罐、动力装备、自动化设备及各类安全装置遍布厂区。这些行业的工厂建设工程浩大，安全设计等级高，自动化程度要求高，投资规模通常上亿，参建单位众多。
图1 石化厂概貌
以国内某新建石化百万吨乙烯装置为例，从施工组织、工程进度、巨型设备采购、垂直运输及安装、再到安全管理，每一个环节都在挑战建设者们的水平与技术。
项目建设者涵盖了项目业主、规划设计单位、勘察设计单位、技经设计单位、主管部门(规划、建设、土地、计划、环保、质监、金融、工商等)、施工单位、国内外设备制造与供应商、材料供应商、 调试单位、监理单位等单位，众多项目参与方即是项目建设过程信息的提供者(信息源)，也是项目信息的需方(用户)，如何有效搜集、管理、共享工程信息，是工程建设的关键，也是企业管理运维的基础。
02
数字化交付展露锋芒
赋能企业高效运转
数字化交付通过数字化集成平台，有效搜集、管理、共享工程信息，并将设计、采购、施工、调试等阶段产生的数据、文档、模型以标准数据格式提交给企业，是一种区别于传统纸质文档交付的新型交付方式。数字化交付贯穿于企业的建设阶段、运维阶段以及退役的全生命周期，是工程协同设计、工厂建设信息透明化、提升工厂建设效率和企业管理运维的有力手段。
1）在工厂建设阶段，提升工程效率
过去，很多工程建设的施工现场，工程进度数据不清晰不准确，比如设备、材料的到货时间，土建、电气、机械等专业施工进度等数据，主要依赖于项目负责人不断跟进项目现场施工、物料采购的进展情况。对于小型项目，项目经理经常通过电话或实地查看来了解现场施工情况；而对于流程行业工厂建设这类大体量项目，需要企业负责人不定期向总包方及分包商了解信息，分包商向施工现场各专业负责人询问，逐级汇 的信息到达企业负责人手里可能已经滞后、与现场实情不符了。
传统的工程进度协调会效率不高。由于施工现场长期缺乏数据协同，导致施工停滞，只能由建设单位或建设单位委托项目总包方经常召开进度协调会，向各施工承包商、分包商、采购人员、库管、主要设备供货商了解设备、物料采购到货情况，与剩余施工计划是否匹配，不同专业施工计划有无冲突，施工质量是否达标及影响因素等等，每次会议长达半天甚至一天，效率不高，影响项目施工、企业投产。
另外，设计变更信息传达不及时影响施工。设计单位可能会由于业主或供货商原因更换设备，发生图纸设计变更，但往往由于信息传达不及时，施工方的土建已经开始该设备基础的施工，就只能推掉返工。如果设计院、企业、施工方能够做到设计变更信息及时共享，那么就可以避免这一计划外的人工及材料成本支出，缩短施工周期，帮助企业按时投产生产。
在如今追求高效的信息化时代，企业（建设单位）及大中型项目管理者（工程公司）迫切需要透明的工程现场数据，包括设计变更、来料进度及库存、各专业施工进度、物料及人工成本、施工质量、设备调试、试运行情况等。
数字化交付可以满足建设者们对透明数据的需求。采用数字孪生技术构建工厂模型是工厂数字化交付的一种典型应用，它基于工厂对象自动识别设计变更、并叠加施工进展和库存、风险预警等信息，向各项目参建方提供透明的施工过程信息，可以降低一半以上的会议频率和时长，增强各方在项目实施中的协调性，减少冲突、规避风险，缩短项目周期。
2）在工厂运营阶段，准确快速运维
数字化交付不仅在上述施工阶段可以控制项目周期，在项目竣工后的管理运维阶段也发挥巨大作用。由于在项目的设计、采购、施工各不同阶段，会产生大量数据和文档，而这些信息在数字化交付实施前是孤立的，各种电子文档、图纸以目录方式存储在相关的服务器中，各专业、各阶段的数据完全脱离，业主在后期管理运维时，需要耗费大量人力跨部门、跨专业去寻找关联的基础数据，给工厂维护带来很多困难，数字化交付可以从工程建设的源头——规划设计阶段来解决这一问题。
