工程設計云在智能煉廠數字化設計

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

關鍵詞：工程設計云；虛擬化；智能煉廠；數字化設計

1.智能煉廠的設計與數字化交付

智能煉廠是未來煉化企業的發展方向之一。系統工程、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、全自動化轉變，是實現工業化、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，傳統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、公用工程和輔助設施組成的煉廠。而現代工程建設在建設物理意義上的煉廠外，還需通過數字化、智能化等技術手段，建設全生命周期的綜合數字集成平臺，實現煉廠實體的數字化體現[1]。從煉化企業角度來看，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字化體現，同時具備工廠屬性和工程屬性的智能數字化系統。集成工程設計、生產運營、機動設備、環保安全等各種靜態動態數據，運用虛擬現實和三維可視化技術，提供企業資產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對煉廠的數字化交付，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。現階段相對可行的方案是由工程公司完成煉廠的數字化設計和施工，參考先進煉廠運營管理模式和理念，逐步完善數字化平臺的集成能力，實現數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據（位號、屬性、關聯關系），還包括可擴展的數字化集成平臺。煉廠基于工程建設階段交付的數字化模型，按需實現對現有生產運營系統進行有效集成，實現煉廠向生產計劃可控、操作規范高效、工藝流程優化、綠色安全環保的智能化轉型和升級[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、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、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網絡、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據中心軟硬件資源和各專業設計應用，以服務的形式進行，滿足不同專業的用戶按需使用，實現跨地域、跨平臺的接入，增強數據安全，提高效率，保障業務的連續性。在云平臺的建設過程中，數據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對數據安全性的定位，以降低存儲成為制約云平臺規模和性能的風險（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據中心進行統一，實現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現場，還是在家里或者出差途中，都可以通過網絡登錄“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，將工程設計環境按既定規則分類，成不同功能的云桌面，向不同專業的設計人員提供服務。將傳統意義上的企業數據和應用向數據中心遷移，設計桌面由管理員統一部署、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，所有應用客戶端系統都將一次性地部署在數據中心的專用服務器上。不需要通過網絡向每個用戶發送實際的數據，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，可動態按需產生虛擬桌面，該桌面所有的運行都發生在遠程數據中心的機房里，不用擔心數據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。根據煉化設計行業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是整套系統的調度中心，它通過網絡按需交付組成完整的服務器的各個部分，包括操作系統、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絡上。當服務器啟動時，不再通過本地磁盤啟動，而是從網絡上的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據安全性與可用性。引入云存儲系統提供的“終端用戶虛擬盤+云端集中存儲+文件實時同步”模型，達成了“數據集中化”與“數據即時分發”兩個目標。一方面可實現對桌面操作生成數據文件的統一存儲，便于集中管控。再加上文件塊加密與傳輸加密技術的應用，不僅提供數據安全性保護，更賦予了數據“流動”特性，可供終端用戶隨時隨地查詢；另一方面實現了桌面數據歸檔，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、協同編輯等功能，為部門或項目提供優秀的權限管理和協同能力。

3.工程設計云在煉化設計行業的應用優勢

3.1保障業務數據安全

隨著《網絡安全法》和《國家網絡空間安全戰略》的，政府對信息安全日益關注，強調“沒有網絡安全就沒有國家安全”，信息安全被上升到國家戰略層面。網絡安全對于企業的重要性和意義不斷得到提升，護網行動逐級得到貫徹和落實。工程設計行業最大的信息安全來自數據安全和網絡攻擊：從引入計算機輔助設計開始，紙質資料逐漸過渡到電子化存檔，由此引發的數據泄漏風險一直高居不下，無論是文件加密、介質加密還是網絡隔離，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、應用程序從邏輯上進行分離后重新進行動態的優化組合，從根本上解決辦公人員使用終端進行業務過程中的信息安全與數據泄密問題。此外，工程云可以實現設計環境更高級別的網絡隔離，不僅隔離外網，還可以對辦公網絡與數據中心隔離，將企業核心業務隔離在數據中心，避免終端淪陷帶來的攻擊，大幅降低企業遭受內外部攻擊的幾率、保障業務的連續性。

