面向石化安全的三维数字孪生工厂

目录
1基本信息 (1)
1.1解决方案背景 (1)
1.2主要功能 (1)
2 解决方案详细介绍 (2)
2.1技术架构 (2)
2.1.1系统架构 (2)
2.1.2产品框架 (4)
2.2主要功能 (6)
2.2.1三维虚拟工厂 (7)
2.2.2集成设备信息 (7)
2.2.3实时监控数据集成 (9)
2.2.4面向HSE的报警信息集成 (11)
2.2.5应急演练和仿真 (13)
2.2.5移动端应用 (20)
2.2.5 VR应用 (24)
2.2实施方案 (25)
2.3核心优势 (26)
1基本信息
以工厂知识数据为核心，结合石化企业实际运营生产的业务需求，基于华天软件的智能制造管理技术平台，利用三维可视化技术加载三维工厂地图，实现工厂知识数据的整合、管理、三维展示及应用，创建高度智能化、集成化、模型化的智能制造协同平台，构建高效、节能、绿色、环保、智能、舒适的人性化工厂。

1.1解决方案背景
随着新一轮工业革命的发展，工业转型的呼声日渐高涨。

十三五发展规划中第六篇《拓展网络经济空间》指出，牢牢把握信息技术变革趋势，实施网络强国战略，加快建设数字中国，推动信息技术与经济社会发展深度融合，加快推动信息经济发展壮大。

利用大数据，把体量大，发展步伐缓慢的传统产业与互联网、大数据、人工智能等新兴产业融合发展，是实体经济转型升级的新动力。

国家大数据体系必须有利于打破传统产业转型升级的瓶颈，打造生态型、平台型、融合型的产业集群。

我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期。

山东把加快新旧动能转换作为统领经济发展的重大工程，积极创建国家新旧动能转换综合实验区，推动经济发展从要素驱动向创新驱动转变。

数字化工厂由工厂建设阶段生产的数字化的静态信息，运维阶段产生的数字化的动态信息和基于工厂对象的关联关系构成，并通过三维可视化和虚拟仿真技术对工厂进行数字化模拟和全生命周期的数字化管理。

通过数字工厂的建设实现高质量数据“唾手可得”，以数字孪生的方式让各专业人员随时随地获取高质量信息。

在数字化工厂建设的基础上，逐步拓展基础应用、实现检维修管理、安全管理、生产管理、培训管理、其他业务集成等功能，进一步拓展信息系统应用水平，提高各专业领域精细化管理程度。

1.2主要功能
本方案的主要目标是基于华天软件的三维可视化技术和知识管理平台，结合石化企业实际运营生产的业务需求，整合企业知识数据，梳理公司业务流程，优化产业结构，将工业化和信息化深度融合，提高工厂自动化水平，打造属于石化
企业的智能制造协同平台。

提高企业信息化管理水平，为未来知识大数据的积累和深度应用提供专业平台和技术支撑。

整个研发过程将以石化企业运行维护知识的收集和应用为中心，采用合理的软件架构搭建完整、精细、一致的数据管理平台，利用三维可视化技术建立三维工厂地图，使生产运营数字化、可视化，实现虚拟工厂和现实工厂的动态联动。

整合工厂设备资料、生产信息、工艺数据，统一管理，方便查询，提高企业数字化管理水平。

为未来大数据分析、事故预测、优化工艺提供数据支持。

实现石化装置运行维护知识的分类、发布、积累和重用，切实解决企业当前运营知识散落凌乱的现实问题。

通过对企业生产过程的梳理和模拟，打破实际操作环节中的信息孤岛，建立完整立体的知识管理体系，提升企业的运营管理水平，推动企业健康可持续发展。

提供任务综合管理平台，一次性设置任务派发规则，自动生成任务。

任务信息明确，员工可参照执行，跟踪任务执行情况，审核任务执行结果。

系统融合4G、无线射频、Wi-Fi、工业环网、单片机控制、物联网技术，铺设4G专网或通过基站建立工业环网，在装置区等特殊的环境里运用一种安全、可靠的自动识别系统来区分、识别、跟踪和定位工作人员，保护内部工作人员和管理来访人员，并将信息系统中每个人的信息和现实中的每一个人动态的联系起来，主动识别并自动按照设定的规则进行报警。

