數字孿生標準體系在石油化工行業的構建

張 霞

（森諾科技有限公司，山東 東營 257000）

數字孿生技術在石油化工行業的應用，為解決產品質量差、生產效率低、產品銷售困難等問題上提供了可操作的解決方案，很多的石油化工企業選擇利用數字孿生技術建立生產模型，能夠幫助企業迅速發展。然而，目前在石油化工行業領域，數字孿生技術的應用還處于初級階段，大多數研究還處于理論階段，缺乏實際實踐。因此，為了實現數字孿生在石油行業的真正登陸，還需要科研人員與企業進一步密切合作，進行更深地開發和研究。

1 數字孿生技術概述

1.1 數字孿生內涵

1969年，美國宇航局的阿波羅計劃，為了確?！败壍郎狭愎收稀保迷谲壯b配技術，建造了一對雙胞胎，通過大量的模擬測試，來反映運行中的航天器的狀態，以降低成本，這就是數字雙胞胎（數字孿生）的起源。Grieves教授于2003年提出了“產品生命周期管理”和“實物產品的虛擬數字等價物”的概念，并給出了詳細的定義，即數字雙胞胎的正式出現，Grieves教授被稱為“數字雙胞胎之父”。2003～2005年，數字孿生技術被稱為“鏡像空間模型”，后來又被稱為“信息鏡像模型”。直到2011年，“數字雙胞胎”這個名稱才被正式采用，定義為“一個實現虛擬產品及其關聯的三維模型”，具有將實物產品映射到虛擬信息空間的功能，以及對產品生命周期的實時監控，從而優化了產品維護過程。隨著飛機技術要求的提高，研究人員開始將數字孿生與飛機設計結合起來，將數字孿生描述為仿真模型，通過物理模型和各種數據反映相應物理實體的性質。同時，美國空軍將數字孿生的功能定義為“反映物理實體在虛擬信息空間中的功能、實時狀態和演化趨勢”。2015年，民用通用產品數字孿生問世，并在民用基礎產業中得到應用。2017年，數字化雙面車間(數字車間)的出現，不僅使制造車間進入了數字化轉型階段，而且為制造車間的建設提供了相關的理論依據[1]。

1.2 數字孿生的關鍵技術

數字孿生技術的關鍵技術主要包括:多域多尺度融合建模、數據采集與傳輸技術、虛擬現實技術、高性能計算、數據驅動與物理模型融合狀態評估、生命周期數據管理等。

1.2.1 多領域多尺度融合建模

多域建模是將不同領域的模型組合成一個具有不同屬性的綜合模型，在特定域建模多尺度模型的基礎上進行數據集成，是對單尺度模型的多維擴展，通過調整物理參數來連接同一模型在不同時間內的變化，通過分析不同時間模型的工作狀態來獲得更高的模型精度。

多領域多尺度融合模型是在自然科學、工程技術和工業生產等不同學科中，以多個理論為指導建立起來的一套較為完整而科學的綜合方案。它可以將一個復雜問題分解成若干個小部分，通過對各個具體對象進行分析比較得出規律性強，且具有普遍適用價值并能被實際應用所利用，從而達到解決各種現實或經濟社會領域面臨重大課題難題時，能夠發揮其應有作用和效果。

1.2.2 數據采集和傳輸

高效的數據采集和傳輸是數字孿生技術的基礎。同時，先進可靠的傳輸網絡使采集到的數據能夠快速準確地傳輸到數據中心，保證了數字孿生技術的實時應用，保證了數字孿生系統的及時性能[2]。

1.2.3 VR呈現

虛擬現實技術不僅可以再現目標系統的狀態，還可以通過虛擬地圖將收集到的數據映射到創建的數字雙系統中，從而保證人機交互的實時連續性。虛擬現實技術使用戶能夠通過數字雙機系統快速學習和理解目標系統的各種信息，幫助用戶激發系統的改進，有助于人們監測和指導復雜設備的制造、操作和維護。

1.2.4 高性能計算

由于需要實時繪圖，數字雙系統應該具有很強的計算能力?？紤]到硬件技術的現狀，目前的方法是基于分布式計算平臺，輔之以高性能嵌入式計算系統和異構加速計算系統的融合，并通過優化數據分發級別、檢索方法和存儲形式，以提高操作性能。

1.2.5 全壽命周期數據管理

復雜系統的生命周期數據存儲和管理是數字雙系統的另一項關鍵技術，即通過云服務器進行分布式管理、高速讀取和備份冗余數據，為數據分析算法的開發提供了大量可靠的數據，對維護整個數字雙系統的正常運行起到關鍵作用。采用全壽命周期數據管理，能對一個完整的工程項目進行全過程、全方位和多角度地動態規劃與控制，使項目的開發成本最小化，即從設計階段到運行維護階段都能在極小程度上降低風險。