3.2設計環境標準化

工程設計云中每類設計桌面前，通過對標準化系統模板的配置優化，實現設計軟件版本和數據格式的統一；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，由此規范了用戶使用行為，設計軟件出現故障的概率大幅降低。實現各專業內部每個設計人員的設計環境標準化，為工程設計標準化提供了設計平臺。

3.3異地協同設計

協同設計是當下設計行業技術更新的一個重要方向，也是設計技術發展的必然趨勢。通過協同設計建立統一的設計標準，包括圖層、顏色、線型、打印樣式等，在此基礎上，所有設計專業及人員在一個統一的平臺上進行設計，從而減少現行各專業之間（以及專業內部）由于溝通不暢或溝通不及時導致的錯、漏、碰、缺，真正實現所有圖紙信息元的單一性，實現一處修改其他用戶視角自動修改，提升設計效率和設計質量。這里的統一的平臺就是數字化集成設計平臺，具體包括：工藝設計、工程設計、三維工廠設計等。同時，協同設計還體現在不同企業、專業在不同辦公地點共同參與到統一的數字化集成平臺，依托工程設計云，解決了異地協同這一難題。工程公司可以借此實現基于工程設計云的低成本靈活外包模式，大幅提升協同設計效率，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應用軟件，在數據中心進行統一部署，以實現應用軟件的集中管控和跨地域、跨平臺共享。

3.4數字化交付的云模式

在數字化煉廠設計業務鏈條中，竣工交付是其中的重要一環。傳統意義上的交付在數字化煉廠全生命周期管理中顯得力不從心，突出表現在煉廠裝置后期改造和檢維修等環節，會導致煉廠與設計雙方的模型數據不一致，甚至需要重新構建模型。為了發揮設計院的設計優勢，設計院繼續保留工程屬性的數字化煉廠模型，同時借助工程設計云以服務的形式進行，授權業主訪問。設計院可以接收業主的修改需求，繼續維護煉廠數字化模型，逐步完善數字化模型的位點、屬性和關聯關系，確保模型的數據一致性和真實有效。

3.5智能煉廠信息物理融合的基礎

智能煉廠的理想狀態是實現信息物理融合（Cyber-physicalSystems，簡稱CPS）。應用云計算、大數據及物聯網等眾多先進技術，將傳感器、智能硬件、控制系統、計算設施及信息終端連接成一個智能網絡，實現企業、員工、設備、服務之間的互聯互通。而煉廠CPS模型庫包括工藝模型、業務模型、機理模型、優化模型及三維裝置模型等，使企業生產運營具備實時全面感知、深度優化協同、準確預測預警、快速科學決策的能力，實現了生產全業務流程閉環優化管理，實現了動態平衡、最優生產、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劃計劃專家在工藝優化、計劃優化、排產優化的專業優勢，實現以煉廠生產計劃調度一體化為核心的全局優化，挖掘企業生產效益的潛力。實現煉廠和工程公司聯通，融合物理裝置、工藝模型、實時數據、機理模型、規劃計劃排產調和方案，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的應用推廣

經過調研發現，煉化設計行業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：企業為了節省數據中心硬件投資，通過虛擬化技術完成了數據中心的資源池化工作,提高了硬件資源利用率，可以節省約60%的投資。測試階段：應設計項目的生產需求，特別是EPC現場應用總部的軟件資源進行配合施工這一需求，企業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。現階段將所有的工程設計軟件進行虛擬化測試，并根據成本和可用性進行評價，保留約10%的軟件在專業科室進行推廣。推廣階段：以大規模桌面云為主、少量應用云為輔，以專業或平臺進行分類，大規模部署云桌面，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、工程設計系統、三維工廠設計系統和項目EPCCM系統等。完善的數字化集成設計平臺，只有以云的形式提供服務，才能真正實現工廠工程設計的專業協同、異地協同和數字化交付。繼而在煉廠全生命周期中實現工廠運營、全局優化，助力其完成數字化轉型和智能化建設。

參考文獻

[1]夏茂森.流程工業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.三維數字化工廠技術在中石油煉化企業中的應用[J].中國信息界,2012,9(225):44-47.

[3]壽海濤.數字化工廠與數字化交付[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