结合三维工厂地图，实现工作人员位置、行动轨迹可视化，规范员工行为，提高工作效率，及时发现设备隐患，减少事故发生率，促进装置高效平稳运转。

根据员工实际情况，提供针对性的培训考核机制。

培训紧密贴合实际生产工作，将VR虚拟现实和多媒体等新兴科技融入到培训工作中，提高培训质量和员工素质，壮大企业队伍。

2 解决方案详细介绍
2.1技术架构
2.1.1系统架构
系统基于华天软件的三维可视化技术（SView）和知识管理平台
（Inforcenter），结合石化企业实际生产运营的业务需求，整合企业知识数据，梳理公司业务流程，优化产业结构，将工业化和信息化深度融合，提高工厂自动化水平，打造属于石化企业的智能制造协同平台。

提高企业信息化管理水平，为未来知识大数据的积累和深度应用提供专业平台和技术支撑。

智能工厂顶层设计规划图主要分为三层和一个平台，主要包括过程控制层、生产执行层、生产经营层和一个公共服务平台。

整个系统层级体现了设备的智能化和互联网协议化，以及网络的扁平化趋势。

●过程控制层的数据产生和输出来源于设备，包括传感器、仪器仪表、条
码、射频识别、机器、机械等，是企业进行生产活动的物质技术基础。

同时还包括可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统
（SCADA）、分布式控制系统（DCS）等控制系统。

●生产执行层实现面向工厂/车间的生产管理，包括制造执行系统（MES）、
企业资产管理系统（EAM）、实验室信息系统（LIMS）等，保障生产的
稳定有序进行以及指令的上传下达，促进企业的良性运转。

●生产经营层实现面向企业的经营管理，包括企业资源计划系统（ERP），
产品全生命周期管理（PLM），综合办公管理（OA）、行政后勤管理等。

整合设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体，通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。

由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂，乃至智能制造系统的集成。

通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。

在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现信息协同共享。

由企业产业链上不同部门通过互联网络共享信息实
现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等。

公共服务平台实现企业级应用开发、配置、运行集成一体的技术平台，可以支持整个应用软件体系，并为其提供一个组件化、可视化的软件全生命周期的开发和管理平台。

作为开发平台，能够提供软件开发的效率和质量，提高软件的可扩展和灵活性；作为应用集成平台，能够支持各种异构系统之间的应用整合，降低系统整合的复杂性和企业信息系统建设的总成本。

整个平台业务建模为主，编码实现为辅的设计理念，完全开放性的平台接口，具有极大的灵活性，在进行特殊业务开发时不会受到任何的限制，组件化的开发模式，具有可装配、可替换的特点，对于各产品或组件的集成有更好的支持。

为工厂业务提供强大的平台支撑。

2.1.2产品框架
数字化工厂管理平台采用面向服务体系架构（SOA）能够将应用程序的不同功能单元通过服务之间定义良好的接口和契约联系起来。

SOA使用户可以不受限制地重复使用软件、把各种资源互连起来，只要IT人员选用标准接口包装旧的应用程序、把新的应用程序构建成服务，那么其他应用系统就可以很方便的使用这些功能服务。

大规模分布式的企业应用需要相对简单而实用的中间件技术来简化和统一越来越复杂、繁琐的企业级信息系统平台。

支撑SOA的关键是其消息传递架构-企业服务总线（ESB）。

ESB是传统中间件技术与XML、Web服务等技术相互结合的产物，用于实现企业应用不同消息和信息的准确、高效和安全传递。

让不同的应用服务协调运作，实现不同服务之间的通信与整合。

数字工厂集成平台系统架构主要包含两大模块，数字工厂管理系统、ESB管理系统。

通过ESB企业总线管理，实现与第三方系统SAP、ERP、OA、SRM等的集成。

智能工厂管理平台所包含的主要功能及层次划分如上图所示，一共分为5层：
●数据支持层：平台数据持久化所支持的数据库，已经完成对Oracle、MS
Sql Server和Mysql的适配。

