近年来,国家不断推出各项政策推动数字化技术发展与应用。2020年9月,国务院国资委正式印发了《关于快速推进国有企业数字化转型工作的通知》,就推动国有企业数字化转型做出全面部署,强调了进一步强化数据驱动、集成创新、合作共赢等数字化转型理念,要建设基础数字化技术平台,以技术赋能,全方面推进数字产业化发展。
2015年,工业与信息化部、国家标准化管理委员会联合发布了《国家智能制造标准体系建设指南(2015年版)》(以下简称《指南》),其中智能工厂部分包含建设规划、系统集成、智能管理、智能生产等,并未包含数字化相关联的内容。2018年,发布了新版本的《指南》,智能工厂部分加入了智能工厂的设计、建造和交付标准,其中数字化交付成为智能工厂交付的关键标准,主要内容有交付内容、深度要求、流程要求等交付标准,从而确保建成的智能工厂达到预定建设目标,交付数据资料满足智能工厂运营维护要求。2021年,再次更新《指南》,专注于智能工厂设计和智能工厂交付,数字化交付依然是智能工厂的关键技术。从《指南》的历年变更中,能够准确的看出,推进人机一体化智能系统,数字化是智能化的基础,推进钢铁行业数字化转型,其关键是工程的数字化交付。
但是,目前工程公司仍是以卷册形式向生产企业交付工程资料,工程设计、建造期的信息数据无法被生产企业的生产、运维、MES、PCS等系统直接利用,即工程交付存在信息屏障,隔断了数据信息的传递,造成人力及数据资源的极大浪费,这是目前钢铁行业数字化转型中的行业困境。解决这一困境的重点是实现工程建造期的数字化交付,建立工厂的数字地图,实现工程数据“数字化档案馆”形式的集中交付。
数字化交付目标为实现工程数据“数字化档案馆”形式的集中交付,建立起工厂的数字地图。如何建立工厂数字化地图,可以借鉴百度地图、高德地图等电子地图的构建。通过电子地图,我们大家可以查看某个场所的名称、地点、附近的美食、酒店信息等,并且显示的信息根据场所类别不一样,比如酒店显示的信息为房型、价格,饭店显示的信息为菜品、人均消费,住宅显示的信息为房价等。实际上,电子地图中的每个场所、每个建筑在后台都是一个POI点(即“信息点”),通过POI点定义了名称、位置信息、类别信息、属性信息(附近的酒店饭店商铺等信息)。
对于一家钢铁生产企业,包含众多的生产线与能源公辅系统,每条生产线包含若干生产设备,每台设备又需要供电、供水、供气,生产线设备与各能源公辅系统交织组成了一张工厂大网。建立工厂的数字地图,首先要定义每个工厂对象的位置信息,包括工厂的空间物理位置与系统位置;其次要建立工厂对象的分类,不同的类别建立不同的属性定义规则;最后要保证工程建造期属性信息传递的唯一性与准确性,将属性信息通过代码化表达,建立工厂物料编码规则。
目前,建立工厂三维地图的数据基础包括:工厂对象的位置、分类及属性定义。冶金工厂是多生产单元、多系统交叉的网状结构,很难将每个工厂对象的位置信息准确表达。目前做法是对工厂逐层分解至生产单元、车间,车间内生产线分解至分区、机组、子机组、成套设备、设备单体,车间内系统分解至子系统、单体。如此,通过空间分解确定生产线设备唯一位置,通过系统分解确定公辅系统设备唯一位置。即根据空间布置或工艺流程,按照一定的分类原则和编码体系进行组织,形成反映工厂对象的树状结构,这个树状结构称之为工厂分解结构(PBS),工厂分解结构中的每个节点都是一个工厂对象,把这个节点按分类原则进行代码化表达,就是工厂位置标识码。
通常一个工厂对象具有十余条乃至数十条属性,确保这些属性信息在工程设计、采购、建造、交付直至运维的各阶段间传递的完整性与准确性是一个难点。如果将这些属性按照一定的规则进行分类并代码化表达,这样,无论有多少条属性信息都会简化成一条物料编码属性,那么,工程周期各阶段仅需要保证物料编码的正确传递就可以了。
