序言

此開卷第一回，本系列文章將致力于闡述系統(tǒng)工程與數字孿生在大型基礎設施數字化轉型中的應用與實踐。筆者核電人出身，故文章邏輯與案例將以核工業(yè)作為牽引，用來闡述廣義上大基建行業(yè)數字化轉型與傳統(tǒng)制造業(yè)的區(qū)別，以及其價值（Why）、工作內容（What）、解決方案（How）與實施方法（How to）。

WHAT：四條定義

定義1 – 大基建（LIP）

大型基礎設施項目（LIP - Large Infrastructure Project）包括公路、鐵路、大規(guī)模發(fā)電和輸電、水收集、水儲存和分配、廢水回收和后處理，以及大型工業(yè)工廠如：核電站、石油和天然氣開采平臺、精煉廠、礦山、鋼鐵廠以及材料制造廠。

其特性以核電站（NPP – Nuclear Power Plant）為例，總預算超過百億人民幣、生命周期跨越數十年、獨一無二且復雜性極強。初期立項通常從國家戰(zhàn)略層面的問題陳述開始，在全生命周期各階段充斥著大量的不確定因素。其產品與制造業(yè)不同，往往不太會是同一產品的批量化生產，也不會通過原型機的開發(fā)不斷進行測試優(yōu)化。大基建的項目通常是第一個也是唯一的一個，設計上很大程度受標準和行業(yè)規(guī)范的限制，所涉及的技術更迭不如電子信息行業(yè)般迅速，方案上會與最臨近的項目相似。單純的設計投入和建設成本相比僅僅是一小部分，項目復雜性一般會集中體現(xiàn)在處理接口、采購以及可施工性等問題上。

在我國「十四五」開年“碳中和”決策的大背景下，“靠天吃飯”的光伏和風電受到大力扶植，試圖加速替代煤、石油等化石能源。美國核能管理委員會（NRC）也在2020年底正式大規(guī)模重啟核電先進堆型計劃，召集全美所有的核能供應鏈企業(yè)、研究中心、大學，共同探索穩(wěn)定、高效、自主、綠色、可控、安全的、真正的未來能源。最終模塊化、小型化、增殖快堆、閉式核燃料循環(huán)方向，外加應用先進數字孿生技術成為本計劃實施的主體結論，同時也符合其國家長遠利益考量。

定義2 – PLM

產品全生命周期管理 （PLM – Product Lifecycle Management）是一種應用于在單一地點的企業(yè)內部、分散在多個地點的企業(yè)內部，以及在產品研發(fā)領域具有協(xié)作關系的企業(yè)之間的，支持產品全生命周期的信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應用的一系列應用解決方案，它能夠集成與產品相關的人力資源、流程、應用系統(tǒng)和信息等多個環(huán)節(jié)。對于大基建項目而言，產品全生命周期管理的時間跨度通常有數十年，大體包含以下各階段：

1. 概念設計（預可行性研究）

2. 初步設計（可行性研究）

3. 詳細設計（施工設計 / 詳圖設計）

4. 采購與制造

5. 施工（土建 + 安裝）

6. 調試（+ 交付）

7. 運維（+ 大修）

8. 退役（核電 / 石化）

定義3 – 系統(tǒng)工程 （SE）

系統(tǒng)工程（SE - System Engineering）是處理復雜項目的規(guī)劃、研究、設計、制造、測試和運營的一種方法，區(qū)別于傳統(tǒng)的工程學科，如土木工程、機械工程或電氣工程，它不以自然科學為基礎，而是作為一門元學科（meta-discipline），位列所有工程學科之上。系統(tǒng)工程的應用致力于處理復雜系統(tǒng)，復雜系統(tǒng)可以定義為“具有難以描述、理解、預測、管理、設計和/或改變的眾多組件和互連、交互或相互依賴關系的系統(tǒng)”。最初引進和發(fā)展系統(tǒng)工程的主要驅動力是提升航空航天和國防項目的交付效率，同時降低成本以保障項目成功。

