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★昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司宋子平

★北京興油工程項目管理有限公司葛亮

★昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司高亮，韓宏志，陳冰

摘要：數(shù)字孿生技術(shù)作為推動油田生產(chǎn)效率提升、助力企業(yè)降本增效、安全管理以及實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一，已成為油氣行業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點研究方向。目前，國內(nèi)外已在油氣藏、鉆井、管道、平臺、資產(chǎn)監(jiān)管等多場景進行了技術(shù)探索，但由于各業(yè)務(wù)模型獨立搭建，仍存在數(shù)據(jù)孤島問題，并且虛實雙向聯(lián)動尚未實現(xiàn)，因此未真正發(fā)揮數(shù)字孿生的價值。針對現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的不足，本研究推出了一體化數(shù)字孿生平臺，它通過一個中心（展示協(xié)同中心）和三個中臺（數(shù)據(jù)、技術(shù)、業(yè)務(wù)中臺）的技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)資源共享、信息互聯(lián)、協(xié)同管理。該平臺已完成共享辦公場景和可視化設(shè)備管理場景的應(yīng)用研究，能夠有效提高生產(chǎn)決策效率和設(shè)備使用效能，具備良好的推廣和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；油田一體化工作平臺；共享辦公；可視化設(shè)備管理

石油與天然氣作為能源行業(yè)的重要組成部分，當(dāng)前它們的生產(chǎn)效率仍有很大提升空間，因此利用先進的信息技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為油氣行業(yè)的重點研究方向^[1]。其中，數(shù)字孿生技術(shù)作為可視化管控、高效協(xié)同生產(chǎn)制造、全生命周期管理的重要手段，成為企業(yè)實現(xiàn)降本增效并確保長期可持續(xù)運營發(fā)展的關(guān)鍵^[2,3]。將數(shù)字孿生技術(shù)與油氣行業(yè)發(fā)展進行有機結(jié)合，構(gòu)建中國石油與數(shù)字孿生體融合交互的閉環(huán)系統(tǒng)，推進實體業(yè)務(wù)與數(shù)字化世界的雙向連接運行，形成內(nèi)外部連接、共享、協(xié)同機制，可實現(xiàn)降本增效、協(xié)同共享、持續(xù)創(chuàng)新、風(fēng)險預(yù)控和智慧決策，可不斷提高全員勞動生產(chǎn)率和資產(chǎn)創(chuàng)效能力^[4]。

1　數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在資產(chǎn)監(jiān)控維護、鉆井、管道、平臺、場站、油氣藏等方面^[1,3]。例如挪威FutureOn公司開發(fā)了可以將海上油氣田完全映射建立數(shù)字孿生體的軟件FieldTwin，業(yè)主可通過數(shù)字孿生模型模擬油氣開發(fā)，有效提高了方案設(shè)計效率并降低了探索成本^[5]。斯倫貝謝、SekalAS、哈里伯頓等公司實現(xiàn)了鉆井場景的數(shù)字孿生，他們通過可視化的實時監(jiān)測和自動化的控制，有效提高了作業(yè)效率和安全性，實現(xiàn)風(fēng)險隱患的全范圍排查和及時治理^[6-8]。隨著國內(nèi)研究的發(fā)展，2018年新疆油田開啟了一項大型的數(shù)字工廠試點建設(shè)，其數(shù)字孿生范圍覆蓋處理站庫設(shè)計、施工建造、生產(chǎn)運行及維護各階段，實現(xiàn)全生命周期的監(jiān)測與管理^[9]。

然而，目前數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用還存在較大局限性^[10]。首先，各業(yè)務(wù)場景模型獨立搭建，不利于數(shù)據(jù)互通，暴露了信息化建設(shè)階段信息孤島的問題；其次，數(shù)字孿生技術(shù)未與現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)連接，無法做到虛實結(jié)合聯(lián)動，僅僅是冰冷的三維模型，體現(xiàn)不出孿生體的價值。故數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)僅作為一項信息技術(shù)，不具備任何功能。它需要與物聯(lián)網(wǎng)平臺、SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)等結(jié)合，實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的實時采集、存儲以及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)調(diào)用，并支撐平臺服務(wù)應(yīng)用，才能最終以孿生模型的形式展現(xiàn)。

針對現(xiàn)有不足，本研究將物聯(lián)網(wǎng)云平臺與大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等多種技術(shù)有機結(jié)合，建立了一體化協(xié)同交互平臺，并將油田生產(chǎn)現(xiàn)場、管理決策等過程映射到數(shù)字孿生世界，通過場景畫像與系統(tǒng)融合搭建了一體化數(shù)字孿生平臺，虛擬人物與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)在孿生體中按需流動、協(xié)同工作，并通過數(shù)據(jù)融合與機理仿真打通了所有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)業(yè)務(wù)以實時動態(tài)優(yōu)化的場景呈現(xiàn)，生動且具有代入感，從而達到以數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動油氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。

