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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(xiàng)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(dòng)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(shí)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(diǎn)研究方向。目前，國(guó)內(nèi)外已在油氣藏、鉆井、管道、平臺(tái)、資產(chǎn)監(jiān)管等多場(chǎng)景進(jìn)行了技術(shù)探索，但由于各業(yè)務(wù)模型獨(dú)立搭建，仍存在數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題，并且虛實(shí)雙向聯(lián)動(dòng)尚未實(shí)現(xiàn)，因此未真正發(fā)揮數(shù)字孿生的價(jià)值。針對(duì)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(tái)，它通過(guò)一個(gè)中心（展示協(xié)同中心）和三個(gè)中臺(tái)（數(shù)據(jù)、技術(shù)、業(yè)務(wù)中臺(tái)）的技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)資源共享、信息互聯(lián)、協(xié)同管理。該平臺(tái)已完成共享辦公場(chǎng)景和可視化設(shè)備管理場(chǎng)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(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；油田一體化工作平臺(tái)；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(jìn)的信息技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為油氣行業(yè)的重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)降本增效并確保長(zhǎng)期可持續(xù)運(yùn)營(yíng)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(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建中國(guó)石油與數(shù)字孿生體融合交互的閉環(huán)系統(tǒng)，推進(jìn)實(shí)體業(yè)務(wù)與數(shù)字化世界的雙向連接運(yùn)行，形成內(nèi)外部連接、共享、協(xié)同機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)降本增效、協(xié)同共享、持續(xù)創(chuàng)新、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控和智慧決策，可不斷提高全員勞動(dòng)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(hù)、鉆井、管道、平臺(tái)、場(chǎng)站、油氣藏等方面^[1,3]。例如挪威FutureOn公司開(kāi)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(guò)數(shù)字孿生模型模擬油氣開(kāi)發(fā)，有效提高了方案設(shè)計(jì)效率并降低了探索成本^[5]。斯倫貝謝、SekalAS、哈里伯頓等公司實(shí)現(xiàn)了鉆井場(chǎng)景的數(shù)字孿生，他們通過(guò)可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化的控制，有效提高了作業(yè)效率和安全性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患的全范圍排查和及時(shí)治理^[6-8]。隨著國(guó)內(nèi)研究的發(fā)展，2018年新疆油田開(kāi)啟了一項(xiàng)大型的數(shù)字工廠試點(diǎn)建設(shè)，其數(shù)字孿生范圍覆蓋處理站庫(kù)設(shè)計(jì)、施工建造、生產(chǎn)運(yùn)行及維護(hù)各階段，實(shí)現(xiàn)全生命周期的監(jiān)測(cè)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(chǎng)景模型獨(dú)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(wèn)題；其次，數(shù)字孿生技術(shù)未與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，無(wú)法做到虛實(shí)結(jié)合聯(lián)動(dòng)，僅僅是冰冷的三維模型，體現(xiàn)不出孿生體的價(jià)值。故數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)僅作為一項(xiàng)信息技術(shù)，不具備任何功能。它需要與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)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(tái)服務(wù)應(yīng)用，才能最終以孿生模型的形式展現(xiàn)。

針對(duì)現(xiàn)有不足，本研究將物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，建立了一體化協(xié)同交互平臺(tái)，并將油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、管理決策等過(guò)程映射到數(shù)字孿生世界，通過(guò)場(chǎng)景畫(huà)像與系統(tǒng)融合搭建了一體化數(shù)字孿生平臺(tái)，虛擬人物與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)在孿生體中按需流動(dòng)、協(xié)同工作，并通過(guò)數(shù)據(jù)融合與機(jī)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的場(chǎng)景呈現(xiàn)，生動(dòng)且具有代入感，從而達(dá)到以數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)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(tái)

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

圖1 一體化數(shù)字孿生平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)中臺(tái)：將工程建設(shè)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、經(jīng)營(yíng)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(jìn)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(tái)業(yè)務(wù)部門提供所需數(shù)據(jù)。中臺(tái)的數(shù)據(jù)集中與共享能力有助于解決“數(shù)據(jù)孤島”問(wèn)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(yùn)營(yíng)精細(xì)化。

（2）技術(shù)中臺(tái)：融合數(shù)字孿生、智能物聯(lián)、人工智能等先進(jìn)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(tái)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(tái)：依托業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在數(shù)據(jù)中臺(tái)的基礎(chǔ)之上，將油田業(yè)務(wù)應(yīng)用核心功能進(jìn)行抽象和重新設(shè)計(jì)，以此沉淀為可復(fù)用的業(yè)務(wù)中臺(tái)能力。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，圍繞數(shù)字孿生、智能物聯(lián)、勘探開(kāi)發(fā)一體化、生產(chǎn)運(yùn)行一體化、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)一體化、綜合管理等典型應(yīng)用場(chǎng)景，重新組合設(shè)計(jì)形成數(shù)字化交付、三維可視化、井筒服務(wù)、財(cái)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(tái)能力，以此支撐上層業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景便捷、高效的開(kāi)發(fā)模式。通過(guò)業(yè)務(wù)中臺(tái)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(zhǎng)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(gè)工作人員的角色和場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)“千人千面”。

