吳 青

（中國海洋石油集團有限公司，北京100010）

煉油化工行業(yè)具有產(chǎn)業(yè)鏈長、流程關(guān)聯(lián)度高和生產(chǎn)過程復(fù)雜等主要特點，其加工的原料物性復(fù)雜，除了不同原油因產(chǎn)地不同而在理化性質(zhì)方面存在差異外，即使是同一區(qū)塊的原油，不同時期的原油性質(zhì)也會有所差別。除此之外，原油加工流程以及煉制過程更是千差萬別，十分復(fù)雜。為滿足市場需要和控制產(chǎn)品質(zhì)量，各裝置操作參數(shù)調(diào)整頻繁，且產(chǎn)品調(diào)和方案變化也較多。石油煉制與化工過程大多涉及“高溫高壓、易燃易爆”等風(fēng)險因素，因此對各類設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性有嚴格要求。當前國家對石油石化的QHSE等方面的工作制定推行了更為嚴格的標準、法規(guī)與要求，因此使煉油化工產(chǎn)業(yè)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

信息化是中國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。目前，深化的“互聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用與“兩化融合”，特別是云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、社交媒體、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實、量子計算、人工智能等信息化新技術(shù)蓬勃發(fā)展，一方面正改變石化產(chǎn)品市場格局和用戶消費行為，使市場競爭日趨激烈；另外一方面，信息化對煉化生產(chǎn)模式的變革與創(chuàng)新也起到了推波助瀾甚至主導(dǎo)作用，煉化產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、管控和經(jīng)營等各方面業(yè)務(wù)均面臨重大變革和新的發(fā)展態(tài)勢。

近年來，一些探討數(shù)字化工廠在煉油、石化行業(yè)應(yīng)用的研究文章時有發(fā)表［1-5］，但大多數(shù)對數(shù)字煉化概念的緣起做不到清楚闡釋?；诖?，本文研究、探討了煉化企業(yè)數(shù)字化工廠（以下稱數(shù)字煉化）的概念、特征、體系構(gòu)架、關(guān)鍵技術(shù)、主要應(yīng)用和數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級方向，希望能為推進流程工業(yè)煉油化工行業(yè)的智慧煉化建設(shè)［6］有所幫助。

1 數(shù)字煉化的概念與主要特征

現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)歷了機械化、電氣化和信息化的過程。 目前，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、“工業(yè) 4.0”和“中國制造2025”等概念相繼提出與深入踐行，以工業(yè)化和信息化深度融合為核心的智能化制造成為了制造業(yè)的發(fā)展方向與趨勢，其中建立和完善數(shù)字化工廠是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，有助于從數(shù)字化的裝備、數(shù)字化執(zhí)行與數(shù)字化管控等多個層面綜合提升制造業(yè)的生產(chǎn)管理水平，實現(xiàn)制造信息集成，進而為達到資金流、物質(zhì)流、能量流和信息流的“四流合一”奠定基礎(chǔ)。

工業(yè)化發(fā)展到一定階段出現(xiàn)了信息化。從生產(chǎn)形態(tài)看，信息化使物質(zhì)生產(chǎn)演變?yōu)樾畔?、知識和物質(zhì)的共同生產(chǎn)，從原來僅僅是機器制造機器的單一方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎嬎銠C同時制造機器與信息，工業(yè)化開始向知識化和信息化轉(zhuǎn)變，從而大大促進了與信息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品、技術(shù)以及資源同傳統(tǒng)意義上相對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品、技術(shù)與資源之間的相互融合、滲透。從這個意義上來說，工業(yè)信息化就是一個從以物質(zhì)、能源為主導(dǎo)地位的制造業(yè)向以信息為主導(dǎo)地位的制造業(yè)轉(zhuǎn)變和發(fā)展的過程。

開展與實施工業(yè)信息化，其重點與方向是企業(yè)的信息化。而企業(yè)信息化的過程與方法，簡單說就是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的信息化及其全面應(yīng)用，具體是要構(gòu)建企業(yè)的信息化構(gòu)架并深化應(yīng)用。企業(yè)信息化構(gòu)架一般分為經(jīng)營決策管理層（ERP）、生產(chǎn)執(zhí)行層（MES）和過程控制層（PCS）等三層。通過這三個層次的信息化建設(shè)并考慮各層之間的銜接以及企業(yè)內(nèi)部和外部其他信息集成和自身的深化應(yīng)用工作，全面提升企業(yè)項目管理能力、生產(chǎn)管控能力和營銷管理能力。

