01-大基建系统工程与数字孪生全攻略 系统视角 | 达索系统百世 ...

华阳

序言

此开卷第一回，本系列文章将致力于阐述系统工程与数字孪生在大型基础设施数字化转型中的应用与实践。笔者核电人出身，故文章逻辑与案例将以核工业作为牵引，用来阐述广义上大基建行业数字化转型与传统制造业的区别，以及其价值（Why）、工作内容（What）、解决方案（How）与实施方法（How to）。
WHAT：四条定义

定义1 – 大基建（LIP）

大型基础设施项目（LIP - Large Infrastructure Project）包括公路、铁路、大规模发电和输电、水收集、水储存和分配、废水回收和后处理，以及大型工业工厂如：核电站、石油和天然气开采平台、精炼厂、矿山、钢铁厂以及材料制造厂。
其特性以核电站（NPP – Nuclear Power Plant）为例，总预算超过百亿人民币、生命周期跨越数十年、独一无二且复杂性极强。初期立项通常从国家战略层面的问题陈述开始，在全生命周期各阶段充斥着大量的不确定因素。其产品与制造业不同，往往不太会是同一产品的批量化生产，也不会通过原型机的开发不断进行测试优化。大基建的项目通常是第一个也是唯一的一个，设计上很大程度受标准和行业规范的限制，所涉及的技术更迭不如电子信息行业般迅速，方案上会与最临近的项目相似。单纯的设计投入和建设成本相比仅仅是一小部分，项目复杂性一般会集中体现在处理接口、采购以及可施工性等问题上。
在我国「十四五」开年“碳中和”决策的大背景下，“靠天吃饭”的光伏和风电受到大力扶植，试图加速替代煤、石油等化石能源。美国核能管理委员会（NRC）也在2020年底正式大规模重启核电先进堆型计划，召集全美所有的核能供应链企业、研究中心、大学，共同探索稳定、高效、自主、绿色、可控、安全的、真正的未来能源。最终模块化、小型化、增殖快堆、闭式核燃料循环方向，外加应用先进数字孪生技术成为本计划实施的主体结论，同时也符合其国家长远利益考量。


定义2 – PLM

产品全生命周期管理 （PLM – Product Lifecycle Management）是一种应用于在单一地点的企业内部、分散在多个地点的企业内部，以及在产品研发领域具有协作关系的企业之间的，支持产品全生命周期的信息的创建、管理、分发和应用的一系列应用解决方案，它能够集成与产品相关的人力资源、流程、应用系统和信息等多个环节。对于大基建项目而言，产品全生命周期管理的时间跨度通常有数十年，大体包含以下各阶段：

• 概念设计（预可行性研究）
  
• 初步设计（可行性研究）
  
• 详细设计（施工设计 / 详图设计）
  
• 采购与制造
  
• 施工（土建 + 安装）
  
• 调试（+ 交付）
  
• 运维（+ 大修）
  
• 退役（核电 / 石化）
  

定义3 – 系统工程 （SE）

系统工程（SE - System Engineering）是处理复杂项目的规划、研究、设计、制造、测试和运营的一种方法，区别于传统的工程学科，如土木工程、机械工程或电气工程，它不以自然科学为基础，而是作为一门元学科（meta-discipline），位列所有工程学科之上。系统工程的应用致力于处理复杂系统，复杂系统可以定义为“具有难以描述、理解、预测、管理、设计和/或改变的众多组件和互连、交互或相互依赖关系的系统”。最初引进和发展系统工程的主要驱动力是提升航空航天和国防项目的交付效率，同时降低成本以保障项目成功。
按照正向设计的逻辑（非翻版设计），核电新型号的研发和设计工作与制造业的系统工程V模型左侧基本相同，都是通过R-F-L-P的流程去实现需求定义、功能分析、系统架构、子系统设计以及土建和设备等详细设计。其中需求工程作为追溯、验证和生效的关键行动将贯穿项目全生命周期，并且经常随环境等不确定因素的变化而变更，地位最重要但也最容易被忽略。


V模型底部与传统制造业不同，大基建项目一般不涉及批量制造，所以重点针对单一项目建设与安装过程中的复杂性，处理预安装组件（Product）、施工流程（Process）与现场资源（Resource）的统筹，同时保障与设计的一致性（As-designed）、现场安全与按时按质量的交付。


两者V模型的右侧理念统一，追求的目的都是测试、验证与生效。针对不同层级的调试，核电大体分为设备调试（单调）、系统调试（联调）、全厂级的冷试与热试、以及国家与国际层面的核安全机构验收等。


基于模型的系统工程（MBSE – Model Based System Engineering）指从概念设计阶段开始并持续贯穿于开发和后续生命周期阶段支持系统需求、设计、分析、验证和确认活动的正规化应用。
简言之，就是用标准的模型语言代替自然语言，应用特定的方法论和工具去实现系统工程。目的在于前期仿真迭代、保障对需求的追溯性、规避风险、降低成本并提升效率。




定义4 – 数字孪生（DT）

数字孪生（Digital / Virtual Twins）作为目前热度相当高、超越现实的概念，被各种大学、机构和公司赋予不同的定义和内涵。抛开其他行业的特色观点，笔者基于自身经验对其理解如下：
以数字化形式对某一物理实体
过去和目前的行为或流程进行动态呈现。
此概念重点在于动态呈现，犹如一对真正的双胞胎，从受精卵阶段同步开启细胞分裂、发育、出生、上学、工作、变老、直至去世，一生如影随形。其孪生过程的重要性远大于孪生结果，数字孪生的价值在于走在“他的实体兄弟”前面一步的仿真，用以预测未来并提早发现问题。
实现数字孪生具象化的思考就是在项目的全生命周期管理中数字化应用系统工程：


HOW：如何实现数字孪生

“一体化的业务协同平台”是实现大基建数字化转型与数字孪生无法回避的一剂元素，在此一体化的集成平台上，所有人的信息都应是一手的、实时的，各取所需。此平台再进一步的应用，可以实现高效多层次协同应用（部门之间、企业之间、产业链之间）、知识共享与重用（循环使用知识模板，智力与经验资源优化配置）、集成数字化仿真等。


“单一权威数据源”是支持此平台业务协同的核心：所有角色、在任何时间、任何地点看到的是从单一数据源衍生出的使用者需要得到信息，也是数字化转型的基础和根本的底层逻辑。


总结

数字孪生（DT） = 在全生命周期（PLM）通过一体化协同平台实现系统工程（SE）




系列精彩，未完持续。细则方案，且听下回分解。
WHO：本文作者



吕柯夫-数字核电高级咨询顾问
毕业于UTT法国特鲁瓦工程技术大学并获得硕士工程师学位，十二年核电项目经验，中国核学会高级会员。加入达索系统之前，曾供职于EDF法国电力集团，负责核电站停堆大修项目管理、后福岛事故全法核电站应急机组改造设计、英国欣克利角C欧洲第三代压水式核反应堆三维数字化设计与配置管理。
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