按照正向設計的邏輯（非翻版設計），核電新型號的研發(fā)和設計工作與制造業(yè)的系統(tǒng)工程V模型左側基本相同，都是通過R-F-L-P的流程去實現(xiàn)需求定義、功能分析、系統(tǒng)架構、子系統(tǒng)設計以及土建和設備等詳細設計。其中需求工程作為追溯、驗證和生效的關鍵行動將貫穿項目全生命周期，并且經常隨環(huán)境等不確定因素的變化而變更，地位最重要但也最容易被忽略。

V模型底部與傳統(tǒng)制造業(yè)不同，大基建項目一般不涉及批量制造，所以重點針對單一項目建設與安裝過程中的復雜性，處理預安裝組件（Product）、施工流程（Process）與現(xiàn)場資源（Resource）的統(tǒng)籌，同時保障與設計的一致性（As-designed）、現(xiàn)場安全與按時按質量的交付。

兩者V模型的右側理念統(tǒng)一，追求的目的都是測試、驗證與生效。針對不同層級的調試，核電大體分為設備調試（單調）、系統(tǒng)調試（聯(lián)調）、全廠級的冷試與熱試、以及國家與國際層面的核安全機構驗收等。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE – Model Based System Engineering）指從概念設計階段開始并持續(xù)貫穿于開發(fā)和后續(xù)生命周期階段支持系統(tǒng)需求、設計、分析、驗證和確認活動的正規(guī)化應用。

簡言之，就是用標準的模型語言代替自然語言，應用特定的方法論和工具去實現(xiàn)系統(tǒng)工程。目的在于前期仿真迭代、保障對需求的追溯性、規(guī)避風險、降低成本并提升效率。

定義4 – 數字孿生（DT）

數字孿生（Digital / Virtual Twins）作為目前熱度相當高、超越現(xiàn)實的概念，被各種大學、機構和公司賦予不同的定義和內涵。拋開其他行業(yè)的特色觀點，筆者基于自身經驗對其理解如下：

以數字化形式對某一物理實體

過去和目前的行為或流程進行動態(tài)呈現(xiàn)。

此概念重點在于動態(tài)呈現(xiàn)，猶如一對真正的雙胞胎，從受精卵階段同步開啟細胞分裂、發(fā)育、出生、上學、工作、變老、直至去世，一生如影隨形。其孿生過程的重要性遠大于孿生結果，數字孿生的價值在于走在“他的實體兄弟”前面一步的仿真，用以預測未來并提早發(fā)現(xiàn)問題。

實現(xiàn)數字孿生具象化的思考就是在項目的全生命周期管理中數字化應用系統(tǒng)工程：

HOW：如何實現(xiàn)數字孿生

“一體化的業(yè)務協(xié)同平臺”是實現(xiàn)大基建數字化轉型與數字孿生無法回避的一劑元素，在此一體化的集成平臺上，所有人的信息都應是一手的、實時的，各取所需。此平臺再進一步的應用，可以實現(xiàn)高效多層次協(xié)同應用（部門之間、企業(yè)之間、產業(yè)鏈之間）、知識共享與重用（循環(huán)使用知識模板，智力與經驗資源優(yōu)化配置）、集成數字化仿真等。

“單一權威數據源”是支持此平臺業(yè)務協(xié)同的核心：所有角色、在任何時間、任何地點看到的是從單一數據源衍生出的使用者需要得到信息，也是數字化轉型的基礎和根本的底層邏輯。

總結

數字孿生（DT） = 在全生命周期（PLM）通過一體化協(xié)同平臺實現(xiàn)系統(tǒng)工程（SE）

系列精彩，未完持續(xù)。細則方案，且聽下回分解。

WHO：本文作者

呂柯夫-數字核電高級咨詢顧問

畢業(yè)于UTT法國特魯瓦工程技術大學并獲得碩士工程師學位，十二年核電項目經驗，中國核學會高級會員。加入達索系統(tǒng)之前，曾供職于EDF法國電力集團，負責核電站停堆大修項目管理、后福島事故全法核電站應急機組改造設計、英國欣克利角C歐洲第三代壓水式核反應堆三維數字化設計與配置管理。

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