信息化有三大特征：1）數(shù)字化。數(shù)字化又稱計算機化，它是指將需要處理的各種各樣的信息轉(zhuǎn)變（抽象處理）為計算機能夠識別和處理的二進制邏輯數(shù)字的方法與過程。通過數(shù)字化過程，很多傳統(tǒng)意義上需在實物層面實現(xiàn)的功能（如生產(chǎn)操作、控制、營銷管理等）就可以在計算機上進行或同步反映在計算機系統(tǒng)了。2）網(wǎng)絡(luò)化。顧名思義，網(wǎng)絡(luò)化就是從線下搬到線上、網(wǎng)下傳播到網(wǎng)上的過程，以及在網(wǎng)上開展相應(yīng)的業(yè)務(wù)和工作。通過網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化，建立了一個個實體企業(yè)之間、某企業(yè)內(nèi)部（主要是其生產(chǎn)管控與營銷）與其相關(guān)的外部（包括其上級、政府監(jiān)管部門，乃至原材料供應(yīng)商、客戶、維修維護等合作伙伴）之間通過網(wǎng)絡(luò)而形成的關(guān)系，構(gòu)成較原來企業(yè)更為廣泛的“虛擬企業(yè)”，且該“虛擬企業(yè)”內(nèi)部能實現(xiàn)較好的協(xié)同工作、協(xié)同商務(wù)等新形式。3）模型化。模型化是指采用數(shù)字方式來實現(xiàn)生產(chǎn)管控與營銷，所以模型化也可稱為數(shù)字化。

據(jù)此，提出數(shù)字煉化概念的定義：數(shù)字煉化是指將實物形態(tài)的煉油化工工廠進行計算機化的過程與結(jié)果，即數(shù)字煉化是與物理意義上實物工廠一一對應(yīng)的計算機“虛擬工廠”或“虛擬煉化”。為實現(xiàn)與實物工廠的一一對應(yīng)，需要依托數(shù)據(jù)收集、整合集成和數(shù)據(jù)庫建設(shè)等技術(shù)對生產(chǎn)管控、營銷等過程實施建模、仿真與優(yōu)化，進而實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實與可視化。

隨著信息技術(shù)不斷進步以及管理范圍不斷擴大，相關(guān)實踐經(jīng)驗持續(xù)積累，信息化網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的特征愈加明顯，數(shù)字煉化概念的內(nèi)涵也在不斷擴充、豐富。現(xiàn)如今，數(shù)字煉化包括了工程設(shè)計、項目建設(shè)、生產(chǎn)運行過程和營銷、管理與服務(wù)的數(shù)字化，其中還包含了上述各環(huán)節(jié)專業(yè)人員的知識、智慧和經(jīng)驗，將上述內(nèi)容進行全面的整合集成，形成了整個企業(yè)的數(shù)字化和現(xiàn)代化工廠模式。因此，數(shù)字煉化的主要特征在于信息集成。

對新建煉廠或改擴建項目，為實現(xiàn)工程建設(shè)項目全生命周期的最優(yōu)化，在煉化工程項目建設(shè)中引入了“數(shù)字煉化”的模式：項目工程建設(shè)應(yīng)同時交付2個工廠，即物理意義上的“實物工廠”和虛擬環(huán)境下的“虛擬煉化”。此階段的目標包括：1）完全與工程建設(shè)相關(guān)的、與傳統(tǒng)意義上的項目管理相對應(yīng)的“虛擬煉化”的“工程項目”部分，這部分的目標是數(shù)字化交付。與完成數(shù)字化交付相關(guān)的方面，包括基礎(chǔ)設(shè)計、詳細設(shè)計、工程項目的采購、施工等項目管理，它們以二維和三維圖形等方式形成相關(guān)數(shù)據(jù)，集成到統(tǒng)一的平臺中。2）同樣與工程建設(shè)相關(guān)，但是目標要比傳統(tǒng)意義上的項目中交、調(diào)試、開工更為深遠，即以“無缺陷開車”為目標的項目管理，同樣集成在這個平臺中，既是工程項目管理的一部分，也是延伸到生產(chǎn)管控、市場營銷的重要接口。

