數字孿生技術助力行業智慧綠色升級

文｜尹光榮 齊蕾

數字孿生這個名詞來源于英語Digital Twin，也稱為數字雙孿、數字映射和數字化雙胞胎等。數字孿生的概念最早提出是用來描述產品的生產制造和實時虛擬化呈現，但受限于當時的技術水平，該理念沒有獲得廣泛的應用。以iTwin數字孿生平臺為例，它集成多種類型的原生數據格式，存儲在統一的結構化數據庫中，這包括不同軟件廠商的三維模型、二維圖紙、實景模型、點云等，同時提供地理信息的數據接口，建立真實的“工程數字孿生”。它反映的是一種將虛擬的信息世界與現實的物理世界融合互生，從而超越傳統現實的概念。

數字孿生的數據來源于物理實體，而數據模型是利用數據建立的物理實體的映射，現實與虛擬世界之間利用數據和信息通道進行雙向動態數據交互，在這個過程中數據模型不斷自我學習完善，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和制造中的問題，以及產品的全生命周期管理提供了新的方法。目前越來越多的學者關注和重視數字孿生技術，研究并將其用于解決實際的工程問題。Bentley iTwin服務使工程公司能夠創建、可視化和分析基礎設施項目和資產的數字孿生。

圖1 iTwin全生命周期全行業數據描述框架

在國家“十四五”規劃中，提出要大力推動傳統業務和數字化技術融合創新，鼓勵傳統行業積極開展數字化轉型。海洋石油平臺作為一種定制化的大型工業產品，一方面屬于傳統制造業范疇，另一方面又與流水線制造的產品有所區別。數字孿生所衍生的智能制造在海洋石油平臺設計中有著自己的特點，貫穿于設計、建造、安裝與運維等整個工程項目生命周期的全部過程，對于提高海洋石油平臺研發和設計水平、建造施工效率和質量、海上安裝可操作性和精度、在役改造和運維可預測性具有重要意義，同樣對于降低碳排放、實現綠色能源轉型具有現實意義。

設計與數字孿生

圖2 設計階段的數字孿生

圖3 某協同設計平臺整體架構

圖4 建造階段的數字孿生

設計是整個工程建設項目實施階段的開始，通常采用計算機信息化手段模擬和仿真完成設計成果，其實質就是利用專業知識創建和驗證數據模型的過程，可以說設計與數字孿生有天生的聯系。在設計階段，利用數字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產品在真實環境中的性能。目前國內海洋平臺設計階段僅僅主要包括數字模型設計以及各專業的模擬和仿真，還遠遠達不到數字孿生的技術水平，主要欠缺以下兩個方面：

一是設計內部各專業之間，以及與各廠家資料之間的數據協同，保障數據交換的流暢性和準確性。二是設計內部各專業通過建造、安裝以及運維與現實中的海洋平臺建立雙向數據交換通道。

第一點是近年來國內外各大能源工程企業的數字化、智能化轉型主要方向之一，在這兩年的新冠疫情影響下，國內企業數字化進程大大加快。以國內某海洋石油工程公司為例，面對疫情來襲，積極推進數字化轉型頂層設計，搭建協同設計平臺，統一數據編碼，有效推進生產的過程管理、專業設計、設計工具、上下游等四個維度協同，實現全鏈條一體化貫通，大幅提升生產效率。

設計一般直接面對的是虛擬世界作業，通過建造、安裝和運維等其他階段影響物理實體，因此第二點的重點是不同業務階段或者不同板塊之間的數據協同，這是實現數字孿生最主要的困難，也是未來的重點發展方向。在數字孿生的驅動下，實現海洋石油平臺設計、建造、安裝與運維全過程在虛實空間迭代優化的一種產業新模式。這種基于數字孿生的新模式為實現海洋石油工程全產業鏈的信息物理系統提供了新思路，同時也為智能海洋石油平臺跨域協同仿真、測試、驗證、評估及檢驗能力建設提供了新的理念和工具。

建造與數字孿生

目前世界各國分別提出了國家層面的制造業轉型戰略。這些戰略核心目標之一就是構建物理信息系統，實現物理工廠與信息化的虛擬工廠的交互和融合，從而實現智能制造，數字孿生是實現物理工廠與虛擬工廠交互融合的最佳途徑。信息技術的不斷發展推動了人工智能、物聯網、云計算等新技術的廣泛應用，從而使數字孿生成為了實踐工業化智能制造理念的使能技術與手段，有效解決了智能制造的信息物理融合難題，數字孿生技術在智能制造領域展現了良好的應用前景。

傳統的海洋平臺建造過程是一種勞動密集型活動，需要大量的鋼結構件卷制、切割、焊接、組對和吊裝等工序，人員、機器設備和材料投入量大，在整個項目的費用和進度影響占比非常大，并且建造與上游設計、下游安裝和運維的數據交互少、數據通用性和實時性差。因此海洋平臺建造對基于數字孿生技術的智能制造有迫切的需求，也是實現智能制造的理想場所。