2　構(gòu)建一體化數(shù)字孿生平臺

一體化數(shù)字孿生平臺內(nèi)置數(shù)字孿生技術(shù)引擎，向下通過接口實現(xiàn)集成業(yè)務(wù)系統(tǒng)的能力，向上以超現(xiàn)實的視覺呈現(xiàn)方式展現(xiàn)業(yè)務(wù)場景與操作流程，并且可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)場景中所涉及到的視覺模型的快速建設(shè)和場景定義。系統(tǒng)整體架構(gòu)由一個中心（展示協(xié)同中心）、三個中臺（數(shù)據(jù)、技術(shù)、業(yè)務(wù)中臺）組成，如圖1所示。

圖1 一體化數(shù)字孿生平臺技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)中臺：將工程建設(shè)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、經(jīng)營管理數(shù)據(jù)、油藏地質(zhì)數(shù)據(jù)、安全環(huán)保數(shù)據(jù)、音頻視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)接入，并進行數(shù)據(jù)治理、建模分析、口徑統(tǒng)一等處理，再以API方式為前臺業(yè)務(wù)部門提供所需數(shù)據(jù)。中臺的數(shù)據(jù)集中與共享能力有助于解決“數(shù)據(jù)孤島”問題，并支撐業(yè)務(wù)部門的服務(wù)應(yīng)用落地，提升了決策效率和運營精細(xì)化。

（2）技術(shù)中臺：融合數(shù)字孿生、智能物聯(lián)、人工智能等先進成熟技術(shù)，基于主流DockerKubernetesPaaS基礎(chǔ)架構(gòu)構(gòu)建，為業(yè)務(wù)中臺和應(yīng)用提供底層技術(shù)資源和能力支持。

（3）業(yè)務(wù)中臺：依托業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)場景，在數(shù)據(jù)中臺的基礎(chǔ)之上，將油田業(yè)務(wù)應(yīng)用核心功能進行抽象和重新設(shè)計，以此沉淀為可復(fù)用的業(yè)務(wù)中臺能力。整個系統(tǒng)的架構(gòu)，圍繞數(shù)字孿生、智能物聯(lián)、勘探開發(fā)一體化、生產(chǎn)運行一體化、生產(chǎn)經(jīng)營一體化、綜合管理等典型應(yīng)用場景，重新組合設(shè)計形成數(shù)字化交付、三維可視化、井筒服務(wù)、財務(wù)共享、人力資源服務(wù)、數(shù)據(jù)監(jiān)控等業(yè)務(wù)中臺能力，以此支撐上層業(yè)務(wù)應(yīng)用場景便捷、高效的開發(fā)模式。通過業(yè)務(wù)中臺服務(wù)的建設(shè)，共享可復(fù)用的核心業(yè)務(wù)能力，能夠大幅度提升業(yè)務(wù)系統(tǒng)交付質(zhì)量、延長業(yè)務(wù)系統(tǒng)生命周期。

（4）展示協(xié)同中心：提供跨設(shè)備、多環(huán)境的應(yīng)用展示和協(xié)同環(huán)境，支持2D、3D等多種展示形式，是應(yīng)用展示與工作協(xié)同的入口，可適配每個工作人員的角色和場景，實現(xiàn)“千人千面”。

一體化數(shù)字孿生平臺基于上述架構(gòu)可快速構(gòu)建數(shù)字孿生應(yīng)用，平臺底層提供數(shù)字孿生及可視化組件，用戶可通過組件化方式進行擴展，形成新的數(shù)字孿生相關(guān)應(yīng)用。并且，平臺能夠通過MQTT、HTTP等協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，依托平臺層的AI算法庫，可對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析挖掘，支撐油氣田生產(chǎn)運行、生產(chǎn)保障、技術(shù)分析、管理決策、安全環(huán)保等多個生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，實現(xiàn)生產(chǎn)云管理。此外，還可實現(xiàn)數(shù)字孿生與生產(chǎn)運營的無縫銜接。平臺依托數(shù)字孿生云渲染技術(shù)，以數(shù)字化交付數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，融合生產(chǎn)經(jīng)營的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字孿生模型為生產(chǎn)經(jīng)營提供更為直觀、全面、多樣的數(shù)據(jù)展示形式。

3　一體化數(shù)字孿生平臺在油氣田的應(yīng)用探索

3.1  共享辦公場景建設(shè)

共享辦公場景建設(shè)以現(xiàn)實辦公環(huán)境為孿生體，建立高度逼真的虛擬辦公場景，將現(xiàn)實工作中的辦公流程實體化地、直觀地展示，用戶可在系統(tǒng)內(nèi)直接操作、協(xié)同工作，實現(xiàn)沉浸式虛擬辦公，如圖2所示。

