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工程設計云在智能煉廠數(shù)字化設計

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工程設計云在智能煉廠數(shù)字化設計

摘要:隨著信息化和工業(yè)化在流程工業(yè)中的不斷融合,煉化企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化建設正引領石油化工工程設計發(fā)展的未來。本文結合煉化工程設計的行業(yè)特點,針對云計算和虛擬化技術在設計行業(yè)應用的現(xiàn)狀調(diào)研,介紹了工程設計云的平臺功能組成和推廣階段,以及在智能煉廠數(shù)字化設計與交付中,如何發(fā)揮其資源共享、信息安全和異地協(xié)同等多方面的技術優(yōu)勢。

關鍵詞:工程設計云;虛擬化;智能煉廠;數(shù)字化設計

1.智能煉廠的設計與數(shù)字化交付

智能煉廠是未來煉化企業(yè)的發(fā)展方向之一。系統(tǒng)工程、自動化、流程模擬、機器學習等多學科之間相互滲透、相互支持,從過去的離線或半離線觀念向在線實時、全自動化轉(zhuǎn)變,是實現(xiàn)工業(yè)化、信息化深度融合的必由之路。智能化是煉廠信息化建設和應用的高級階段,特定到石化企業(yè),傳統(tǒng)工程建設目標是按照設計圖紙要求,建設物理意義上的由工藝裝置、物流系統(tǒng)、公用工程和輔助設施組成的煉廠。而現(xiàn)代工程建設在建設物理意義上的煉廠外,還需通過數(shù)字化、智能化等技術手段,建設全生命周期的綜合數(shù)字集成平臺,實現(xiàn)煉廠實體的數(shù)字化體現(xiàn)[1]。從煉化企業(yè)角度來看,智能煉廠是指建立一個以虛擬工廠為基礎的集成管理平臺,對應物理意義上的煉廠的數(shù)字化體現(xiàn),同時具備工廠屬性和工程屬性的智能數(shù)字化系統(tǒng)。集成工程設計、生產(chǎn)運營、機動設備、環(huán)保安全等各種靜態(tài)動態(tài)數(shù)據(jù),運用虛擬現(xiàn)實和三維可視化技術,提供企業(yè)資產(chǎn)信息全生命周期管理,具備高度可配置化應用,為煉廠的智能化運營和信息化管理提供管理和決策平臺。[2]理想狀態(tài)下,智能煉廠解決方案是由工程公司按照煉廠需求完成設計,包含以成品方式實現(xiàn)對煉廠的數(shù)字化交付,并在其全生命周期(設計、采購、施工、開車、運營、改造、報廢)中提供技術支持和服務[3]。由于目前工程建設和煉廠的社會分工不同,對數(shù)字化煉廠的認識和關注點也不同。目前,工程公司往往很難勝任煉廠高級階段的信息化建設工作,全生命周期的智能煉廠概念也難以落地?,F(xiàn)階段相對可行的方案是由工程公司完成煉廠的數(shù)字化設計和施工,參考先進煉廠運營管理模式和理念,逐步完善數(shù)字化平臺的集成能力,實現(xiàn)數(shù)字化煉廠的階段性交付(完成設計、采購、施工和開車成功),這其中既包括模型數(shù)據(jù)(位號、屬性、關聯(lián)關系),還包括可擴展的數(shù)字化集成平臺。煉廠基于工程建設階段交付的數(shù)字化模型,按需實現(xiàn)對現(xiàn)有生產(chǎn)運營系統(tǒng)進行有效集成,實現(xiàn)煉廠向生產(chǎn)計劃可控、操作規(guī)范高效、工藝流程優(yōu)化、綠色安全環(huán)保的智能化轉(zhuǎn)型和升級[4][5]。

2.工程設計云

2.1虛擬化與云計算技術

虛擬化技術,是指利用一種特定的信息處理技術,將計算機硬件、操作系統(tǒng)、應用軟件等從邏輯上進行分離,抽象成獨立的資源模塊,分別放入一個巨大的資源池,用戶可以根據(jù)需要進行靈活的資源組合。而云計算是一種新型的資源分配模式,該模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡訪問,進入可配置的計算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡、服務器、存儲、應用軟件、服務),這些資源能夠被快速提供,用戶只需投入很少的管理和交互工作。