所以，從新建或擴建、改造項目角度看，建設(shè)數(shù)字煉化首先要建立與項目工程管理相關(guān)的平臺。這個平臺還要延伸并能夠與今后的生產(chǎn)管控、市場營銷管理相銜接。為此，筆者提出“EMM平臺”的概念，即集成了工程設(shè)計（E）、生產(chǎn)管控（M）和市場營銷（M）的一體化綜合平臺。與項目工程管理相關(guān)的平臺部分 （即EMM中的E部分）主要包括基礎(chǔ)設(shè)計（D）、工程設(shè)計即詳細設(shè)計（E，含設(shè)計管理、文檔控制等）、工程采購（P，含設(shè)備監(jiān)造、催交催運等）、工程施工（C）、項目管理（M，內(nèi)含進度管理、費用控制、質(zhì)量管理、工程監(jiān)理等）、項目開車（C，含中交、調(diào)試、開車等）等6個工程管理子平臺的綜合性、數(shù)字化的集成平臺。此時，數(shù)字煉化就是一個建立在完整的“EMM”平臺基礎(chǔ)上的、與物理意義上煉油化工工廠相對應(yīng)的數(shù)字化工廠。

因此，數(shù)字煉化的建設(shè)過程，首先是一個搭建“EMM”數(shù)字化平臺的過程。在項目的建設(shè)階段，搭建E平臺特別是6個子平臺的過程中，需要工程公司（設(shè)計院）、業(yè)主、建設(shè)管理單位、建設(shè)單位、設(shè)備供應(yīng)與制造單位、監(jiān)理、技術(shù)服務(wù)商等各專業(yè)人員利用同一個數(shù)字化平臺進行基礎(chǔ)設(shè)計、詳細設(shè)計、工程采購、項目施工、工程監(jiān)理、項目管理和中交、調(diào)試與開車。從這個角度出發(fā)，數(shù)字煉化的建設(shè)必須和實物工廠的建設(shè)同步規(guī)劃、同步推進。

如果能夠?qū)⒁灾圃欤ㄉa(chǎn)）和管理為中心的觀點和以設(shè)計與工程為中心的觀點結(jié)合起來，同時考慮為該工廠生產(chǎn)所需原油（料）與能源的供應(yīng)以及產(chǎn)品儲運、市場營銷服務(wù)，且這幾者之間通過信息集成、得到實時數(shù)據(jù)庫的支持后能夠?qū)崟r下達、接收指令，從而使彼此之間協(xié)調(diào)、貫通、交互和全面優(yōu)化，這便可以說實現(xiàn)了全面的數(shù)字化工廠或數(shù)字煉化。

從以上分析可見，數(shù)字煉化功能至少包括：工程管理階段（前期規(guī)劃、工程“四大控制”的相關(guān)管理、工程交流與匯報、數(shù)字化交付、無缺陷開車）；投產(chǎn)后的轉(zhuǎn)資及可視化資產(chǎn)管理與設(shè)備全生命周期管理；生產(chǎn)運營管理（生產(chǎn)計劃與調(diào)度、生產(chǎn)運行監(jiān)視、生產(chǎn)工藝優(yōu)化）；生產(chǎn)質(zhì)量管理（達標與質(zhì)量控制系統(tǒng)以及化驗分析與實驗室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）；安全環(huán)保（三維應(yīng)急管理、環(huán)保系統(tǒng)、三維可視化培訓(xùn)等）；與市場營銷相關(guān)的功能（物流系統(tǒng)、產(chǎn)品銷售管理等）。因此，數(shù)字煉化至少包括完整性(即全生命周期）、可視性、數(shù)據(jù)集成性等主要特征，其本質(zhì)是信息、信息流和工作流的數(shù)字化，既為煉化企業(yè)展示數(shù)字化信息（即可視化），也為完成數(shù)字化交付和無缺陷開車后的設(shè)備預(yù)防性維修提供可能；供應(yīng)鏈數(shù)字化 (原料、原油供應(yīng))；輸入能量（水、電、汽、風(fēng)等）的數(shù)字化；產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化（生產(chǎn)裝置、單元的管控、計劃調(diào)度與優(yōu)化等）并延伸到價值鏈 （產(chǎn)供銷存一體化數(shù)字化）。數(shù)字煉化也為智能和智慧煉化奠定了基礎(chǔ)。

