數字孿生技術在海上采油平臺的應用

滕宇

（中海油工業自控（天津）有限公司，天津 300452）

0 引言

2021年是實施“十四五”規劃的開局之年，工業數據利用受到越來越多的重視。海上采油平臺作為相對固定的工業石油開采及原油處理系統，設施的獨立性及相對分散性，導致其在數據整體開發利用方面有所欠缺，適于運用數字孿生技術逐步實現智能化生產。

1 數字孿生技術概述

美國密歇根大學的教授Dr. Michael Grieves在2002年提出數字孿生（Digital Twin）的概念。數字孿生技術可以分為物理實體、虛擬實體、數據通道三個部分。物理實體是數據的來源，虛擬模型是利用數據建立的物理實體的映射，物理與虛擬之間建立數據通道，進行雙向動態數據交互，在這個過程中虛擬實體不斷自我學習完善，提高對物理實體描述的完整性和準確性，最終實現設備整個運行過程的實時模擬反饋。這種理念的提出為解決工業生產問題和設備監控問題提供了新的方法[1]。

數字孿生提出之后逐漸應用到生產生活的許多領域，近年來，工業基礎設施不斷豐富建設，大數據開發、人工智能技術、5G通訊技術等迅速發展，進一步推動了數字孿生技術在前期設計、工業生產、設備管理等方面的實際應用，覆蓋設備設施的全生命周期。

數字孿生的應用并不能獨立實現，還需要依賴多種相關的技術及設備，例如：超級計算機、工業數據中心技術、數據建模、智能分析、結合VR技術展示等。構造數字孿生虛擬實體的目的在于對物理實體的各種狀態進行全面精細的復現，同時可以完成深層次、多角度的狀態分析以及未來狀況預測。

2 海上采油平臺數據應用現狀

海上采油平臺是海洋石油開采的設施，可分為固定式和可移動式兩種結構類型，其中絕大多數為固定式。海上采油平臺分布在各個海域，地理位置分散，各平臺之間相對獨立。一般按照所處地域劃分管轄區域，同一管轄區域內的海上采油平臺有一定的相互聯系，包括采用衛星通信、微波通信和海底光纜通信等。海上采油平臺這種固有的分散和相互獨立的特點，造成了數據應用不充分的狀況[2]。

首先，海上采油平臺底層數據采集設備部署不足。目前海上采油平臺現場數據收集主要依靠各類傳送器和變送器設備，按照設計要求可以滿足現場生產的檢測需要，但是從智能化和數據建模角度考慮，現場數據不全面的弱點就顯現出來。多數設備只有對生產流程各類參數的監控儀表，而缺少對自身健康狀態的監控措施。同時，各類設備本身的信息大多是由紙質文件存儲，并未形成統一的電子數據庫歸檔。有些設備配件雖然有統一的電子平臺歸檔，但這些信息平臺與現場數據庫不能相互連通轉換，這就給利用數據建立虛擬化模型帶來了很大的困難。

其次，海上采油平臺數據存儲分散。分為兩個層面：第一個層面是從單個海上采油平臺來看，現場的各類數據分別存儲在不同設備的現場控制設備中，雖然設置有中央控制系統，但現場很多獨立設備只有少數關鍵數據傳輸進來，并未全面收集存儲現場數據；第二個層面是從不同的海上采油平臺來看，各海上采油平臺之間工業生產和設備信息數據的傳輸主要依賴工控網，考慮到數據安全的問題，絕大部分數據由各平臺分別存儲管理，不做傳輸和統一存儲。

最后，海上采油平臺數字虛擬化開發不足。海上采油平臺目前具備某些小型設備或模塊的虛擬化系統開發建立的條件，但是目前以傳統的流程控制方式居多，很少有完全開發為虛擬化實體的案例，這也是現場的使用維護需求決定的。

3 數字孿生在海上采油平臺的應用

3.1 海上采油平臺數據系統升級

針對上述幾個方面的問題，需要對現場進行數據系統的整體提升，以保證現場數據的全面性、集中性以及虛擬化開發的可實施性。升級的內容包括現場傳感儀器的豐富，新型智能儀表的應用，傳統數據與現代數據的整合，各海上采油平臺數據中心建立以及統一陸地數據中心的建立。與此同時，還需要考慮相配套的數據傳輸系統和網絡安全系統的建立。

3.2 數字孿生針對海上采油平臺開發方式

針對海上采油平臺的數字孿生技術開發可以分為4個步驟。

（1）數據采集。采用各類接口，從現場儀表或相應的控制系統數據庫進行數據的獲取，建立與實際情況相符的數據庫。

（2）模型訓練。利用歷史數據庫進行模型的訓練，將數據分為訓練集和驗證集，使用數據挖掘算法得出對應的虛擬化孿生模型。

（3）模型優化。利用實時數據進行模型的優化。海上采油平臺的運行安全性是第一要素，在模型投入使用前必須保證其健康性、可靠性，這些都需要在模型優化這一步引入實時運行數據完成檢驗。除此之外，還需要在正式運行之前組織專家及用戶進行全面評估，進一步優化。

（4）虛擬孿生模型應用。模型優化后上線應用，作用于服務終端，為現場提供支持服務。這種服務可以為間接的控制建議，也可以為直接的設備控制指令。

海上采油平臺數字孿生系統建立及運行過程如下圖所示：

圖1 數字孿生系統建立及運行過程

3.3 數字孿生在海上采油平臺應用前景

數字化智能化對于海上采油平臺是發展的必然趨勢，底層傳感器及探測儀表的升級改造工作困難較多，成本較高，但基于現有感知系統的數據采集和集中工作已經開展并取得了一定的成效，為數字孿生模型的建立奠定了基礎。

海上采油平臺設施設備的數字孿生技術應用需要從典型的成套設備入手，選取數據充分、結構簡單、控制量少的現場設備，運用成熟的方法完成虛擬數字孿生模型的建立。模型建立后，一方面在此基礎上進行技術深耕，不斷擴展其內容和功能；另一方面對模型的建立和應用方式進行推廣，應用到其他的相關設備上，逐步形成數字孿生技術體系，覆蓋各個海上采油平臺以及由其組成的作業區域[3-5]。

在數字孿生技術應用的過程中，還需要不斷結合其他工業現代化技術，例如虛擬現實技術、人工智能技術等。各類技術的整合應用，將會更加全面地展現現場生產維護的實際狀況，形成從數據監測到生產決策再到設備評估的全過程智能化[6-9]。

4 結論

本文介紹了數字孿生技術的概念及其發生發展過程，列舉了其應用的不同領域。結合海上采油平臺數據應用的現狀，闡述了數字孿生技術應用的關鍵方面及應用前景。目前而言，海上采油平臺設施設備對于數字孿生技術的應用還處于基礎建設的起步階段，需要長時間的研發和實測才能完成建立。但數據孿生技術在海上采油平臺應用，可以為操作及維護人員提供詳細的數據分析、直觀的狀態展示和可靠的決策支持，有利于提高生產和維護效率，大幅度降低生產過程中的風險。