2.2工程設計云平臺架構

工程設計云平臺融合并革新了多種先進信息技術,其核心是利用虛擬化技術整合數(shù)據(jù)中心軟硬件資源和各專業(yè)設計應用,以服務的形式進行,滿足不同專業(yè)的用戶按需使用,實現(xiàn)跨地域、跨平臺的接入,增強數(shù)據(jù)安全,提高效率,保障業(yè)務的連續(xù)性。在云平臺的建設過程中,數(shù)據(jù)安全級別和平臺健壯性要求決定著基礎架構設計標準的選取,應該正確認識到設計行業(yè)對數(shù)據(jù)安全性的定位,以降低存儲成為制約云平臺規(guī)模和性能的風險(圖1),為用戶訪問工程設計提供云的模式。

2.2.1工程云應用

依托虛擬化技術,將所有應用軟件在數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一,實現(xiàn)應用軟件的集中管理與異地共享。員工無論是在本部、分院、EPC現(xiàn)場,還是在家里或者出差途中,都可以通過網(wǎng)絡登錄“工程設計云”,方便地按需共享本部的軟件資源,跨地域地協(xié)同工作,既不會改變用戶的使用習慣,又不會降低應用效果。

2.2.2工程云桌面

借助桌面虛擬化技術,將工程設計環(huán)境按既定規(guī)則分類,成不同功能的云桌面,向不同專業(yè)的設計人員提供服務。將傳統(tǒng)意義上的企業(yè)數(shù)據(jù)和應用向數(shù)據(jù)中心遷移,設計桌面由管理員統(tǒng)一部署、補丁和升級等管理工作,不需要在每個用戶的桌面上部署和管理多個軟件客戶端系統(tǒng),所有應用客戶端系統(tǒng)都將一次性地部署在數(shù)據(jù)中心的專用服務器上。不需要通過網(wǎng)絡向每個用戶發(fā)送實際的數(shù)據(jù),只有虛擬的客戶端界面(屏幕圖像更新、按鍵、鼠標移動等)被實際傳送并顯示在用戶的電腦上,不改變用戶設計習慣。完整的桌面虛擬化方案提供一種“端到端”的桌面管理解決方案。通過單一鏡像管理,可動態(tài)按需產(chǎn)生虛擬桌面,該桌面所有的運行都發(fā)生在遠程數(shù)據(jù)中心的機房里,不用擔心數(shù)據(jù)駐留在客戶端導致的安全漏洞。用戶每次登錄時都能獲得一個干凈的、個性化的全新桌面。根據(jù)煉化設計行業(yè)對虛擬化桌面的需求,推薦采用“虛擬化桌面+云存儲”方案,例如應用效果最好的二維設計桌面和三維設計桌面。二維設計桌面采用PVS(ProvisioningServer)共享磁盤桌面,ProvisioningServer是整套系統(tǒng)的調(diào)度中心,它通過網(wǎng)絡按需交付組成完整的服務器的各個部分,包括操作系統(tǒng)、應用和配置。ProvisioningServer將服務器各個部分分拆成為一個獨立虛擬鏡像VDisk,并將其以文檔形式存儲在網(wǎng)絡上。當服務器啟動時,不再通過本地磁盤啟動,而是從網(wǎng)絡上的VDisk引導啟動,ProvisioningServer采用流技術將指定的應用組成部分交付到服務器,典型應用包括:工藝設計桌面和工程設計桌面,也可以細分為典型用戶的PDMS桌面等。三維設計桌面結合NVIDIAGRID顯卡,虛擬化服務器采用CitrixXenServer服務器,通過vGPU或GPUPassthrough方式,將硬件顯卡資源交付到所需桌面,典型應用包括三維設計桌面。

2.2.3工程云存儲

云存儲解決方案的主要目的是解決與完善桌面云的數(shù)據(jù)安全性與可用性。引入云存儲系統(tǒng)提供的“終端用戶虛擬盤+云端集中存儲+文件實時同步”模型,達成了“數(shù)據(jù)集中化”與“數(shù)據(jù)即時分發(fā)”兩個目標。一方面可實現(xiàn)對桌面操作生成數(shù)據(jù)文件的統(tǒng)一存儲,便于集中管控。再加上文件塊加密與傳輸加密技術的應用,不僅提供數(shù)據(jù)安全性保護,更賦予了數(shù)據(jù)“流動”特性,可供終端用戶隨時隨地查詢;另一方面實現(xiàn)了桌面數(shù)據(jù)歸檔,對同一文件的歷史版本進行查詢,通過用戶管理、共享、群組文件、協(xié)同編輯等功能,為部門或項目提供優(yōu)秀的權限管理和協(xié)同能力。