2 數(shù)字煉化的總體構(gòu)架

2.1 工程設(shè)計視野下的數(shù)字煉化總體構(gòu)架

如前文定義，從工程管理角度來看，數(shù)字煉化可看作是在“EMM”數(shù)字化集成平臺中由“E”中的6個工程建設(shè)項目管理子平臺（D、E、P、C、M、C 平臺） 所建立的、與物理意義上的實物煉油化工工廠相對應(yīng)的數(shù)字化工廠。圖1是EMM平臺中重點對E展開描述的數(shù)字煉化構(gòu)架。

圖1 EMM平臺中“E”的結(jié)構(gòu)

由圖1可見，在這個構(gòu)架下，通過工程管理模塊的E平臺中的D、E、P、C、M、C六大子平臺，工程建設(shè)階段的各種信息被有機集成起來，實現(xiàn)了數(shù)字化交付和項目的無缺陷開車。

雖然理想狀態(tài)是應(yīng)該考慮全生命周期的數(shù)字化工廠，但實際上目前還無法做到。即當前階段，絕大部分的新建項目、改造項目，其平臺都只有一個獨立的“E”平臺。一個工廠或項目，試車前的工作由業(yè)主和工程公司、建設(shè)單位共同參與、設(shè)計建設(shè)單位為主，這一階段周期為2～5 a；但試車、交付業(yè)主后，工程公司便鮮少參與其中，業(yè)主以及維護單位（往往不是建設(shè)單位）運營、維護和管理該工廠或項目的時間很長，期間的大檢修、技改技措、維修維護數(shù)據(jù)、裝置日常操作優(yōu)化數(shù)據(jù)、各種模型等在“E”平臺上并未體現(xiàn)。如何與交付后的實物工廠進行數(shù)據(jù)傳輸、集成應(yīng)用是今后的一個研究課題。

囊括6個子平臺的“E”平臺，包含了數(shù)字煉化中所有工程階段的數(shù)字化信息。理想情況下，該階段的各類專業(yè)人員（如設(shè)計人員、采購人員、建設(shè)人員、監(jiān)理人員等）應(yīng)該在同一個平臺上工作，或至少要求設(shè)計單位不同專業(yè)人員在同一個平臺（D、E子平臺）上工作。從這個角度出發(fā)，數(shù)字煉化建設(shè)和實物工廠建設(shè)同步規(guī)劃、同步推進極其重要。為實現(xiàn)數(shù)字化交付，保證設(shè)計信息能夠順利地導(dǎo)入、導(dǎo)出，做好類似“資料互提、同源數(shù)據(jù)采集、設(shè)計文件雙向校驗以及設(shè)計成品輸出和歸檔”等工作，特別是做好“設(shè)計、采購、建設(shè)”三者之間所需數(shù)據(jù)、資料的相互銜接，需要重視、處理好以下三層平臺［7］的建設(shè)與協(xié)調(diào)：1）基礎(chǔ)硬件平臺，主要功能是提供穩(wěn)定的硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其中也包括了硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全、配置、備份和保密等基本要求；2）基礎(chǔ)軟件平臺，主要功能是提供基礎(chǔ)的軟件架構(gòu)和數(shù)據(jù)庫環(huán)境，以滿足基本的數(shù)據(jù)、資料、業(yè)務(wù)功能和工作流程的需要；3）應(yīng)用軟件平臺，主要功能是提供豐富的客戶應(yīng)用環(huán)境，以便不同客戶可以根據(jù)自身的需要進行相關(guān)數(shù)據(jù)錄入、報表的查詢和分析等一些自定義功能。

表1為某工程公司給出的智能工廠數(shù)字化整體技術(shù)架構(gòu)的配置［5］。

2.2 生產(chǎn)與管理角度下的數(shù)字煉化總體構(gòu)架

數(shù)字煉化的特征之一是數(shù)據(jù)集成。從生產(chǎn)運營管理角度看待的數(shù)字煉化總體按照4個層面的使用狀態(tài)進行設(shè)計：1）數(shù)據(jù)層，主要完成各類信息的整合、集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與三維實體模型的融合匯集；2）專業(yè)模型層，融合工程作業(yè)、工藝流程等業(yè)務(wù)邏輯拓撲關(guān)系，內(nèi)置多種工藝仿真模型和算法，模擬工況、優(yōu)化生產(chǎn)；3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層，為工程、生產(chǎn)、應(yīng)急、培訓(xùn)等各類業(yè)務(wù)提供支撐；4）顯示模式層，根據(jù)客戶需要，有針對性、差異化設(shè)計相關(guān)的應(yīng)用數(shù)據(jù)、功能、顯示內(nèi)容、顯示模式。

