工程设计云在智能炼厂数字化设计

摘要：随着信息化和工业化在流程工业中的不断融合，炼化企业的数字化转型与智能化建设正引领石油化工工程设计发展的未来。本文结合炼化工程设计的行业特点，针对云计算和虚拟化技术在设计行业应用的现状调研，介绍了工程设计云的平台功能组成和推广阶段，以及在智能炼厂数字化设计与交付中，如何发挥其资源共享、信息安全和异地协同等多方面的技术优势。

关键词：工程设计云；虚拟化；智能炼厂；数字化设计

1.智能炼厂的设计与数字化交付

智能炼厂是未来炼化企业的发展方向之一。系统工程、自动化、流程模拟、机器学习等多学科之间相互渗透、相互支持，从过去的离线或半离线观念向在线实时、全自动化转变，是实现工业化、信息化深度融合的必由之路。智能化是炼厂信息化建设和应用的高级阶段，特定到石化企业，传统工程建设目标是按照设计图纸要求，建设物理意义上的由工艺装置、物流系统、公用工程和辅助设施组成的炼厂。而现代工程建设在建设物理意义上的炼厂外，还需通过数字化、智能化等技术手段，建设全生命周期的综合数字集成平台，实现炼厂实体的数字化体现[1]。从炼化企业角度来看，智能炼厂是指建立一个以虚拟工厂为基础的集成管理平台，对应物理意义上的炼厂的数字化体现，同时具备工厂属性和工程属性的智能数字化系统。集成工程设计、生产运营、机动设备、环保安全等各种静态动态数据，运用虚拟现实和三维可视化技术，提供企业资产信息全生命周期管理，具备高度可配置化应用，为炼厂的智能化运营和信息化管理提供管理和决策平台。[2]理想状态下，智能炼厂解决方案是由工程公司按照炼厂需求完成设计，包含以成品方式实现对炼厂的数字化交付，并在其全生命周期（设计、采购、施工、开车、运营、改造、报废）中提供技术支持和服务[3]。由于目前工程建设和炼厂的社会分工不同，对数字化炼厂的认识和关注点也不同。目前，工程公司往往很难胜任炼厂高级阶段的信息化建设工作，全生命周期的智能炼厂概念也难以落地。现阶段相对可行的方案是由工程公司完成炼厂的数字化设计和施工，参考先进炼厂运营管理模式和理念，逐步完善数字化平台的集成能力，实现数字化炼厂的阶段性交付（完成设计、采购、施工和开车成功），这其中既包括模型数据（位号、属性、关联关系），还包括可扩展的数字化集成平台。炼厂基于工程建设阶段交付的数字化模型，按需实现对现有生产运营系统进行有效集成，实现炼厂向生产计划可控、操作规范高效、工艺流程优化、绿色安全环保的智能化转型和升级[4][5]。

2.工程设计云

2.1虚拟化与云计算技术

虚拟化技术，是指利用一种特定的信息处理技术，将计算机硬件、操作系统、应用软件等从逻辑上进行分离，抽象成独立的资源模块，分别放入一个巨大的资源池，用户可以根据需要进行灵活的资源组合。而云计算是一种新型的资源分配模式，该模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，用户只需投入很少的管理和交互工作。

2.2工程设计云平台架构

工程设计云平台融合并革新了多种先进信息技术，其核心是利用虚拟化技术整合数据中心软硬件资源和各专业设计应用，以服务的形式进行，满足不同专业的用户按需使用，实现跨地域、跨平台的接入，增强数据安全，提高效率，保障业务的连续性。在云平台的建设过程中，数据安全级别和平台健壮性要求决定着基础架构设计标准的选取，应该正确认识到设计行业对数据安全性的定位，以降低存储成为制约云平台规模和性能的风险（图1），为用户访问工程设计提供云的模式。

2.2.1工程云应用

依托虚拟化技术，将所有应用软件在数据中心进行统一，实现应用软件的集中管理与异地共享。员工无论是在本部、分院、EPC现场，还是在家里或者出差途中，都可以通过网络登录“工程设计云”，方便地按需共享本部的软件资源，跨地域地协同工作，既不会改变用户的使用习惯，又不会降低应用效果。