一體化數(shù)字孿生平臺(tái)基于上述架構(gòu)可快速構(gòu)建數(shù)字孿生應(yīng)用，平臺(tái)底層提供數(shù)字孿生及可視化組件，用戶可通過(guò)組件化方式進(jìn)行擴(kuò)展，形成新的數(shù)字孿生相關(guān)應(yīng)用。并且，平臺(tái)能夠通過(guò)MQTT、HTTP等協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，依托平臺(tái)層的AI算法庫(kù)，可對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析挖掘，支撐油氣田生產(chǎn)運(yùn)行、生產(chǎn)保障、技術(shù)分析、管理決策、安全環(huán)保等多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)云管理。此外，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生與生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的無(wú)縫銜接。平臺(tái)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(yíng)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)字孿生模型為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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(tái)在油氣田的應(yīng)用探索

3.1  共享辦公場(chǎng)景建設(shè)

共享辦公場(chǎng)景建設(shè)以現(xiàn)實(shí)辦公環(huán)境為孿生體，建立高度逼真的虛擬辦公場(chǎng)景，將現(xiàn)實(shí)工作中的辦公流程實(shí)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(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)跨地域的連接與互動(dòng)、生產(chǎn)場(chǎng)景全息共享、現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題及時(shí)有效呈現(xiàn)以及人與人、人與生產(chǎn)業(yè)務(wù)互聯(lián)互動(dòng)，從而達(dá)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(huì)議室效果圖

圖4 共享決策效果圖

目前，該場(chǎng)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(yuǎn)程工作，有效解決了油氣田員工辦公場(chǎng)所分散、溝通難的問(wèn)題。此外，員工可以直接在虛擬會(huì)議室共享數(shù)據(jù)、共享3D模型、共享生產(chǎn)場(chǎng)景及生產(chǎn)業(yè)務(wù)等，將現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題直觀呈現(xiàn)，便于多方協(xié)同、共同決策。并且，將文字、語(yǔ)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(bào)告廳中進(jìn)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(yùn)行問(wèn)題和信道安全問(wèn)題，使會(huì)議系統(tǒng)更高效、生動(dòng)。

3.2  可視化設(shè)備管理場(chǎng)景建設(shè)

可視化設(shè)備管理場(chǎng)景建設(shè)如圖5所示，以全廠設(shè)備健康狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化展示、自動(dòng)分析為核心，將設(shè)備的靜態(tài)信息、實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和檢修信息等接入一體化孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)中臺(tái)，并借助數(shù)字孿生、視頻識(shí)別、智能物聯(lián)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)備仿真、定期工作、故障預(yù)警、狀態(tài)評(píng)價(jià)等，協(xié)助完成設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)、風(fēng)險(xiǎn)分析、檢修決策等工作，最終達(dá)到設(shè)備運(yùn)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(chǎng)景建設(shè)有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域無(wú)人巡檢，一線員工可在集控室、辦公室等區(qū)域通過(guò)電腦在數(shù)字孿生世界高效、快捷、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和環(huán)境的真實(shí)情況，并可查看來(lái)自多個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和隱患風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。此外，通過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以優(yōu)化設(shè)備的維護(hù)計(jì)劃和保養(yǎng)周期，提高維護(hù)效率和設(shè)備壽命。對(duì)于設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的預(yù)測(cè)，有效避免意外停機(jī)情況的發(fā)生，節(jié)省維修成本，提高設(shè)備使用效能。同時(shí)，一體化數(shù)字孿生平臺(tái)將多個(gè)系統(tǒng)重新整合，實(shí)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(shì)，可進(jìn)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(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)的智能聯(lián)動(dòng)。

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(diǎn)研究對(duì)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(chǎng)景應(yīng)用獨(dú)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(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有不足，本文提出的一體化數(shù)字孿生平臺(tái)通過(guò)接口可將多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)集成，并采用數(shù)字孿生技術(shù)以超現(xiàn)實(shí)的可視化方式呈現(xiàn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，為油氣行業(yè)的勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、煉化等賦能。目前，該平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)在共享辦公場(chǎng)景和可視化設(shè)備管理場(chǎng)景的應(yīng)用探索，助力了協(xié)同辦公、無(wú)人巡檢以及設(shè)備維檢修效率的提升。未來(lái)，我們還將積極探索該平臺(tái)在油氣藏、可視化生產(chǎn)等場(chǎng)景的研究，更加全面地管理和優(yōu)化油氣田的生產(chǎn)過(guò)程，提高油氣開(kāi)采效率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步推動(dòng)油氣行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

作者簡(jiǎn)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(wèn)工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年4月刊