圖2 虛擬辦公室示例圖

在已有會議系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，如圖3所示，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)跨地域的連接與互動、生產(chǎn)場景全息共享、現(xiàn)場問題及時有效呈現(xiàn)以及人與人、人與生產(chǎn)業(yè)務(wù)互聯(lián)互動，從而達到高效共享，避免誤判，提高了決策效率，如圖4所示。

圖3 協(xié)同會議室效果圖

圖4 共享決策效果圖

目前，該場景已在中石油某海外油田部署應(yīng)用。用戶可在虛擬辦公室中遠程工作，有效解決了油氣田員工辦公場所分散、溝通難的問題。此外，員工可以直接在虛擬會議室共享數(shù)據(jù)、共享3D模型、共享生產(chǎn)場景及生產(chǎn)業(yè)務(wù)等，將現(xiàn)場問題直觀呈現(xiàn)，便于多方協(xié)同、共同決策。并且，將文字、語音、視頻信息采用加密、差異傳輸?shù)燃夹g(shù)在虛擬多功能報告廳中進行準(zhǔn)確的綜合展示和使用，解決了低帶寬鏈路下系統(tǒng)平穩(wěn)運行問題和信道安全問題，使會議系統(tǒng)更高效、生動。

3.2  可視化設(shè)備管理場景建設(shè)

可視化設(shè)備管理場景建設(shè)如圖5所示，以全廠設(shè)備健康狀態(tài)實時可視化展示、自動分析為核心，將設(shè)備的靜態(tài)信息、實時運行參數(shù)和檢修信息等接入一體化孿生平臺數(shù)據(jù)中臺，并借助數(shù)字孿生、視頻識別、智能物聯(lián)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，實現(xiàn)設(shè)備仿真、定期工作、故障預(yù)警、狀態(tài)評價等，協(xié)助完成設(shè)備保養(yǎng)維護、風(fēng)險分析、檢修決策等工作，最終達到設(shè)備運行安全可靠、檢修成本合理的閉環(huán)管理目標(biāo)。

圖5 工藝流程可視化效果圖

圖6 設(shè)備巡檢效果圖

如圖6所示，可視化設(shè)備管理場景建設(shè)有助于實現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域無人巡檢，一線員工可在集控室、辦公室等區(qū)域通過電腦在數(shù)字孿生世界高效、快捷、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場設(shè)備和環(huán)境的真實情況，并可查看來自多個系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和隱患風(fēng)險預(yù)警。此外，通過數(shù)字孿生技術(shù)，模擬設(shè)備在不同工作條件下的性能和行為，并進行數(shù)據(jù)分析，可以優(yōu)化設(shè)備的維護計劃和保養(yǎng)周期，提高維護效率和設(shè)備壽命。對于設(shè)備實際運行狀態(tài)的監(jiān)測，還可實現(xiàn)對設(shè)備故障的預(yù)測，有效避免意外停機情況的發(fā)生，節(jié)省維修成本，提高設(shè)備使用效能。同時，一體化數(shù)字孿生平臺將多個系統(tǒng)重新整合，實現(xiàn)了資源共享和信息互通互聯(lián)，充分發(fā)揮了一體化管控的技術(shù)優(yōu)勢，可進行標(biāo)準(zhǔn)化、流程化的管理，可構(gòu)建多系統(tǒng)的協(xié)同化，實現(xiàn)了多系統(tǒng)的智能聯(lián)動。

4　結(jié)論

數(shù)字孿生技術(shù)作為具有極大發(fā)展?jié)摿Φ目萍际侄危殉蔀楦餍袠I(yè)的重點研究對象之一，但目前其在油氣行業(yè)仍處于初步探索階段，并存在場景應(yīng)用獨立、系統(tǒng)建設(shè)分散、生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)分割、數(shù)據(jù)不互通等問題。針對現(xiàn)有不足，本文提出的一體化數(shù)字孿生平臺通過接口可將多個獨立系統(tǒng)集成，并采用數(shù)字孿生技術(shù)以超現(xiàn)實的可視化方式呈現(xiàn)業(yè)務(wù)場景，為油氣行業(yè)的勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、煉化等賦能。目前，該平臺已實現(xiàn)在共享辦公場景和可視化設(shè)備管理場景的應(yīng)用探索，助力了協(xié)同辦公、無人巡檢以及設(shè)備維檢修效率的提升。未來，我們還將積極探索該平臺在油氣藏、可視化生產(chǎn)等場景的研究，更加全面地管理和優(yōu)化油氣田的生產(chǎn)過程，提高油氣開采效率，降低生產(chǎn)成本，進一步推動油氣行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

作者簡介：

宋子平（1998-），女，河北平泉人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)咨詢顧問工作。

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摘自《自動化博覽》2023年4月刊