2.2.2工程云桌面

借助桌面虚拟化技术，将工程设计环境按既定规则分类，成不同功能的云桌面，向不同专业的设计人员提供服务。将传统意义上的企业数据和应用向数据中心迁移，设计桌面由管理员统一部署、补丁和升级等管理工作，不需要在每个用户的桌面上部署和管理多个软件客户端系统，所有应用客户端系统都将一次性地部署在数据中心的专用服务器上。不需要通过网络向每个用户发送实际的数据，只有虚拟的客户端界面（屏幕图像更新、按键、鼠标移动等）被实际传送并显示在用户的电脑上，不改变用户设计习惯。完整的桌面虚拟化方案提供一种“端到端”的桌面管理解决方案。通过单一镜像管理，可动态按需产生虚拟桌面，该桌面所有的运行都发生在远程数据中心的机房里，不用担心数据驻留在客户端导致的安全漏洞。用户每次登录时都能获得一个干净的、个性化的全新桌面。根据炼化设计行业对虚拟化桌面的需求，推荐采用“虚拟化桌面+云存储”方案，例如应用效果最好的二维设计桌面和三维设计桌面。二维设计桌面采用PVS（ProvisioningServer）共享磁盘桌面，ProvisioningServer是整套系统的调度中心，它通过网络按需交付组成完整的服务器的各个部分，包括操作系统、应用和配置。ProvisioningServer将服务器各个部分分拆成为一个独立虚拟镜像VDisk，并将其以文档形式存储在网络上。当服务器启动时，不再通过本地磁盘启动，而是从网络上的VDisk引导启动，ProvisioningServer采用流技术将指定的应用组成部分交付到服务器，典型应用包括：工艺设计桌面和工程设计桌面，也可以细分为典型用户的PDMS桌面等。三维设计桌面结合NVIDIAGRID显卡，虚拟化服务器采用CitrixXenServer服务器，通过vGPU或GPUPassthrough方式，将硬件显卡资源交付到所需桌面，典型应用包括三维设计桌面。

2.2.3工程云存储

云存储解决方案的主要目的是解决与完善桌面云的数据安全性与可用性。引入云存储系统提供的“终端用户虚拟盘+云端集中存储+文件实时同步”模型，达成了“数据集中化”与“数据即时分发”两个目标。一方面可实现对桌面操作生成数据文件的统一存储，便于集中管控。再加上文件块加密与传输加密技术的应用，不仅提供数据安全性保护，更赋予了数据“流动”特性，可供终端用户随时随地查询；另一方面实现了桌面数据归档，对同一文件的历史版本进行查询，通过用户管理、共享、群组文件、协同编辑等功能，为部门或项目提供优秀的权限管理和协同能力。

3.工程设计云在炼化设计行业的应用优势

3.1保障业务数据安全

随着《网络安全法》和《国家网络空间安全战略》的，政府对信息安全日益关注，强调“没有网络安全就没有国家安全”，信息安全被上升到国家战略层面。网络安全对于企业的重要性和意义不断得到提升，护网行动逐级得到贯彻和落实。工程设计行业最大的信息安全来自数据安全和网络攻击：从引入计算机辅助设计开始，纸质资料逐渐过渡到电子化存档，由此引发的数据泄漏风险一直高居不下，无论是文件加密、介质加密还是网络隔离，都无法从根本上保障设计资料的信息安全。依托应用虚拟化与桌面虚拟化技术，可以将用户端的硬件、操作系统、应用程序从逻辑上进行分离后重新进行动态的优化组合，从根本上解决办公人员使用终端进行业务过程中的信息安全与数据泄密问题。此外，工程云可以实现设计环境更高级别的网络隔离，不仅隔离外网，还可以对办公网络与数据中心隔离，将企业核心业务隔离在数据中心，避免终端沦陷带来的攻击，大幅降低企业遭受内外部攻击的几率、保障业务的连续性。

3.2设计环境标准化

工程设计云中每类设计桌面前，通过对标准化系统模板的配置优化，实现设计软件版本和数据格式的统一；设计人员对设计软件只有使用权限，没有修改和安装配置权限，由此规范了用户使用行为，设计软件出现故障的概率大幅降低。实现各专业内部每个设计人员的设计环境标准化，为工程设计标准化提供了设计平台。