圖2為中國海油惠州石化一期工程的數(shù)字化工廠總體構(gòu)架［8］。

表1 數(shù)字化工廠的整體技術(shù)架構(gòu)（配置）

圖2 中國海油惠州石化的數(shù)字化工廠總體構(gòu)架

2.3 完整性、集成化的數(shù)字煉化

考慮到從項目的設(shè)計、工程建設(shè)、運營、維修以及所處理的原料（油）、能源以及生產(chǎn)過程的決策、計劃排產(chǎn)以及產(chǎn)品銷售，一個完整性、集成化的數(shù)字煉化示意圖見圖3。由圖3可見，項目（工廠）從前期、設(shè)計與工程建設(shè)、數(shù)字化交付到今后的運維、改造和設(shè)備管理，體現(xiàn)了全生命周期的概念與要求，屬于“機”范疇；項目（工廠）所需要的原料（油）和輸入、輸出的能源體現(xiàn)了供應(yīng)鏈的概念，屬于“物”范疇；而整個生產(chǎn)管理、生產(chǎn)運營和產(chǎn)品銷售體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的概念，屬于“人”范疇?！叭?、機、物”3個范疇內(nèi)相應(yīng)的信息化系統(tǒng)（項目）及其集成與應(yīng)用，構(gòu)成了其總體的構(gòu)架。

AVEVA Engineering是目前全球發(fā)展較快的工廠工程信息技術(shù)企業(yè)，其VANTAGE項目一體化（IPE）解決方案涵蓋了一個工廠項目在項目建設(shè)期間的工程設(shè)計、布置設(shè)計、項目管理，和工廠運營維護期間的企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫，是目前已在全球范圍內(nèi)經(jīng)過大量實際工程驗證、并可高效低成本普及的項目一體化解決方案。但VANTAGE基本上只屬于“機”范疇，沒有與“人、物”范疇相關(guān)的內(nèi)容或項目（供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈以及價值鏈相關(guān)內(nèi)容）。因此，圖3涉及的概念比VANTAGE項目一體化解決方案更為全面、廣泛。

3 關(guān)鍵技術(shù)與主要應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 完整性、集成化的一體化平臺

一個能夠集成“工程管理、產(chǎn)業(yè)鏈（生產(chǎn)運管與銷售）、維修保運、能源與供應(yīng)鏈管理”在內(nèi)的完整的一體化集成平臺（即“EMM”平臺），是全面與理想數(shù)字煉化的基礎(chǔ)以及核心。在項目前期（“E”平臺），需要認真考慮如何將“E”中6個方面子平臺集成。這6個子平臺是圍繞數(shù)字化交付和無缺陷開車兩大目標展開的。實現(xiàn)數(shù)字化交付的前提是能夠采集、整合、集成、統(tǒng)一各類數(shù)據(jù)，達到符合數(shù)字化交付的標準。針對數(shù)字化交付標準的制定及其內(nèi)容，都需要做好頂層設(shè)計。按照數(shù)字化交付標準，各類人員在統(tǒng)一的“E”平臺上工作，生成、儲存、輸出合格數(shù)據(jù)利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立模型，完成自身具體工作的同時，能夠很好地集成到其他子平臺以及除了工程管理“E”外的另外2個平臺——生產(chǎn)管控平臺（M）和市場營銷平臺（M）。 即在“E”平臺上實現(xiàn)的數(shù)字化交付與無缺陷開車目標的所有文件、數(shù)據(jù)，能夠被集成、無縫銜接到設(shè)備管理 （如預(yù)防性維修、設(shè)備全生命管理等）、與生產(chǎn)管控與市場營銷等相關(guān)的信息化系統(tǒng)，滿足對各類歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用、集成、整合、優(yōu)化等的需要。

3.1.2 數(shù)據(jù)的集成、融合、數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)

數(shù)字煉化中的大量數(shù)據(jù)，由于來源不同，其格式、標準、精度等均不統(tǒng)一，因此有必要引入數(shù)據(jù)的處理或融合技術(shù)，如多源、多時相數(shù)據(jù)間的同化、再分析及信息融合等技術(shù)。