●基础支持层：平台所需要的基本运行环境、开发平台和技术，目前主要
基于.net平台，采用如WCF、XML、AOP等技术，搭建平台的运行环境。

●平台内核：平台为上层应用模块开发提供基础支持、调用和通用逻辑封
装。

主要提供了业务建模工具、对象工厂、国际化支持、缓存处理等，
并提供了插件机制，支持业务的不断扩展。

●通用业务组件：基于平台内核实现的基础业务模块，可在产品中直接使。

包括组织结构、权限、授权、消息、日志、流程、事件订阅等功能。

把
各产品或业务模块较通用的一些操作和功能由平台统一提供，减少产品
编码，提升可维护性。

●应用业务层：基于以上四层模块，开发上层应用，满足数字工厂系统的
业务需求。

系统集成模块：该数字工厂管理系统架构集成了三维轻量化浏览器，来实现
整个工厂大数模的浏览，同时支持集成CAD、Email、Office、RTX等工具。

ESB管理：每个系统，设备只需要以一种协议与ESB集成，只关注自己与ESB集成，不需要关注其他系统如何与ESB集成，通过该ESB管理平台，来减少接口数量、规模、复杂性。

主要的参数化适配器如下：
●MQ（消息队列）适配器：若业务系统是JAVA语言环境，推荐MQ适配
器接入；
●RFC适配器：专为SAP系统接入提供的适配器，SAP简单配置即可快速
接入；
●WS适配器：针对非JAVA语言环境的系统接入提供的适配器；
●DB适配器：针对非核心业务系统且数据库允许读写权限的系统接入。

2.2主要功能
解决方案主要目标是基于华天软件的三维可视化技术和知识管理平台，结合石化企业实际运营生产的业务需求，整合企业知识数据，梳理公司业务流程，优化产业结构，将工业化和信息化深度融合，提高工厂自动化水平，打造属于石化企业的智能制造协同平台。

提高企业信息化管理水平，为未来知识大数据的积累和深度应用提供专业平台和技术支撑，
2.2.1三维虚拟工厂
三维虚拟工厂的具体内容是通过建立一个以三维虚拟炼厂为基础的集成管理平台，集成工程设计、生产运营、机动设备、安全环保等各种动静态数据，运用三维可视化、物联网、虚拟现实等技术，提供企业资产全生命周期管理、具备高度高度可配置化应用的系统，是对企业信息管理系统的扩充应用。

在物理资产从产生、运营到退役的全过程中，提供资产信息的工程设计、数字资产移交、整合与生命周期管理、技改变更、运行维护、动态展示、信息查询和模拟演示，能够为规划、设计、施工、运营等部门提供准确数据支持的管理环境。

华天软件三维虚拟工厂平台基于工厂实际业务需求，提供可视化管理功能。

根据企业产业分布，创建工厂组织架构和分布图热点，用户可更直观的查看企业版图，根据需要，通过组织架构或分布图热点进入对应的三维虚拟工厂。

除三维浏览器提供的功能外，根据实际业务需要，针对性提供【搜索】、【视点】、【巡检】、【漫游】、【设备树】、【退出】等功能，方便日常工作。

2.2.2集成设备信息
数字工厂应用模块的对象是一切与工厂相关的行为，核心是工厂数据。

通过
各种芯片、传感器等智能硬件实现生产制造全流程中人、设备、物料、环境等隐性信息的显性化，是信息物理系统实现实时分析、科学决策的基础，是数据闭环流动的起点。

自动控制是在数据采集、传输、存储、分析和挖掘的基础上做出的精准执行，体现为一系列动作或行为，作用于人、设备、物料和环境上，如分布式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）及数据采集与监视控制系统（SCADA）等，是数据闭环流动的终点。

实时数据库在整个物联网行业、工业大数据领域的产业地位，始终处于传感层和传输层的上层，负责海量数据接入和存储；同时作为应用层和分析层的基础，提供海量数据的查询和分析。

随着信息技术的飞速发展，网络信息技术进入全新的商业与应用阶段，通过设备管理系统，将设备设计资料、制造资料、采购资料、运维信息、改造信息、更新报废信息等进行梳理整合，实现设备信息的全生命周期管理，缩减管理环节，减轻管理人员的工作负担，提高设备信息管理效率。

三维数字化设计制造改变了传统的生产模式，很多大型国际化企业在数字工厂中采用三维数字化进行设计、制造，由二维工程图纸转化为三维，并在模拟仿真中进行多次的试制和验证，减少实物浪费，缩短研制周期。