1.2.6 其他關鍵技術

人工智能的發展為數字孿生技術的發展提供了動力。在不同的數字孿生應用場景中，數據生成、建模和數據分析可以通過定量分析進行優化，不需要或只需要小樣本強化學習。此外，半實物仿真、驗證和評估方法在數字雙平臺建設過程中也非常重要。將這些技術與數字孿生技術相結合，可以大大提高數字孿生系統的性能，促進數字孿生技術的不斷進步。

2 數字孿生標準體系在石油化工行業的構建

當前，數字孿生在石油工業領域還處于開發階段，與大規模應用還有較大差距，但研究重點已基本指明方向，主要集中在以下四個方面：建設目標、系統總體結構、系統主要功能、應用情景開發。

2.1 建設目標

要完成石化工業的任務，就必須開發相應的數字雙系統框架。通過改進信息系統與物理系統的融合方法，優化了多時相多尺度模型的參數求解性能，提高了石化工業關鍵過程指標的預測能力。同時，進一步改進了石化工業系統故障診斷和關鍵應用場景中工藝參數優化的數字雙解決設計，使其更大、更實用。

2.2 系統整體結構

目前在數字孿生的基礎上建立了石化工業物理實體狀態的虛擬模型，然后利用各種傳感器和其他基礎設施收集石化工業生產過程中可能涉及到的所有數據，最后將石化工業的物理實體映射到虛擬實體，并利用各種優化算法對模型參數進行改進和優化。

2.3 系統主要功能

在石化工業中引入數字雙機技術的主要目的是對設備和系統運行過程進行模擬、分析、優化、監控和預測。通過對設備運行過程的仿真，獲得了設備的性能參數，并將這些參數加入到模型中進行分析，以預測關鍵生產設備的質量和關鍵控制指標，最終優化設備和系統工藝。

3 數字孿生技術在石油化工行業行業的前景分析

為了在擴大石化工業的生產規模，保障石化工業產品的質量和服務效率，更多的石油化工企業為了提高產品質量和降低生產成本，建立了數字化的石化產品孿生體。目前，數字孿生技術在石化工業中的應用已經取得一定成果，其發展方向包括以下幾個方面。

3.1 融合5G技術的數據采集與傳輸

高效的數據采集和傳輸是數字孿生技術的基礎。石化工業場地復雜，需要采集的信息節點多，自動化程度要求高，這就要求在實施數字雙機技術時，必須保證高效、準確的數據采集和傳輸。一方面，“5G+工業互聯網”可以整合石化工業場地的信息流、指令流和操作流，完成各個環節的在線遠程控制，實現石油工業系統和設備的數字化雙機。進一步發展，“5G+產業互聯網”可以收集和獲取全社會生產資源、生產工藝和生產能力的信息，實現大規模協同的長尾效應，促進石油化工行業生產習慣和實踐的逐步優化、高速迭代，實現效率最大化；另一方面，隨著數字雙胞胎的發展，網絡安全問題顯得尤為重要。由于引進了數字雙生技術和加速的一體化，石化工業系統從原來的封閉系統向開放系統轉變。為了保持高效率，實現資源控制，應盡可能簡化網絡連接過程，使其高效、順暢，但系統的網絡安全風險將被完全暴露出來。如果“5G+石油工業互聯網”受到攻擊，將直接破壞石化工業企業的生產能力，造成巨大損失。因此，融合5G通信技術，構建數字雙網安全保障體系，解決數字雙海量數據的采集和傳輸，將是石化工業領域數字雙網技術的主要研究和應用方向。

3.2 數字孿生智能信息處理方法

石化工業是一個復雜的系統，具有數據源多、時變性強的特點。系統模型多種多樣，難以匹配。系統計算復雜，模型求解困難。傳統的信息處理方法越來越不完善，給數字孿生在石化工業領域的應用帶來了巨大的挑戰。云計算和云存儲、大數據、區塊鏈、人工智能等為數字雙胞胎處理和系統建模提供了很好的手段。如何利用這些智能方法完成數字孿生的信息處理，是石化油工業領域數字孿生的下一步研究和努力的方向。

4 結語

該技術已經成為數字化領域最有前途的技術之一，數字孿生技術發展迅速，在許多領域的應用不斷擴大。石油化工行業作為國家的重要戰略性產業，可以利用數字化技術對其進行技術升級，大大提高其經濟效益和社會效益。目前，通過對數字孿生在生產過程建模與參數優化、工藝參數設計與仿真、系統健康監測與遠程維護等方面的應用研究，極大提高了石化工業領域的數字化與智能化水平，不斷取得不錯的成果。然而，數字雙晶技術在石化工業中的應用還存在不少難題。在今后研究中，石油化工行業中的數字雙星將在標準系統建設、5G技術數據采集與傳輸、智能信息處理算法等方面做出輝煌的研究成果。