為了支持、配合管理中的決策制定，將分布在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中不同站點的商業(yè)數(shù)據(jù)集成、整合以形成數(shù)據(jù)倉庫十分重要。按照W.H.Inmon在1991年所提出的定義，數(shù)據(jù)倉庫是一個面向主題的（Subject Oriented）、集成的（Integrated）、相對穩(wěn)定的（Non-Volatile）、反映歷史變化（Time Variant）的數(shù)據(jù)集合，用于支持管理決策。因此，數(shù)據(jù)倉庫作為一種數(shù)據(jù)集合，是一種環(huán)境，它包含當前和歷史的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)挖掘［9-10］本質(zhì)是為了幫助、協(xié)助企業(yè)從海量的數(shù)據(jù)中 “挖掘”出符合企業(yè)特定目標要求的相關(guān)“信息”。對于煉化企業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘來說，應(yīng)重點研究如何應(yīng)用信息化的技術(shù)、算法、模型、方式方法來處理相關(guān)知識網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方式，從而開發(fā)出適合煉廠使用的知識網(wǎng)格平臺，以確保信息化給企業(yè)能帶來最大的效益。

3.1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)或萬物互聯(lián)是這樣的一種網(wǎng)絡(luò)：它按事先約定的技術(shù)協(xié)議，借助信息傳感設(shè)備［如射頻識別（RFID）、紅外（IR）感應(yīng)器等］，使設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連并進行信息交換和通信，從而實現(xiàn)對設(shè)備的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用很廣泛。如某項目的產(chǎn)品研發(fā)過程，實驗信號可以通過物聯(lián)網(wǎng)進行傳遞、集中處理；又如在項目工程建設(shè)期間，可以利用RFID、紅外感應(yīng)等物聯(lián)網(wǎng)手段對進出現(xiàn)場的人員、車輛等進行管理；在生產(chǎn)運行期，則可以通過分散型控制系統(tǒng)（DCS）等自動化設(shè)備采集數(shù)據(jù)并建立虛擬現(xiàn)實。

圖3 完整性、集成化的數(shù)字煉化示意圖

3.1.4 可視化、三維空間與地理信息方面的相關(guān)技術(shù)

與三維空間、地理以及可視化方面相關(guān)的技術(shù)，主要包括：1）網(wǎng)格計算技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用，主要涉及空間信息共享、協(xié)同服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，重點研究網(wǎng)格GIS框架體系及其關(guān)鍵技術(shù)、空間信息協(xié)同服務(wù)標準、分布式空間對象技術(shù)等；2）與煉化企業(yè)時空數(shù)據(jù)組織、管理相關(guān)的一些技術(shù)、模型等，如煉廠信息多維動態(tài)顯示技術(shù)、可視化模型及其顯示技術(shù)等；3）與煉廠空間決策支持系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)、體系，如以GIS為中心的本決策支持體系的結(jié)構(gòu)等；4）關(guān)于地圖及其服務(wù)相關(guān)技術(shù)，主要指海量地圖服務(wù)器技術(shù)及其應(yīng)用，包括TB字節(jié)級別的影像數(shù)據(jù)管理、矢柵數(shù)據(jù)聯(lián)合操作，以及在Web上實現(xiàn)基于海量矢量、柵格數(shù)據(jù)的實時無縫快速自動漫游等功能，并實現(xiàn)影像、地圖和設(shè)計圖的無縫連接。

3.1.5 虛擬現(xiàn)實、仿真以及優(yōu)化技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（VR）實際上是一種集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、模型和顯示等的綜合技術(shù)。就特定的煉油化工項目來說，工程建設(shè)階段的數(shù)字化如采用VR技術(shù)，則可以展現(xiàn)其成果、開展工程項目管理；在進入投料試車、生產(chǎn)管控階段，VR是開展無缺陷開車、生產(chǎn)運營管理和監(jiān)督的工作平臺。

流程工業(yè)領(lǐng)域開展計算機仿真比較普遍，在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的過程中發(fā)揮了較大作用。計算機仿真技術(shù)通常基于模型對現(xiàn)實進行動、靜態(tài)仿真和模擬［11］。不同階段采取計算機仿真技術(shù)可以獲得不同的結(jié)果（效果），如在設(shè)計階段采取該技術(shù)可以完善設(shè)計成果，并體現(xiàn)于VR中；在工程建設(shè)和生產(chǎn)運行階段，則可以模擬和完善實際操作和管理。