因此，三维数字化设计制造满足了大型工厂的数字化程度。

万达数字工厂基于三维虚拟现实技术，可以更加形象直观的展示整个工厂装置，集成设备信息管理系统，用户可通过三维模型漫游整个工厂，根据权限设置，随时查看各设备的设计信息、制造信息、运维信息、采购信息等，实现各系统的信息互联和人机交互。

数据展示分为动态数据展示和静态数据展示。

其中动态数据来源于自动控制系统（DCS、PLC、SCADA），通过工厂装置内的在线仪表、传感器获取。

静态数据来源于设备信息管理系统、现场离线仪表，通过手工录入方式获取现场数据。

2.2.3实时监控数据集成
动态数据来源于自动控制系统（DCS、PLC、SCADA），通过工厂装置内的在线仪表、传感器获取。

数字化工厂平台可集成设备实时监控系统，通过数据接口，获取设备的操作压力、换热器出口温度、容器的液位等实时数据，在工厂三维模型中对应的展示相关设备的工艺数据和生产信息。

通过对设备状态、投入产出数据、关键工艺参数和存料数量的采集，实现以生产业务为主线实时动态反映生产车间全貌的生产信息发布，全面提升生产线的数字化、信息化水平。

同时，通过项目的实施为后续实施的MES系统等信息化系统奠定基础。

当用户在三维数字工厂中漫游时，可根据权限和系统配置，显示设备关键信息的实时数据，点击可查看详细信息。

动态信息的展示形式，可根据用户需求做个性化定制。

可以通过透明文本框显示设备的操作压力、操作温度、实时液位等信息。

也可以通过模拟现场仪表的显示方式，还原现场数据的显示内容，真正实现虚拟显示的效果。

2.2.4面向HSE的报警信息集成
预警管理是本系统的重要应用表现，帮助设备工作者合理安排时间，提高工作效率。

●作业预警，主要依据工单策略，提示近期需处理的工作：
➢未来几天（可前台配置）需处理的周期性作业清单；
➢未来几天（可前台配置）按既定计划需处理的作业清单；
●工作流事务，需要审批事务，需走工作流程，系统会有提醒：
➢显示当前操作员需要处理的所有表单；
➢显示当前操作员需要处理的所有工作流；
●自设阀值预警，用户可预设一些设备运行管理指标，例如泵出口压力、
换热器温度、容器液位等超出安全范围，当数据满足条件时，会有预警，
以下是预设的预警：
➢最近连续3次（可前台配置）故障周期缩小的设备（首次故障周期从购买日期计算）；
➢最近连续2000小时（可前台配置）无故障的设备；
➢备件连续3次（可前台配置）更换周期缩小的备件（首次周期从设备购买日期计算）；
➢无故障运行时间接近或大于上次故障周期-5天（可前台配置）的设备；
●备件更换预警，当设备更换一个备件时，根据磨损周期或历史数据，下
次会提示：
➢基于上次出库单并有工单备件清单和备件周期
➢生成未来1周（可配置）的需更换清单
●待办任务，是工作流事务中处理的任务，工作流可以挂接其它模块的各
种表单：
➢我的待签收任务
➢我的待办任务
➢我的已办任务
●资产到期预测可以过滤将要到期报废的设备，但不会自动报废，计算依
据是设备使用年限。

●根据企业HSE管理规定，满足企业健康环保生产，企业在现场安装硫化
氢报警仪、有毒有害气体检测仪、火灾报警仪等智能仪表，用以监测现
场数据是否超标。

当装置发生异常，如（压力超过预警值、温度超过预警值、流量超过预警值、有毒有害物质排放点实时监测浓度超标）时，系统会有窗口做消息报警提醒。

点击报警信息快速聚焦至报警点位置，同时在工厂地图、三维模型中进行可视化报警（相关设备闪烁显示）。

支撑建立基于三维数字化工厂的HSE 安全体系。

2.2.5应急演练和仿真
随着生产装置工艺复杂性和自动化控制水平的不断提高，操作员所需掌握的工艺、设备、安全等方面专业知识和专业技能越来越多；另一方面随着企业“工学矛盾”问题突出，传统的授课和师傅带徒弟的培训模式培训效率低、培训效果
差，无法满足企业快速发展的需求，甚至阻滞企业宏伟战略目标的实施，迫切需要引进更加先进、更高效的培训模式和工具。

