曾經(jīng)我們討論過基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）在能源和流程行業(yè)的應(yīng)用，特別是CATIA MAGIC 在早期設(shè)計(jì)階段對(duì)需求分析（R）和功能架構(gòu)（F）的應(yīng)用。這次我們將進(jìn)一步探討系統(tǒng)功能（F）和邏輯原理（L）設(shè)計(jì)，以及CATIA系統(tǒng)解決方案對(duì)跨學(xué)科系統(tǒng)建模和優(yōu)化的應(yīng)用。

并行設(shè)計(jì)：提前確保功能/邏輯一致性，降低糾正代價(jià)

能源和流程行業(yè)項(xiàng)目的復(fù)雜性不僅來自大量的文檔、學(xué)科、團(tuán)隊(duì)、公司之間的信息傳遞，對(duì)此達(dá)索系統(tǒng)的資本設(shè)施信息卓越（CFIE）已提供有效解決方案。除此之外，從技術(shù)角度探討，能源和流程行業(yè)的復(fù)雜性更源于并行設(shè)計(jì)。

并行設(shè)計(jì)是一種從20世紀(jì)80年代開始的工程方法論，旨在應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)工藝系統(tǒng)的逐漸電氣化和自動(dòng)化帶來的復(fù)雜設(shè)計(jì)。它通常用于概念和初步設(shè)計(jì)階段，具有雙重目標(biāo)：
1、確保在早期構(gòu)思階段完整考慮全壽命周期的所有需求（這點(diǎn)類似系統(tǒng)工程）；

2、確保多學(xué)科之間的一致性，特別是工藝（熱工機(jī)械）系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)（I&C）和供電系統(tǒng)之間的技術(shù)一致性。在項(xiàng)目早期階段通過并行設(shè)計(jì)，在仍然足夠靈活的設(shè)計(jì)狀態(tài)下，盡快優(yōu)化到最佳配置參數(shù)，從而把項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性、工期把控和質(zhì)量效益最大化。

因此，在初步設(shè)計(jì)階段，信息敏捷是關(guān)鍵，而變更管理會(huì)最小化。

大型能源和流程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作基本可分為兩大類：

1、由布置工程師確保土建、設(shè)備、預(yù)埋件、管道、電纜托盤、暖通設(shè)備等的幾何一致性;

2、由系統(tǒng)工程師確保系統(tǒng)功能/邏輯一致性，達(dá)到上述的多學(xué)科接口一致性和需求可追溯性的雙重目標(biāo)。

3D布置軟件已在行內(nèi)廣泛應(yīng)用，在很大程度上已解決了幾何一致性問題。然而，功能/邏輯一致性仍然是當(dāng)前能源和流程行業(yè)技術(shù)管理的最大痛點(diǎn)。

通常我們把初步設(shè)計(jì)的結(jié)點(diǎn)定義在系統(tǒng)工程師出版“系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)”時(shí)，這是調(diào)試前最后一次跨學(xué)科的綜合匯總設(shè)計(jì)。緊隨其后地，土建、機(jī)械設(shè)備、儀控、電氣、暖通、管道、電纜橋架等專業(yè)先后進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。核電，油氣海上平臺(tái)等超大型項(xiàng)目，其詳細(xì)設(shè)計(jì)甚至可以持續(xù)幾年，參與設(shè)計(jì)人員可達(dá)到數(shù)千人。詳細(xì)設(shè)計(jì)注重大量出產(chǎn)施工和制造文件，管理模式與初步設(shè)計(jì)非常不同，專業(yè)與專業(yè)之間的信息溝通會(huì)嚴(yán)格把控，變更管理是這階段最主要的行政手段，以避免發(fā)生無法控制的骨牌式改動(dòng)。而后，設(shè)備制造和安裝還會(huì)持續(xù)幾年。