計算機的仿真和優(yōu)化往往是在VR技術(shù)基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)的。 用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的計算機仿真系統(tǒng)可以結(jié)合用戶三層不同業(yè)務(wù)層（ERP層、MES層和PCS層）的功能和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫來組建B/S、C/S兩種架構(gòu)下的仿真系統(tǒng)，并與企業(yè)門戶系統(tǒng)無縫對接。

如果上述計算機仿真只是針對企業(yè)信息化三層結(jié)構(gòu)中的某一層，則還要考慮多層集成仿真技術(shù)。該技術(shù)不僅考慮某一層的仿真問題，更重要的是能夠考慮各層次間的仿真系統(tǒng)的信息交互問題，這樣的仿真不但反映了某層次（即局部）的變化，而且能夠反映局部變動對其他層次和整個企業(yè)的影響。

3.1.6 基于SOA和BPM的集成技術(shù)

基于面向服務(wù)的架構(gòu) （SOA）和業(yè)務(wù)流程管理（BPM）的集成技術(shù)［2］，主要是指采用虛擬現(xiàn)實展示工程建設(shè)期間的工程設(shè)計成果；基于該VR成果，進一步開展項目建設(shè)以及項目的全生命周期管理，如工程建設(shè)期間監(jiān)控各環(huán)節(jié)的進度、費用、質(zhì)量等；同時進行數(shù)字化開車與運行，監(jiān)控、優(yōu)化某裝置的運轉(zhuǎn)情況；實現(xiàn)從設(shè)計到運行的全程一致。因此，虛擬現(xiàn)實在不同階段（如工程建設(shè)初期與無缺陷開車階段、生產(chǎn)運行階段等）要與不同階段的實際環(huán)境相集成，做到“與時俱進”，才能保證虛擬現(xiàn)實的全程一致。由于工程建設(shè)和生產(chǎn)運行的實際環(huán)境跨越了 “E”到“M”平臺，所以實際集成的難度很大。而SOA和BPM的集成技術(shù)分別實現(xiàn)了標準化的服務(wù)封裝，并提供了敏捷的基于服務(wù)的流程組裝手段，因此是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實從“E”到“M”全程一致的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1.7 云計算、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計技術(shù)

云計算是一種信息服務(wù)，它采取共享基礎(chǔ)架構(gòu)的原理與方法，將巨大的系統(tǒng)池連在一起后使得信息系統(tǒng)加速運行。云計算通過提供集中的平臺與服務(wù)，大大提高了服務(wù)器利用率，如傳統(tǒng)的服務(wù)器利用率僅為10%～30%，而云服務(wù)器利用率高達70%［12］。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，是指滿足企業(yè)各層次人員需要的、經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘后的各種數(shù)據(jù)的再處理，最終形成經(jīng)驗、知識等信息并入庫，形成各種報表、材料。

3.1.8 管理預(yù)測與決策技術(shù)

通過對各類“數(shù)據(jù)”的挖掘、加工（如統(tǒng)計、分析等），分門別類形成了適合不同層次需要的大量“信息”。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用與預(yù)測、決策相關(guān)的一些技術(shù)或手段，如預(yù)測理論方法（包括市場預(yù)測、統(tǒng)計預(yù)測、經(jīng)濟預(yù)測等）、決策方法（如經(jīng)驗判斷法、數(shù)學(xué)分析法和試驗法等），能夠為不同層次人員提供服務(wù)，輔助或配合其完成管理預(yù)測和決策。

3.2 主要應(yīng)用

3.2.1 工程設(shè)計、建設(shè)以及數(shù)字化交付

在新化工項目建設(shè)的初期就采取數(shù)字化工廠建設(shè)模式。中國石化工程建設(shè)有限公司（SEI）在其承擔(dān)的元壩項目中做了以數(shù)字化交付為目的的數(shù)字化工廠的設(shè)計與建設(shè)［4］，以 AVEVA NET 為集成平臺，整個項目過程整合了工藝智能流程設(shè)計集成系統(tǒng)、工程設(shè)計基礎(chǔ)系統(tǒng)、三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)等，初步實現(xiàn)了軟件數(shù)據(jù)向數(shù)字化平臺的自動發(fā)布，基本打通了數(shù)字化交付流程，顯著提升了對EPC的管理效果。