3.工程設計云在煉化設計行業(yè)的應用優(yōu)勢

3.1保障業(yè)務數(shù)據(jù)安全

隨著《網(wǎng)絡安全法》和《國家網(wǎng)絡空間安全戰(zhàn)略》的,政府對信息安全日益關注,強調(diào)“沒有網(wǎng)絡安全就沒有國家安全”,信息安全被上升到國家戰(zhàn)略層面。網(wǎng)絡安全對于企業(yè)的重要性和意義不斷得到提升,護網(wǎng)行動逐級得到貫徹和落實。工程設計行業(yè)最大的信息安全來自數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡攻擊:從引入計算機輔助設計開始,紙質(zhì)資料逐漸過渡到電子化存檔,由此引發(fā)的數(shù)據(jù)泄漏風險一直高居不下,無論是文件加密、介質(zhì)加密還是網(wǎng)絡隔離,都無法從根本上保障設計資料的信息安全。依托應用虛擬化與桌面虛擬化技術,可以將用戶端的硬件、操作系統(tǒng)、應用程序從邏輯上進行分離后重新進行動態(tài)的優(yōu)化組合,從根本上解決辦公人員使用終端進行業(yè)務過程中的信息安全與數(shù)據(jù)泄密問題。此外,工程云可以實現(xiàn)設計環(huán)境更高級別的網(wǎng)絡隔離,不僅隔離外網(wǎng),還可以對辦公網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)中心隔離,將企業(yè)核心業(yè)務隔離在數(shù)據(jù)中心,避免終端淪陷帶來的攻擊,大幅降低企業(yè)遭受內(nèi)外部攻擊的幾率、保障業(yè)務的連續(xù)性。

3.2設計環(huán)境標準化

工程設計云中每類設計桌面前,通過對標準化系統(tǒng)模板的配置優(yōu)化,實現(xiàn)設計軟件版本和數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一;設計人員對設計軟件只有使用權限,沒有修改和安裝配置權限,由此規(guī)范了用戶使用行為,設計軟件出現(xiàn)故障的概率大幅降低。實現(xiàn)各專業(yè)內(nèi)部每個設計人員的設計環(huán)境標準化,為工程設計標準化提供了設計平臺。

3.3異地協(xié)同設計

協(xié)同設計是當下設計行業(yè)技術更新的一個重要方向,也是設計技術發(fā)展的必然趨勢。通過協(xié)同設計建立統(tǒng)一的設計標準,包括圖層、顏色、線型、打印樣式等,在此基礎上,所有設計專業(yè)及人員在一個統(tǒng)一的平臺上進行設計,從而減少現(xiàn)行各專業(yè)之間(以及專業(yè)內(nèi)部)由于溝通不暢或溝通不及時導致的錯、漏、碰、缺,真正實現(xiàn)所有圖紙信息元的單一性,實現(xiàn)一處修改其他用戶視角自動修改,提升設計效率和設計質(zhì)量。這里的統(tǒng)一的平臺就是數(shù)字化集成設計平臺,具體包括:工藝設計、工程設計、三維工廠設計等。同時,協(xié)同設計還體現(xiàn)在不同企業(yè)、專業(yè)在不同辦公地點共同參與到統(tǒng)一的數(shù)字化集成平臺,依托工程設計云,解決了異地協(xié)同這一難題。工程公司可以借此實現(xiàn)基于工程設計云的低成本靈活外包模式,大幅提升協(xié)同設計效率,低價搶占市場,甩開競爭對手。收集分散在各地分支機構的專業(yè)應用軟件,在數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一部署,以實現(xiàn)應用軟件的集中管控和跨地域、跨平臺共享。

3.4數(shù)字化交付的云模式

在數(shù)字化煉廠設計業(yè)務鏈條中,竣工交付是其中的重要一環(huán)。傳統(tǒng)意義上的交付在數(shù)字化煉廠全生命周期管理中顯得力不從心,突出表現(xiàn)在煉廠裝置后期改造和檢維修等環(huán)節(jié),會導致煉廠與設計雙方的模型數(shù)據(jù)不一致,甚至需要重新構建模型。為了發(fā)揮設計院的設計優(yōu)勢,設計院繼續(xù)保留工程屬性的數(shù)字化煉廠模型,同時借助工程設計云以服務的形式進行,授權業(yè)主訪問。設計院可以接收業(yè)主的修改需求,繼續(xù)維護煉廠數(shù)字化模型,逐步完善數(shù)字化模型的位點、屬性和關聯(lián)關系,確保模型的數(shù)據(jù)一致性和真實有效。