設(shè)備、管道、供電電纜、儀表、控制設(shè)備之間的幾何不一致性和碰撞問題都會(huì)在安裝階段暴露，然后通過變更流程解決。緊接著，開始調(diào)試階段，這個(gè)階段最為棘手。這是在初步階段并行設(shè)計(jì)結(jié)束后，經(jīng)歷了多年各專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造安裝后的驗(yàn)證匹配的決定性時(shí)刻。調(diào)試是整個(gè)項(xiàng)目周期中設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和各專業(yè)之間不一致問題暴露最多最集中的階段，包括機(jī)械/控制/電源系統(tǒng)（接口）之間功能性不一致，或者系統(tǒng)性能（液體流量、壓力和溫度）不滿足上游需求（可追溯性）。這些復(fù)雜棘手問題都需要立馬解決，時(shí)間壓力巨大，糾正代價(jià)也巨大。

達(dá)索系統(tǒng)能帶來什么？

達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)的“資本設(shè)施信息卓越解決方案”已提供項(xiàng)目管理、信息管理、單一數(shù)據(jù)源等功能，“卓越工程解決方案”專門應(yīng)對(duì)并行設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)：

1、系統(tǒng)工程RFLP需求可追溯性、完整性系統(tǒng)性的接口梳理；

2、在設(shè)計(jì)前期通過建模仿真手段提前發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和不一致性；

3、確保工藝系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)之間的跨學(xué)科功能/邏輯一致性；

4、構(gòu)造功能/邏輯（1維）數(shù)字孿生，配合3維幾何數(shù)字孿生。

達(dá)索系統(tǒng)CATIA系統(tǒng)解決方案

Dymola，Dynamic Modeling Laboratory，是基于Modelica語言，用于建模和模擬集成復(fù)雜系統(tǒng)的完整解決方案。子系統(tǒng)由相互關(guān)聯(lián)的組件表示；在最低級(jí)別的動(dòng)態(tài)行為由數(shù)學(xué)方程或算法描述。組件之間的連接形成額外的方程。Dymola 處理完整的方程系統(tǒng)，以便生成高效的模擬代碼。Modelica 庫中捕獲了特定領(lǐng)域的知識(shí)，其中包含機(jī)械、電氣、控制、熱、氣動(dòng)、液壓、熱力學(xué)、空調(diào)等組件。

Dymola 已被法電EDF、琺瑪通等公司用來模擬和優(yōu)化其流程系統(tǒng)和系統(tǒng)的系統(tǒng)（system of systems）。

結(jié)合Dymola的行為建模與ControlBuid的儀控建模功能，3DEXPERIENCE平臺(tái)上能在同一環(huán)境上協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖（PFD）、流程和儀表圖（P& ID）和電氣單線圖，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和多學(xué)科的行為模擬，達(dá)到：

1、儀控系統(tǒng)（I&C）與被儀控（工藝）系統(tǒng)之間的技術(shù)一致性；

2、確保工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為（通常是液體的流壓、流速、溫度）滿足在各種工況（正常操作、意外和事故狀況）下的任何功能需求。

在最近的核工業(yè)客戶案例中，使用這種設(shè)計(jì)方法不僅能在早期系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)排除錯(cuò)誤和不一致，避免等到調(diào)試階段（當(dāng)所有設(shè)備都已制造安裝后）才發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤，由此減少高成本、救火式的糾正。與此同時(shí)，客戶還預(yù)計(jì)這種新方法將改變當(dāng)前的設(shè)計(jì)流程，以及系統(tǒng)組與控制組之間的分工，從而實(shí)現(xiàn)真正的企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

迎虛納實(shí)，改變世界

三維設(shè)計(jì)已被各行業(yè)廣泛采用確保設(shè)施的幾何一致性。CATIA系統(tǒng)提供的邏輯模型和模擬能確保更為根本的流程系統(tǒng)的功能一致性，包括：

1、工藝系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)之間的技術(shù)一致性；

2、系統(tǒng)之間的一致性和總體完整性；

3、操作程序驗(yàn)證；

4、更好地評(píng)估變更影響分析。

結(jié)合3D模型數(shù)字孿生，它將提供一個(gè)更完整的：

1、設(shè)計(jì)階段數(shù)字邏輯孿生；

2、集成設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)成為“完工數(shù)字孿生”；

3、集成運(yùn)維數(shù)據(jù)成為“運(yùn)維數(shù)字孿生”。