應(yīng)用三維模型和流程模擬技術(shù)開展數(shù)字化工廠的設(shè)計，探索以數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計代替物理產(chǎn)品的設(shè)計方式來驗證石化企業(yè)是否具備生產(chǎn)熱銷產(chǎn)品的工藝條件，并為及時調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供設(shè)計依據(jù)。印度某石油公司根據(jù)市場熱銷煉化產(chǎn)品的需求，應(yīng)用CAD、PMP等數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，在各煉油廠進行工藝設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計和虛擬生產(chǎn)等過程的數(shù)字化管理，取得了實效［2］。

3.2.2 三維工廠

中國石油蘭州石化公司運用三維建模和信息技術(shù)進行了三維工廠的試點建設(shè)工作［1］?；谌S智能VR模型功能，所有設(shè)備均能夠按照實際大小和形狀精確定位。所建立的數(shù)字化工廠系統(tǒng)平臺集成了所有數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了企業(yè)在工程基礎(chǔ)資料、生產(chǎn)、設(shè)備、維修、安全和培訓(xùn)六大方面三維的虛擬應(yīng)用支持，所建的三維智能模型可以與生產(chǎn)、運營和經(jīng)營業(yè)務(wù)相融合，大大提升了管理業(yè)務(wù)的準確性、直觀性以及智能性和協(xié)同性，實現(xiàn)了管理和決策的可管與可視。3.2.3 數(shù)字煉化的生產(chǎn)運營與管理

得益于DCS在煉化企業(yè)的普遍使用，煉化企業(yè)數(shù)字化應(yīng)用的基礎(chǔ)較好。

中國海油惠州石化公司按照“一個平臺，兩個網(wǎng)絡(luò)，三層應(yīng)用”建設(shè)規(guī)劃，以“一個平臺”思路，打造了生產(chǎn)全流程協(xié)同信息化平臺，實現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)受控，其中還實現(xiàn)工藝巡檢與設(shè)備巡檢、隱患排查、異常報警，現(xiàn)場DCS數(shù)據(jù)查看及GPS路線展示。管理人員可以根據(jù)GIS的可視化展示，實時監(jiān)控巡檢情況，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析報表。

中國海油惠州石化通過對SKF測溫測振儀進行改造，使之可與智能化生產(chǎn)作業(yè)受控系統(tǒng)手持終端通過藍牙點對點鏈接。通過藍牙模塊開發(fā)感知設(shè)備，實施集成化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，驗證了企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備延伸的可行性并積累了技術(shù)經(jīng)驗。

3.2.4 關(guān)于知識管理

采用各種先進技術(shù)建立的虛擬知識庫，可以跨越地理和組織邊界而被需要的相關(guān)單位、人員分享。也可以利用傳感等技術(shù)獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并實時監(jiān)控，為尋找偏差及故障原因，可將相關(guān)信息存儲、傳送到總部或一些專業(yè)服務(wù)部門以獲取技術(shù)支持、指導(dǎo)等服務(wù)。如中國石化總部的煉油裝置生產(chǎn)專家服務(wù)系統(tǒng)、中國海油惠州石化壓縮機遠程診斷服務(wù)系統(tǒng)等。

4 數(shù)字煉化的轉(zhuǎn)型升級

信息化及其新技術(shù)（如云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、社交媒體等）為各行各業(yè)在生產(chǎn)模式、經(jīng)營模式以及管理模式方面帶來了變化與變革，煉化行業(yè)自然也不例外。實際上，從生產(chǎn)、經(jīng)營和管控等領(lǐng)域?qū)捇髽I(yè)進行優(yōu)化，提高煉廠生產(chǎn)經(jīng)營效益，和工作效率，本身就是石化行業(yè)的重點與目標。

信息化改變煉化業(yè)務(wù)管控模式的同時，也推動著煉化企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型——從數(shù)字煉化經(jīng)智能煉化邁向智慧煉化。數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程就是應(yīng)用包括物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，實現(xiàn)從原油生產(chǎn)、運輸、倉儲到煉化生產(chǎn)、油品倉儲、物流、銷售的整個供應(yīng)鏈橫向上的協(xié)同優(yōu)化，使生產(chǎn)和供應(yīng)及時響應(yīng)市場變化，實現(xiàn)智慧供應(yīng)鏈；縱向上基于分子煉油技術(shù)，實現(xiàn)煉廠的計劃優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、全局在線優(yōu)化。最終實現(xiàn)資源的敏捷優(yōu)化，全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同優(yōu)化以及QHSE的溯源與監(jiān)控。

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