海洋平臺建造階段的數字孿生主要體現在智能車間和智能生產兩個方面。智能車間包括自動化的加工設計、預制、焊接和組對等工序作業，是影響實體產品的過程；智能生產包括生產仿真和執行、物料和生產管理、計劃與調度管理、設備與物流管理，以及監控評價和反饋機制等，是影響虛擬產品的過程。建造最終將平臺的實體產品和虛擬產品提供給業主和下游階段。數字孿生技術能夠將物理世界中的實體設備與信息世界中的虛擬設備連接在一起，虛擬設備可以實時反映實體設備的生產情況并對實際生產過程進行控制，從而增加生產系統的靈活性，提高生產效率和產品質量，降低能耗和物耗。

目前國內對智能制造、智慧工廠研究和投入較多，在海洋工程裝備領域應用也比較成熟。以最近投產的國內海洋油氣裝備制造行業首個智能工廠——“天津海洋工程裝備智能制造基地”為例，該基地是集海洋工程建造、油氣田運維保障以及海洋工程創新研發等功能為一體的綜合性高端智能制造基地，重點發展油氣生產平臺上部模塊、FPSO模塊、LNG模塊等產品的智能制造。板材型材自動切割、甲板片機器人焊接、H型鋼智能打磨及組對、工藝管件自動打磨焊接、智能化倉儲等一系列智能制造技術，將應用在項目各生產環節中，從而大幅提升生產效率和產品質量，實現工程項目的高效率生產和高質量交付。

安裝與數字孿生

海洋平臺安裝階段主要包括平臺的裝船、拖航、吊裝、下水、座底、打樁等作業，海上施工風險大、工期短、精度要求高，為了降低海上施工風險，每次重大作業前都要進行施工方案分析、評估和預演，作業時需要持續實時的狀態監測數據指導并調整?？傊?，海上作業對方案可行性和數據監測反饋時效性提出很高的要求。

海上施工方案一般由設計和施工方根據圖紙和三維模型，并結合以往項目經驗來確定，相關人員的個人經驗和專業水平決定了方案的可行性。海上監測一般是在平臺或者作業船上布置傳感器，記錄下施工過程中的各種數據，然后下載到本地進行數據分析，數據的獲得和處理非常不及時，無法對施工進行預測和指導。

圖5 安裝階段的數字孿生

數字孿生關鍵技術包括傳感器數據的實時傳輸、搜集和應用集成，以及結合物理傳感器輸入的數據進行快速、實時的仿真與預測。海洋平臺安裝階段的數字孿生主要體現在海上施工智能實時監測系統和海上施工作業數字化仿真系統。

以海上打樁施工為例，一方面打樁控制站可以實時監測樁錘和打樁狀態數據；另一方面現場動測可以實時監測打樁過程中的速度加速度和應力應變等數據，據此可推算出土壤阻力、承載力等結果。兩部分監測數據相互獨立，不能及時預測打樁風險和指導現場作業。圖6所示的海上打樁智能實時監測系統可以很好的解決此問題。

圖6 某海上打樁智能實時監測系統整體架構

數字孿生與運維

海洋平臺運維周期遠大于平臺設計建造周期，而大量的數據響應和基礎迭代也是來自于運維階段，所以運維向的交互，將更能體現數字孿生本身在物理對象和數字空間的雙向映射、動態交互和實時連接的價值。近年來，國內外海洋油氣行業的數字化、智能化轉型帶動了基于數字孿生技術的海洋石油平臺數字化和油田運維智能化發展，實現包括生產和設備控制、平臺維修和改造、平臺預測預警等無人化和科學化管理。

圖7展示了某智能油田運維系統整體架構圖，該系統應用層包括了安全管理、油藏管理、生產管理、現場巡檢、設備運維、環境能耗管理和遠程決策等業務。通過信息化、智能化手段，實現實時監測預警、遠程操作控制、海陸協同作業，轉變生產方式和管理模式，最終達到減員降本、提質增效、安全管控的目的。

圖7 運維階段的數字孿生

圖8 某智能油田運維系統整體架構

圖9 海洋石油平臺數字孿生系統整體架構

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。

目前而言，海洋石油平臺全生命周期內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應用才能完全建立。但是數字孿生技術可以打通海上油氣開發上下游的信息孤島限制，讓數據能順暢流通，可以為各階段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，有利于提高整個工程項目建設、生產和維護效率，大幅度降低各過程中的風險。在更實際的未來世界中，還可以利用數字孿生技術，將海洋石油平臺物理實體內包含的全部信息進行數字化、關聯化，從設計方案、建造過程、安裝和運維階段等全壽命周期的信息內，發掘和應用藏在背后的數據價值。