3.5智能煉廠信息物理融合的基礎

智能煉廠的理想狀態(tài)是實現(xiàn)信息物理融合(Cyber-physicalSystems,簡稱CPS)。應用云計算、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等眾多先進技術,將傳感器、智能硬件、控制系統(tǒng)、計算設施及信息終端連接成一個智能網(wǎng)絡,實現(xiàn)企業(yè)、員工、設備、服務之間的互聯(lián)互通。而煉廠CPS模型庫包括工藝模型、業(yè)務模型、機理模型、優(yōu)化模型及三維裝置模型等,使企業(yè)生產(chǎn)運營具備實時全面感知、深度優(yōu)化協(xié)同、準確預測預警、快速科學決策的能力,實現(xiàn)了生產(chǎn)全業(yè)務流程閉環(huán)優(yōu)化管理,實現(xiàn)了動態(tài)平衡、最優(yōu)生產(chǎn)、效益最佳的卓越運營目標[6]。不僅在工程建設階段,智能煉廠全生命周期的運營管理也仍需借助工程設計專家和規(guī)劃計劃專家在工藝優(yōu)化、計劃優(yōu)化、排產(chǎn)優(yōu)化的專業(yè)優(yōu)勢,實現(xiàn)以煉廠生產(chǎn)計劃調(diào)度一體化為核心的全局優(yōu)化,挖掘企業(yè)生產(chǎn)效益的潛力。實現(xiàn)煉廠和工程公司聯(lián)通,融合物理裝置、工藝模型、實時數(shù)據(jù)、機理模型、規(guī)劃計劃排產(chǎn)調(diào)和方案,工程設計云將成為智能煉廠信息物理融合的信息載體。

4.工程設計云在煉化設計行業(yè)的應用推廣

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn),煉化設計行業(yè)實力較強的工程公司都在開展工程設計云的建設,方案和應用效果差別較大,但基本上都符合以下四個階段:起步階段:企業(yè)為了節(jié)省數(shù)據(jù)中心硬件投資,通過虛擬化技術完成了數(shù)據(jù)中心的資源池化工作,提高了硬件資源利用率,可以節(jié)省約60%的投資。測試階段:應設計項目的生產(chǎn)需求,特別是EPC現(xiàn)場應用總部的軟件資源進行配合施工這一需求,企業(yè)開始進行針對性測試,測試對象以虛擬化應用為主,涉及少量桌面?,F(xiàn)階段將所有的工程設計軟件進行虛擬化測試,并根據(jù)成本和可用性進行評價,保留約10%的軟件在專業(yè)科室進行推廣。推廣階段:以大規(guī)模桌面云為主、少量應用云為輔,以專業(yè)或平臺進行分類,大規(guī)模部署云桌面,并在設計項目中進行推廣,為全面推廣云設計積累經(jīng)驗。成熟階段:全面推廣云桌面。在以知識工作自動化為特征的智能設計時代到來之前,設計院為了滿足數(shù)字化設計交付和信息安全的需要,會逐漸完善工程設計集成平臺,其中包含工藝設計系統(tǒng)、工程設計系統(tǒng)、三維工廠設計系統(tǒng)和項目EPCCM系統(tǒng)等。完善的數(shù)字化集成設計平臺,只有以云的形式提供服務,才能真正實現(xiàn)工廠工程設計的專業(yè)協(xié)同、異地協(xié)同和數(shù)字化交付。繼而在煉廠全生命周期中實現(xiàn)工廠運營、全局優(yōu)化,助力其完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化建設。

參考文獻

[1]夏茂森.流程工業(yè)智能工廠建設技術的研究[J].信息技術與信息化,2013,(6):46-52.

[2]李海濤,趙小平.三維數(shù)字化工廠技術在中石油煉化企業(yè)中的應用[J].中國信息界,2012,9(225):44-47.

[3]壽海濤.數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付[J].石油化工設計,2017,37(1):44-47.

作者:王劍 單位:中石油華東設計院有限公司