3.3异地协同设计

协同设计是当下设计行业技术更新的一个重要方向，也是设计技术发展的必然趋势。通过协同设计建立统一的设计标准，包括图层、颜色、线型、打印样式等，在此基础上，所有设计专业及人员在一个统一的平台上进行设计，从而减少现行各专业之间（以及专业内部）由于沟通不畅或沟通不及时导致的错、漏、碰、缺，真正实现所有图纸信息元的单一性，实现一处修改其他用户视角自动修改，提升设计效率和设计质量。这里的统一的平台就是数字化集成设计平台，具体包括：工艺设计、工程设计、三维工厂设计等。同时，协同设计还体现在不同企业、专业在不同办公地点共同参与到统一的数字化集成平台，依托工程设计云，解决了异地协同这一难题。工程公司可以借此实现基于工程设计云的低成本灵活外包模式，大幅提升协同设计效率，低价抢占市场，甩开竞争对手。收集分散在各地分支机构的专业应用软件，在数据中心进行统一部署，以实现应用软件的集中管控和跨地域、跨平台共享。

3.4数字化交付的云模式

在数字化炼厂设计业务链条中，竣工交付是其中的重要一环。传统意义上的交付在数字化炼厂全生命周期管理中显得力不从心，突出表现在炼厂装置后期改造和检维修等环节，会导致炼厂与设计双方的模型数据不一致，甚至需要重新构建模型。为了发挥设计院的设计优势，设计院继续保留工程属性的数字化炼厂模型，同时借助工程设计云以服务的形式进行，授权业主访问。设计院可以接收业主的修改需求，继续维护炼厂数字化模型，逐步完善数字化模型的位点、属性和关联关系，确保模型的数据一致性和真实有效。

3.5智能炼厂信息物理融合的基础

智能炼厂的理想状态是实现信息物理融合（Cyber-physicalSystems，简称CPS）。应用云计算、大数据及物联网等众多先进技术，将传感器、智能硬件、控制系统、计算设施及信息终端连接成一个智能网络，实现企业、员工、设备、服务之间的互联互通。而炼厂CPS模型库包括工艺模型、业务模型、机理模型、优化模型及三维装置模型等，使企业生产运营具备实时全面感知、深度优化协同、准确预测预警、快速科学决策的能力，实现了生产全业务流程闭环优化管理，实现了动态平衡、最优生产、效益最佳的卓越运营目标[6]。不仅在工程建设阶段，智能炼厂全生命周期的运营管理也仍需借助工程设计专家和规划计划专家在工艺优化、计划优化、排产优化的专业优势，实现以炼厂生产计划调度一体化为核心的全局优化，挖掘企业生产效益的潜力。实现炼厂和工程公司联通，融合物理装置、工艺模型、实时数据、机理模型、规划计划排产调和方案，工程设计云将成为智能炼厂信息物理融合的信息载体。

4.工程设计云在炼化设计行业的应用推广

经过调研发现，炼化设计行业实力较强的工程公司都在开展工程设计云的建设，方案和应用效果差别较大，但基本上都符合以下四个阶段：起步阶段：企业为了节省数据中心硬件投资，通过虚拟化技术完成了数据中心的资源池化工作,提高了硬件资源利用率，可以节省约60%的投资。测试阶段：应设计项目的生产需求，特别是EPC现场应用总部的软件资源进行配合施工这一需求，企业开始进行针对性测试，测试对象以虚拟化应用为主，涉及少量桌面。现阶段将所有的工程设计软件进行虚拟化测试，并根据成本和可用性进行评价，保留约10%的软件在专业科室进行推广。推广阶段：以大规模桌面云为主、少量应用云为辅，以专业或平台进行分类，大规模部署云桌面，并在设计项目中进行推广，为全面推广云设计积累经验。成熟阶段：全面推广云桌面。在以知识工作自动化为特征的智能设计时代到来之前，设计院为了满足数字化设计交付和信息安全的需要，会逐渐完善工程设计集成平台，其中包含工艺设计系统、工程设计系统、三维工厂设计系统和项目EPCCM系统等。完善的数字化集成设计平台，只有以云的形式提供服务，才能真正实现工厂工程设计的专业协同、异地协同和数字化交付。继而在炼厂全生命周期中实现工厂运营、全局优化，助力其完成数字化转型和智能化建设。

参考文献

[1]夏茂森.流程工业智能工厂建设技术的研究[J].信息技术与信息化,2013,(6):46-52.

[2]李海涛,赵小平.三维数字化工厂技术在中石油炼化企业中的应用[J].中国信息界,2012,9(225):44-47.

[3]寿海涛.数字化工厂与数字化交付[J].石油化工设计,2017,37(1):44-47.

作者：王剑 单位：中石油华东设计院有限公司