针对生产装置操作员需要掌握的工艺、设备和安全三个方面的专业知识和专业技能，本方案提供最先进、最高效的培训模式和培训工具，夯实员工专业知识，提升员工专业技能水平。

仿真培训系统针对实际的化工生产装置和生产过程进行针对性的高精度模拟，能够逼真地模拟工厂的开车、停车、调整操作和各种事故处理过程的现象和操作，主要应用于装置开工、停工、正常负荷调整的模拟训练，以及对装置事故现象和处理预案的模拟，提高员工对各种事故意识、事故现象的判断和处理能力。

而且无须投料、丝毫没有危险性，与其它的培训方法相比，可以大大提高培训效果、节省培训费用、缩短培训周期，让使用者在数周之内获得相当于现场二至三年的技能和经验积累，是世界上公认的最好的技能人才培养和考核手段。

虚拟现实仿真系统（3D）采用三维虚拟现实装置现场场景，更逼真。

虚拟现实仿真系统（3D）采用虚拟现实技术和仿真技术相结合，除具备常规仿真培训系统功能外，在安全应急演练和外操巡检中应用较多，主要功能如下： 虚拟生产场景
符合实际的生产装置室内、外物理环境3D模型和DCS操作界面，包含泄漏、着火、冒烟等灾难场景模型，能够模拟容器压力、风速风向等对事故形态、扩散趋势变化等影响。

●虚拟角色操作
在三维视、听空间里，学员通过控制虚拟人物进行应急演练、开车、停车、常见事故处理等过程演练和操作，包括对于DCS系统的操作、各种工具的使用和设备操作。

●装置事故判断与处理
装置事故判断与处理培训是各企业（尤其是已生产多年的装置）非常重视的培训内容。

但装置事故发生的机率和可能性千差万别。

近些年来石化企业的生产特点是长周期运行（检修周期通常2-3年），生产过程中也很少出现大的事故。

这种“长”周期和“少”事故的状况是一种好的现象，但也蕴藏着很大的“危险”。

一旦出现突发的意外事故，工人会措手不及，原有的一些经验也已经淡忘了，即使没有淡忘也很不熟练了，所以往往可能给企业造成很大的经济损失，甚至人员伤亡。

安全应急演练
将虚拟现实技术与常规仿真技术相结合，开发装置三维虚拟操作环境并实现对装置典型应急事故的仿真模拟（安全应急预案仿真演练系统），用于生产班组应急预案仿真操作演练与考核。

用于提高生产一线人员的装置安全应急操作与措施的协同处理能力，受到企业安全管理部门和培训主管部门的高度认可和好评。

按照装置应急预案进行应急演练，以及对安全工具的使用和设备的操作；即可以进行单人单角色进行训练，亦可以进行班组协同应急演练，同时校验预案可行性。

对装置事故中受伤人员进行安全救援演练培训。

生产调整及流程切换
装置技术人员（工艺员、设备员等）的理论水平相对较高，但装置实际操作技能往往并不高，生产操作经验不多是他们的软肋。

为此部分企业对技术人员进行仿真培训，一方面提高了他们的操作调控技能，补充生产经验（尤其事故经历）不足；另一方面技术人员通过装置仿真培训更加深入地理解装置的工艺、自控与仪表、设备等生产技术，提高技术人员自身的生产技术与技能水平。

尤其是几年来企业“管理扁平化”后建立了联合车间（一个车间包括几套装置），技术人员可以通过仿真培训尽快掌握相关装置的生产技术与技能。

通过三维数字工厂平台，结合虚拟显示技术，训练工作人员包括一些常规设备的定期切换（比如过滤器），和一些机泵、换热器的计划切换，以及一些切水、排污等定期作业内容。

利用仿真系统的组合事故功能，充分体现事故的“可能性”、“随机性”和“突发性”，事故仿真更加贴近生产实际。

能够实现定期地对在岗操作工人进行装置事故判断与处理的技能培训，主要训练以外操为主处理的一些简单事故排查及处置。

生产巡检
根据外操实际巡检路线以及巡检点进行设计，部分巡检点通过组态可设置为异常，外操巡检过程中应能及时发现异常状况，并按规程及时汇报处理。

通过此模块对新员工做更加贴近实际生产的培训，通过培训后，可直接上岗工作，提高员工的整体素质和专业技术水平。