根据功能或结构等特征对工厂对象分类,同类别的工厂对象具有相同的属性定义,不同的分类具有不一样的属性定义,关联不同的文档,描述工厂对象的分类、属性、专业文档类型及其关联关系,称之为工厂对象类库。冶金工厂对象一般可分为工艺设备、公辅设备、电气设备、仪器仪表、通信与计算机、起重运输设备、总图、管线、别的设备等。类库具有父子继承关系,子类将继承父类的属性。
工厂标识码、物料分类及属性、类库构成了数字化交付的数据基础。其中,标识码是工厂对象的唯一标识,物料编码是工厂对象属性的标准化表征,类库是工厂对象的数据组织结构。
数字化交付内容有三维模型、数据及文档。目前,三维模型的生产方法有正向设计建模、二维图纸翻模、倾斜摄影实景建模、三维激光扫描建模等方法,但无论采用哪种方法建模,首先应确保工厂对象单体的独立性,可被独立识别并可赋予属性。其次,模型应根据PBS进行组织,最重要的是模型中应附带编码,包括标识码与物料编码。对于正向设计,钢铁设计专业多、软件杂,难以建立统一的赋码机制,可开发编码管理平台提供统一编码规则的数据服务,设计软件与编码平台做数据集成,实现设计过程的自动赋码,从而在设计阶段为工程注入数字化基因,成为数字化工厂的起点。
文档包括设计、采购、施工等阶段产生的图纸、数据表、规格书、记录表等。其中,图纸包括工艺布置图、设备布置图、工艺流程图、管道轴测图、各种系统图、管道布置图、电缆布置图等各种施工图,设备总装图,安装图,易损件、操作更换件零件图等设备设计图;数据表包括设备表、管道表、仪表索引表等索引类数据表,设备数据表、仪表数据表、电气数据表、阀门规格书等数据表;规格书包括设备说明书、维修手册、使用手册等各种设备技术文件;记录表包括各种施工安装记录、试验记录、试运行记录、验收报告等。以上文档应设置统一的文件编号规则,可以通过编号解析文档分类、用途、来源等信息,以满足后期数字资产多维度查询功能,文件编号应包含标识码字段,以便自动建立与工厂对象之间的关联关系。
一般来讲,项目由设计单位、供应商单位、实施工程单位等多方参与共同完成,数字化交付的内容也应包含项目所有参与方在各阶段产生的数据、文档,需要构建完整的项目信息管理系统,才能实现各参与方、各阶段信息的不断有序汇集。
所有的模型、数据,都汇聚到数字化交付平台中,形成可表达工厂对象及其关联关系的“网状数据”结构,以此来实现实体物理工厂的数字重构,依托交付平台实现工程信息“数字化档案馆”形式的集中交付。基于交付平台,可将一座工厂逐层分解至每一个工厂对象,每个节点都挂接了相应的属性信息及文档。
交付平台应具备如下基本功能:BIM模型解析功能,可将不同格式模型文件的三维形体与属性信息完整获取;数据组织管理功能,可按项目要求配置交付标准,包括标识码规则,类库规则,可按项目交付标准组织项目数据;轻量化三维图形引擎功能,交付平台应具有联合工厂级的模型承载能力及较快的模型加载速度。可扩展功能,交付平台预留工厂EMS、ERP及MES等数据接口,实现工程建造信息到运维系统的无缝衔接,平台具备自动更新能力,可获取存量平台的资产更新信息,保证虚拟资产与现实资产的一致性。
基于上述基本功能,交付平台应具有一定的数据查询与应用功能,包括二、三维可视化工厂信息的浏览、综合查询、检索和测量,全局模式、PBS分区模式、系统模式、角色模式等多种信息检索、分类查找以及多条件搜索功能,支持PC端和手机等移动端浏览器查阅项目资料的功能等。
数据基本的建设、数据标准化治理是数字化交付的重要基础工作,钢铁工厂从设计、供货、施工安装到运维,参与方众多,数字化编码各成系统,应建立一套统一的数字化编码标准,构建工厂数字化描述的共通语境,打造钢铁数字化产业生态圈,推进行业数字化转变发展方式与经济转型发展。