工厂数字化交付能够在工程设计阶段统一所有交付物的设计标准，实现基于平台的异地图纸会审，这是企业业主、设计院、工程公司多方数字化、集成化协同设计的目标之一，也是工程交付模式数字化转变的标志。不仅仅是设计阶段的交付物，包括工程实施阶段的采购信息、施工信息等一切与工程相关的数据和文档以关联的方式在数字化交付平台向业主展现，使业主彻底摆脱工厂基础数据查找难的烦恼，为企业运维、改扩建、技改等管理决策提供支持。
通过数字化交付平台，可以帮助企业业主接收和管理服务方移交的数据资产，使企业从源头掌握工厂运行管理数据，并以此为基础实现工厂数字化，开展现代化的工厂运维管理及设备资产管理，从而实现工厂全生命周期的数字化管理。
数字化交付在工厂的规划设计、建设和运维等各个阶段发挥着重要作用，对工厂的退役同样意义重大。以化工厂的退役为例，只有数字化交付的数据模型足够详细和完整，其各种厂房、机械设备、管线、结构、电气设备等才能得到尽可能环保的拆除和处理；如果是核电厂，退役后的放射性废物处置同样需要前期的数据模型予以支撑。
数字化交付在流程行业的典型应用，也拓展了其他行业工程建设的数字化交付思路，其贯穿于企业建设全生命周期，是提高企业精益化管理水平和生产力的重要途径。
03
数字化交付到底交付什么？
工厂数字化交付，交付的到底是什么，能为企业带来如此高效？掀开它的神秘面纱，我们会发现：它为企业带来的是一座物理工厂的数字孪生工厂、一座数字化的虚拟工厂，而构建这座虚拟工厂的“建筑材料”正是数字化交付的内容：数据、文档、三维模型，以及它们与工厂对象的关联关系。
1）数据
交付的数据包含工厂对象的通用属性、工艺属性、机械属性、设计属性、可靠性维护属性、计量单位、采购订单 、备品备件等信息，数据范围涵盖了设计、采购、施工、试运行全过程。参与工厂建设全过程的单位很多，有建设方（企业）、设计院、施工方（总包、分包商），也有供货商、监理单位、专业检测机构等等，这些不同单位交付的数据形式多样，内容可能会有叠加，需要去除冗余数据，并按类库的要求进行组织，以确保能正确地加载到交付平台，且关联关系正确，才能有效的归类存储，供用户浏览查询。
2）文档
交付的文档属于非结构构型数据，包括一些图形图片，图纸资料，如仪表回路图、产品合格证、安装操作说明书、关键调试过程记录等，与交付的数据一样，涵盖设计、采购、施工、试车全过程，各单位提交前，应按照数字化交付平台的文档格式要求,如.docx、.dwg等进行规范整理。
以工厂对象板式塔为例，它的交付数据和交付文档类型如图。
图2 板式塔工厂数据类型
3）三维模型
交付的三维模型是对物理工厂的虚拟可视化表达，它涵盖设备模型、管道模型、建筑模型、结构模型、电气模型、仪表模型，具体包括设备外形、接口、管道管件及附属仪表、建筑外形、路面、梯子、平台、电缆桥架等等物理工厂的实物对象模型。设计院为了构建这些种类繁杂的立体模型所使用的三维设计软件如CREO、Solidworks、PDMS、TEKLA等多达几十种，并根据专业分类，每个专业仅设计工厂模型中的一部分，比如管道设计软件、电缆设计软件、钢结构设计软件等等，因此需要将它们转化为交付平台要求的统一格式，并拼接成一个完整的工厂模型。
4）数据、文档或三维模型与“工厂对象”的关联关系
无论交付的是数据、文档或三维模型，它们都是以“工厂对象”为中心，建立关联关系，这些关联关系像人体的血液和筋脉，将分散的“肌肉、骨骼”——数据、文档和模型连接成一个充满活力的数字化虚拟工厂。
数字化交付的是工程建设过程中产生的设计、采购、施工的工程信息，即数字化静态信息，这些信息在工程建设阶段主要掌握在设计院和施工单位手中，通过数字化交付，企业可以数字化掌握、管理这些工程数据，建立工程数据中心，再加上企业运营后的数字化动态信息，包括管理数据（ERP、生产、销售、财务等），以及运行数据（DCS、PLC系统数据，如压力/流量仪表数据等），“动静结合”，形成智能工厂的建设基础。
