掌控逻辑模型脉搏，常立设计高地 | CATIA系统解决方案如何助力并行设计？
▲掌控逻辑模型脉搏，常立设计高地 | CATIA系统解决方案如何助力并行设计？
曾经我们讨论过基于模型的系统工程（MBSE）在能源和流程行业的应用，特别是CATIA MAGIC 在早期设计阶段对需求分析（R）和功能架构（F）的应用。这次我们将进一步探讨系统功能（F）和逻辑原理（L）设计，以及CATIA系统解决方案对跨学科系统建模和优化的应用。
能源和流程行业项目的复杂性不仅来自大量的文档、学科、团队、公司之间的信息传递，对此达索系统的资本设施信息卓越（CFIE）已提供有效解决方案。除此之外，从技术角度探讨，能源和流程行业的复杂性更源于并行设计。
并行设计是一种从20世纪80年代开始的工程方**，旨在应对传统工艺系统的逐渐电气化和自动化带来的复杂设计。它通常用于概念和初步设计阶段，具有双重目标：
确保在早期构思阶段完整考虑全寿命周期的所有需求（这点类似系统工程）；
确保多学科之间的一致性，特别是工艺（热工机械）系统、仪控系统（I&C）和供电系统之间的技术一致性。在项目早期阶段通过并行设计，在仍然足够灵活的设计状态下，尽快优化到最佳配置参数，从而把项目的经济性、工期把控和质量效益最大化。
因此，在初步设计阶段，信息敏捷是关键，而变更管理会最小化。
大型能源和流程项目的设计工作基本可分为两大类：
由布置工程师确保土建、设备、预埋件、管道、电缆托盘、暖通设备等的几何一致性;
由系统工程师确保系统功能/逻辑一致性，达到上述的多学科接口一致性和需求可追溯性的双重目标。
3D布置软件已在行内广泛应用，在很大程度上已解决了几何一致性问题。然而，功能/逻辑一致性仍然是当前能源和流程行业技术管理的最大痛点。
通常我们把初步设计的结点定义在系统工程师出版“系统设计手册”时，这是调试前最后一次跨学科的综合汇总设计。紧随其后地，土建、机械设备、仪控、电气、暖通、管道、电缆桥架等专业先后进入详细设计阶段。核电，油气海上平台等超大型项目，其详细设计甚至可以持续几年，参与设计人员可达到数千人。详细设计注重大量出产施工和制造文件，管理模式与初步设计非常不同，专业与专业之间的信息沟通会严格把控，变更管理是这阶段最主要的行政手段，以避免发生无法控制的骨牌式改动。而后，设备制造和安装还会持续几年。
设备、管道、供电电缆、仪表、控制设备之间的几何不一致性和碰撞问题都会在安装阶段暴露，然后通过变更流程解决。紧接着，开始调试阶段，这个阶段最为棘手。这是在初步阶段并行设计结束后，经历了多年各专业详细设计、制造安装后的验证匹配的决定性时刻。调试是整个项目周期中设计错误和各专业之间不一致问题暴露最多最集中的阶段，包括机械/控制/电源系统（接口）之间功能性不一致，或者系统性能（液体流量、压力和温度）不满足上游需求（可追溯性）。这些复杂棘手问题都需要立马解决，时间压力巨大，纠正代价也巨大。
达索系统3DEXPERIENCE平台的“资本设施信息卓越解决方案”已提供项目管理、信息管理、单一数据源等功能，“卓越工程解决方案”专门应对并行设计带来的挑战，实现：
系统工程RFLP需求可追溯性、完整性系统性的接口梳理；
在设计前期通过建模仿真手段提前发现和纠正设计错误和不一致性；
确保工艺系统、仪控系统和供电系统之间的跨学科功能/逻辑一致性；
构造功能/逻辑（1维）数字孪生，配合3维几何数字孪生。
Dymola，Dynamic Modeling Laboratory，是基于Modelica语言，用于建模和模拟集成复杂系统的完整解决方案。子系统由相互关联的组件表示；在最低级别的动态行为由数学方程或算法描述。组件之间的连接形成额外的方程。Dymola 处理完整的方程系统，以便生成高效的模拟代码。Modelica 库中捕获了特定领域的知识，其中包含机械、电气、控制、热、气动、液压、热力学、空调等组件。
Dymola 已被法电EDF、珐玛通等公司用来模拟和优化其流程系统和系统的系统（system of systems）。
结合Dymola的行为建模与ControlBuid的仪控建模功能，3DEXPERIENCE平台上能在同一环境上协同设计流程图（PFD）、流程和仪表图（P& ID）和电气单线图，实现互联和多学科的行为模拟，达到：
仪控系统（I&C）与被仪控（工艺）系统之间的技术一致性；
确保工艺系统的动态行为（通常是液体的流压、流速、温度）满足在各种工况（正常操作、意外和事故状况）下的任何功能需求。
备注：
*STIMULUS是CATIA系统的另一款解决方案，通过快速建模和模拟验证自然语言描述的性能需求，和仪控系统的一致性。
在最近的核工业客户案例中，使用这种设计方法不仅能在早期系统设计阶段就发现排除错误和不一致，避免等到调试阶段（当所有设备都已制造安装后）才发现这些错误，由此减少高成本、救火式的纠正。与此同时，客户还预计这种新方法将改变当前的设计流程，以及系统组与控制组之间的分工，从而实现真正的企业数字化转型。
三维设计已被各行业广泛采用确保设施的几何一致性。CATIA系统提供的逻辑模型和模拟能确保更为根本的流程系统的功能一致性，包括：
工艺系统、仪控系统和供电系统之间的技术一致性；
系统之间的一致性和总体完整性；
操作程序验证；
更好地评估变更影响分析。
结合3D模型数字孪生，它将提供一个更完整的：
设计阶段数字逻辑孪生；
集成设备和现场数据成为“完工数字孪生”；
集成运维数据成为“运维数字孪生”。
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