图3 智能工厂数据基础
智能工厂在基建期，基于工程数据的数字化交付为参与项目的设计院、施工方、设备供货商、企业提供一个基于IE浏览器的跨组织的协作平台、信息共享平台，帮助企业实现采购施工进度可视化模拟、施工安排、施工条件数据的自动获取等功能。在运维期，借助移交过来的工程数据，并关联运维阶段的运行数据、维修数据、改扩建数据，形成以位 和三维模型为索引的大数据中心，依托此数据中心建立的三维可视化虚拟工厂管理平台，可有效进行风险预警、提高运维效率、减少停车时间、提高检维修的安全性、提高各管理系统数据的一致性、减少差错和事故。
案例1
辅助维修人员在设备检维修中制定方案
企业不定期设备检维修中，在更换设备吊车进入装置区时，通过三维可视化平台模拟可以确定吊车的型 、进场路线、限高限宽等，而且非常精准；地下管 动土作业时，通过三维可视化平台，管道埋深、附近管线等都能一目了然，保证施工安全、提高施工效率，减少事故发生(北京绥通科技的一体化三维数字工厂在中煤陕西榆林能源化工的应用)。
案例2
协助工厂技术人员快速排查问题进行维修
通过和生产控制系统的无缝集成，任何一台设备的运维数据都能够被及时查找，并根据设备运维管理要求触发维修工单的生成，从而大幅提升运维效率，保障安全生产。操作员访问平台中有关故障信 的所有信息，通过信 跟踪更快地排除故障。
案例3
三维沉浸式安全和运行培训
利用平台虚拟现实软件，可以对企业员工进行三维沉浸式安全和运行培训。培训中，即使厂房还没有建造，技术人员使用 VR 眼镜可以在整个虚拟工厂中随意移动、彼此交流，在各种场景下工作。沉浸式培训课程对操作员在个人电脑上操作加深记忆、主动应对危险情况非常有效，这也是职业安全措施中的重要环节。图中操作员在 COMOS生成的虚拟工厂里，提前熟悉未来的工作环境。
案例4
快速、稳妥模拟试车
利用平台虚拟现实软件，还可以随时查看施工数据的状态，快速、稳妥地模拟试车，有效降低实际试车时错误率。图中值班人员在模拟试车过程中快速定位故障阀门。
案例5
工厂协同设计
在流程企业工厂规划设计阶段，在基于统一的数据库的软件平台上，无论是工艺、电气还是自动化相关设计，各个专业设计人员都可以统一在平台上协同设计完成，大大缩短开发时间，降低成本并提升设计效率，提高规划水平。
案例6
结构化项目和工厂文档管理
案例7
基于数字化交付的移动办公
企业决策者可以在在世界的各个角落移动办公。无论在会议中、旅途上还是在工厂检查期间，平台移动解决方案都可让企业管理者随时随地工作，所有工厂信息尽在手中。在全球合作的时代，移动办公的优势非常明显。可以使用最常见的移动设备访问大数据中心的工程数据和文档，检查、修改和审批工厂文件。在现场对工厂组件的更改可以立即反映在数字化工厂数据和文档中，有助于始终使工厂信息保持最新。
图9 基于数字化交付的移动办公示意图
案例8
智能施工管理
在数据集成的基础上，平台根据设计数据可以自动形成施工不同阶段各专业的工作内容，能根据预设的标准工序和定额形成计划工时，能自动形成材料需求，能基于与采办仓储系统的集成进行材料预测预留。满足企业对施工可视化管理的需求，包括设计数据可视化、施工组织的可视化、施工进度可视化、施工逻辑的可视化、管理数据可视化，充分利用了数据集成的优势为智能施工管理服务。
04
工厂数字化交付的实施路径
数字化交付的内容纷繁庞杂，除了建设单位、施工单位、设备供货商等在工厂建设/运营阶段的海量数据信息、设计单位的各专业设计资料（包括图纸和三维模型），还要建立它们与工厂对象的关联关系，这项“庞大的工程”如何展开，从而使数字孪生工厂一步步崛起？可以从以下六步着手：
? 交付策略制定——交付策略主要确定以下内容：交付目标，参与方的组织机构、工作范围、职责；遵守的法规、标准；交付信息的组织方式、存储方式、交付方式；验收标准；质量管理方案；交付流程。
? 交付方案制定——交付方案是对1和2流程内容的细化，除了交付范围、主体、方式、规则、验收等，还包括交付的具体流程、相关组织责任、不同单位或不同专业先后交付进度的约定，交付物质量的管控等等。
? 信息整合与校验——当各单位根据交付规则整理信息完成并提交后，需要对这些信息进行清洁梳理及质量检查，如冗余的数据去除，文档按专业归集、三维模型按平台要求的格式生成转换。所有收集上来的信息以工厂对象为核心，根据业务逻辑建立关联关系，信息的存储及关联关系的建立在数字化交付平台实现。以流程行业常用的工厂对象流量计为例，各单位提交上来的信息，包括它的设备编 、工艺属性、机械属性、仪表型 、设计文档、控制回路、供货商名称、采购信息、调试记录等，所有这些信息都属于流量计1000-FT-0008的信息家族，在平台上与流量计关联整合后，归档工程数据库，用户就可以根据权限查询浏览。
图12 流量计1000-FT-0008的信息家族
? 信息移交——各单位按方案约定方式和进度向业主移交信息，移交前应准备移交清单。
? 信息验收——业主依据移交清单、移交方案对移交信息进行验收，包括检查是否涵盖工程建设过程中设计、采购、施工各阶段的完整信息，工厂对象与信息之间的关联关系是否准确，交付信息与实体是否一致等等，出具验收 告。
数字化交付平台是一个信息协同平台，它规范了工程项目各参建单位的信息形态，确保了数据的一致性，包括设计院的2D、3D模型，施工方的项目管理软件信息，设备方的设备参数、运行工况、试运行记录等等；同时，具有强大的兼容性及可扩展性，能够覆盖工程建设现场工艺、仪表、电气、机械、管道、钢结构、支吊架等多专业数据，容纳了生产运行中心集控数据，如泵状态、阀状态、压力、流量、扬程、温度等，管理类的ERP、销售、财务、运维数据等，工程数据中心的设计、采购、施工过程信息等，实现了物理工厂三维模型的可视化表达，真正构建了一个物理工厂建筑的“数字孪生”。
过去，一座工厂建设完工后的验收，交付的是一车车的图纸和文档资料，它们大多数的命运是在档案馆里沉睡，随着时间的流逝，它们的价值也在不断衰退。现在，在新崛起的“数字孪生工厂”里，一台设备的工艺仪表图纸、设计参数、设备拆解图、说明书、采购信息、安装方式、调试记录等等信息灵动活现，它的“前世今生”都一览无余，时刻以数字化调用方式待命！
在智能化工厂建设过程中，数字化交付是承前启后的关键一步。在设计、采购、施工各阶段多方的不懈努力下，工程建设取得物理工厂这一成果的同时，通过数字化交付，也收获了他的数字孪生兄弟，这对企业今后的智能工厂建设、改扩建项目开展、全生命周期管理等来说都是一项珍贵的数字资产。
基于此，企业在新建项目立项、可研阶段，打破旧思维，重新规划资本支出，尽早启用数字化交付这一工具，结合项目管理模式，确立数字化交付的人员组织，制定数字化交付标准，使数字化交付这项工作成为工程建设的一部分，与工程建设同期同步进行，推动全新水平的工程效率，为企业智能工厂的建设奠定基础。
05
数字化交付主流厂商巡礼
目前，提供数字化交付解决方案国外主流厂商有Autodesk、西门子、AVEVA（施耐德电气旗下）、INTERGRAPH（鹰图，海克斯康旗下）、达索、BENTLEY等；国产厂商有互时科技、北京博超、绥通科技、华天软件、达美盛、北京中挥科技等；服务商有南京强思等。
1）海克斯康
海克斯康，数字化信息技术解决方案的全球领导者。与传统软件企业不同，海克斯康通过百家公司并购拥有行业领先的传感设备，以打破常规的方式获取、存储、分析和发布信息，其地理空间传感器可通过现实捕获技术将我们的世界以更加数字化
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